Kaj je magnetno polje. Magnetno polje, karakteristika magnetnega polja

Še vedno se spomnimo magnetnega polja iz šole, to je tisto, kar je, "poskoči" v spominih ne vsakogar. Osvežimo preteklost in vam morda povemo kaj novega, koristnega in zanimivega.

Določanje magnetnega polja

Magnetno polje je polje sile, ki deluje na premikajoče se električne naboje (delce). Zaradi tega polja sile se predmeti med seboj privlačijo. Obstajata dve vrsti magnetnih polj:

1. Gravitacijski - nastane izključno v bližini elementarnih delcev in viruje v svoji moči na podlagi lastnosti in strukture teh delcev.
2. Dinamično, proizvedeno v objektih z gibljivimi električnimi naboji (oddajniki toka, magnetizirane snovi).

Prvič je oznako magnetno polje uvedel M. Faraday leta 1845, čeprav je bil njen pomen nekoliko zmoten, saj je veljalo, da tako električni kot magnetni učinki in interakcije temeljijo na istem materialnem polju. Kasneje leta 1873 je D. Maxwell »predstavil« kvantno teorijo, v kateri so se ti pojmi začeli ločevati, prej izpeljano polje sil pa so poimenovali elektromagnetno polje.

Kako se pojavi magnetno polje?

Človeško oko ne zazna magnetnih polj različnih predmetov in jih lahko popravijo le posebni senzorji. Vir pojava polja magnetne sile v mikroskopskem merilu je gibanje magnetiziranih (nabitih) mikrodelcev, ki so:

• ioni;
• elektroni;
• protoni.

Njihovo gibanje nastane zaradi spinskega magnetnega momenta, ki je prisoten v vsakem mikrodelcu.

Magnetno polje, kje ga najti?

Ne glede na to, kako čudno se sliši, skoraj vsi predmeti okoli nas imajo svoje magnetno polje. Čeprav ima v pojmovanju mnogih le kamenček, imenovan magnet, magnetno polje, ki nase privlači železne predmete. Pravzaprav je sila privlačnosti v vseh predmetih, manifestira se le v nižji valenci.

Prav tako je treba pojasniti, da se polje sile, imenovano magnetno, pojavi le pod pogojem, da se električni naboji ali telesa gibljejo.

Nepremični naboji imajo električno polje sile (lahko je prisotno tudi v gibljivih nabojih). Izkazalo se je, da viri magnetno polje so:

• trajni magneti;
• mobilni stroški.

dobro znan široka uporaba magnetnega polja v vsakdanjem življenju, pri delu in v znanstvenih raziskavah. Dovolj je, da poimenujemo takšne naprave, kot so alternatorji, elektromotorji, releji, pospeševalci delcev in različni senzorji. Oglejmo si podrobneje, kaj je magnetno polje in kako nastane.

Kaj je magnetno polje - definicija

Magnetno polje je polje sile, ki deluje na premikajoče se nabite delce. Velikost magnetnega polja je odvisna od hitrosti njegovega spreminjanja. Glede na to značilnost ločimo dve vrsti magnetnega polja: dinamično in gravitacijsko.

Gravitacijsko magnetno polje nastane le v bližini elementarnih delcev in se oblikuje glede na značilnosti njihove strukture. Viri dinamičnega magnetnega polja so gibljivi električni naboji ali naelektrena telesa, vodniki s tokom, pa tudi magnetizirane snovi.

Lastnosti magnetnega polja

Veliki francoski znanstvenik André Ampere je uspel ugotoviti dve temeljni lastnosti magnetnega polja:

1. Glavna razlika med magnetnim in električnim poljem ter njegova glavna lastnost je, da je relativno. Če vzamete naelektreno telo, ga pustite nepremično v katerem koli referenčnem sistemu in postavite magnetno iglo v bližino, bo kot običajno kazalo proti severu. To pomeni, da ne bo zaznal nobenega polja razen zemeljskega. Če začnete to nabito telo premikati glede na puščico, se bo začelo obračati - to pomeni, da ko se naelektreno telo premika, poleg električnega nastane tudi magnetno polje. Tako se magnetno polje pojavi, če in samo če obstaja gibljiv naboj.
2. Magnetno polje deluje na drug električni tok. Torej ga lahko zaznate tako, da sledite gibanju nabitih delcev - v magnetnem polju bodo odstopali, prevodniki s tokom se bodo premaknili, okvir s tokom se bo obrnil, magnetizirane snovi se bodo premaknile. Tukaj je treba spomniti na magnetno iglo kompasa, običajno modro pobarvano, ker je le kos magnetiziranega železa. Vedno kaže proti severu, ker ima Zemlja magnetno polje. Naš ves planet je ogromen magnet: južni magnetni pas se nahaja na severnem polu, severni magnetni pol pa na južnem geografskem polu.

Poleg tega lastnosti magnetnega polja vključujejo naslednje značilnosti:

1. Jakost magnetnega polja opisujemo z magnetno indukcijo – to je vektorska količina, ki določa jakost, s katero magnetno polje vpliva na gibljive naboje.
2. Magnetno polje je lahko konstantno in spremenljivo. Prvo ustvarja električno polje, ki se v času ne spreminja, tudi indukcija takega polja je nespremenjena. Drugi se najpogosteje ustvari z uporabo induktorjev, ki jih napaja izmenični tok.
3. Magnetnega polja človek ne more zaznati s čutili in ga zabeležijo le posebni senzorji.

Zemljino magnetno polje

Magnetno polje je polje sile, ki deluje na premikajoče se električne naboje in na telesa, ki imajo magnetni moment, ne glede na stanje njihovega gibanja.

Viri makroskopskega magnetnega polja so namagnetena telesa, vodniki s tokom in premikajoča se električno nabita telesa. Narava teh virov je enaka: magnetno polje nastane kot posledica gibanja nabitih mikrodelcev (elektronov, protonov, ionov) in tudi zaradi prisotnosti lastnega (spinskega) magnetnega momenta v mikrodelcih.

Izmenično magnetno polje se pojavi tudi, ko se električno polje s časom spreminja. Ko se magnetno polje s časom spremeni, nastane električno polje. Celoten opis električna in magnetna polja v svojem razmerju dajejo Maxwellove enačbe. Za karakterizacijo magnetnega polja se pogosto uvaja koncept silnic polja (črte magnetne indukcije).

Za merjenje značilnosti magnetnega polja in magnetnih lastnosti snovi, različne vrste magnetometri. Enota za indukcijo magnetnega polja v sistemu enot CGS je Gauss (Gs), in mednarodni sistem enote (SI) - Tesla (T), 1 T = 104 Gs. Intenzivnost se meri v oerstedih (Oe) in amperih na meter (A / m, 1 A / m \u003d 0,01256 Oe; energija magnetnega polja - v Erg / cm 2 ali J / m 2, 1 J / m 2 \u003d 10 erg/cm2.

Kompas reagira
na zemeljsko magnetno polje

Magnetna polja v naravi so izjemno raznolika tako po obsegu kot po učinkih, ki jih povzročajo. Zemljino magnetno polje, ki tvori zemeljsko magnetosfero, sega do razdalje 70-80 tisoč km v smeri Sonca in več milijonov km v nasprotni smeri. Na površju Zemlje je magnetno polje v povprečju 50 μT, na meji magnetosfere ~ 10 -3 G. Geomagnetno polje ščiti zemeljsko površje in biosfero pred tokom nabitih delcev iz sončnega vetra in delno pred kozmičnimi žarki. Vpliv samega geomagnetnega polja na vitalno aktivnost organizmov proučuje magnetobiologija. V bližnjem zemeljskem prostoru magnetno polje tvori magnetno past za visokoenergetsko nabite delce – Zemljin sevalni pas. Delci, ki jih vsebuje sevalni pas, predstavljajo veliko nevarnost med poleti v vesolje. Izvor zemeljskega magnetnega polja povezujejo z konvektivna gibanja prevodna tekoča snov v zemeljskem jedru.

Neposredne meritve s pomočjo vesoljskih plovil so pokazale, da Zemlji najbližja vesoljska telesa - Luna, planeta Venera in Mars nimajo lastnega magnetnega polja, podobnega zemeljskemu. Z drugih planetov solarni sistem samo Jupiter in očitno Saturn imata lastna magnetna polja, ki zadostujejo za ustvarjanje planetarnih magnetnih pasti. Na Jupitru so zaznali magnetna polja do 10 gausov in vrsto značilnih pojavov ( magnetne nevihte, sinhrotronska radijska emisija in drugi), kar kaže na pomembno vlogo magnetnega polja v planetarnih procesih.

© Fotografija: http://www.tesis.lebedev.ru
Fotografija sonca
v ozkem spektru

Medplanetarno magnetno polje je v glavnem polje sončnega vetra (neprestano širijoče se plazme sončne korone). V bližini Zemljine orbite je medplanetno polje ~ 10 -4 -10 -5 Gs. Pravilnost medplanetarnega magnetnega polja je lahko motena zaradi razvoja različnih vrst plazemske nestabilnosti, prehoda udarnih valov in širjenja tokov hitrih delcev, ki jih ustvarjajo sončni izbruhi.

Pri vseh procesih na Soncu - izbruhih, pojavu peg in prominenc, rojevanju sončnih kozmičnih žarkov, igra pomembno vlogo magnetno polje. Meritve, ki temeljijo na Zeemanovem učinku, so pokazale, da magnetno polje sončnih peg doseže več tisoč gausov, prominence držijo polja ~ 10-100 gausov (s povprečno vrednostjo celotnega magnetnega polja Sonca ~ 1 gauss).

Magnetne nevihte

Magnetne nevihte so močne motnje zemeljskega magnetnega polja, ki močno motijo ​​gladkost dnevni tečaj elementi zemeljskega magnetizma. Magnetne nevihte trajajo od nekaj ur do nekaj dni in jih opazujemo po vsej Zemlji hkrati.

Magnetne nevihte so praviloma sestavljene iz predhodne, začetne in glavne faze ter faze okrevanja. V predhodni fazi so opazne nepomembne spremembe geomagnetnega polja (predvsem na visokih zemljepisnih širinah) ter vzbujanje značilnih kratkoperiodičnih nihanj polja. Za začetno fazo je značilna nenadna sprememba posameznih komponent polja po vsej Zemlji, za glavno fazo pa velika nihanja polja in močan upad horizontalne komponente. V fazi obnovitve magnetne nevihte se polje vrne na normalno vrednost.

Vpliv sončnega vetra
v zemeljsko magnetosfero

Magnetne nevihte povzročajo tokovi sončne plazme iz aktivnih območij Sonca, ki se prekrivajo z mirnim sončnim vetrom. Zato so magnetne nevihte pogosteje opažene v bližini maksimumov 11-letnega cikla sončne aktivnosti. Ko tokovi sončne plazme dosežejo Zemljo, povečajo stiskanje magnetosfere, kar povzroči začetno fazo magnetne nevihte in delno prodre v zemeljsko magnetosfero. Vstop visokoenergijskih delcev v zgornjo zemeljsko atmosfero in njihov vpliv na magnetosfero povzročita nastajanje in ojačanje električnih tokov v njej, ki dosežejo največjo intenziteto v polarnih predelih ionosfere, kar je razlog za prisotnost visokogeografsko območje magnetne aktivnosti. Spremembe v magnetosfersko-ionosferskih tokovnih sistemih se kažejo na zemeljskem površju v obliki nepravilnih magnetnih motenj.

V pojavih mikrokozmosa je vloga magnetnega polja prav tako bistvena kot v vesoljskem merilu. To je posledica obstoja vseh delcev - strukturnih elementov snovi (elektronov, protonov, nevtronov), magnetnega momenta, pa tudi delovanja magnetnega polja na gibljive električne naboje.

Uporaba magnetnih polj v znanosti in tehnologiji. Magnetna polja običajno delimo na šibka (do 500 Gs), srednja (500 Gs - 40 kGs), močna (40 kGs - 1 MGs) in supermočna (nad 1 MGs). Praktično vsa elektrotehnika, radiotehnika in elektronika temeljijo na uporabi šibkih in srednjih magnetnih polj. Šibka in srednja magnetna polja dobimo s trajnimi magneti, elektromagneti, nehlajenimi solenoidi, superprevodnimi magneti.

Viri magnetnega polja

Vse vire magnetnih polj lahko razdelimo na umetne in naravne. Glavna naravna vira magnetnega polja sta lastno magnetno polje Zemlje in sončni veter. Umetni viri vključujejo vsa elektromagnetna polja, ki jih je v našem prostoru tako veliko sodobni svet in še posebej naše hiše. Preberite več o tem in preberite na našem.

Električni transport je močan vir magnetnega polja v območju od 0 do 1000 Hz. Železniški promet uporablja izmenični tok. Mestni promet je stalen. Največje vrednosti indukcije magnetnega polja v primestnem električnem prometu dosežejo 75 µT, povprečne vrednosti so približno 20 µT. Povprečne vrednosti za vozila na enosmerni tok so določene na 29 µT. V tramvaju, kjer so povratna žica tirnice, se magnetna polja med seboj kompenzirajo na veliko večji razdalji kot žice v trolejbusu, znotraj trolejbusa pa so nihanja magnetnega polja majhna tudi med pospeševanjem. A največja nihanja magnetnega polja so v podzemni železnici. Ko je kompozicija poslana, je magnituda magnetnega polja na ploščadi 50-100 μT in več, kar presega geomagnetno polje. Tudi ko je vlak že zdavnaj izginil v predoru, se magnetno polje ne povrne na prejšnjo vrednost. Šele ko kompozicija preide naslednjo priključno točko na kontaktno tirnico, se bo magnetno polje vrnilo na staro vrednost. Res je, včasih nima časa: naslednji vlak se že približuje peronu in ko se upočasni, se magnetno polje spet spremeni. V samem avtomobilu je magnetno polje še močnejše - 150-200 μT, to je desetkrat več kot v običajnem vlaku.

Vrednosti indukcije magnetnih polj, ki jih najpogosteje srečamo v Vsakdanje življenje prikazano v spodnjem diagramu. Če pogledamo ta diagram, postane jasno, da smo magnetnim poljem izpostavljeni ves čas in povsod. Po mnenju nekaterih znanstvenikov veljajo magnetna polja z indukcijo nad 0,2 µT za škodljiva. Seveda je treba sprejeti določene previdnostne ukrepe, da se zaščitimo pred škodljivimi učinki polj okoli nas. Samo z upoštevanjem nekaj preprostih pravil lahko bistveno zmanjšate vpliv magnetnih polj na vaše telo.

Trenutni SanPiN 2.1.2.2801-10 »Spremembe in dodatki št. 1 k SanPiN 2.1.2.2645-10 »Sanitarne in epidemiološke zahteve za bivalne razmere v stanovanjskih stavbah in prostorih« določa naslednje: »Najvišja dovoljena stopnja oslabitve geomagnetnega polje v prostorih stanovanjskih stavb je nastavljeno na 1,5". Določene so tudi največje dovoljene vrednosti intenzitete in jakosti magnetnega polja s frekvenco 50 Hz:

• v bivalnih prostorih - 5 μT oz 4 A/min;
• v nestanovanjskih prostorih stanovanjskih stavb, v stanovanjskih območjih, tudi na ozemlju vrtnih parcel - 10 μT oz 8 A/min.

Na podlagi teh standardov lahko vsakdo izračuna, koliko električnih naprav je lahko vključenih in v stanju pripravljenosti v posamezni sobi ali na podlagi katerih priporočil bodo izdana za normalizacijo življenjskega prostora.

Sorodni videoposnetki

majhna znanstveni film o zemeljskem magnetnem polju

Reference

1. Velika sovjetska enciklopedija.

Poglej tudi: Portal:Fizika

Magnetno polje lahko ustvari tok nabitih delcev in/ali magnetni momenti elektronov v atomih (ter magnetni momenti drugih delcev, čeprav v precej manjši meri) (trajni magneti).

Poleg tega se pojavi v prisotnosti časovno spremenljivega električnega polja.

Glavna značilnost moči magnetnega polja je vektor magnetne indukcije (vektor indukcije magnetnega polja) . Z matematičnega vidika vektorsko polje, ki določa in določa fizični koncept magnetno polje. Pogosto se vektor magnetne indukcije zaradi kratkosti preprosto imenuje magnetno polje (čeprav to verjetno ni najbolj stroga uporaba izraza).

Druga temeljna značilnost magnetnega polja (alternativna magnetna indukcija in z njo tesno povezana, praktično enaka po fizični vrednosti) je vektorski potencial .

Magnetno polje lahko imenujemo posebna vrsta snovi, skozi katero poteka interakcija med premikajočimi se nabitimi delci ali telesi, ki imajo magnetni moment.

Magnetna polja so nujna (v kontekstu) posledica obstoja električnih polj.

• Z vidika kvantne teorije polja magnetno interakcijo - kot poseben primer elektromagnetne interakcije prenaša osnovni brezmasni bozon - foton (delec, ki ga lahko predstavimo kot kvantno vzbujanje elektromagnetnega polja), pogosto (za na primer v vseh primerih statičnih polj) - virtualno.

Viri magnetnega polja

Magnetno polje ustvarja (generira) tok nabitih delcev, ali časovno spremenljivo električno polje, ali lastni magnetni momenti delcev (slednje zaradi enotnosti slike lahko formalno reduciramo na električni tok).

izračun

V preprostih primerih je mogoče magnetno polje prevodnika s tokom (vključno s primerom toka, ki je poljubno porazdeljen po volumnu ali prostoru) najti iz zakona Biot-Savart-Laplace ali izreka o kroženju (je tudi Ampèrov zakon). Načeloma je ta metoda omejena na primer (približek) magnetostatike - to je primer stalnih (če govorimo o strogi uporabnosti) ali precej počasi spreminjajočih se (če govorimo o približni aplikaciji) magnetnih in električnih polj.

V več težke situacije iščemo kot rešitev Maxwellovih enačb.

Manifestacija magnetnega polja

Magnetno polje se kaže v vplivu na magnetne momente delcev in teles, na gibajoče se nabite delce (ali vodnike s tokom). Silo, ki deluje na električno nabit delec, ki se giblje v magnetnem polju, imenujemo Lorentzova sila, ki je vedno usmerjena pravokotno na vektorja v in B. Sorazmeren je z nabojem delca q, komponenta hitrosti v, pravokotno na smer vektorja magnetnega polja B, in velikost indukcije magnetnega polja B. V sistemu enot SI je Lorentzova sila izražena na naslednji način:

v sistemu enot CGS:

kjer oglati oklepaji označujejo vektorski produkt.

Prav tako (zaradi delovanja Lorentzove sile na nabite delce, ki se gibljejo vzdolž prevodnika), magnetno polje deluje na prevodnik s tokom. Sila, ki deluje na vodnik, po katerem teče tok, se imenuje amperska sila. Ta sila je vsota sil, ki delujejo na posamezne naboje, ki se premikajo znotraj prevodnika.

Interakcija dveh magnetov

Ena najpogostejših manifestacij magnetnega polja v običajnem življenju je medsebojno delovanje dveh magnetov: enaka pola se odbijata, nasprotni pa privlačita. Zdi se mikavno opisati interakcijo med magneti kot interakcijo med dvema monopoloma, s formalnega vidika pa je ta ideja povsem uresničljiva in pogosto zelo priročna ter zato praktično uporabna (v izračunih); podrobna analiza pa pokaže, da v resnici ne gre za povsem pravilen opis pojava (najočitnejše vprašanje, ki ga v okviru takšnega modela ni mogoče razložiti, je vprašanje, zakaj monopolov nikoli ni mogoče ločiti, tj. poskus pokaže, da nobeno izolirano telo dejansko nima magnetnega naboja; poleg tega je slabost modela ta, da ni uporaben za magnetno polje, ki ga ustvarja makroskopski tok, kar pomeni, da če ga ne obravnavamo zgolj kot formalna tehnika, vodi le do zapleta teorije v temeljnem smislu).

Pravilneje bi bilo reči, da na magnetni dipol, postavljen v nehomogeno polje, deluje sila, ki teži k njegovemu vrtenju, tako da je magnetni moment dipola sousmerjen z magnetnim poljem. Toda noben magnet ne doživi (popolne) sile enotnega magnetnega polja. Sila, ki deluje na magnetni dipol z magnetnim momentom m je izražena s formulo:

Silo, ki deluje na magnet (ki ni enotočkovni dipol) iz nehomogenega magnetnega polja, je mogoče določiti s seštevanjem vseh sil (opredeljenih s to formulo), ki delujejo na osnovne dipole, ki sestavljajo magnet.

Vendar pa je možen pristop, ki reducira interakcijo magnetov na Ampèrovo silo, in samo zgornjo formulo za silo, ki deluje na magnetni dipol, lahko dobimo tudi na podlagi Ampèrove sile.

Pojav elektromagnetne indukcije

vektorsko polje H merjeno v amperih na meter (A/m) v sistemu SI in v oerstedih v CGS. Oersted in gauss sta enaki količini, njuna ločitev je zgolj terminološka.

Energija magnetnega polja

Povečanje energijske gostote magnetnega polja je:

H- jakost magnetnega polja, B- magnetna indukcija

V linearnem tenzorskem približku je magnetna prepustnost tenzor (označujemo ga ) in množenje vektorja z njim je tenzorsko (matrično) množenje:

ali v komponentah.

Gostota energije v tem približku je enaka:

- komponente tenzorja magnetne prepustnosti, - tenzor, predstavljen z matriko, inverzno matriki tenzorja magnetne prepustnosti, - magnetna konstanta

Ko so koordinatne osi izbrane tako, da sovpadajo z glavnimi osmi tenzorja magnetne prepustnosti, so formule v komponentah poenostavljene:

so diagonalne komponente tenzorja magnetne prepustnosti v njegovih lastnih oseh (ostale komponente v teh posebnih koordinatah - in samo v njih! - so enake nič).

V izotropnem linearnem magnetu:

- relativna magnetna prepustnost

V vakuumu in:

Energijo magnetnega polja v induktorju lahko najdemo po formuli:

Ф - magnetni pretok, I - tok, L - induktivnost tuljave ali tuljave s tokom.

Magnetne lastnosti snovi

S temeljnega vidika, kot je navedeno zgoraj, lahko magnetno polje ustvari (in torej - v kontekstu tega odstavka - in oslabi ali okrepi) z izmeničnim električnim poljem, električnimi tokovi v obliki tokov nabitih delcev oz. magnetni momenti delcev.

Specifična mikroskopska zgradba in lastnosti različnih snovi (pa tudi njihovih zmesi, zlitin, agregatnih stanj, kristalnih modifikacij itd.) privedejo do tega, da se lahko na makroskopski ravni pod delovanjem zunanjega magnetnega polja obnašajo precej različno. (zlasti oslabitev ali okrepitev v različnih stopnjah).

V zvezi s tem so snovi (in mediji na splošno) glede na njihove magnetne lastnosti razdeljene v naslednje glavne skupine:

• Antiferomagneti so snovi, v katerih je vzpostavljen antiferomagnetni red magnetnih momentov atomov ali ionov: magnetni momenti snovi so usmerjeni nasprotno in imajo enako moč.
• Diamagneti so snovi, ki so namagnetene v nasprotni smeri zunanjega magnetnega polja.
• Paramagneti so snovi, ki se v zunanjem magnetnem polju magnetizirajo v smeri zunanjega magnetnega polja.
• Feromagnetiki so snovi, v katerih se pod določeno kritično temperaturo (Curiejeva točka) vzpostavi daljnosežni feromagnetni red magnetnih momentov.
• Ferimagneti - materiali, v katerih so magnetni momenti snovi usmerjeni nasprotno in niso enaki po moči.
• Zgornje skupine snovi vključujejo predvsem običajne trdne ali (nekatere) tekoče snovi ter pline. Interakcija z magnetnim poljem superprevodnikov in plazme se bistveno razlikuje.

Toki Foucault

Foucaultovi tokovi (vrtinčni tokovi) - zaprti električni tokovi v masivnem prevodniku, ki nastanejo zaradi spremembe magnetnega toka, ki prodira vanj. So indukcijski tokovi, ki nastanejo v prevodnem telesu bodisi zaradi časovne spremembe magnetnega polja, v katerem se nahaja, bodisi kot posledica gibanja telesa v magnetnem polju, kar povzroči spremembo magnetnega pretoka skozi telesa ali katerega koli njegovega dela. Po Lenzovem pravilu je magnetno polje Foucaultovih tokov usmerjeno tako, da nasprotuje spremembi magnetnega pretoka, ki inducira te tokove.

Zgodovina razvoja idej o magnetnem polju

Čeprav so bili magneti in magnetizem poznani že veliko prej, se je preučevanje magnetnega polja začelo leta 1269, ko je francoski znanstvenik Peter Peregrine (vitez Pierre iz Méricourta) z jeklenimi iglami opazil magnetno polje na površini sferičnega magneta in ugotovil, da Posledične magnetne silnice so se sekale v dveh točkah, ki ju je po analogiji s poloma Zemlje imenoval "poli". Skoraj tri stoletja kasneje je William Gilbert Colchester uporabil delo Petra Peregrinusa in prvič dokončno izjavil, da je Zemlja magnet. Izdano leta 1600, Gilbertovo delo De Magnete, je postavil temelje magnetizma kot znanosti.

Tri odkritja zapored so izzvala to "osnovo magnetizma". Prvič, leta 1819, je Hans Christian Oersted odkril, da električni tok okoli sebe ustvarja magnetno polje. Nato je leta 1820 André-Marie Ampère pokazal, da se vzporedne žice, po katerih teče tok v isti smeri, privlačijo. Končno sta Jean-Baptiste Biot in Félix Savard leta 1820 odkrila zakon, imenovan Biot-Savart-Laplaceov zakon, ki je pravilno napovedal magnetno polje okoli katere koli žice pod napetostjo.

Ob razširitvi teh poskusov je Ampère leta 1825 objavil svoj uspešen model magnetizma. V njem je prikazal enakovrednost električnega toka v magnetih in namesto dipolov magnetnih nabojev v Poissonovem modelu predlagal idejo, da je magnetizem povezan s stalno tekočimi tokovnimi zankami. Ta ideja je pojasnila, zakaj magnetnega naboja ni bilo mogoče izolirati. Poleg tega je Ampère izpeljal po njem imenovani zakon, ki je tako kot Biot-Savart-Laplaceov zakon pravilno opisal magnetno polje, ki ga povzroča enosmerni tok, uveden pa je bil tudi izrek o kroženju magnetnega polja. Tudi v tem delu je Ampère skoval izraz "elektrodinamika", da bi opisal odnos med elektriko in magnetizmom.

Čeprav jakost magnetnega polja gibajočega se električnega naboja, implicirana v Amperovem zakonu, ni bila izrecno navedena, jo je leta 1892 Hendrik Lorentz izpeljal iz Maxwellovih enačb. Hkrati je bila klasična teorija elektrodinamike v bistvu zaključena.

Dvajseto stoletje je razširilo poglede na elektrodinamiko, zahvaljujoč nastanku teorije relativnosti in kvantne mehanike. Albert Einstein je v svojem članku iz leta 1905, kjer je utemeljil svojo teorijo relativnosti, pokazal, da sta električna in magnetna polja del istega pojava, ki ga obravnavamo v različne sisteme referenca. (Glejte Gibajoči se magnet in problem prevodnika – miselni eksperiment, ki je sčasoma pomagal Einsteinu razviti posebno teorijo relativnosti). Končno je bila kvantna mehanika združena z elektrodinamiko, da je nastala kvantna elektrodinamika (QED).

Poglej tudi

• Magnetni filmski vizualizator

Opombe

1. TSB. 1973, "Sovjetska enciklopedija".
2. V posebnih primerih lahko magnetno polje obstaja tudi v odsotnosti električnega polja, vendar je na splošno magnetno polje globoko povezano z električnim poljem, tako dinamično (medsebojno ustvarjanje z izmeničnimi električnimi in magnetnimi polji) kot v občutek, da ob prehodu v nov sistem referenčno se magnetno in električno polje izražata eno skozi drugega, torej ju na splošno ni mogoče brezpogojno ločiti.
3. Yavorsky B. M., Detlaf A. A. Priročnik za fiziko: 2. izdaja, revidirana. - M .: Znanost, Glavna izdaja fizične in matematične literature, 1985, - 512 str.
4. V SI se magnetna indukcija meri v teslu (T), v sistemu cgs pa v gaussih.
5. V sistemu enot CGS natančno sovpadajo, v SI se razlikujejo s konstantnim koeficientom, kar seveda ne spremeni dejstva njihove praktične fizične istovetnosti.
6. Najpomembnejša in najbolj površna razlika je, da je sila, ki deluje na gibajoči se delec (ali na magnetni dipol), izračunana v smislu in ne v smislu . Tudi vsaka druga fizikalno pravilna in smiselna metoda merjenja bo omogočila merjenje, čeprav se včasih izkaže za bolj priročno za formalni izračun - v čem je pravzaprav smisel uvajanja te pomožne količine (sicer bi sploh brez, samo z uporabo
7. Vendar je treba dobro razumeti, da se številne temeljne lastnosti te "snovi" bistveno razlikujejo od lastnosti običajne vrste "materije", ki bi jo lahko označili z izrazom "snov".
8. Glej Amperov izrek.
9. Za homogeno polje daje ta izraz ničelno silo, saj so vsi derivati ​​enaki nič B po koordinatah.
10. Sivuhin D.V. Splošni tečaj fizike. - Ed. 4., stereotipno. - M .: Fizmatlit; Založba MIPT, 2004. - Zv. III. Elektrika. - 656 str. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.

Da bi razumeli, kaj je značilnost magnetnega polja, je treba definirati številne pojave. Hkrati se morate vnaprej spomniti, kako in zakaj se pojavi. Ugotovite, kakšna je močnostna karakteristika magnetnega polja. Pomembno je tudi, da se takšno polje lahko pojavi ne samo v magnetih. V zvezi s tem ne škodi omeniti značilnosti zemeljskega magnetnega polja.

Nastanek polja

Za začetek je treba opisati videz polja. Po tem lahko opišete magnetno polje in njegove značilnosti. Pojavi se med gibanjem nabitih delcev. Lahko vpliva na zlasti prevodne prevodnike. Interakcija med magnetnim poljem in gibljivimi naboji oziroma prevodniki, po katerih teče tok, nastane zaradi sil, ki jih imenujemo elektromagnetne.

Intenzivnost oziroma jakostna karakteristika magnetnega polja v določeni prostorski točki se določi z uporabo magnetne indukcije. Slednji je označen s simbolom B.

Grafični prikaz polja

Magnetno polje in njegove značilnosti lahko grafično predstavimo z indukcijskimi črtami. Ta definicija se imenuje črte, tangente na katere bodo na kateri koli točki sovpadale s smerjo vektorja y magnetne indukcije.

Te črte so vključene v značilnosti magnetnega polja in se uporabljajo za določanje njegove smeri in jakosti. Večja kot je intenziteta magnetnega polja, več podatkovnih črt bo narisanih.

Kaj so magnetne črte

Magnetne črte ravnih vodnikov s tokom imajo obliko koncentričnega kroga, katerega središče se nahaja na osi tega prevodnika. Smer magnetnih črt v bližini vodnikov s tokom določa pravilo gimleta, ki zveni takole: če je gimlet nameščen tako, da bo privit v prevodnik v smeri toka, potem je smer vrtenja ročaj ustreza smeri magnetnih linij.

Za tuljavo s tokom bo smer magnetnega polja določena tudi s pravilom gimleta. Prav tako je potrebno ročaj vrteti v smeri toka v zavojih solenoida. Smer linij magnetne indukcije bo ustrezala smeri translacijskega gibanja gimleta.

Je glavna značilnost magnetnega polja.

Polje, ki ga ustvari en tok, pod enakimi pogoji, se bo v različnih medijih zaradi različnih magnetnih lastnosti teh snovi razlikovalo po svoji intenzivnosti. Za magnetne lastnosti medija je značilna absolutna magnetna prepustnost. Meri se v henrijih na meter (g/m).

Karakteristika magnetnega polja vključuje absolutno magnetno prepustnost vakuuma, imenovano magnetna konstanta. Vrednost, ki določa, kolikokrat se bo absolutna magnetna prepustnost medija razlikovala od konstante, imenujemo relativna magnetna prepustnost.

Magnetna prepustnost snovi

To je brezdimenzijska količina. Snovi z vrednostjo prepustnosti, manjšo od ena, imenujemo diamagnetne. V teh snoveh bo polje šibkejše kot v vakuumu. Te lastnosti so prisotne v vodiku, vodi, kremenu, srebru itd.

Mediji z magnetno prepustnostjo, večjo od enote, se imenujejo paramagnetni. V teh snoveh bo polje močnejše kot v vakuumu. Ti mediji in snovi vključujejo zrak, aluminij, kisik, platino.

Pri paramagnetnih in diamagnetnih snoveh vrednost magnetne prepustnosti ne bo odvisna od napetosti zunanjega, magnetizirajočega polja. To pomeni, da je vrednost za določeno snov konstantna.

V posebno skupino spadajo feromagneti. Za te snovi bo magnetna prepustnost dosegla nekaj tisoč ali več. Te snovi, ki imajo lastnost, da se magnetizirajo in ojačajo magnetno polje, se pogosto uporabljajo v elektrotehniki.

Moč polja

Za določitev značilnosti magnetnega polja se lahko skupaj z vektorjem magnetne indukcije uporabi vrednost, imenovana jakost magnetnega polja. Ta izraz določa jakost zunanjega magnetnega polja. Smer magnetnega polja v mediju z enakimi lastnostmi v vseh smereh bo vektor intenzitete sovpadal z vektorjem magnetne indukcije v točki polja.

Moč feromagnetov je razložena s prisotnostjo v njih poljubno magnetiziranih majhnih delov, ki jih lahko predstavljamo kot majhne magnete.

V odsotnosti magnetnega polja feromagnetna snov morda nima izrazitih magnetnih lastnosti, saj domenska polja pridobijo različne orientacije in njihovo skupno magnetno polje je nič.

Glede na glavno značilnost magnetnega polja, če je feromagnet postavljen v zunanje magnetno polje, na primer v tuljavo s tokom, se bodo pod vplivom zunanjega polja domene obrnile v smeri zunanjega polja. . Poleg tega se bo povečalo magnetno polje na tuljavi in ​​povečala se bo magnetna indukcija. Če je zunanje polje dovolj šibko, se bo prevrnil le del vseh domen, katerih magnetna polja se približajo smeri zunanjega polja. Z naraščanjem jakosti zunanjega polja se bo povečalo število zasukanih domen in pri določeni vrednosti napetosti zunanjega polja se bodo skoraj vsi deli zasukali tako, da se bodo magnetna polja nahajala v smeri zunanjega polja. To stanje imenujemo magnetna nasičenost.

Razmerje med magnetno indukcijo in jakostjo

Razmerje med magnetno indukcijo feromagnetne snovi in ​​jakostjo zunanjega polja je mogoče prikazati z grafom, imenovanim krivulja magnetizacije. Na ovinku grafa krivulje se stopnja povečanja magnetne indukcije zmanjša. Po zavoju, kjer napetost doseže določeno vrednost, pride do nasičenja, krivulja se rahlo dvigne in postopoma dobi obliko ravne črte. Na tem odseku indukcija še raste, vendar precej počasi in le zaradi povečanja jakosti zunanjega polja.

Grafična odvisnost teh indikatorjev ni direktna, kar pomeni, da njuno razmerje ni konstantno, magnetna prepustnost materiala pa ni konstanten indikator, ampak je odvisna od zunanjega polja.

Spremembe magnetnih lastnosti materialov

S povečanjem jakosti toka do popolne nasičenosti v tuljavi s feromagnetnim jedrom in njegovim kasnejšim zmanjšanjem krivulja magnetizacije ne bo sovpadala s krivuljo demagnetizacije. Z ničelno intenzivnostjo magnetna indukcija ne bo imela enake vrednosti, ampak bo pridobila določen indikator, ki se imenuje preostala magnetna indukcija. Situacija z zamikom magnetne indukcije od sile magnetiziranja se imenuje histereza.

Za popolno razmagnetenje feromagnetnega jedra v tuljavi je potrebno dati povratni tok, ki bo ustvaril potrebno napetost. Za različne feromagnetne snovi je potreben segment različnih dolžin. Večji ko je, več energije je potrebno za razmagnetenje. Vrednost, pri kateri je material popolnoma razmagneten, se imenuje prisilna sila.

Z nadaljnjim povečanjem toka v tuljavi se bo indukcija spet povečala do indeksa nasičenosti, vendar z drugačno smerjo magnetnih linij. Pri razmagnetenju v nasprotni smeri dobimo preostalo indukcijo. Pojav rezidualnega magnetizma se uporablja za ustvarjanje trajnih magnetov iz snovi z visokim rezidualnim magnetizmom. Iz snovi, ki imajo sposobnost ponovnega magnetiziranja, se ustvarjajo jedra za električne stroje in naprave.

pravilo leve roke

Sila, ki deluje na vodnik s tokom, ima smer, določeno s pravilom leve roke: ko je dlan deviške roke nameščena tako, da vanjo vstopijo magnetne črte, štirje prsti pa so iztegnjeni v smeri tok v vodniku bo upognjen palec pokazal smer sile. Ta sila je pravokotna na vektor indukcije in tok.

Prevodnik s tokom, ki se premika v magnetnem polju, velja za prototip elektromotorja, ki spreminja električno energijo v mehansko.

Pravilo desne roke

Med gibanjem vodnika v magnetnem polju se v njem inducira elektromotorna sila, ki ima vrednost sorazmerno z magnetno indukcijo, dolžino vpletenega vodnika in hitrostjo njegovega gibanja. Ta odvisnost se imenuje elektromagnetna indukcija. Pri določanju smeri induciranega EMF v prevodniku se uporablja pravilo desna roka: ko je desna roka postavljena na enak način kot v primeru z leve, magnetne črte vstopijo v dlan, palec pa kaže smer gibanja prevodnika, iztegnjeni prsti kažejo smer induciranega EMF. Prevodnik, ki se giblje v magnetnem toku pod vplivom zunanje mehanske sile, je najenostavnejši primer električnega generatorja, v katerem se mehanska energija pretvarja v električno.

Lahko se formulira drugače: v zaprtem krogu se inducira EMF, pri kateri koli spremembi magnetnega pretoka, ki ga pokriva to vezje, je EDE v vezju številčno enaka hitrosti spremembe magnetnega pretoka, ki pokriva to vezje.

Ta obrazec zagotavlja povprečni indikator EMF in označuje odvisnost EMF ne od magnetnega toka, temveč od hitrosti njegove spremembe.

Lenzov zakon

Prav tako se morate spomniti Lenzovega zakona: tok, ki ga povzroči sprememba magnetnega polja, ki poteka skozi vezje, s svojim magnetnim poljem prepreči to spremembo. Če zavoje tuljave prebodejo magnetni tokovi različnih velikosti, potem je EMF, induciran na celotni tuljavi, enak vsoti EMF v različnih zavojih. Vsoto magnetnih pretokov različnih ovojev tuljave imenujemo pretočna povezava. Merska enota te količine, kot tudi magnetnega pretoka, je weber.

Ko se spremeni električni tok v tokokrogu, se spremeni tudi magnetni tok, ki ga ustvari. V tem primeru se po zakonu elektromagnetne indukcije znotraj prevodnika inducira EMF. Pojavi se v povezavi s spremembo toka v prevodniku, zato se ta pojav imenuje samoindukcija, EMF, induciran v prevodniku, pa se imenuje samoindukcijski EMF.

Pretočna vezava in magnetni pretok nista odvisna le od jakosti toka, temveč tudi od velikosti in oblike danega prevodnika ter magnetne prepustnosti okoliške snovi.

induktivnost prevodnika

Koeficient sorazmernosti se imenuje induktivnost prevodnika. Označuje zmožnost prevodnika, da ustvari pretočno povezavo, ko električna energija teče skozi njega. To je eden glavnih parametrov električnih tokokrogov. Za nekatera vezja je induktivnost konstanta. Odvisno bo od velikosti konture, njene konfiguracije in magnetne prepustnosti medija. V tem primeru jakost toka v vezju in magnetni tok ne bosta pomembna.

Zgornje definicije in pojavi pojasnjujejo, kaj je magnetno polje. Podane so tudi glavne značilnosti magnetnega polja, s pomočjo katerih je možno definirati ta pojav.