Ce este un câmp magnetic. Câmp magnetic, caracteristici câmp magnetic

Încă ne amintim despre câmpul magnetic de la școală, dar ceea ce reprezintă acesta nu este ceva care „apare” în amintirile tuturor. Să reîmprospătăm ceea ce am acoperit și, poate, să vă spunem ceva nou, util și interesant.

Determinarea câmpului magnetic

Un câmp magnetic este un câmp de forță care afectează sarcinile electrice în mișcare (particule). Datorită acestui câmp de forță, obiectele sunt atrase unele de altele. Există două tipuri de câmpuri magnetice:

1. Gravitațional - se formează exclusiv în apropierea particulelor elementare și variază în puterea sa în funcție de caracteristicile și structura acestor particule.
2. Dinamic, produs în obiecte cu sarcini electrice în mișcare (transmițătoare de curent, substanțe magnetizate).

Denumirea câmpului magnetic a fost introdusă pentru prima dată de M. Faraday în 1845, deși semnificația sa era puțin eronată, deoarece se credea că atât influența și interacțiunea electrică, cât și magnetică sunt efectuate pe baza aceluiași câmp material. Mai târziu, în 1873, D. Maxwell a „prezentat” teoria cuantică, în care aceste concepte au început să fie separate, iar câmpul de forță derivat anterior a fost numit câmp electromagnetic.

Cum apare un câmp magnetic?

Câmpurile magnetice ale diferitelor obiecte nu sunt percepute de ochiul uman și doar senzorii speciali îl pot detecta. Sursa apariției unui câmp de forță magnetic la scară microscopică este mișcarea microparticulelor magnetizate (încărcate), care sunt:

• ioni;
• electroni;
• protoni.

Mișcarea lor are loc datorită momentului magnetic de spin care este prezent în fiecare microparticulă.

Câmp magnetic, unde poate fi găsit?

Oricât de ciudat ar suna, aproape toate obiectele din jurul nostru au propriul lor câmp magnetic. Deși în conceptul multora, doar o pietricică numită magnet are un câmp magnetic, care atrage obiectele de fier spre sine. De fapt, forța de atracție există în toate obiectele, doar că se manifestă într-o valență mai mică.

De asemenea, trebuie clarificat faptul că câmpul de forță, numit magnetic, apare doar atunci când sarcinile electrice sau corpurile sunt în mișcare.

Sarcinile staționare au un câmp de forță electric (poate fi prezent și în sarcinile în mișcare). Se pare că sursele câmp magnetic difuzoare:

• magneți permanenți;
• taxe de mutare.

Bine cunoscut aplicare largă câmp magnetic în viața de zi cu zi, la locul de muncă și în cercetarea stiintifica. Este suficient să numiți astfel de dispozitive precum generatoare de curent alternativ, motoare electrice, relee, acceleratoare de particule și diverși senzori. Să aruncăm o privire mai atentă la ce este un câmp magnetic și cum se formează.

Ce este un câmp magnetic - definiție

Un câmp magnetic este un câmp de forță care acționează asupra particulelor încărcate în mișcare. Mărimea câmpului magnetic depinde de viteza de schimbare a acestuia. După această caracteristică, se disting două tipuri de câmpuri magnetice: dinamice și gravitaționale.

Câmpul magnetic gravitațional apare numai în apropierea particulelor elementare și se formează în funcție de caracteristicile structurii acestora. Sursele unui câmp magnetic dinamic sunt sarcinile electrice în mișcare sau corpurile încărcate, conductorii purtători de curent și substanțele magnetizate.

Proprietățile câmpului magnetic

Marele om de știință francez Andre Ampère a reușit să descopere două proprietăți fundamentale ale câmpului magnetic:

1. Principala diferență dintre un câmp magnetic și un câmp electric și principala sa proprietate este că este relativ. Dacă luați un corp încărcat, lăsați-l nemișcat într-un cadru de referință și plasați un ac magnetic în apropiere, apoi va îndrepta, ca de obicei, spre nord. Adică, nu va detecta niciun alt câmp decât cel al pământului. Dacă începeți să mutați acest corp încărcat în raport cu săgeata, acesta va începe să se rotească - acest lucru indică faptul că atunci când corpul încărcat se mișcă, apare și un câmp magnetic, pe lângă cel electric. Astfel, un câmp magnetic apare dacă și numai dacă există o sarcină în mișcare.
2. Un câmp magnetic acţionează asupra altui curent electric. Deci, poate fi detectat prin urmărirea mișcării particulelor încărcate - într-un câmp magnetic ele se vor abate, conductorii cu curent se vor mișca, cadrul cu curent se va roti, substanțele magnetizate se vor deplasa. Aici ar trebui să ne amintim de acul busolei magnetice, de obicei vopsit în albastru - la urma urmei, este doar o bucată de fier magnetizat. Este întotdeauna orientat spre nord, deoarece Pământul are un câmp magnetic. Întreaga noastră planetă este un magnet uriaș: la Polul Nord există o centură magnetică sudică, iar la Polul Sud geografic este un pol magnetic nord.

În plus, proprietățile câmpului magnetic includ următoarele caracteristici:

1. Puterea unui câmp magnetic este descrisă prin inducție magnetică - aceasta este o mărime vectorială care determină puterea cu care câmpul magnetic afectează sarcinile în mișcare.
2. Câmpul magnetic poate fi de tip constant și variabil. Primul este generat de un câmp electric care nu se modifică în timp și inducția unui astfel de câmp este constantă. Al doilea este cel mai adesea generat folosind inductori alimentați cu curent alternativ.
3. Câmpul magnetic nu poate fi perceput de simțurile umane și este înregistrat doar de senzori speciali.

Câmpul magnetic al Pământului

Un câmp magnetic este un câmp de forță care acționează asupra sarcinilor electrice în mișcare și asupra corpurilor care au un moment magnetic, indiferent de starea lor de mișcare.

Sursele câmpului magnetic macroscopic sunt corpuri magnetizate, conductori purtători de curent și corpuri încărcate electric în mișcare. Natura acestor surse este aceeași: câmpul magnetic apare ca urmare a mișcării microparticulelor încărcate (electroni, protoni, ioni), precum și datorită prezenței momentului magnetic propriu (spin) al microparticulelor.

Un câmp magnetic alternativ apare și atunci când câmpul electric se modifică în timp. La rândul său, când câmpul magnetic se modifică în timp, apare un câmp electric. Descriere completă câmpurile electrice și magnetice în relația lor dau ecuațiile lui Maxwell. Pentru a caracteriza câmpul magnetic, este adesea introdus conceptul de linii de câmp (linii de inducție magnetică).

Pentru a măsura caracteristicile câmpului magnetic și proprietățile magnetice ale substanțelor, ei folosesc diverse tipuri magnetometre. Unitatea de inducție a câmpului magnetic în sistemul de unități CGS este Gauss (G), în Sistemul internațional unități (SI) - Tesla (T), 1 T = 104 Gs. Intensitatea se măsoară, respectiv, în oersteds (Oe) și amperi pe metru (A/m, 1 A/m = 0,01256 Oe; energia câmpului magnetic - în Erg/cm2 sau J/m2, 1 J/m2 = 10 erg/ cm2.

Busola reacționează
la câmpul magnetic al Pământului

Câmpurile magnetice din natură sunt extrem de diverse atât în ​​dimensiunea lor, cât și în efectele pe care le provoacă. Câmpul magnetic al Pământului, care formează magnetosfera Pământului, se extinde pe o distanță de 70-80 mii km în direcția Soarelui și multe milioane de km în direcția opusă. La suprafața Pământului, câmpul magnetic este în medie de 50 μT, la limita magnetosferei ~ 10 -3 G. Câmpul geomagnetic protejează suprafața și biosfera Pământului de fluxul de particule încărcate ale vântului solar și razele parțial cosmice. Magnetobiologia studiază influența câmpului geomagnetic însuși asupra activității vitale a organismelor. În spațiul apropiat Pământului, câmpul magnetic formează o capcană magnetică pentru particulele încărcate de energie mare - centura de radiații a Pământului. Particulele conținute în centura de radiații reprezintă un pericol semnificativ atunci când zboară în spațiu. Originea câmpului magnetic al Pământului este asociată cu mișcări convective substanță lichidă conductoare din miezul pământului.

Măsurătorile directe folosind nave spațiale au arătat că corpurile cosmice cele mai apropiate de Pământ - Luna, planetele Venus și Marte - nu au propriul câmp magnetic similar cu cel al Pământului. De pe alte planete sistemul solar doar Jupiter și, aparent, Saturn au propriile lor câmpuri magnetice suficiente pentru a crea capcane magnetice planetare. Câmpuri magnetice de până la 10 Gauss și o serie de fenomene caracteristice au fost descoperite pe Jupiter ( furtuni magnetice, emisia radio sincrotron și altele), indicând rolul semnificativ al câmpului magnetic în procesele planetare.

© Foto: http://www.tesis.lebedev.ru
Fotografie Soare
într-un spectru îngust

Câmpul magnetic interplanetar este în principal câmpul vântului solar (plasma în continuă expansiune a coroanei solare). Aproape de orbita Pământului, câmpul interplanetar este de ~ 10 -4 -10 -5 Gs. Regularitatea câmpului magnetic interplanetar poate fi perturbată din cauza dezvoltării diferitelor tipuri de instabilitate a plasmei, a trecerii undelor de șoc și a propagării fluxurilor de particule rapide generate de erupțiile solare.

În toate procesele de pe Soare - erupții, apariția de pete și proeminențe, nașterea razelor cosmice solare, câmpul magnetic joacă un rol vital. Măsurătorile bazate pe efectul Zeeman au arătat că câmpul magnetic al petelor solare ajunge la câteva mii de Gauss, proeminențele sunt deținute de câmpuri de ~ 10-100 Gauss (cu o valoare medie a câmpului magnetic total al Soarelui ~ 1 Gauss).

Furtuni magnetice

Furtunile magnetice sunt perturbări puternice în câmpul magnetic al Pământului care perturbă brusc ciclu diurn elemente de magnetism pământesc. Furtunile magnetice durează de la câteva ore până la câteva zile și sunt observate simultan pe întregul Pământ.

De regulă, furtunile magnetice constau din faze preliminare, inițiale și principale, precum și o fază de recuperare. În faza preliminară se observă modificări minore ale câmpului geomagnetic (în principal la latitudini mari), precum și excitarea oscilațiilor caracteristice de câmp de scurtă perioadă. Faza inițială este caracterizată printr-o schimbare bruscă a componentelor individuale ale câmpului de pe Pământ, iar faza principală este caracterizată de fluctuații mari ale câmpului și o scădere puternică a componentei orizontale. În timpul fazei de recuperare a furtunii magnetice, câmpul revine la valoarea sa normală.

Influența vântului solar
spre magnetosfera Pământului

Furtunile magnetice sunt cauzate de fluxurile de plasmă solară din regiunile active ale Soarelui suprapuse vântului solar calm. Prin urmare, furtunile magnetice sunt observate mai des în apropierea maximelor ciclului de 11 ani de activitate solară. Ajungând pe Pământ, fluxurile de plasmă solară măresc compresia magnetosferei, provocând faza inițială a unei furtuni magnetice și pătrund parțial în magnetosfera Pământului. Intrarea particulelor de înaltă energie în atmosfera superioară a Pământului și impactul lor asupra magnetosferei duce la generarea și intensificarea curenților electrici în aceasta, atingând cea mai mare intensitate în regiunile polare ale ionosferei, care este asociată cu prezența. a unei zone de latitudine mare de activitate magnetică. Modificările sistemelor de curent magnetosferic-ionosferic se manifestă pe suprafața Pământului sub formă de perturbații magnetice neregulate.

În fenomenele microlumii, rolul câmpului magnetic este la fel de semnificativ ca la scară cosmică. Acest lucru se explică prin existența unui moment magnetic în toate particulele - elemente structurale ale materiei (electroni, protoni, neutroni), precum și prin efectul unui câmp magnetic asupra sarcinilor electrice în mișcare.

Aplicarea câmpurilor magnetice în știință și tehnologie. Câmpurile magnetice sunt de obicei împărțite în slabe (până la 500 Gs), medii (500 Gs - 40 kGs), puternice (40 kGs - 1 MGs) și ultra-puternice (peste 1 MGs). Aproape toată inginerie electrică, inginerie radio și electronică se bazează pe utilizarea câmpurilor magnetice slabe și medii. Câmpurile magnetice slabe și medii sunt obținute folosind magneți permanenți, electromagneți, solenoizi nerăciți și magneți supraconductori.

Surse de câmp magnetic

Toate sursele de câmpuri magnetice pot fi împărțite în artificiale și naturale. Principalele surse naturale ale câmpului magnetic sunt câmpul magnetic propriu al planetei Pământ și vântul solar. Sursele artificiale includ toate câmpurile electromagnetice, care sunt atât de abundente la noi lumea modernă, și casele noastre în special. Citiți mai multe despre și citiți pe al nostru.

Vehiculele cu propulsie electrică sunt o sursă puternică de câmp magnetic în intervalul de la 0 la 1000 Hz. Transportul feroviar folosește curent alternativ. Transportul urban este constant. Valorile maxime ale inducției câmpului magnetic în transportul electric suburban ajung la 75 μT, valorile medii sunt de aproximativ 20 μT. Valorile medii pentru vehiculele cu curent continuu sunt înregistrate la 29 µT. În tramvaie, unde firul de retur sunt șinele, câmpurile magnetice se anulează reciproc pe o distanță mult mai mare decât în ​​firele de troleibuz, iar în interiorul troleibuzului fluctuațiile câmpului magnetic sunt mici chiar și în timpul accelerației. Dar cele mai mari fluctuații ale câmpului magnetic sunt în metrou. Când trenul pleacă, câmpul magnetic de pe peron este de 50-100 µT sau mai mult, depășind câmpul geomagnetic. Chiar și atunci când trenul a dispărut de mult în tunel, câmpul magnetic nu revine la valoarea anterioară. Numai după ce trenul a trecut de următorul punct de conectare la șina de contact, câmpul magnetic va reveni la valoarea veche. Adevărat, uneori nu are timp: următorul tren se apropie deja de peron și când încetinește, câmpul magnetic se schimbă din nou. În vagon în sine, câmpul magnetic este și mai puternic - 150-200 µT, adică de zece ori mai mult decât într-un tren obișnuit.

Valorile de inducție ale câmpurilor magnetice pe care le întâlnim cel mai des viata de zi cu zi sunt prezentate în diagrama de mai jos. Privind această diagramă, este clar că suntem expuși la câmpuri magnetice tot timpul și peste tot. Potrivit unor oameni de știință, câmpurile magnetice cu inducție peste 0,2 µT sunt considerate dăunătoare. Este firesc ca anumite precauții să fie luate pentru a ne proteja de efectele nocive ale câmpurilor din jurul nostru. Pur și simplu respectând câteva reguli simple, puteți reduce semnificativ impactul câmpurilor magnetice asupra corpului dumneavoastră.

Actualul SanPiN 2.1.2.2801-10 „Modificări și completări nr. 1 la SanPiN 2.1.2.2645-10 „Cerințe sanitare și epidemiologice pentru condițiile de viață în clădiri și spații rezidențiale” spune următoarele: „Nivelul maxim admisibil de atenuare a geomagneticului câmp în incinta clădirilor de locuit se stabilește egal cu 1,5”. De asemenea, setat la limită valori valide intensitatea și puterea unui câmp magnetic cu o frecvență de 50 Hz:

• in spatii rezidentiale - 5 µT sau 4 A/m;
• în spații nerezidențiale ale clădirilor rezidențiale, în zone rezidențiale, inclusiv pe teritoriul terenurilor de grădină - 10 pT sau 8 A/m.

Pe baza acestor standarde, oricine poate calcula câte aparate electrice pot fi pornite și în stare de așteptare în fiecare încăpere, sau pe baza cărora se vor emite recomandări pentru normalizarea spațiului de locuit.

Videoclipuri înrudite

Mic film științific despre câmpul magnetic al Pământului

Literatura folosita

1. Marea Enciclopedie Sovietică.

Vezi și: Portal: Fizica

Un câmp magnetic poate fi creat de curentul particulelor încărcate și/sau momentele magnetice ale electronilor din atomi (și momentele magnetice ale altor particule, deși într-o măsură semnificativ mai mică) (magneți permanenți).

În plus, apare în prezența unui câmp electric care variază în timp.

Caracteristica principală a puterii câmpului magnetic este vector de inducție magnetică (vector de inducție a câmpului magnetic). Din punct de vedere matematic, este un câmp vectorial care definește și specifică concept fizic câmp magnetic. Adesea, pentru concizie, vectorul de inducție magnetică este pur și simplu numit câmp magnetic (deși probabil că aceasta nu este cea mai strictă utilizare a termenului).

O altă caracteristică fundamentală a câmpului magnetic (alternativă la inducția magnetică și strâns legată de aceasta, aproape egală cu acesta ca valoare fizică) este potențial vectorial .

Un câmp magnetic poate fi numit un tip special de materie, prin care interacțiunea are loc între particulele încărcate în mișcare sau corpurile cu un moment magnetic.

Câmpurile magnetice sunt o consecință necesară (în context) a existenței câmpurilor electrice.

• Din punctul de vedere al teoriei câmpului cuantic, interacțiunea magnetică - ca caz special de interacțiune electromagnetică - este purtată de un boson fundamental fără masă - un foton (o particulă care poate fi reprezentată ca o excitație cuantică a unui câmp electromagnetic), adesea ( de exemplu, în toate cazurile de câmpuri statice) - virtuale.

Surse de câmp magnetic

Un câmp magnetic este creat (generat) de un curent de particule încărcate, sau un câmp electric care variază în timp, sau momentele magnetice proprii ale particulelor (acestea din urmă, de dragul uniformității imaginii, pot fi reduse formal la curenți electrici). ).

Calcul

În cazuri simple, câmpul magnetic al unui conductor cu curent (inclusiv cazul unui curent distribuit arbitrar pe un volum sau spațiu) poate fi găsit din legea Biot-Savart-Laplace sau teorema circulației (cunoscută și ca legea lui Ampere). În principiu, această metodă se limitează la cazul (aproximația) magnetostaticei – adică cazul câmpurilor magnetice și electrice constante (dacă vorbim de aplicabilitate strictă) sau mai degrabă care se modifică lent (dacă vorbim de aplicare aproximativă).

În mai mult situatii dificile este căutată ca soluție pentru ecuațiile lui Maxwell.

Manifestarea câmpului magnetic

Câmpul magnetic se manifestă prin efectul asupra momentelor magnetice ale particulelor și corpurilor, asupra particulelor încărcate în mișcare (sau conductoarelor purtătoare de curent). Forța care acționează asupra unei particule încărcate electric care se mișcă într-un câmp magnetic se numește forță Lorentz, care este întotdeauna direcționată perpendicular pe vectori. vŞi B. Este proporțională cu sarcina particulei q, componenta de viteza v, perpendicular pe direcția vectorului câmp magnetic B, și mărimea inducției câmpului magnetic B. În sistemul SI de unități, forța Lorentz este exprimată după cum urmează:

în sistemul de unități GHS:

unde parantezele pătrate indică produsul vectorial.

De asemenea (datorită acțiunii forței Lorentz asupra particulelor încărcate care se deplasează de-a lungul unui conductor), un câmp magnetic acționează asupra unui conductor cu curent. Forța care acționează asupra unui conductor care poartă curent se numește forță Amperi. Această forță constă în forțele care acționează asupra sarcinilor individuale care se deplasează în interiorul conductorului.

Interacțiunea a doi magneți

Una dintre cele mai comune manifestări ale unui câmp magnetic în viața de zi cu zi este interacțiunea a doi magneți: ca polii se resping, polii opuși se atrag. Este tentant să descriem interacțiunea dintre magneți ca fiind interacțiunea dintre doi monopoli, iar din punct de vedere formal această idee este destul de fezabilă și adesea foarte convenabilă și, prin urmare, practic utilă (în calcule); totuși, analiza detaliată arată că aceasta nu este de fapt o descriere complet corectă a fenomenului (cea mai evidentă întrebare care nu poate fi explicată în cadrul unui astfel de model este întrebarea de ce monopolurile nu pot fi niciodată separate, adică de ce experimentul arată că nu izolat corpul nu are de fapt o sarcină magnetică în plus, slăbiciunea modelului este că nu este aplicabil câmpului magnetic creat de un curent macroscopic și, prin urmare, dacă nu este considerat ca o tehnică pur formală, conduce doar; la o complicare a teoriei în sens fundamental).

Ar fi mai corect să spunem că un dipol magnetic plasat într-un câmp neuniform este supus unei forțe care tinde să-l rotească astfel încât momentul magnetic al dipolului să fie aliniat cu câmpul magnetic. Dar niciun magnet nu experimentează forța (totală) exercitată de un câmp magnetic uniform. Forță care acționează asupra unui dipol magnetic cu un moment magnetic m exprimat prin formula:

Forța care acționează asupra unui magnet (care nu este un dipol cu ​​un singur punct) dintr-un câmp magnetic neuniform poate fi determinată prin însumarea tuturor forțelor (determinate prin această formulă) care acționează asupra dipolilor elementari care alcătuiesc magnetul.

Cu toate acestea, este posibilă o abordare care reduce interacțiunea magneților la forța Amperi, iar formula de mai sus pentru forța care acționează asupra unui dipol magnetic poate fi, de asemenea, obținută pe baza forței Ampere.

Fenomenul inducției electromagnetice

Câmp vectorial H măsurată în amperi pe metru (A/m) în sistemul SI și în oersted în GHS. Oersteds și gaussienii sunt cantități identice; împărțirea lor este pur terminologică.

Energia câmpului magnetic

Creșterea densității energiei câmpului magnetic este egală cu:

H- intensitatea câmpului magnetic, B- inductie magnetica

În aproximarea tensorului liniar, permeabilitatea magnetică este un tensor (o notăm) iar înmulțirea unui vector cu acesta este înmulțirea tensorală (matriceală):

sau în componente.

Densitatea de energie în această aproximare este egală cu:

- componente ale tensorului de permeabilitate magnetică, - tensor, reprezentat printr-o matrice inversă matricei tensorului de permeabilitate magnetică, - constantă magnetică

Atunci când alegeți axele de coordonate care coincid cu axele principale ale tensorului de permeabilitate magnetică, formulele din componente sunt simplificate:

- componente diagonale ale tensorului de permeabilitate magnetică în propriile axe (componentele rămase în aceste coordonate speciale - și numai în ele! - sunt egale cu zero).

Într-un magnet liniar izotrop:

- permeabilitatea magnetică relativă

În vid și:

Energia câmpului magnetic din inductor poate fi găsită folosind formula:

Ф - flux magnetic, I - curent, L - inductanța unei bobine sau rotire cu curent.

Proprietățile magnetice ale substanțelor

Din punct de vedere fundamental, așa cum am menționat mai sus, un câmp magnetic poate fi creat (și prin urmare - în contextul acestui paragraf - slăbit sau întărit) de un câmp electric alternativ, curenți electrici sub formă de fluxuri de particule încărcate sau momentele magnetice ale particulelor.

Structura microscopică specifică și proprietățile diferitelor substanțe (precum și amestecurile acestora, aliajele, stările de agregare, modificările cristaline etc.) conduc la faptul că la nivel macroscopic ele se pot comporta destul de diferit sub influența unui câmp magnetic extern. (în special, slăbirea sau îmbunătățirea acestuia în diferite grade).

În acest sens, substanțele (și mediile în general) în ceea ce privește proprietățile lor magnetice sunt împărțite în următoarele grupe principale:

• Antiferomagneții sunt substanțe în care s-a stabilit o ordine antiferomagnetică a momentelor magnetice ale atomilor sau ionilor: momentele magnetice ale substanțelor sunt direcționate opus și sunt egale ca forță.
• Diamagneții sunt substanțe care sunt magnetizate împotriva direcției unui câmp magnetic extern.
• Substanțele paramagnetice sunt substanțe care sunt magnetizate într-un câmp magnetic extern în direcția câmpului magnetic extern.
• Feromagneții sunt substanțe în care, sub o anumită temperatură critică (punctul Curie), se stabilește o ordine feromagnetică pe distanță lungă a momentelor magnetice.
• Ferimagneții sunt materiale în care momentele magnetice ale substanței sunt direcționate în direcții opuse și nu sunt egale ca forță.
• Grupele de substanțe enumerate mai sus includ în principal substanțe obișnuite solide sau (unele) lichide, precum și gaze. Interacțiunea cu câmpul magnetic al supraconductorilor și al plasmei este semnificativ diferită.

Toki Fuko

Curenții Foucault (curenți turbionari) sunt curenți electrici închisi într-un conductor masiv care apar atunci când fluxul magnetic care îl pătrunde se modifică. Sunt curenți induși formați într-un corp conducător fie ca urmare a unei modificări în timp a câmpului magnetic în care se află, fie ca urmare a mișcării corpului într-un câmp magnetic, ducând la o modificare a câmpului magnetic. flux prin corp sau orice parte a acestuia. Conform regulii lui Lenz, câmpul magnetic al curenților Foucault este direcționat astfel încât să contracareze modificarea fluxului magnetic care induce acești curenți.

Istoria dezvoltării ideilor despre câmpul magnetic

Deși magneții și magnetismul erau cunoscuți mult mai devreme, studiul câmpului magnetic a început în 1269, când omul de știință francez Peter Peregrine (Cavalerul Pierre de Mericourt) a marcat câmpul magnetic pe suprafața unui magnet sferic folosind ace de oțel și a determinat că rezultatul liniile câmpului magnetic s-au intersectat în două puncte, pe care le-a numit „poli” prin analogie cu polii Pământului. Aproape trei secole mai târziu, William Gilbert Colchester a folosit opera lui Peter Peregrinus și pentru prima dată a declarat definitiv că Pământul însuși este un magnet. Publicat în 1600, opera lui Gilbert "De Magnete", a pus bazele magnetismului ca știință.

Trei descoperiri la rând au contestat această „bază a magnetismului”. Mai întâi, în 1819, Hans Christian Oersted a descoperit că curentul electric creează un câmp magnetic în jurul său. Apoi, în 1820, André-Marie Ampère a arătat că firele paralele care transportă curent în aceeași direcție se atrag unele pe altele. În cele din urmă, Jean-Baptiste Biot și Félix Savart au descoperit o lege în 1820, numită legea Biot-Savart-Laplace, care a prezis corect câmpul magnetic din jurul oricărui fir sub tensiune.

Expandând aceste experimente, Ampère și-a publicat propriul model de succes al magnetismului în 1825. În ea, el a arătat echivalența curentului electric în magneți și, în locul dipolilor sarcinilor magnetice ale modelului Poisson, a propus ideea că magnetismul este asociat cu bucle de curent care curg constant. Această idee a explicat de ce sarcina magnetică nu a putut fi izolată. În plus, Ampere a derivat legea numită după el, care, la fel ca legea Biot-Savart-Laplace, a descris corect câmpul magnetic creat de curentul continuu și a introdus, de asemenea, teorema de circulație a câmpului magnetic. Tot în această lucrare, Ampère a inventat termenul „electrodinamică” pentru a descrie relația dintre electricitate și magnetism.

Deși puterea câmpului magnetic al unei sarcini electrice în mișcare implicată în legea lui Ampere nu a fost menționată în mod explicit, Hendrik Lorentz a derivat-o din ecuațiile lui Maxwell în 1892. În același timp, teoria clasică a electrodinamicii a fost practic finalizată.

Secolul al XX-lea a extins punctele de vedere asupra electrodinamicii, datorită apariției teoriei relativității și a mecanicii cuantice. Albert Einstein, în lucrarea sa din 1905 care stabilește teoria relativității, a arătat că câmpurile electrice și magnetice fac parte din același fenomen, considerat în sisteme diferite numărătoarea inversă. (Vezi Moving Magnet and the Conductor Problem — un experiment de gândire care l-a ajutat în cele din urmă pe Einstein să dezvolte relativitatea specială). În cele din urmă, mecanica cuantică a fost combinată cu electrodinamica pentru a forma electrodinamica cuantică (QED).

Vezi de asemenea

• Vizualizator de film magnetic

Note

1. TSB. 1973, „Enciclopedia sovietică”.
2. În cazuri particulare, un câmp magnetic poate exista în absența unui câmp electric, dar, în general, un câmp magnetic este profund interconectat cu unul electric, atât dinamic (generarea reciprocă de variabile de către câmpurile electrice și magnetice ale celuilalt) , iar în sensul că în timpul trecerii la sistem nou de referință, câmpurile magnetice și electrice sunt exprimate unul prin altul, adică, în general, nu pot fi separate necondiționat.
3. Yavorsky B. M., Detlaf A. A. Manual de fizică: ed. a 2-a, revizuită. - M.: Nauka, Redacția principală de literatură fizică și matematică, 1985, - 512 p.
4. În SI, inducția magnetică este măsurată în tesla (T), în sistemul CGS în gauss.
5. Ele coincid exact în sistemul de unități CGS, în SI se deosebesc printr-un coeficient constant, care, desigur, nu schimbă faptul identității lor fizice practice.
6. Cea mai importantă și evidentă diferență aici este că forța care acționează asupra unei particule în mișcare (sau asupra unui dipol magnetic) este calculată exact prin și nu prin . Orice altă metodă de măsurare corectă și semnificativă din punct de vedere fizic va face, de asemenea, posibilă măsurarea precisă, deși pentru calculele formale se dovedește uneori a fi mai convenabilă - care, de fapt, este scopul introducerii acestei mărimi auxiliare (altfel s-ar face fără ea cu totul, folosind numai
7. Totuși, trebuie să înțelegem bine că o serie de proprietăți fundamentale ale acestei „materie” sunt fundamental diferite de proprietățile acelui tip obișnuit de „materie” care ar putea fi desemnate prin termenul „substanță”.
8. Vezi teorema lui Ampere.
9. Pentru un câmp uniform, această expresie dă forță zero, deoarece toate derivatele sunt egale cu zero B prin coordonate.
10. Sivukhin D.V. Curs de fizica generala. - Ed. al 4-lea, stereotip. - M.: Fizmatlit; Editura MIPT, 2004. - T. III. Electricitate. - 656 s. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.

Pentru a înțelege ce este o caracteristică a unui câmp magnetic, multe fenomene trebuie definite. În același timp, trebuie să vă amintiți în prealabil cum și de ce apare. Aflați care este puterea caracteristică a unui câmp magnetic. Este important ca un astfel de câmp să poată apărea nu numai în magneți. În acest sens, nu ar strica să menționăm caracteristicile câmpului magnetic al pământului.

Apariția câmpului

Pentru început, ar trebui să descriem apariția domeniului. Apoi puteți descrie câmpul magnetic și caracteristicile acestuia. Apare în timpul mișcării particulelor încărcate. Poate afecta în special conductorii sub tensiune. Interacțiunea dintre un câmp magnetic și sarcinile în mișcare, sau conductorii prin care trece curentul, are loc datorită forțelor numite electromagnetice.

Intensitatea sau puterea caracteristică a unui câmp magnetic într-un anumit punct spațial este determinată folosind inducția magnetică. Acesta din urmă este desemnat prin simbolul B.

Reprezentarea grafică a câmpului

Câmpul magnetic și caracteristicile sale pot fi reprezentate grafic folosind linii de inducție. Această definiție se referă la liniile ale căror tangente în orice punct vor coincide cu direcția vectorului de inducție magnetică.

Aceste linii sunt incluse în caracteristicile câmpului magnetic și sunt folosite pentru a determina direcția și intensitatea acestuia. Cu cât este mai mare intensitatea câmpului magnetic, cu atât mai multe dintre aceste linii vor fi trasate.

Ce sunt liniile magnetice

Liniile magnetice din conductoarele drepte purtătoare de curent au forma unui cerc concentric, al cărui centru este situat pe axa conductorului dat. Direcția liniilor magnetice în apropierea conductoarelor care transportă curent este determinată de regula brațului, care sună astfel: dacă brațul este poziționat astfel încât să fie înșurubat în conductor în direcția curentului, atunci sensul de rotație a mânerului corespunde pe direcția liniilor magnetice.

Într-o bobină cu curent, direcția câmpului magnetic va fi determinată și de regula gimletului. De asemenea, este necesar să se rotească mânerul în direcția curentului în rotațiile solenoidului. Direcția liniilor de inducție magnetică va corespunde cu direcția mișcării de translație a brațului.

Este caracteristica principală a unui câmp magnetic.

Creat de un singur curent, în condiții egale, câmpul va varia în intensitate în diferite medii datorită proprietăților magnetice diferite ale acestor substanțe. Proprietățile magnetice ale mediului sunt caracterizate de permeabilitatea magnetică absolută. Se măsoară în henry pe metru (g/m).

Caracteristica câmpului magnetic include permeabilitatea magnetică absolută a vidului, numită constantă magnetică. Valoarea care determină de câte ori va diferi permeabilitatea magnetică absolută a mediului de constantă se numește permeabilitatea magnetică relativă.

Permeabilitatea magnetică a substanțelor

Aceasta este o cantitate adimensională. Substanțele cu o valoare a permeabilității mai mică de unu se numesc diamagnetice. În aceste substanțe câmpul va fi mai slab decât în ​​vid. Aceste proprietăți sunt prezente în hidrogen, apă, cuarț, argint etc.

Mediile cu o permeabilitate magnetică care depășește unitatea sunt numite paramagnetice. În aceste substanțe câmpul va fi mai puternic decât în ​​vid. Aceste medii și substanțe includ aer, aluminiu, oxigen și platină.

În cazul substanțelor paramagnetice și diamagnetice, valoarea permeabilității magnetice nu va depinde de tensiunea câmpului extern, magnetizant. Aceasta înseamnă că cantitatea este constantă pentru o anumită substanță.

Feromagneții aparțin unui grup special. Pentru aceste substanțe, permeabilitatea magnetică va ajunge la câteva mii sau mai mult. Aceste substanțe, care au proprietatea de a fi magnetizate și de a intensifica un câmp magnetic, sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică.

Puterea câmpului

Pentru a determina caracteristicile unui câmp magnetic, o valoare numită intensitatea câmpului magnetic poate fi utilizată împreună cu vectorul de inducție magnetică. Acest termen determină intensitatea câmpului magnetic extern. Direcția câmpului magnetic într-un mediu cu proprietăți identice în toate direcțiile, vectorul de intensitate va coincide cu vectorul de inducție magnetică în punctul de câmp.

Puterea feromagneților se explică prin prezența în ei a unor piese mici magnetizate arbitrar, care pot fi reprezentate sub formă de magneți mici.

Fără câmp magnetic, o substanță feromagnetică poate să nu aibă proprietăți magnetice pronunțate, deoarece câmpurile domeniilor capătă orientări diferite, iar câmpul lor magnetic total este zero.

Conform caracteristicii principale a câmpului magnetic, dacă un feromagnet este plasat într-un câmp magnetic extern, de exemplu, într-o bobină cu curent, atunci sub influența câmpului extern domeniile se vor roti în direcția câmpului extern. Mai mult, câmpul magnetic de la bobină va crește, iar inducția magnetică va crește. Dacă câmpul extern este suficient de slab, atunci doar o parte din toate domeniile se vor întoarce, ale căror câmpuri magnetice sunt apropiate în direcția de direcția câmpului extern. Pe măsură ce puterea câmpului extern crește, numărul domeniilor rotite va crește, iar la o anumită valoare a tensiunii câmpului extern, aproape toate piesele vor fi rotite astfel încât câmpurile magnetice să fie situate în direcția câmpului extern. Această stare se numește saturație magnetică.

Relația dintre inducția magnetică și tensiune

Relația dintre inducția magnetică a unei substanțe feromagnetice și intensitatea câmpului extern poate fi reprezentată folosind un grafic numit curbă de magnetizare. În punctul în care graficul curbei se îndoaie, rata de creștere a inducției magnetice scade. După îndoire, unde tensiunea atinge o anumită valoare, are loc saturația, iar curba crește ușor, luând treptat forma unei linii drepte. În această zonă, inducția este încă în creștere, dar destul de lent și numai datorită creșterii intensității câmpului extern.

Dependența grafică a datelor indicatorului nu este directă, ceea ce înseamnă că raportul lor nu este constant, iar permeabilitatea magnetică a materialului nu este un indicator constant, ci depinde de câmpul extern.

Modificări ale proprietăților magnetice ale materialelor

Când puterea curentului este crescută până la saturația completă într-o bobină cu miez feromagnetic și apoi scade, curba de magnetizare nu va coincide cu curba de demagnetizare. Cu intensitate zero, inducția magnetică nu va avea aceeași valoare, ci va dobândi un anumit indicator numit inducție magnetică reziduală. Situația în care inducția magnetică rămâne în urmă forței de magnetizare se numește histerezis.

Pentru a demagnetiza complet miezul feromagnetic din bobină, este necesar să se dea un curent invers, care va crea tensiunea necesară. Diferite substanțe feromagnetice necesită o bucată de lungimi diferite. Cu cât este mai mare, cu atât este mai mare cantitatea de energie necesară pentru demagnetizare. Valoarea la care are loc demagnetizarea completă a materialului se numește forță coercitivă.

Cu o creștere suplimentară a curentului în bobină, inducția va crește din nou până la saturație, dar cu o direcție diferită a liniilor magnetice. La demagnetizarea în sens opus se va obține inducția reziduală. Fenomenul magnetismului rezidual este utilizat la crearea magneților permanenți din substanțe cu un indice ridicat de magnetism rezidual. Miezurile pentru mașini și dispozitive electrice sunt create din substanțe care au capacitatea de a se remagnetiza.

Regula pentru mâna stângă

Forța care influențează un conductor purtător de curent are o direcție determinată de regula mâinii stângi: când palma mâinii fecioare este poziționată în așa fel încât liniile magnetice să intre în ea și patru degete sunt extinse în direcția curentului. în conductor, îndoit degetul mare va indica direcția forței. Această forță este perpendiculară pe vectorul de inducție și pe curent.

Un conductor purtător de curent care se mișcă într-un câmp magnetic este considerat un prototip al unui motor electric care schimbă energia electrică în energie mecanică.

Regula pentru mâna dreaptă

Atunci când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, în el este indusă o forță electromotoare, care are o valoare proporțională cu inducția magnetică, lungimea conductorului implicat și viteza de mișcare a acestuia. Această dependență se numește inducție electromagnetică. Când determinați direcția emf indusă într-un conductor, utilizați regula mâna dreaptă: când mâna dreaptă este poziționată la fel ca în exemplul cu stânga, liniile magnetice intră în palmă, iar degetul mare indică direcția de mișcare a conductorului, degetele întinse vor indica direcția emf indusă. Un conductor care se mișcă într-un flux magnetic sub influența unei forțe mecanice externe este cel mai simplu exemplu de generator electric în care energia mecanică este convertită în energie electrică.

Poate fi formulat diferit: într-o buclă închisă, un EMF este indus cu orice modificare a fluxului magnetic acoperit de această buclă, EMF din buclă este numeric egal cu rata de schimbare a fluxului magnetic care acoperă această buclă.

Această formă oferă un indicator EMF mediu și indică dependența EMF nu de fluxul magnetic, ci de rata de schimbare a acestuia.

legea lui Lenz

De asemenea, trebuie să vă amintiți legea lui Lenz: curentul indus atunci când câmpul magnetic care trece prin circuit se modifică, câmpul său magnetic împiedică această modificare. Dacă spirele unei bobine sunt pătrunse de fluxuri magnetice de diferite mărimi, atunci EMF indus în întreaga bobină este egală cu suma EDE în diferite spire. Suma fluxurilor magnetice ale diferitelor spire ale bobinei se numește flux linkage. Unitatea de măsură pentru această mărime, precum și pentru fluxul magnetic, este Weber.

Când curentul electric din circuit se modifică, se modifică și fluxul magnetic pe care îl creează. În acest caz, conform legii inducției electromagnetice, în interiorul conductorului este indusă o fem. Apare în legătură cu o modificare a curentului în conductor, prin urmare acest fenomen se numește auto-inducție, iar EMF indus în conductor se numește auto-inducție EMF.

Legătura fluxului și fluxul magnetic depind nu numai de puterea curentului, ci și de dimensiunea și forma unui conductor dat și de permeabilitatea magnetică a substanței înconjurătoare.

Inductanța conductorului

Factorul de proporționalitate se numește inductanța conductorului. Se referă la capacitatea unui conductor de a crea o legătură de flux atunci când electricitatea trece prin el. Acesta este unul dintre principalii parametri ai circuitelor electrice. Pentru anumite circuite, inductanța este o valoare constantă. Va depinde de dimensiunea circuitului, de configurația acestuia și de permeabilitatea magnetică a mediului. În acest caz, puterea curentului din circuit și fluxul magnetic nu vor conta.

Definițiile și fenomenele de mai sus oferă o explicație a ceea ce este un câmp magnetic. Sunt prezentate și principalele caracteristici ale câmpului magnetic, cu ajutorul cărora se poate defini acest fenomen.