Магнітне поле. Теорія магнітного поля та цікаві факти про магнітне поле землі

Для розуміння того, що є характеристикою магнітного поля, слід дати визначення багатьом явищам. При цьому наперед треба згадати, як і чому воно з'являється. Дізнатись, що є силовою характеристикою магнітного поля. При цьому важливо те, що подібне поле може зустрічатися не тільки у магнітів. У зв'язку з цим не завадить згадати характеристику магнітного поля землі.

Виникнення поля

Спочатку слід описати виникнення поля. Після цього можна описати магнітне поле та його характеристики. Воно з'являється під час переміщення заряджених частинок. Може проводити особливо на струмопровідні провідники. Взаємодія між магнітним полем і зарядами, що рухаються, або провідниками, якими тече струм, відбувається завдяки силам, іменованим електромагнітними.

Інтенсивність або силова характеристика магнітного поля у певній просторовій точці визначаються за допомогою магнітної індукції. Остання позначається символом.

Графічне уявлення поля

Магнітне поле та його характеристики можуть бути представлені у графічній формі за допомогою ліній індукції. Даним визначенням називають лінії, дотичні до яких у будь-якій точці збігатимуться з напрямом вектора магнітної індукції.

Названі лінії входять у характеристику магнітного поля та застосовуються для визначення його напрямку та інтенсивності. Чим вище інтенсивність магнітного поля, тим більше цих ліній буде проведено.

Що таке магнітні лінії

Магнітні лінії у прямолінійних провідників зі струмом мають форму концентричного кола, центр якого розташовується на осі даного провідника. Напрямок магнітних ліній біля провідників зі струмом визначається за правилом буравчика, яке звучить так: якщо буравчик буде розташований так, що він буде загвинчуватися в провідник у напрямку струму, тоді напрям звернення рукоятки відповідає напрямку магнітних ліній.

У котушки зі струмом напрямок магнітного поля визначатиметься також за правилом буравчика. Також потрібно обертати рукоятку за напрямком струму у витках соленоїда. Напрямок ліній магнітної індукції буде відповідати напрямку поступального руху свердла.

Є основною характеристикою магнітного поля.

Створюване одним струмом, за рівних умов, поле буде відрізнятися за своєю інтенсивністю в різних середовищах через магнітні властивості, що розрізняються в цих речовинах. Магнітні властивості середовища характеризуються абсолютною магнітною проникністю. Вимірюється у генрі на метр (г/м).

У характеристику магнітного поля входить абсолютна магнітна проникність вакууму, яка називається магнітною постійною. Значення, що визначає, у скільки разів абсолютна магнітна проникність середовища відрізнятиметься від постійної, називається відносною магнітною проникністю.

Магнітна проникність речовин

Це безрозмірна величина. Речовини, що мають значення проникності менше одиниці, називаються діамагнітними. У цих речовинах поле буде слабшим, ніж у вакуумі. Дані властивості присутні у водню, води, кварцу, срібла та ін.

Середовища з магнітною проникністю, що перевищує одиницю, називаються парамагнітними. У цих речовинах поле буде сильнішим, ніж у вакуумі. До цих середовищ і речовин відносять повітря, алюміній, кисень, платину.

У випадку з парамагнітними та діамагнітними речовинами значення магнітної проникності не буде залежати від напруги зовнішнього поля, що намагнічує. Це означає, що величина є постійною для певної речовини.

До особливої ​​групи належать феромагнетики. У цих речовин магнітна проникність досягатиме кількох тисяч і більше. У названих речовин, що мають властивість намагнічуватися та посилювати магнітне поле, існує широке використання в електротехніці.

Напруженість поля

Для визначення показників магнітного поля разом з вектором магнітної індукції може застосовуватися значення, що називається напруженістю магнітного поля. Цей термін є визначальною інтенсивність зовнішнього магнітного поля. Напрямок магнітного поля в середовищі з однаковими властивостями по всіх напрямках вектор напруженості збігатиметься з вектором магнітної індукції в точці поля.

Сильні у феромагнітів пояснюються присутністю в них довільно намагнічених малих частин, які можуть бути представлені у вигляді малих магнітів.

З відсутнім магнітним полем феромагнітна речовина може не мати виражених магнітних властивостей, оскільки поля доменів набувають різної орієнтації, та їх загальне магнітне поле дорівнює нулю.

За основною характеристикою магнітного поля, якщо феромагніт буде поміщений у зовнішнє магнітне поле, наприклад, в котушку зі струмом, то під впливом зовнішнього поля домени розгорнуться у напрямку зовнішнього поля. Притому магнітне поле у ​​котушки посилиться, і магнітна індукція збільшиться. Якщо ж зовнішнє поле досить слабке, то перевернеться лише частина всіх доменів, магнітні поля яких у напрямку наближаються до напрямку зовнішнього поля. Протягом збільшення сили зовнішнього поля число повернутих доменів зростатиме, і за певного значення напруги зовнішнього поля майже всі частини будуть розгорнуті так, що магнітні поля розташуються у напрямку зовнішнього поля. Цей стан називається магнітним насиченням.

Зв'язок магнітної індукції та напруженості

Взаємопов'язаність магнітної індукції феромагнітної речовини та напруженості зовнішнього поля може зображуватись за допомогою графіка, званого кривою намагнічування. У місці вигину графіка крива швидкість зростання магнітної індукції зменшується. Після вигину, де напруженість досягає певного показника, відбувається насичення, і крива трохи піднімається, поступово набуваючи форми прямої. На цій ділянці індукція все ще зростає, проте досить повільно і лише за рахунок зростання напруженості зовнішнього поля.

Графічна залежність даних показника перестав бути прямий, отже, їх ставлення який завжди, і магнітна проникність матеріалу не незмінний показник, а залежить від зовнішнього поля.

Зміни магнітних властивостей матеріалів

При збільшенні сили струму до повного насичення в котушці з феромагнітним сердечником і подальшим її зменшенням крива намагнічування не співпадатиме з кривою розмагнічування. З нульовою напруженістю магнітна індукція не матиме таке ж значення, а набуде деякого показника, що називається залишковою магнітною індукцією. Ситуація з відставанням магнітної індукції від сили, що намагнічує, іменується гістерезисом.

Для повного розмагнічування феромагнітного осердя в котушці потрібно дати струм зворотної спрямованості, який створить необхідну напруженість. Для різних феромагнітних речовин потрібний відрізок різної довжини. Чим він більший, тим більший обсяг енергії необхідний для розмагнічування. Значення, у якому відбувається повне розмагнічування матеріалу, називається коэрцитивной силою.

При подальшому збільшенні струму в котушці індукція знову збільшиться до показника насичення, але з іншим напрямом магнітних ліній. При розмагнічуванні у зворотному напрямку буде отримано залишкову індукцію. Явище залишкового магнетизму застосовується під час створення постійних магнітів із речовин із великим показником залишкового магнетизму. З речовин, що мають здатність до перемагнічування, створюються осердя для електричних машин та приладів.

Правило лівої руки

Сила, що впливає на провідник зі струмом, має напрямок, що визначається за правилом лівої руки: при розташуванні долоні дівої руки таким чином, що магнітні лінії входять до неї, і чотири пальці витягнуті у напрямку струму в провіднику, відігнутий великий палець вкаже напрям сили. Ця сила перпендикулярна вектору індукції та струму.

Провідник з струмом, що переміщається в магнітному полі, вважається прообразом електродвигуна, який змінює електричну енергію в механічну.

Правило правої руки

Під час руху провідника в магнітному полі всередині нього індукується електрорушійна сила, яка має значення, пропорційне магнітній індукції, задіяній довжині провідника та швидкості його переміщення. Ця залежність називається електромагнітною індукцією. При визначенні напрямку індукованої ЕРС у провіднику використовують правило правої руки: при розташуванні правої руки так само, як у прикладі з лівої, магнітні лінії входять у долоню, а великий палець вказує напрямок переміщення провідника, витягнуті пальці вкажуть напрямок індукованої ЕРС. Провідник, що переміщається в магнітному потоці під впливом зовнішньої механічної сили, є найпростішим прикладом електричного генератора, в якому перетворюється механічна енергія в електричну.

Може бути сформульований по-іншому: у замкнутому контурі відбувається індукування ЕРС, при будь-якій зміні магнітного потоку, що охоплюється даним контуром, ЕДЕ в контурі чисельно дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, що охоплює цей контур.

Дана форма надає усереднений показник ЕРС та вказує на залежність ЕРС не від магнітного потоку, а від швидкості його зміни.

Закон Ленця

Також слід згадати закон Ленца: струм, що індукується при зміні магнітного поля, що проходить через контур, своїм магнітним полем перешкоджає цій зміні. Якщо витки у котушки пронизуються різними за величиною магнітними потоками, то індукована по цілій котушці ЕРС дорівнює сумі ЕДЕ у різних витках. Сума магнітних потоків різних витків котушки називається потокозчепленням. Одиниця виміру цієї величини, як і магнітного потоку, - вебер.

При зміні електричного струму в контурі відбувається зміна та створеного ним магнітного потоку. При цьому, згідно із законом електромагнітної індукції, усередині провідника відбувається індукування ЕРС. Вона у зв'язку зі зміною струму в провіднику, тому це явище називають самоіндукцією, і індукована в провіднику ЕРС називається ЕРС самоіндукції.

Потокосцепление і магнітний потік залежить від однієї лише сили струму, а й від величини і форми даного провідника, і магнітної проникності навколишнього речовини.

Індуктивність провідника

Коефіцієнт пропорційності називається індуктивністю провідника. Він означає здатність провідника створювати потокозчеплення при проходженні крізь нього електрики. Це є одним із основних параметрів електричних кіл. Для певних ланцюгів індуктивність є незмінним показником. Вона залежатиме від величини контуру, його конфігурації та магнітної проникності середовища. При цьому сила струму в контурі та магнітний потік не матимуть значення.

Вищеописані визначення та явища дають пояснення тому, що є магнітним полем. Також наводяться основні характеристики магнітного поля, з яких можна дати визначення даного явища.

Магнітне поле та його характеристики. При проходженні електричного струму провідником навколо нього утворюється магнітне поле. Магнітне поле є одним із видів матерії. Воно володіє енергією, яка проявляє себе у вигляді електромагнітних сил, що діють на окремі електричні заряди, що рухаються (електрони та іони) і на їх потоки, тобто електричний струм. Під впливом електромагнітних сил заряджені частинки, що рухаються, відхиляються від свого первісного шляху в напрямку, перпендикулярному полю (рис. 34). Магнітне поле утворюєтьсятільки навколо електричних зарядів, що рухаються, і його дія поширюється теж лише на заряди, що рухаються. Магнітне та електричні полянерозривні і утворюють спільно єдине електромагнітне поле. Будь-яка зміна електричного поляпризводить до появи магнітного поля і навпаки, будь-яка зміна магнітного поля супроводжується виникненням електричного поля. Електромагнітне полепоширюється із швидкістю світла, тобто 300 000 км/с.

Графічний зображення магнітного поля.Графічно магнітне поле зображують магнітними силовими лініями, які проводять так, щоб напрямок силової лінії в кожній точці поля збігався з напрямком сил поля; магнітні силові лінії завжди є безперервними та замкнутими. Напрямок магнітного поля в кожній точці можна визначити за допомогою магнітної стрілки. Північний полюс стрілки завжди встановлюється у бік дії сил поля. Кінець постійного магніту, з якого виходять силові лінії (рис. 35 а), прийнято вважати північним полюсом, а протилежний кінець, в який входять силові лінії, - південним полюсом (силові лінії, що проходять всередині магніту, не показані). Розподіл силових ліній між полюсами плоского магніту можна виявити за допомогою сталевої тирси, насипаної на аркуш паперу, покладений на полюси (рис. 35, б). Для магнітного поля в повітряному зазорі між двома паралельно розташованими різноіменними полюсами постійного магніту характерний рівномірний розподіл силових магнітних ліній (рис. 36) (силові лінії, що проходять усередині магніту, не показані).

Мал. 37. Магнітний потік, що пронизує котушку при перпендикулярному (а) і похилому (б) її положеннях щодо напрямку магнітних силових ліній.

Для більш наочного зображення магнітного поля силові лінії мають рідше або густіше. У тих місцях, де магнітне роль сильніше, силові лінії розташовують ближче один до одного, там же, де воно слабше, - далі один від одного. Силові лінії ніде не перетинаються.

У багатьох випадках зручно розглядати магнітні силові лінії як деякі пружні розтягнуті нитки, які прагнуть скоротитися, а також взаємно відштовхуються одна від одної (мають взаємний бічний розпір). Таке механічне уявлення про силові лінії дозволяє наочно пояснити виникнення електромагнітних сил при взаємодії магнітного поля та Провідника зі струмом, а також двох магнітних полів.

Основними характеристиками магнітного поля є магнітна індукція, магнітний потік, магнітна проникність та напруженість магнітного поля.

Магнітна індукція та магнітний потік.Інтенсивність магнітного поля, т. е. здатність його виконувати роботу, визначається величиною, званої магнітної індукцією. Чим сильніше магнітне поле, створене постійним магнітом або електромагнітом, тим більшу індукцію воно має. Магнітну індукцію можна характеризувати щільністю силових магнітних ліній, тобто числом силових ліній, що проходять через площу 1 м 2 або 1 см 2 , розташовану перпендикулярно магнітному полю. Розрізняють однорідні та неоднорідні магнітні поля. У однорідному магнітному полі магнітна індукція у кожній точці поля має однакове значення та напрямок. Однорідним може вважатися поле в повітряному зазорі між різними полюсами магніту або електромагніту (див.рис.36) при деякому віддаленні від його країв. Магнітний потік Ф, який проходить через будь-яку поверхню, визначається загальним числом магнітних силових ліній, що пронизують цю поверхню, наприклад котушку 1 (рис. 37, а), отже, в однорідному магнітному полі

Ф = BS (40)

де S - площа поперечного перерізу поверхні, якою проходять магнітні силові лінії. Звідси випливає, що в такому полі магнітна індукція дорівнює потоку, поділеному на площу поперечного перерізу S:

B = Ф/S (41)

Якщо яка-небудь поверхня розташована похило по відношенню до напрямку магнітних силових ліній (рис. 37, б), то потік, що пронизує її, буде менше, ніж при перпендикулярному її положенні, тобто Ф 2 буде менше Ф 1 .

У системі одиниць СІ магнітний потік вимірюється у веберах (Вб), ця одиниця має розмірність В*с (вольт-секунда). Магнітна індукція у системі одиниць СІ вимірюється в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м2.

Магнітна проникність.Магнітна індукція залежить не тільки від сили струму, що проходить прямолінійним провідником або котушкою, але і від властивостей середовища, в якому створюється магнітне поле. Величиною, що характеризує магнітні властивості середовища, є абсолютна магнітна проникність? а. Одиницею її виміру є генрі на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).
У середовищі з більшою магнітною проникністю електричний струм певної сили створює магнітне поле з більшою індукцією. Встановлено, що магнітна проникність повітря та всіх речовин, за винятком феромагнітних матеріалів (див. § 18), має приблизно те саме значення, що й магнітна проникність вакууму. Абсолютну магнітну проникність вакууму називають магнітною постійною, ? про = 4? * 10 -7 Гн/м. Магнітна проникність феромагнітних матеріалів у тисячі і навіть десятки тисяч разів більша за магнітну проникність неферомагнітних речовин. Відношення магнітної проникності? а якоїсь речовини до магнітної проникності вакууму? про називають відносною магнітною проникністю:

? =? а/? про (42)

Напруженість магнітного поля. І не залежить від магнітних властивостей середовища, але враховує вплив сили струму і форми провідників на інтенсивність магнітного поля в даній точці простору. Магнітна індукція та напруженість пов'язані ставленням

H = B/? а = B/(?? о) (43)

Отже, у середовищі з постійною магнітною проникністю індукція магнітного поля пропорційна його напруженості.
Напруга магнітного поля вимірюється в амперах на метр (А/м) або амперах на сантиметр (А/см).

У минулому столітті різними вченими було висунуто кілька припущень про магнітне поле Землі. Згідно з одним із них, поле з'являється в результаті обертання планети навколо своєї осі.

Вона заснована на цікавому ефект Барнета-Енштейна, який полягає в тому, що при обертанні будь-якого тіла виникає магнітне поле. Атоми у цьому ефекті мають свій магнітний момент, оскільки обертаються навколо своєї осі. Так утворюється магнітне поле Землі. Проте ця гіпотеза не витримала експериментальних перевірок. Виявилося, що магнітне поле, отримане таким нетривіальним чином, у кілька мільйонів разів слабше за реальне.

Інша гіпотеза ґрунтується на появі магнітного поля внаслідок кругового руху заряджених частинок (електронів) на поверхні планети. Вона теж виявилася неспроможною. Рух електронів здатний викликати появу дуже слабкого поля, причому ця гіпотеза не пояснює інверсії магнітного поля Землі. Відомо, що північний магнітний полюс не збігається із північним географічним.

Сонячний вітер та струми мантії

Механізм утворення магнітного поля Землі та інших планет Сонячної системи до кінця не вивчений і поки що залишається загадкою для вчених. Проте одна запропонована гіпотеза досить добре пояснює інверсію та величину індукції реального поля. Вона заснована на роботі внутрішніх струмів Землі та сонячного вітру.

Внутрішні струми Землі протікають у мантії, що складається з речовин, що мають дуже хорошу провідність. Джерелом струму є ядро. Енергія від ядра до землі передається з допомогою конвекції. Таким чином, у мантії спостерігається постійний рух речовини, який і утворює магнітне поле за відомим законом руху заряджених частинок. Якщо пов'язувати його появу лише з внутрішніми струмами, виходить, що всі планети, у яких напрямок обертання збігається з напрямком обертання Землі, повинні мати ідентичне магнітне поле. Однак, це не так. У Юпітера північний географічний полюс збігається із північним магнітним.

У освіті магнітного поля Землі беруть участь як внутрішні струми. Давно відомо, що воно реагує на сонячний вітер, потік високоенергетичних частинок, що йдуть від Сонця в результаті реакцій на його поверхні.

Сонячний вітер за своєю природою є електричним струмом (рух заряджених частинок). Захоплений обертанням Землі, створює круговий струм, що призводить до появи магнітного поля Землі.

Подібно до того, як спокій електричний заряд діє на інший заряд за допомогою електричного поля, електричний струм діє на інший струм за допомогою магнітного поля. Дія магнітного поля на постійні магніти зводиться до дії його на заряди, що рухаються в атомах речовини та створюють мікроскопічні кругові струми.

Вчення про електромагнетизмзасноване на двох положеннях:

• магнітне поле діє на заряди, що рухаються, і струми;
• магнітне поле виникає навколо струмів і зарядів, що рухаються.

Взаємодія магнітів

Постійний магніт(або магнітна стрілка) орієнтується вздовж магнітного меридіана Землі. Той його кінець, що вказує на північ, називається північним полюсом(N), а протилежний кінець - південним полюсом(S). Наближаючи два магніти один до одного, зауважимо, що однойменні полюси їх відштовхуються, а різноіменні - притягуються ( Мал. 1 ).

Якщо поділити полюси, розрізавши постійний магніт на дві частини, то ми виявимо, що кожна з них теж матиме два полюси, Т. е. буде постійним магнітом ( Мал. 2 ). Обидва полюси - північний і південний - невіддільні один від одного, рівноправні.

Магнітне поле, створюване Землею або постійними магнітами, зображується, подібно до електричного поля, магнітними силовими лініями. Картину силових ліній магнітного поля будь-якого магніту можна отримати, поміщаючи над ним аркуш паперу, на якому насипано рівномірним шаром залізну тирсу. Потрапляючи в магнітне поле, тирса намагнічується - у кожної з них з'являється північний і південний полюси. Протилежні полюси прагнуть зблизитися один з одним, але цьому заважає тертя тирси об папір. Якщо постукати по паперу пальцем, тертя зменшиться і тирса притягнеться один до одного, утворюючи ланцюжки, що зображують лінії магнітного поля.

на Мал. 3 показано розташування в полі прямого магніту тирси і маленьких магнітних стрілок, що вказують напрямок ліній магнітного поля. За цей напрямок прийнято напрямок північного полюса магнітної стрілки.

Досвід Ерстеда. Магнітне поле струму

На початку ХІХ ст. датський вчений Ерстедзробив важливе відкриття, виявивши дія електричного струму на постійні магніти . Він розмістив довгий провід поблизу магнітної стрілки. При пропусканні дроту струму стрілка поверталася, прагнучи розташуватися перпендикулярно йому ( Мал. 4 ). Це можна пояснити виникненням навколо провідника магнітного поля.

Магнітні силові лінії поля, створеного прямим провідником зі струмом, є концентричними колами, розташованими в перпендикулярній до нього площині, з центрами в точці, через яку проходить струм ( Мал. 5 ). Напрямок ліній визначається правилом правого гвинта:

Якщо гвинт обертатиме у напрямку ліній поля, він рухатиметься у напрямку струму у провіднику .

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції B . У кожній точці він спрямований щодо лінії поля. Лінії електричного поля починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних, а сила, що діє в цьому полі на заряд, спрямована по дотичній лінії в кожній її точці. На відміну від електричного лінії магнітного поля замкнуті, що пов'язано з відсутністю в природі «магнітних зарядів».

Магнітне поле струму принципово нічим відрізняється від поля, створеного постійним магнітом. У цьому сенсі аналогом плоского магніту є довгий соленоїд - котушка з дроту, довжина якої значно більша за її діаметр. Схема ліній створеного ним магнітного поля, зображена на Мал. 6 , аналогічна такою для плоского магніту ( Мал. 3 ). Кружочками позначені перерізи дроту, що утворює обмотку соленоїда. Струми, що точаться по дроту від спостерігача, позначені хрестиками, а струми протилежного напрямку - до спостерігача - позначені точками. Такі ж позначення прийняті і для ліній магнітного поля, коли вони перпендикулярні до площини креслення ( Мал. 7 а, б).

Напрямок струму в обмотці соленоїда та напрямок ліній магнітного поля всередині нього також пов'язані правилом правого гвинта, яке в цьому випадку формулюється так:

Якщо дивитися вздовж осі соленоїда, то струм у напрямку годинникової стрілки струм створює в ньому магнітне поле, напрямок якого збігається з напрямком руху правого гвинта ( Мал. 8 )

Виходячи з цього правила, легко збагнути, що у соленоїда, зображеного на Мал. 6 , Північним полюсом служить правий його кінець, а південним - лівий.

Магнітне поле всередині соленоїда є однорідним - вектор магнітної індукції має постійне значення (B = const). У цьому відношенні соленоїд подібний до плоского конденсатора, всередині якого створюється однорідне електричне поле.

Сила, що діє в магнітному полі на провідник зі струмом

Досвідченим шляхом було встановлено, що на провідник зі струмом у магнітному полі діє сила. В однорідному полі прямолінійний провідник довжиною l, яким тече струм I, розташований перпендикулярно вектору поля B, відчуває дію сили: F = I l B .

Напрямок сили визначається правилом лівої руки:

Якщо чотири витягнуті пальці лівої руки розташувати у напрямку струму в провіднику, а долоня перпендикулярно вектору B, то відставлений великий палець вкаже напрям сили, що діє на провідник (Мал. 9 ).

Слід зазначити, що сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, спрямована не по дотичній до його силових ліній, подібно до електричної сили, а перпендикулярна їм. На провідник, розташований вздовж силових ліній, магнітна сила діє.

Рівняння F = IlBдозволяє надати кількісну характеристику індукції магнітного поля.

Ставлення не залежить від властивостей провідника та характеризує саме магнітне поле.

Модуль вектора магнітної індукції B чисельно дорівнює силі, що діє на розташований перпендикулярно до нього провідник одиничної довжини, яким тече струм силою один ампер.

У системі СІ одиницею індукції магнітного поля служить тесла (Тл):

Магнітне поле. Таблиці, схеми, формули

(Взаємодія магнітів, досвід Ерстеда, вектор магнітної індукції, напрямок вектора, принцип суперпозиції. Графічне зображення магнітних полів, лінії магнітної індукції. Магнітний потік, енергетична характеристика поля. Магнітні сили, сила Ампера, сила Лоренца. Рух заряджених частинок у магнітному. властивості речовини, гіпотеза Ампера)