Магнитное поле — определение, индукция, характеристики и обзор его источников

Согласно историческим летописям, магнитные свойства людям были известны и применялись очень давно. В 1100 г. до н. э. древние путешественники уже пользовались компасом. Появление слова «магнит» связывают с названием местности Магнезия в Греции. Местность примечательна тем, что там располагается гора, которая в грозу притягивает молнии. На Урале тоже есть такая гора – Магнитная. Ее почти полностью составляет магнетит.

Способность железа притягивать известна людям тысячи лет. Кроме притяжения, еще был известен и факт отталкивания предметов друг от друга. Например, магнит отталкивает медь. В древности заметили также, что одна сторона магнита притягивает железо, а другая отталкивает. Научное объяснение причин всех этих явлений было дано далеко не сразу.

Содержание

Понятие магнитного поля

Заряженные электроны вращаются вокруг собственной оси и вращаются по орбите вокруг ядра атома. Такое движение создает электрический ток, создающий, в свою очередь, магнитное поле. Вращение электронов в одну сторону создает магнитный момент.

Все атомы разделены на домены (группы). В каждом домене более миллиарда атомов, которые имеют общее направление и в сумме дают значительный магнитный момент.

В теле или предметах домены расположены не упорядоченно, поэтому тело может не иметь магнитного момента. Если тело поместить в магнитное поле, все домены выстраиваются в одном направлении, при этом их магнитные моменты суммируются.

Притяжение намагниченных предметов объясняется тем, что любое тело или система всегда пытаются занять положение, когда энергия (потенциальная) будет стремиться к нулю. Если магниты касаются друг друга, их энергия меньше, чем у расположенных на расстоянии.

Сила, ориентирующая стрелку компаса в пространстве, называется магнитной. Тело или предмет, имеющие собственное магнитное поле, называют постоянным магнитом.

Магнитное поле и электрическое поле являются неотъемлемыми и взаимосвязанными компонентами, создающими единое целое – электромагнитное поле.

Первым описал внутренние процессы электромагнитного поля Джеймс Клерк Максвелл. Изменения поля создают электромагнитную волну. Волна распространяется в диэлектрической среде (в пустоте тоже). Скорость распространения зависит напрямую от магнитной проницаемости диэлектрической среды. В вакууме скорость волны равна скорости распространения света.

Движущиеся электрические заряды являются источником магнитного поля, которое возникает в пространстве около проводника с током. Это доказал Эрстед в 1820 году с помощью опыта, при котором магнитная стрелка компаса отклонялась под действием электричества.

Виды магнитного поля

Магнитное поле изображают замкнутыми по контуру и не имеющими начала и конца (в отличие от изображения электрического поля) силовыми линиями – линиями магнитного потока.

Магнит имеет два полюса: северный и южный. Магнитное поле обладает большей силой у полюсов. Направление силовых линий при изображении ориентируют на выход из северного полюса и на вход – в южный. Одинаковые полюса магнитов отталкиваются, а противоположные – притягиваются.

Магнитное поле, в котором действие силы не совпадает по модулю и направлению, является неоднородным. Если действие силы одинаковое во всех точках, магнитное поле считается однородным.

Свойства однородного магнитного поля

Его магнитные линии параллельны, находятся на одинаковом расстоянии и имеют одинаковую постоянную густоту. Примером однородного поля является соленоид – длинная, прямая, плотно намотанная виток к витку, катушка.

Сила

Cила, возникающая между двумя движущимися в одном направлении заряженными телами, и притягивающая их друг к другу, называется магнитная. Если эти тела движутся в разных направлениях, магнитная сила заставляет их отталкиваться между собой.

Магнитная сила, воздействующая на движущийся заряд, называется силой Лоренца. Она не меняет величину скорости, изменяя только направление, так как перпендикулярна вектору скорости частицы:

F = q*(E + v*B),

F – сила;

q – электрический заряд;

E – внешнее электрическое поле;

v – скорость;

B – магнитное поле.

Измеряется в Н – ньютонах.

Индукция

Силу магнитного поля характеризует вектор магнитной индукции В (аналогично вектору напряженности Е электрического поля). Он определяет силы, действующие на движущиеся заряды в магнитном поле. Положительным является направление магнитной стрелки, свободно установленной в магнитном поле, от южного полюса к северному.

Электромагнитную индукцию описал знаменитый английский физик М. Фарадей в 1831 году. Суть открытого им явления – меняющийся во времени магнитный поток, воздействуя на замкнутый проводящий контур, создает в контуре электрический ток:

Ф = В*S*cos a,
Ф – магнитный поток;
В – модуль вектора магнитной индукции;
S – площадь контура;
А – угол между вектором В и n – нормалью к плоскости контура.
Измеряется в веберах (Вб).

Магнитный поток в 1 Вб создан магнитным полем с индукцией 1 Тл.

1 ВБ = 1 Тл*1 м2.

Направление

В магнитном поле, создаваемом проводником с током, магнитные стрелки разместятся в виде концентрических окружностей вдоль линий магнитного поля. Направление магнитных линий всегда связано с направлением электрического тока.

Существует правило буравчика (правило правой руки), которое это объясняет – если вкручивать правый буравчик по направлению тока, то направление движения ручки буравчика показывает направление магнитных линий.

Энергия тока

Энергия магнитного поля показывает, какую работу совершил электрический ток в проводнике, создав это магнитное поле. Энергия магнитного поля равна половине произведения индуктивности цепи на квадрат силы тока.

Формула ее расчета очень похожа на формулу расчета кинетической энергии – кинетическая энергия прямо пропорциональна массе движущегося предмета и квадрату скорости его движения.

Источники магнитного поля

Магнитное поле образуется движущимися заряженными частицами, меняющимся во времени электрическим полем, постоянными магнитами.

Применение

Магнитное поле используется при записи на магнитную пленку, поезд на магнитной подушке развивает скорость свыше 600 км/ч и двигается над поверхностью без трения, при работе мозга и сердца возникают электрические импульсы и магнитное поле.

В зависимости от силы магнитных свойств, вещества классифицируются в несколько групп. Рассмотрим некоторые из них.

Слабомагнитные вещества делятся на:

Парамагнетики – при воздействии внешнего магнитного поля, собственное магнитное поле вещества начинает совпадать с направлением внешнего.
Диамагнетики – против направления внешнего поля.

Ферромагнетики – обладают способностью сильно намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. В технике часто используют ферриты – керамические ферромагнетики.

У каждого ферромагнетика существует точка Кюри – температура, при превышении которой ферромагнитные свойства исчезают, вещество становится парамагнетиком.

Ферромагнитные материалы делятся на:

Магнито-мягкие – размагничиваются полностью при прекращении воздействия внешнего магнитного поля. Применяются в приборах и устройствах переменного тока (трансформаторы, электродвигатели).
Магнито-жесткие – сохраняют намагниченность при прекращении действия внешнего магнитного поля. Применяются для производства постоянных магнитов.

Антиферромагнетики – при действии внешнего поля магнитные моменты атомов ориентируются вдоль него, вещества намагничиваются. Яркие представители – хром и марганец.

Планета Земля тоже имеет магнитное поле, которое защищает все живое от потоков быстрых частиц (заряженных) из космоса, в основном идущих от Солнца. Частицы задерживаются магнитным полем, образуя радиационные пояса, выполняющие роль магнитных ловушек. В поясах частицы двигаются за доли секунд между северным и южным полюсами, совершая спиралеобразные движения. В районе полюсов какая-то малая часть заряженных частиц проникает в верхние слои атмосферы, тогда наблюдается эффект северного сияния. Южный магнитный полюс расположен в районе северного географического полюса Земли.