Магнитное поле понятие. Как возникает магнитное поле земли

О магнитном поле мы еще помним со школы, вот только что оно собой представляет, “всплывает” в воспоминаниях не у каждого. Давайте освежим то, что проходили, а возможно, расскажем что-то новенькое, полезное и интересное.

Определение магнитного поля

Магнитным полем называют силовое поле, которое воздействует на движущиеся электрические заряды (частицы). Благодаря этому силовому полю предметы притягиваются друг к другу. Различают два вида магнитных полей:

Гравитационное – формируется исключительно вблизи элементарных частиц и вирируется в своей силе исходя из особенностей и строения этих частиц.
Динамическое, вырабатывается в предметах с движущимися электрозарядами (передатчики тока, намагниченные вещества).

Впервые обозначение магнитному полю было введено М.Фарадеем в 1845 году, правда значение его было немного ошибочно, так как считалось, что и электрическое, и магнитное воздействие и взаимодействие осуществляется исходя из одного и того же материального поля. Позже в 1873 году, Д.Максвелл “презентовал” квантовую теорию, в которой эти понятия стали разделять, а ранее выведенное силовое поле было названо электромагнитным полем.

Как появляется магнитное поле?

Не воспринимаются человеческим глазом магнитные поля разных предметов, а зафиксировать его могут только специальные датчики. Источником появления магнитного силового поля в микроскопическом масштабе является движение намагниченных (заряженных) микрочастиц, которыми выступают:

ионы;
электроны;
протоны.

Их движение происходит благодаря спиновому магнитному моменту, который присутствует у каждой микрочастицы.

Магнитное поле, где его можно найти?

Как бы странно это ни звучало, но почти все окружающие нас предметы обладают собственным магнитным полем. Хотя в понятии многих магнитное поле имеется только у камушка под названием магнит, который притягивает к себе железные предметы. На самом деле, сила притяжения есть во всех предметах, только проявляется она в меньшей валентности.

Также следует уточнить, что силовое поле, называемое магнитным, появляется только при условии, что электрические заряды или тела движутся.

Недвижимые заряды имеют электрическое силовое поле (оно может присутствовать и в движущихся зарядах). Получается, что источниками магнитного поля выступают:

постоянные магниты;
подвижные заряды.

Хорошо известно широкое применение магнитного поля в быту, на производстве и в научных исследованиях. Достаточно назвать такие устройства, как генераторы переменного тока, электродвигатели, реле, ускорители элементарных частиц и различные датчики. Рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле и как оно образуется.

Что такое магнитное поле - определение

Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы. Размер магнитного поля завит от скорости его изменения. Согласно этому признаку выделяют два типа магнитного поля: динамическое и гравитационное.

Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей их строения. Источниками динамического магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или заряженные тела, проводники с током, а также намагниченные вещества.

Свойства магнитного поля

Великому французскому ученому Андре Амперу удалось выяснить два основополагающих свойства магнитного поля:

Основное отличие магнитного поля от электрического и его основное свойство состоит в том, что оно носит относительный характер. Если вы возьмете заряженное тело, оставите его неподвижным в какой-либо системе отсчета и поместите рядом магнитную стрелку, то она будет, как обычно, указывать на север. То есть она не обнаружит никакого поля, кроме земного. Если же вы начнете перемещать это заряженное тело относительно стрелки, то она начнет поворачиваться - это говорит о том, что при движении заряженного тела возникает еще и магнитное поле, кроме электрического. Таким образом, магнитное поле появляется тогда и только тогда, когда есть движущийся заряд.
Магнитное поле действует на другой электрический ток. Так, обнаружить его можно, проследив движение заряженных частиц, - в магнитном поле они будут отклоняться, проводники с током будут двигаться, рамка с током поворачиваться, намагниченные вещества смещаться. Здесь следует вспомнить магнитную стрелку компаса, обычно окрашенную в синий цвет, - ведь это просто кусочек намагниченного железа. Он всегда ориентируется на север, потому что Земля обладает магнитным полем. Вся наша планета является огромным магнитом: на Северном полюсе находится южный магнитный пояс, а на Южном географическом полюсе находится северный магнитный полюс.

Кроме этого, к свойствам магнитного поля относят следующие характеристики:

Сила магнитного поля описывается магнитной индукцией - это векторная величина, определяющая, с какой силой магнитное поле влияет на движущиеся заряды.
Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа. Первое порождается не изменяющимся во времени электрическим полем, индукция такого поля также неизменна. Второе чаще всего генерируется при помощи индукторов, питающихся переменным током.
Магнитное поле не может быть воспринято органами чувств человека и фиксируется только специальными датчиками.

Магнитные поля возникают в природе и могут создаваться искусственно. Человек заметил их полезные характеристики, которые научился применять в повседневной жизни. Что же является источником магнитного поля?

Как развивалось учение о магнитном поле

Магнитные свойства некоторых веществ были замечены еще в древности, но по-настоящему их изучение началось в средневековой Европе. Используя мелкие стальные иголки, ученый из Франции Перегрин обнаружил пересечение силовых магнитных линий в определенных пунктах – полюсах. Только через три века, руководствуясь этим открытием, Гилберт продолжил его изучение и впоследствии защищал свою гипотезу, что Земля обладает собственным магнитным полем.

Бурное развитие теории магнетизма началось с начала 19-го века, когда Ампер обнаружил и описал влияние электрического поля на возникновение магнитного, а открытие Фарадеем электромагнитной индукции установило и обратную взаимосвязь.

Что такое магнитное поле

Магнитное поле проявляется в силовом воздействии на электрозаряды, находящиеся в движении, или на тела, у которых имеется магнитный момент.

Проводники, по которым проходит электрический ток;
Постоянные магниты;
Изменяющееся электрическое поле.

Первопричина возникновения магнитного поля идентична для всех источников: электрические микрозаряды – электроны, ионы или протоны обладают собственным магнитным моментом либо находятся в направленном движении.

Важно! Взаимно порождают друг друга электрические и магнитные поля, меняющиеся с течением времени. Эта взаимосвязь определяется уравнениями Максвелла.

Характеристики магнитного поля

Характеристиками магнитного поля являются:

Магнитный поток, скалярная величина, определяющая, сколько силовых линий магнитного поля проходит через заданное сечение. Обозначается буквой F. Рассчитывается по формуле:

F = B x S x cos α,

где В – вектор магнитной индукции, S – сечение, α – угол наклона вектора к перпендикуляру, проведенному к плоскости сечения. Единица измерения – вебер (Вб);

Вектор магнитной индукции (В) показывает силу, действующую на зарядоносители. Он направлен в сторону северного полюса, куда указывает обычная магнитная стрелка. Количественно магнитную индукцию измеряют в теслах (Тл);
Напряженность МП (Н). Определяется магнитной проницаемостью различных сред. В вакууме проницаемость принимается за единицу. Направление вектора напряженности совпадает с направлением магнитной индукции. Единица измерения – А/м.

Как представить магнитное поле

Легко видеть проявления магнитного поля на примере постоянного магнита. Он имеет два полюса, и в зависимости от ориентации два магнита притягиваются или отталкиваются. Магнитное поле характеризует процессы, происходящие при этом:

МП математически описывается, как векторное поле. Оно может быть построено посредством многих векторов магнитной индукции В, каждый из которых направлен в сторону северного полюса стрелки компаса и имеет длину, зависящую от магнитной силы;
Альтернативный способ представления заключается в использовании силовых линий. Эти линии никогда не пересекаются, нигде не начинаются и не останавливаются, образуя замкнутые петли. Линии МП объединяются в области с более частым расположением, где магнитное поле является самым сильным.

Важно! Плотность силовых линий указывает на прочность магнитного поля.

Хотя в действительности МП видеть нельзя, силовые линии легко визуализировать в реальном мире, расположив железные опилки в МП. Каждая частица ведет себя как крошечный магнит с северным и южным полюсом. Результатом является шаблон, похожий на силовые линии. Ощутить воздействие МП человек не способен.

Измерение магнитного поля

Так как это величина векторная, для измерения МП существует два параметра: сила и направление. Направление легко измерить с помощью компаса, соединенного с полем. Пример – компас, помещенный в магнитное поле Земли.

Измерение других характеристик значительно сложнее. Практические магнитометры появились только в 19-м веке. Большинство из них работают, используя силу, которую электрон чувствует при движении по МП.

Очень точное измерение малых магнитных полей стало практически осуществимо с момента открытия в 1988 году гигантского магнитосопротивления в слоистых материалах. Это открытие в фундаментальной физике было быстро применено к магнитной технологии жесткого диска для хранения данных на компьютерах, приведшее к тысячекратному увеличению емкости хранилища всего за несколько лет.

В общепринятых системах измерений МП измеряется в тестах (Тл) или в гауссах (Гс). 1 Тл = 10000 Гс. Гаусс часто используется, потому что Тесла – слишком большое поле.

Интересно. Маленький магнит на холодильнике создает МП, равное 0,001 Тл, а магнитное поле Земли в среднем – 0,00005 Тл.

Природа возникновения магнитного поля

Магнетизм и магнитные поля являются проявлениями электромагнитной силы. Есть два возможных способа, как организовать энергозаряд в движении и, следовательно, магнитное поле.

Первый – это подсоединить провод к источнику тока, вокруг него образуется МП.

Важно! По мере увеличения тока (количества зарядов в движении) пропорционально увеличивается МП. При удалении от провода поле снижается в зависимости от расстояния. Это описывается законом Ампера.

Некоторые материалы, имеющие более высокую магнитопроницаемость, способны концентрировать магнитные поля.

Поскольку магнитное поле – это вектор, необходимо определить его направление. Для обычного тока, протекающего через прямой провод, направление можно найти по правилу правой руки.

Чтобы использовать правило, надо представить, что провод обхвачен правой рукой, а большой палец указывает направление тока. Тогда четыре остальных пальца покажут направление вектора магнитной индукции вокруг проводника.

Второй способ создания МП – использование факта, что в некоторых веществах появляются электроны, обладающие собственным магнитным моментом. Так работают постоянные магниты:

Хотя атомы часто имеют много электронов, они в основном соединяются так, что полное магнитное поле пары компенсируется. Говорят, что два электрона, спаренные таким образом, имеют противоположный спин. Поэтому, чтобы что-то намагнитить, нужны атомы, которые имеют один или несколько электронов с одинаковым спином. Например, железо имеет четыре таких электрона и подходит для изготовления магнитов;
Миллиарды электронов, находящиеся в атомах, могут быть случайно ориентированы, и общего МП не будет, независимо от того, сколько неспаренных электронов имеет материал. Он должен быть стабильным при невысокой температуре, чтобы обеспечить общую предпочтительную ориентацию электронов. Высокая магнитопроницаемость обуславливает намагничивание таких веществ при определенных условиях вне влияния МП. Это ферромагнетики;
Другие материалы могут проявлять магнитные свойства при наличии внешнего МП. Внешнее поле служит для выравнивания всех электронных спинов, которое исчезает после удаления МП. Это вещества – парамагнетики. Металл двери холодильника является примером парамагнетика.

Землю можно представить в виде конденсаторных обкладок, заряд которых имеет противоположный знак: «минус» – у земной поверхности и «плюс» – в ионосфере. Между ними находится атмосферный воздух в качестве изоляционной прокладки. Гигантский конденсатор сохраняет постоянный заряд, благодаря влиянию земного МП. Пользуясь этими знаниями, можно создать схему получения электро энергии из магнитного поля Земли. Правда, в результате будут невысокие значения напряжения.

Нужно взять:

заземляющее устройство;
провод;
трансформатор Теслы, способный генерировать высокочастотные колебания и создавать коронный разряд, ионизируя воздух.

Катушка Теслы будет выступать в роли эмиттера электронов. Вся конструкция соединяется вместе, причем для обеспечения достаточной разности потенциалов трансформатор должен быть поднят на значительную высоту. Таким образом, будет создана электрическая цепь, по которой будет протекать маленький ток. Получить большое количество электроэнергии, пользуясь этим устройством, невозможно.

Электричество и магнетизм доминируют во многих мирах, окружающих человека: от самых фундаментальных процессов в природе до ультрасовременных электронных устройств.

Видео

Представляет собой силовое поле, воздействующее на электрические заряды и на тела, находящиеся в движении и имеющие магнитный момент, вне зависимости от состояния их движения. Магнитное поле является частью электромагнитного поля.

Ток заряженных частиц либо магнитные моменты электронов в атомах создают магнитное поле. Также, магнитное поле возникает в результате определенных временных изменений электрического поля.

Вектор индукции магнитного поля В представляет собой главную силовую характеристику магнитного поля. В математике В = В (X,Y,Z) определяется как векторное поле. Это понятие служит для определения и конкретизации физического магнитного поля. В науке зачастую вектор магнитной индукции попросту, для краткости, именуется магнитным полем. Очевидно, что такое применение допускает некоторую вольную трактовку этого понятия.

Ещё одной характеристикой магнитного поля тока есть векторные потенциал.

В научной литературе часто можно встретить, что в качестве главной характеристики магнитного поля, в условиях отсутствия магнитной среды (вакууме), рассматривается вектор напряжённости магнитного поля. Формально, такая ситуация вполне приемлема, поскольку в вакууме вектор напряженности магнитного поля H и вектор магнитной индукции B совпадают. В тоже время, вектор напряженности магнитного поля в магнитной среде не наполнен тем же физическим смыслом, и является второстепенной величиной. Исходя из этого при формальной равенства этих подходов для вакуума, систематическая точка зрения рассматривает вектор магнитной индукции основной характеристикой магнитного поля тока .

Магнитное поле, безусловно, представляет собой особенный вид материи. С помощью этой материи происходит взаимодействие между обладающими магнитным моментом и движущимися заряженными частицами либо телами.

Специальная теория относительности рассматривает магнитные поля как следствие существования самих электрических полей.

В совокупности магнитное и электрическое поля формируют электромагнитное поле. Проявлениями электромагнитного поля является свет и электромагнитные волны.

Квантовая теория магнитного поля рассматривает магнитное взаимодействие как отдельный случай электромагнитного взаимодействия. Он переносится безмассовым бозоном. Бозон представляет собой фотон - частицу, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля.

Порождается магнитное поле либо током заряженных частиц, либо трансформирующимся во временном пространстве электрическим полем, либо собственными магнитными моментами частиц. Магнитные моменты частиц для однообразного восприятия формально сводятся к электрическим токам.

Вычисление значения магнитного поля.

Простые случаи позволяют вычислить значения магнитного поля проводника с током по закону Био-Савара-Лапласа, либо при помощи теоремы о циркуляции. Таким же образом может быть найдено значение магнитного поля и для тока, произвольно распределённого в объёме или пространстве. Очевидно, эти законы применимы для постоянных либо относительно медленно изменяющихся магнитных и электрических полей. То есть, в случаях наличия магнитостатики. Более сложные случаи требуют вычисления значения магнитного поля тока согласно уравнений Максвелла.

Проявление наличия магнитного поля.

Основным проявлением магнитного поля является влияние на магнитные моменты частиц и тел, на заряженные частицы находящиеся в движении. Силой Лоренца называется сила, которая воздействует на электрически заряженную частицу, которая движется в магнитном поле. Эта сила имеет постоянно выраженную перпендикулярную направленность к векторам v и B. Она также имеет пропорциональное значение заряду частицы q, составляющей скорости v, осуществляющейся перпендикулярно направлению вектора магнитного поля B, и величине, которая выражает индукцию магнитного поля B. Сила Лоренца согласно Международной системе единиц имеет такое выражение: F = q , в системе единиц СГС: F = q / c

Векторное произведение отображено квадратными скобками.

В результате влияния силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы, магнитное поле и может осуществлять воздействие на проводник с током. Силой Ампера является сила, действующая на проводник с током. Составляющими этой силы считаются силы, воздействующие на отдельные заряды, которые движутся внутри проводника.

Явление взаимодействия двух магнитов.

Явление магнитного поля, которое мы можем встретить в повседневной жизни, получило название взаимодействие двух магнитов. Оно выражается в отталкивании друг от друга одинаковых полюсов и притяжении противоположных полюсов. С формальной точки зрения описать взаимодействия между двумя магнитами как взаимодействие двух монополей, является достаточно полезной, реализуемой и удобной идеей. В то же время, детальный анализ свидетельствует, что в действительности это не совсем верное описание явления. Основным вопросом, остающимся без ответа в рамках такой модели, является, почему монополя не могут быть разделены. Собственно, экспериментально доказано, что любое изолированное тело не имеет магнитный заряд. Также эту модель невозможно применить к магнитному полю, созданному макроскопическим током.

С нашей точки зрения, правильно считать, что сила, действующая на магнитный диполь, находящийся в неоднородном поле, стремится развернуть его таким образом, чтобы магнитный момент диполя имел одинаковое с магнитным полем направление. Однако нет магнитов, которые подвержены воздействию суммарной силы со стороны однородного магнитного поля тока . Сила, которая действует на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается следующей формулой:

Действующая на магнит сила со стороны неоднородного магнитного поля, выражается суммой всех сил, которые определяются данной формулой, и воздействующих на элементарные диполи, которые составляют магнит.

Электромагнитная индукция.

В случае изменения во времени потока вектора магнитной индукции через замкнутый контур, в этом контуре формируется ЭДС электромагнитной индукции. Если контур неподвижен, она порождается вихревым электрическим полем, которое возникает в результате изменения магнитного поля со временем. Когда магнитное поле не изменяется со временем и нет изменений потока из-за движения контура-проводника, то ЭДС порождается силой Лоренца.

Под термином "магнитное поле" принято подразумевать определенное энергетическое пространство, в котором проявляются силы магнитного взаимодействия. Они влияют на:

отдельные вещества: ферримагнетики (металлы - преимущественно чугуны, железо и сплавы из них) и их класс ферритов вне зависимости от состояния;

движущиеся заряды электричества.

Физические тела, обладающие суммарным магнитным моментом электронов или других частиц, называют постоянными магнитами . Их взаимодействие представлено на картинке силовыми магнитными линиями .

Они образовались после поднесения постоянного магнита к обратной стороне картонного листа с ровным слоем железных опилок. Картинка демонстрирует четкую маркировку северного (N) и южного (S) полюсов с направлением силовых линий относительно их ориентации: выход из северного полюса и вход в южный.

Как создается магнитное поле

Источниками магнитного поля являются:

постоянные магниты;

подвижные заряды;

изменяющееся во времени электрическое поле.

С действием постоянных магнитов знаком каждый ребенок детсадовского возраста. Ведь ему уже приходилось лепить на холодильник картинки-магнитики, извлекаемые из упаковок с всякими лакомствами.

Находящиеся в движении электрические заряды обычно обладают значительно большей энергией магнитного поля, чем . Его тоже обозначают силовыми линиями. Разберем правила их начертания для прямолинейного проводника с током I.

Магнитная силовая линия проводится в плоскости, перпендикулярной движению тока так, чтобы в каждой ее точке сила, действующая на северный полюс магнитной стрелки, направлялась по касательной к этой линии. Таким образом создаются концентрические окружности вокруг движущегося заряда.

Направление этих сил определяется известным правилом винта или буравчика с правосторонней навивкой резьбы.

Правило буравчика

Необходимо расположить буравчик соосно с вектором тока и вращать рукоятку так, чтобы поступательное движение буравчика совпадало с его направлением. Тогда ориентация силовых магнитных линий будет показана вращением рукоятки.

В кольцевом проводнике вращательное движение рукоятки совпадает с направлением тока, а поступательное - указывает на ориентацию индукции.

Магнитные силовые линии всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Они продолжаются внутри магнита и никогда не бывают разомкнутыми.

Правила взаимодействия магнитных полей

Магнитные поля от разных источников складываются друг с другом, образуя результирующее поле.

При этом магниты с разноименными полюсами (N - S) притягиваются друг к другу, а с одноименными (N – N, S - S) - отталкиваются. Силы взаимодействия между полюсами зависят от расстояния между ними. Чем ближе сдвинуты полюса, тем большее усилие возникает.

Основные характеристики магнитного поля

К ним относят:

вектор магнитной индукции (В );

магнитный поток (Ф);

потокосцепление (Ψ).

Интенсивность или силу воздействия поля оценивают величиной вектора магнитной индукции . Она определяется значением силы «F», создаваемой проходящим током «I» по проводнику длиной «l». В =F/(I∙l)

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ - Тесла (в знак памяти об ученом физике, который исследовал эти явления и описал их математическими методами). В русской технической литературе она обозначается «Тл», а в международной документации принят символ «Т».

1 Тл - это индукция такого однородного магнитного потока, который воздействует с силой в 1 ньютон на каждый метр длины прямолинейного проводника, перпендикулярно расположенного направлению поля, когда по этому проводнику проходит ток 1 ампер.

1Тл=1∙Н/(А∙м)

Направление вектора В определяется по правилу левой руки.

Если расположить ладонь левой руки в магнитном поле так, чтобы силовые линии из северного полюса входили в ладонь под прямым углом, а четыре пальца расположить по направлению тока в проводнике, то оттопыренный большой палец укажет направление действия силы на этот проводник.

В случае, когда проводник с электрическим током расположен не под прямым углом к магнитным силовым линиям, то сила, воздействующая на него, будет пропорциональна величине протекающего тока и составляющей части проекции длины проводника с током на плоскость, расположенную в перпендикулярном направлении.

Сила, воздействующая на электрический ток, не зависит от материалов, из которых создан проводник и площади его сечения. Даже если этого проводника вообще не будет, а движущиеся заряды станут перемещаться в другой среде между магнитными полюсами, то эта сила никак не изменится.

Если внутри магнитного поля во всех точках вектор В имеет одинаковое направление и величину, то такое поле считают равномерным.

Любая среда, обладающая , оказывает влияние на значение вектора индукции В .

Магнитный поток (Ф)

Если рассматривать прохождение магнитной индукции через определенную площадь S, то ограниченная ее пределами индукция будет называться магнитным потоком.

Когда площадь наклонена под каким-то углом α к направлению магнитной индукции, то магнитный поток уменьшается на величину косинуса угла наклона площади. Максимальное же его значение создается при перпендикулярном расположении площади к ее пронизывающей индукции. Ф=В·S

Единицей измерения магнитного потока является 1 вебер, определяемый прохождением индукции в 1 теслу через площадь в 1 метр квадратный.

Потокосцепление

Этот термин используется для получения суммарной величины магнитного потока, создаваемого от определенного количества проводников с током, расположенных между полюсами магнита.

Для случая, когда один и тот же ток I проходит по обмотке катушки с числом витков n, то полный (сцепленный) магнитный поток от всех витков называют потокосцеплением Ψ.

Ψ=n·Ф . Единицей измерения потокосцепления является 1 вебер.

Как образуется магнитное поле от переменного электрического

Электромагнитное поле, взаимодействующее с электрическими зарядами и телами, обладающими магнитными моментами, представляет собой совокупность двух полей:

электрического;

магнитного.

Они взаимосвязаны, представляют собой совокупность друг друга и при изменении в течение времени одного происходят определенные отклонения в другом. К примеру, при создании переменного синусоидального электрического поля в трехфазном генераторе одновременно образуется такое же магнитное поле с характеристиками аналогичных чередующихся гармоник.

Магнитные свойства веществ

По отношению к взаимодействию с внешним магнитным полем вещества подразделяют на:

антиферромагнетики с уравновешенными магнитными моментами, благодаря чему создается очень малая степень намагниченности тела;

диамагнетики со свойством намагничивания внутреннего поля против действия внешнего. Когда же внешнее поле отсутствует, то у них магнитные свойства не проявляются;

парамагнетики со свойствами намагничивания внутреннего поля по направлению действия внешнего, которые обладают малой степенью ;

ферромагнетики , обладающие магнитными свойствами без приложенного внешнего поля при температурах, меньших значения точки Кюри;

ферримагнетики с неуравновешенными по величине и направлению магнитными моментами.

Все эти свойства веществ нашли разнообразное применение в современной технике.

Магнитные цепи

На основе работают все трансформаторы, индуктивности, электрические машины и многие другие устройства.

Например, у работающего электромагнита магнитный поток проходит по магнитопроводу из ферромагнитных сталей и воздуху с выраженными не ферромагнитными свойствами. Совокупность этих элементов и составляет магнитную цепь.

Большинство электрических аппаратов в своей конструкции имеют магнитные цепи. Подробнее про это читайте в этой статье -