Как изменить магнитное поле
Перейти к содержимому

Как изменить магнитное поле

  • автор:

Представление о магнитном поле

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

  • Научно-популярное
  • Физика

Физика магнитного поля катушки с током

Катушка (называемая также соленоидом) представляет собой каркас (чаще всего цилиндрической формы) с расположенным на нем проводником. Причем, применяемый провод обязательно должен быть изолированным. Количество витков в обмотке может быть любым. Вокруг нее при прохождении тока образуется магнитное поле (МП).

Ориентация катушки относительно магнитных полюсов

Ориентация катушки относительно магнитных полюсов

Визуализация силовых линий

Какова форма магнитных линий магнитного поля катушки с током, а также, каково их направление, позволяет увидеть металлическая стружка. Ее частицы выстраиваются в том же направлении, что и магнитные линии магнитного поля катушки с током.

Использование металлической стружки для визуализации магнитных линий

Использование металлической стружки для визуализации магнитных линий

Такой способ визуализации позволяет понять, что линии магнитного поля катушки с током являются замкнутыми. Следует сказать, что не выявлено в природе монополей или элементарных магнитных зарядов. Оба магнитных полюса — северный и южный взаимосвязаны и не могут существовать по отдельности.

Как себя проявляет катушка с током

Индуктивность катушки зависит от числа витков, используемых в обмотке. При изменении силы тока в катушке изменяется и сила магнитного поля. Чем больше сила тока в катушке, тем эффективнее будет проявлять себя поле. Силовая характеристика МП называется индукцией. Для ее расчета используют формулу, схожую с выражением для петли с током, но только в нее вводится еще один параметр — количество витков. При наличии множества витков магнитное поле кольцевой или цилиндрической катушки с током существенно усиливается в сравнении с полем одного витка (петли).

Виды катушек

Виды катушек

При увеличении силы тока в катушке магнитное поле расширяется, а при уменьшении силы тока в катушке магнитное поле сокращается. Кроме того, магнитное поле значительно увеличивается, если внутри катушки находится сердечник из магнитного материала. Используя сердечники, сделанные из железа, никеля, ферритов, можно усилить магнитное поле катушки в десятки раз.

Катушке свойственно такое же поведение, что и стержневому магниту, один конец которого соответствует северному полюсу, а другой — южному. Силовые линии ее МП представляют собой замкнутые кривые, которые всегда направлены с севера на юг вне катушки (или магнита) и с юга на север внутри соленоида (или магнита).

МП катушки и постоянного магнита

МП катушки и постоянного магнита

Если соленоид очень длинный, то при прохождении электротока внутри него создается достаточно равномерное МП, линии которого расположены параллельно и на одинаковом расстоянии. Снаружи (вне соленоида) поле ослабляется и практически исчезает. Такое свойство имеет магнитное поле кольцевой и цилиндрической катушек. Проще говоря, отсутствие внешнего МП свойственно индуктивностям и цилиндрической, и кольцевой формы. При увеличении силы тока действие магнитного поля любой катушки с током усиливается. Если же эта сила уменьшается, индукция снижается. Поэтому есть возможность регулировать МП катушки, меняя силу электротока, протекающего по обмотке или количество ее витков.

Правило, позволяющее определить направление

Для определения направления МП применяют способ, названный правилом правой руки.

Определение направления МП

Определение направления МП

Анализ вышеописанного способа позволяет понять, как можно изменить магнитное поле катушки с током, а если точнее, то переполюсовать его. Для этого достаточно изменить направление пропускаемого по обмотке электротока, то есть поменять в источнике напряжения «плюс» с «минусом».

Расчет магнитной индукции

Магнитное поле кольцевой катушки, известной также под названием тороид, представляют в виде концентрических кругов, сосредоточенных внутри катушки. Вне тороида поле отсутствует. Магнитная (электромагнитная) индукция В вычисляется по формуле:

Вычисление магнитной индукции

Вычисление магнитной индукции

Из формулы вытекает, что при использовании сердечника, сделанного из материала, магнитная проницаемость которого выше, чем у вакуума, происходит усиление магнитной индукции. Поэтому магнитное поле кольцевой катушки или любой другой существенно возрастает, если внутри нее располагается ферромагнитный сердечник.

У некоторых материалов, называемых диамагнетиками (в частности цинк, медь) магнитная проницаемость несколько ниже, чем у вакуума, поэтому магнитное поле катушки с током можно ослабить, если поместить внутрь стержень из подобного материала.

Если ввести в формулу индукции плотность намотки n = N/2πr (витков на метр), то получим следующее выражение:

Выражение для индукции

Выражение для индукции

Отсюда становится понятна внесистемная ранее применявшаяся практиками единица магнитной индукции — ампер-виток на сантиметр.

Цилиндрическую катушку, если ее длина значительно превышает диаметр, можно считать частью тороида очень большого, практически бесконечного радиуса. Тогда магнитное поле цилиндрической катушки можно рассчитать, воспользовавшись формулой для тороида и заменив в ней буквой L выражение 2πr, поскольку это и есть длина намотки.

Индукция соленоида

Индукция соленоида

Из формулы следует, что индукция от диаметра катушки не зависит, но при увеличении диаметра для создания прежней индукции потребуется большая электрическая мощность.

Катушки с железным сердечником называют электромагнитами. Сегодня их используют практически во всех сферах. Самое известное применение — перенос тяжелых металлических грузов. Тормозная система многих транспортных средств также снабжена электромагнитом.

Khan Academy does not support this browser.

Чтобы пользоваться «Академией Хана», необходимо обновить ваш веб-браузер. Чтобы начать обновление, выберите один из предложенных ниже вариантов.

If you’re seeing this message, it means we’re having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Course: Физика > Модуль 13

Урок 1: Магниты и магнитная сила
Введение в магнетизм
Влияние магнитного поля на заряд
Что такое магнитная сила?
Векторное произведение . Часть 1/2
Векторное произведение . Часть 2/2
Задача на действие магнитного поля на протон. Часть 1/2
Задача на действие магнитного поля на протон. Часть 2/2
Действие магнитного поля на проводник с током
© 2024 Khan Academy

Что такое магнитная сила?

Узнайте, что такое магнитная сила и как её находить.

Что такое магнитная сила?

Магнитная сила возникает вследствие действия электромагнитной силы, одной из четырёх базовых сил природы, и вызывается движением зарядов. Между двумя заряженными телами, движущимися в одном направлении, возникает магнитная сила, притягивающая их друг к другу. Аналогично, между двумя заряженными телами, движущимися в противоположных направлениях, возникает магнитная сила, отталкивающая их друг от друга.

В нашей статье, посвящённой магнитным полям, мы рассказали, как движущиеся заряды окружают себя магнитным полем. В данном контексте магнитная сила — это сила, возникающая вследствие взаимодействия магнитных полей.

Как найти магнитную силу?

Рассмотрим два тела. Величина магнитной силы между ними зависит от количества заряда и количества движения в каждом из двух тел, а также от расстояния между ними. Направление силы зависит от относительного направления движения заряда в каждом конкретном случае.

Обычно магнитная сила находится через заряд q ‍

, движущийся с постоянной скоростью v ‍

в однородном магнитном поле B ‍

. Если мы не знаем индукцию и направление магнитного поля, мы всё равно можем воспользоваться этим методом, поскольку чаще всего можно вычислить магнитное поле, зная силу тока и расстояние до него.

Магнитная сила описывается формулой силы Лоренца:
Пояснение: небольшой нюанс

Вообще говоря, это лишь магнитная составляющая закона о силе Лоренца. В целом этот закон также объясняет электрическую силу, возникающую при взаимодействии неподвижных зарядов.

F → = q E → + q v → × B → ‍
F → = q v → × B → ‍

Здесь она записана в виде векторного произведения. Раскрыв его, мы можем найти величину магнитной силы. Если обозначить угол между вектором скорости и вектором магнитного поля θ ‍

F = q v B sin ⁡ θ ‍

Направление силы можно найти при помощи правила раскрытой правой руки. Согласно этому правилу, сила направлена в сторону ладони раскрытой правой руки. А по правилу «сжатой правой руки» пальцы указывают направление магнитного поля. При этом большой палец указывает направление движения положительного заряда. Если движущийся заряд отрицательный (например, электрон), тогда сила будет действовать в противоположную сторону и необходимо расположить большой палец в обратном направлении. Либо для отрицательного заряда можно использовать левую руку.

Объяснение

Есть несколько альтернативных правил правой/левой руки, в которых разные части ладони представляют разные величины. Все они эквивалентны, хотя мы чаще используем правило правой «раскрытой руки», поскольку в нём сохраняется то же соответствие пальцев магнитным полям, что и в правиле правой «сжатой руки», а кроме того, легко запомнить, что «пощёчина» ладонью символизирует направление силы.

Обратите внимание, что для правила правой «сжатой руки» большой палец указывает устоявшееся направление тока, которое исторически противоположно направлению потока электронов.

Khan Academy does not support this browser.

Чтобы пользоваться «Академией Хана», необходимо обновить ваш веб-браузер. Чтобы начать обновление, выберите один из предложенных ниже вариантов.

If you’re seeing this message, it means we’re having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Course: Физика > Модуль 13

Урок 2: Магнитное поле, вызываемое электрическим током
Магнитное поле, создаваемое проводником
Что такое магнитные поля?
Магнитное поле между двумя проводниками с током.
Магнитная сила между двумя проводниками с током, движущимся в одном направлении
Электромагнитная индукция
© 2024 Khan Academy

Что такое магнитные поля?

Узнайте, что такое магнитные поля и как их находить.

Что такое магнитное поле?

Магнитное поле — это картинка, которую мы используем для описания пространственного распределения магнитной силы вокруг магнита и внутри него.

Объяснение

Когда мы говорим о силе, вызванной магнитом (да и вообще о любой силе), она должна быть к чему-то приложена. Строго говоря, вектор силового поля показывает величину и направление силы, приложенной к некой маленькой эталонной частице в данной конкретной точке.

В случае с электрическим полем такой частицей выступает электрон. Как выяснилось, для магнитного поля такой эквивалентной эталонной частицы не существует. Тогда учёные выдумали гипотетическую частицу — магнитный монополь. Насколько нам известно, в природе магнитных монополей не существует, все источники магнитного поля дипольны.

Многие из нас имели дело с магнитами в повседневной жизни и понимают, что между ними могут возникать силы. Мы знаем, что у магнитов есть два полюса, и в зависимости от ориентации два магнита могут либо притягиваться (противоположными полюсами), либо отталкиваться (одинаковыми полюсами). Также мы знаем, что вокруг магнита есть некая область, в которой эти силы возникают. Магнитное поле как раз и описывает эту область.

Есть два наиболее распространённых способа изобразить магнитное поле:
Пояснение: небольшой нюанс

В приведённых описаниях представлено плоское сечение магнитного поля для отображения его на листке бумаги. В действительности магнитное поле объёмно, но для получения основного представления о нём и для решения многих задач бывает достаточно плоской схемы.

Магнитное поле можно описать математически как векторное поле. Его можно изобразить непосредственно как упорядоченное в виде сетки множества векторов. Каждый вектор будет направлен в сторону стрелки компаса в данной точке, а длина зависит от величины магнитной силы.

Принцип работы компаса

Компас — это обычный небольшой магнит, подвешенный так, что может свободно вращаться при воздействии магнитного поля. Как и у всех магнитов, у стрелки компаса есть северный полюс и южный полюс, которые притягиваются к полюсам других магнитов и отталкиваются от них. Если компас поместить в зону действия сильного магнитного поля, силы притяжения и отталкивания повернут его стрелку вдоль направления этого поля.

Этот способ можно представить как большое количество маленьких компасов, выложенных в определённом порядке. Разница лишь в том, что компас не умеет показывать силу поля.

Рисунок 1. Диаграмма векторного поля для прямоугольного магнита.
Рисунок 1. Диаграмма векторного поля для прямоугольного магнита.

  1. Есть другой способ изображения информации в векторном поле — при помощи силовых линий. Здесь мы вместо сетчатой структуры соединяем векторы плавными линиями. При этом мы можем нарисовать столько линий, сколько захотим.

Рисунок 2. Диаграмма силовых линий для прямоугольного магнита.
Рисунок 2. Диаграмма силовых линий для прямоугольного магнита.
Силовые линии магнитного поля не пересекаются.

Магнитные линии тем плотнее располагаются, чем сильнее индукция магнитного поля. Иными словами, индукция магнитного поля соответствует плотности силовых линий.

Силовые линии не начинаются из ниоткуда и не обрываются, они всегда образуют замкнутые циклы и продолжаются даже внутри магнита (хотя часто их внутренние фрагменты опускают).

Нам нужно как-то показать направление поля. Обычно это делается в виде стрелочек, расставленных вдоль силовых линий. Иногда обходятся без этих стрелочек и указывают направление как-то иначе. Исторически полюса магнита обозначаются как «север» и «юг», а силовые линии изображаются идущими от одного полюса к другому. В таком случае силовые линии всегда считаются направленными с севера на юг. На концах источника магнитного поля часто подписаны буквы N (север) и S (юг), хотя, строго говоря, эти обозначения произвольны и там ничего особенного нет.

Объяснение силового поля Земли

Магнитное поле Земли возникает вследствие движения железа в её ядре. Полюса магнитного поля Земли не совпадают с географическими полюсами. Сейчас они отклоняются от них приблизительно на 10 ∘ ‍

и в масштабах геохронологической шкалы могут меняться местами. В данный момент магнитный южный полюс расположен рядом с географическим северным полюсом. Именно поэтому на него и указывает северный полюс компаса (противоположные полюса притягиваются).

  • Силовые линии магнитного поля легко визуализировать. Это обычно делается при помощи магнитных опилок, рассыпанных на ровной поверхности неподалёку от источника магнитного поля. Каждая опилка начинает вести себя как крошечный магнит с южным и северным полюсами. Опилки начинают разделяться на отдельные области, поскольку одинаковые полюса отталкиваются. В результате образуется рисунок, напоминающий силовые линии магнитного поля. Хотя основная картина будет всегда одинаковой, но точное положение и плотность линий будет зависеть от того, как именно были рассыпаны опилки, от их размера и магнитных свойств.

Рисунок 3. Железные опилки выстраиваются вдоль силовых линий прямоугольного магнита.
Рисунок 3. Железные опилки выстраиваются вдоль силовых линий прямоугольного магнита.

Как измерить магнитное поле?

Поскольку магнитное поле — величина векторная, для его описания нам требуется определить две вещи: силу и направление.

Направление узнать легко. Мы можем положить магнитный компас, стрелка которого остановится вдоль силовой линии. Магнитные компасы применялись для навигации (используя магнитное поле Земли) с XI века.

Любопытно, но измерить силу гораздо сложнее. Применимые на практике магнитометры появились только в XIX веке. Большинство магнитометров рассчитывают силу, действующую на движущийся в магнитном поле электрон.

Очень точные измерения слабого магнитного поля стали возможны только с открытием в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления в материалах, составленных из особых тонких плёнок. Это открытие из области фундаментальной физики тут же нашло применение в хранении компьютерной информации на жёстких дисках. В результате плотность записи информации на магнитных носителях возросла в тысячу раз всего за несколько лет после первого внедрения новой технологии (от 0,1 до 100 Г б д ю й м Г б / д ю й м 2 ‍

от 1991 до 2003 годов [2]). В 2007 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг получили за это открытие Нобелевскую премию по физике.

В системе СИ сила (индукция) магнитного поля измеряется в тесла (обозначается Т л Т л ‍

, названа в честь Николы Теслы). Тесла определяется как величина силы, воздействующей на движущийся заряд со стороны магнитного поля. Небольшой магнит, который вешают на холодильник, создаёт индукцию около Т л 0,001 Т л ‍

, а индукция магнитного поля Земли — около Т л 5 ⋅ 10 − 5 Т л ‍

. Иногда используется альтернативная единица измерения — гаусс (обозначается как Г с Г с ‍

). Преобразовать одну единицу измерения в другую очень легко: Т л Г с 1 Т л = 10 4 Г с ‍

. Причина использования единицы измерения гаусс заключается в том, что 1 тесла — это слишком большая индукция.

В формулах величина магнитной индукции обозначается символом B ‍

. Иногда вы можете встретить термин «напряжённость магнитного поля», который обозначается символом H ‍

измеряются в одних и тех же единицах, но напряжённость учитывает магнитное поле, сосредоточенное внутри магнетика. Для решения простых задач, в которых действие происходит в воздухе, эта разница несущественна.

Как возникает магнитное поле?

Магнитные поля появляются там, где движутся заряды. Если больший заряд будет двигаться с большей скоростью, то и сила магнитного поля возрастёт.

Магнетизм и магнитные поля — это одна из составляющих электромагнитной силы, одной из четырёх базовых сил в природе.

Есть два основных способа, которыми мы можем организовать движение заряда, чтобы он порождал полезное магнитное поле.

  1. Мы пускаем ток по проводнику, например, подсоединив его к батарее. Увеличивая силу тока (то есть количество движущегося заряда), мы пропорционально усиливаем магнитное поле. Затем двигаясь дальше от проводника, замечаем, что сила магнитного поля падает пропорционально расстоянию. Эти явления описываются законом Ампера. Проще говоря, индукция магнитного поля на расстоянии r ‍

от длинного проводника, по которому течёт ток I ‍

B = μ 0 I 2 π r ‍

— это специальная постоянная, называющаяся магнитной проницаемостью вакуума. Т л м А μ 0 = 4 π ⋅ 10 − 7 Т л ⋅ м / А ‍

. Некоторые материалы могут концентрировать магнитные поля, то есть иметь бо́льшую магнитную проницаемость.

Поскольку магнитное поле — это вектор, нам необходимо узнать его направление. Для общепринятого направления тока, текущего по прямому проводнику, его можно найти при помощи правила сжатой правой руки. Представьте, что вы обхватываете правой рукой проводник, при этом большой палец указывает вдоль направления тока. Тогда остальные пальцы укажут направление магнитного поля, вокруг проводника.

Объяснение

Правило «правой сжатой руки» удобно для практического описания, но под ним кроется более фундаментальное векторное произведение. Оно также известно как правило кофейной кружки или правило буравчика.

Правило сжатой правой руки используется для определения направления магнитного поля (B) в зависимости от направления тока (I). [3]

Рисунок 4. Правило сжатой правой руки используется для определения направления магнитного поля (B) в зависимости от направления тока (I).[3]

Мы можем воспользоваться тем фактом, что электроны (заряженные частицы) движутся
Показать объяснение

Для понимания природы магнитных полей вокруг магнитов удобно представлять электрон как твёрдый заряженный шар, вращающийся вокруг твёрдого ядра. Однако часто это приводит к непониманию, как магнитное поле может порождаться электронами, которые вращаются с различными скоростями. На самом деле это не совсем так: существует строго ограниченное количество различных угловых моментов электрона, описываемых квантовой структурой атома.

вокруг атомного ядра. Именно на этом основан принцип работы постоянных магнитов. Как мы знаем из личного опыта, лишь некоторые «особые» материалы можно намагнитить, причём одни магниты получаются сильнее других. Значит, для этого требуется выполнение нескольких условий.

Хотя есть атомы с большим количеством электронов, значительная часть из них образует пары, в которых магнитное поле гасится. Про такие пары электронов говорят, что у них противоположный спин, то есть направление вращения. Значит, чтобы материал мог стать магнитом, необходимо наличие одного или нескольких непарных электронов с одинаковым спином. Например, железо — один из таких «особых» материалов, у которого есть четыре непарных электрона, значит, он хорошо подходит для создания магнитов.

Объяснение «парности» электронов

«Парность» электронов была описана физиком Вольфгангом Паули в 1925 году и известна как принцип Паули.

Даже в самом крошечном куске материала содержатся миллиарды атомов. Если все они ориентированы произвольно, то общее поле гасится, вне зависимости от количества непарных электронов. Значит, материал должен быть стабилен при комнатной температуре, чтобы общая ориентация атомов сохранялась. Если удаётся добиться постоянной ориентации электронов, получается постоянный магнит, также называемый ферромагнетиком. *

Некоторые материалы могут становиться магнетиками только в присутствии внешнего магнитного поля. Оно ориентирует вращение электронов в нужном направлении, но в отсутствие внешнего поля общая ориентация исчезает. Такие материалы называются парамагнетиками.

Металлическая дверца холодильника служит хорошим примером парамагнетика. Сама дверца не является магнитом, но притягивает приложенный к ней магнит. Возникает взаимная сила притяжения, способная удержать между дверцей и магнитом, например, список покупок.

Гашение поля Земли

На рисунке 5 показан компас рядом с вертикальным проводником. Если по проводнику не течёт ток, компас указывает на север, согласно магнитному полю Земли (при условии, что его индукция равна Т л 5 ⋅ 10 − 5 Т л ‍

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *