магнітним полемназивається особливий, відмінний від речовини, вид матерії через яку передається дію магніту на інші тіла.
Магнітне полевиникає в просторі, що оточує рухомі електричні заряди і постійні магніти. Воно впливає тільки на рухомі заряди. Під впливом електромагнітних сил рухаються заряджені частинки відхиляються
Від свого початкового шляху в напрямку, перпендикулярному полю.
Магнітне і електричні поля нерозривні і утворюють спільно єдине електромагнітне поле. Будь-яке зміна електричного поляпризводить до появи магнітного поля, і, навпаки, всяка зміна магнітного поля супроводжується виникненням електричного поля. Електромагнітне поле поширюється зі швидкістю світла, т. Е. 300 ТОВ км / с.
Загальновідомо дію постійних магнітів і електромагнітів на феромагнітні тіла, існування і нерозривну єдність полюсів магнітів і їх взаємодія (різнойменні полюси притягуються, однойменні відштовхуються). За аналогією
з магнітними полюсами Землі полюси магнітів називають північним і південним.
Магнітне поле наочно зображується магнітними силовими лініями, які задають напрямок магнітного поля в просторі (ріс..1). Ці лінії не мають ні початку, ні кінця, тобто є замкнутими.
Силові лінії магнітного поля прямолінійного провідника є концентричні кола, що охоплюють провід. Чим сильніше струм, тим сильніше магнітне поле навколо дроту. При видаленні від проводу зі струмом магнітне поле слабшає.
У просторі, що оточує магніт або електромагніт, за позитивний напрямок магнітних силових ліній умовно прийнято напрямок від північного полюса до південного. Чим інтенсивніше магнітне поле, тим вище щільність силових ліній.
Напрямок магнітних силових ліній визначається правилом свердлика:.
Мал. 1. Магнітне поле магнітів:
а - прямого; б - подковообразного
Мал. 2. Магнітне поле:
а - прямого проводу; б - індуктивної котушки
Якщо закручувати гвинт у напрямку струму, то магнітні магнітні силові лінії будуть спрямовані по ходу гвинта (рис.2 а)
Для отримання більш сильного магнітного поля застосовують індуктивні котушки з обмоткою з дроту. В цьому випадку магнітні поля окремих витків індуктивної котушки складаються і їх силові лінії зливаються в загальний магнітний потік.
Магнітні силові лінії виходять з індуктивної котушки
на тому кінці, де струм спрямований проти ходу годинникової стрілки, тобто. е. цей кінець є північним магнітним полюсом (рис.2, б).
При зміні напрямку струму в індуктивного котушці зміниться і напрямок магнітного поля.
Подібно до того, як спочивають електричний заряд діє на інший заряд за допомогою електричного поля, електричний струмдіє на інший струм за допомогою магнітного поля. Дія магнітного поля на постійні магніти зводиться до дії його на заряди, що рухаються в атомах речовини і створюють мікроскопічні кругові струми.
вчення про електромагнетизмізасноване на двох положеннях:
- магнітне поле діє на рухомі заряди і струми;
- магнітне поле виникає навколо струмів і рухомих зарядів.
взаємодія магнітів
постійний магніт(Або магнітна стрілка) орієнтується уздовж магнітного меридіана Землі. Той його кінець, який вказує на північ, називається північним полюсом(N), а протилежний кінець - південним полюсом(S). Наближаючи два магніти один до одного, зауважимо, що однойменні їх полюси відштовхуються, а різнойменні - притягуються ( Мал. 1 ).
Якщо розділити полюса, розрізавши постійний магніт на дві частини, то ми виявимо, що кожна з них теж буде мати два полюси, Т. Е. Буде постійним магнітом ( Мал. 2 ). Обидва полюси - північний і південний, - невіддільні одна від одної, 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, розміщуючи над ним аркуш паперу, на якому насипані рівномірним шаром залізні ошурки. Потрапляючи в магнітне поле, тирса намагнічуються - у кожної з них з'являється північний і південний полюси. Протилежні полюси прагнуть зблизитися один з одним, але цьому заважає тертя тирси про папір. Якщо постукати по папері пальцем, тертя зменшиться і тирсу притягнуться один до одного, утворюючи ланцюжки, що зображують лінії магнітного поля.
на Мал. 3 показано розташування в поле прямого магніту тирси і маленьких магнітних стрілок, що вказують напрямок ліній магнітного поля. За цей напрям прийнято напрямок північного полюса магнітної стрілки.
Досвід Ерстеда. Магнітне поле струму 
В початку XIXв. датський вчений Ерстедзробив важливе відкриття, виявивши дію електричного струму на постійні магніти . Він помістив довгий провід поблизу магнітної стрілки. При пропущенні по дроту струму стрілка поверталася, прагнучи розташуватися перпендикулярно йому ( Мал. 4 ). Це можна було пояснити виникненням навколо провідника магнітного поля.
Магнітні силові лінії поля, створеного прямим провідником зі струмом, являють собою концентричні кола, розташовані в перпендикулярній до нього площини, з центрами в точці, через яку проходить струм ( Мал. 5 ). Напрямок ліній визначається правилом правого гвинта:
Якщо гвинт обертати в напрямку ліній поля, він буде рухатися в напрямку струму в провіднику .
Силовий характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції B . У кожній точці він спрямований по дотичній до 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 до лінії в кожній її точці. На відміну від електричного, лінії магнітного поля замкнені, що пов'язано з відсутністю в природі «магнітних зарядів».
Магнітне поле струму принципово нічим не відрізняється від поля, створеного постійним магнітом. У цьому сенсі аналогом плоского магніту є довгий соленоїд - котушка з дроту, довжина якої значно більше її діаметра. Схема ліній створеного ним магнітного поля, зображена на Мал. 6 , Аналогічна такій для плоского магніту ( Мал. 3 ). Кружечками позначені перетину дроту, що утворює обмотку соленоїда. Токи, поточні 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 площині креслення ( Мал. 7 а, б).
Напрямок струму в обмотці соленоїда і напрямок ліній магнітного поля всередині нього також пов'язані правилом правого гвинта, яке в цьому випадку формулюється так:
Якщо дивитися уздовж осі соленоїда, то поточний за годинниковою стрілкою 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 там постійне значення (B = const). В цьому відношенні соленоїд подібний плоскому конденсатору, 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 в магнітному полі діє сила. В однорідному полі прямолінійний провідник довжиною l, по якому тече струм I, розташований перпендикулярно вектору поля B, відчуває дію сили: F = I l B .
Напрямок сили визначається правилом лівої руки:
Якщо чотири витягнутих пальці лівої руки розташувати у напрямку струму в провіднику, а долоню - перпендикулярно вектору B, то відставлений великий палець вкаже напрям сили, що діє на провідник (Мал. 9 ).
Слід зазначити, що сила, яка діє на провідник зі струмом в магнітному полі, спрямована не по дотичній до його силових ліній, подібно електричної силі, а перпендикулярна їм. На провідник, розташований уздовж силових ліній, магнітна сила не діє.
рівняння F = IlBдозволяє дати кількісну характеристику індукції магнітного поля.
ставлення 
не залежить від властивостей провідника і характеризує саме магнітне поле.
Модуль вектора магнітної індукції B чисельно дорівнює силі, що діє на розташований перпендикулярно до нього провідник одиничної довжини, по якому тече струм силою один ампер.
В 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 в магнітному полі. Магнітні властивості речовини, гіпотеза Ампера)
При підключенні до двох паралельних провідників електричного струму, вони будуть притягатися або відштовхуватися, в залежності від напрямку (полярності) підключеного струму. Це пояснюється явищем виникнення матерії особливого роду навколо цих провідників. Ця матерія називається магнітне поле (МП). Магнітної силою називається сила, з якою провідники діють один на одного.
Теорія магнетизму виникла ще в давнину, в античної цивілізації Азії. У Магнезії в горах знайшли особливу породу, шматки якої могли притягатися між собою. За назвою місця цю породу назвали «Магнетик». Стрижневий магніт містить два полюси. На полюсах особливо сильно виявляються його магнітні властивості.
Магніт, що висить на нитці, своїми полюсами буде показувати сторони горизонту. Його полюса будуть повернені на північ і південь. На такому принципі діє пристрій компаса. Різнойменні полюси двох магнітів притягуються, а однойменні відштовхуються.
Вчені виявили, що намагнічена стрілка, що знаходиться біля провідника, відхиляється при проходженні по ньому електричного струму. Це говорить про те, що навколо нього утворюється МП.
Магнітне поле впливає на:
Переміщаються електричні заряди.
Речовини, звані феромагнетиками: залізо, чавун, їх сплави.
Постійні магніти - тіла, що мають загальний магнітний момент заряджених частинок (електронів).
1 - Південний полюс магніту
2 - Північний полюс магніту
3 - МП на прикладі металевих тирси
4 - Напрямок магнітного поля
Силові лінії з'являються при наближенні постійного магніту до паперового аркуша, на який насипано шар залізної тирси. На малюнку чітко видно місця полюсів з орієнтованими силовими лініями.
Джерела магнітного поля
- Електричне поле, що міняється в часі.
- Рухливі заряди.
- Постійні магніти.
З дитинства нам знайомі постійні магніти. Вони використовувалися в якості іграшок, які притягували до себе різні металеві деталі. Їх прикріплювали до холодильника, вони були вбудовані в різні іграшки.
Електричні заряди, які знаходяться в русі, найчастіше мають більше магнітної енергії, в порівнянні з постійними магнітами.
властивості
- головним відмітною ознакоюі властивістю магнітного поля є відносність. Якщо нерухомо залишити заряджене тіло в деякій системі відліку, а поруч розташувати магнітну стрілку, то вона вкаже на північ, і при цьому не «відчує» стороннього поля, крім поля землі. А якщо заряджене тіло почати рухати біля стрілки, то навколо тіла з'явиться МП. В результаті стає ясно, що МП формується тільки при пересуванні деякого заряду.
- Магнітне поле здатне впливати і впливати на електричний струм. Його можна виявити, якщо проконтролювати рух заряджених електронів. У магнітному полі частинки з зарядом відхиляться, провідники з струмом, що протікає будуть переміщатися. Рамка з підключеним харчуванням струму стане повертатися, а намагнічені матеріали перемістяться на деяку відстань. Стрілка компаса найчастіше забарвлюється в синій колір. Вона є смужкою намагніченою стали. Компас орієнтується завжди на північ, так як у Землі є МП. Вся планета - це як великий магніт зі своїми полюсами.
Магнітне поле не сприймається людськими органами, і може фіксуватися тільки особливими приладами і датчиками. Воно буває змінного і постійного виду. Змінне поле зазвичай створюється спеціальними індукторами, які функціонують від змінного струму. Постійне поле формується незмінним електричним полем.
Правила
Розглянемо основні правила зображення магнітного поля для різних провідників.
правило свердлика
Силова лінія зображується в площині, яка розташована під кутом 90 0 до шляху руху струму таким чином, щоб в кожній точці сила була спрямована по дотичній до лінії.
Щоб визначити напрямок магнітних сил, потрібно згадати правило гвинта з правою різьбою.
Буравчик потрібно розташувати по одній осі з вектором струму, рукоятку обертати таким чином, щоб буравчик рухався в бік його напрямки. В цьому випадку орієнтація ліній визначиться обертанням рукоятки гвинта.
Правило свердлика для кільця
Поступальне переміщення свердлика в провіднику, виконаному у вигляді кільця, показує, як орієнтована індукція, обертання збігається з плином струму.
Силові лінії мають своє продовження всередині магніту і не можуть бути роз'єднаними.
Магнітне поле різних джерел підсумовуються між собою. При цьому вони створюють загальне поле.
Магніти з однаковими полюсами відштовхуються, а з різними - притягуються. Значення сили взаємодії залежить від віддаленості між ними. При наближенні полюсів сила зростає.
Параметри магнітного поля
- Зчеплення потоків ( Ψ ).
- Вектор магнітної індукції ( В).
- Магнітний потік ( Ф).
Інтенсивність магнітного поля обчислюється розміром вектора магнітної індукції, яка залежить від сили F, і формується струмом I по провіднику, що має довжину l: У = F / (I * l).
Магнітна індукція вимірюється в Тесла (Тл), в честь вченого, який вивчав явища магнетизму і займався їх методами розрахунку. 1 Тл дорівнює індукції магнітного потоку силою 1 Нна довжині 1 мпрямого провідника, що знаходиться під кутом 90 0 до напрямку поля, при протікає струмі в один ампер:
1 Тл = 1 х Н / (А х м).
Правило лівої руки
Правило знаходить напрямок вектора магнітної індукції.
Якщо долоню лівої руки розмістити в полі, щоб лінії магнітного поля входили в долоню з північного полюса під 90 0, а 4 пальці розмістити за течією струму, великий палець покаже напрям магнітної сили.
Якщо провідник знаходиться під іншим кутом, то сила буде прямо залежати від струму і проекції провідника на площину, що знаходиться під прямим кутом.
Сила не залежить від виду матеріалу провідника і його перетину. Якщо провідник відсутня, а заряди рухаються в іншому середовищі, то сила не зміниться.
При напрямку вектора магнітного поля в одну сторону однієї величини, поле називається рівномірним. Різні середовища впливають на розмір вектора індукції.
магнітний потік
Магнітна індукція, що проходить по деякій площі S і обмежена цією площею, є магнітним потоком.
Якщо площа має нахил на деякий кут α до лінії індукції, магнітний потік знижується на розмір косинуса цього кута. Найбільша його величина утворюється при знаходженні площі під прямим кутом до магнітної індукції:
Ф = В * S.
Магнітний потік вимірюється в такій одиниці, як «Вебер», Який дорівнює протіканням індукції величиною 1 Тлза площею в 1 м 2.
потокосцепление
Таке поняття застосовується для створення загального значення магнітного потоку, який створений від деякого числа провідників, що знаходяться між магнітними полюсами.
У разі, коли однаковий струм Iпротікає по обмотці з кількістю витків n, загальний магнітний потік, утворений усіма витками, є потокозчеплення.
потокосцепление Ψ вимірюється в Вебера, і так само: Ψ = n * Ф.
магнітні властивості
Магнітна проникність визначає, наскільки магнітне поле в певному середовищі нижче або вище індукції поля в вакуумі. Речовина називають намагніченим, якщо воно утворює своє магнітне поле. При приміщенні речовини в магнітне поле у нього з'являється намагніченість.
Вчені визначили причину, по якій тіла отримують магнітні властивості. Відповідно до гіпотези вчених всередині речовин є електричні струми мікроскопічної величини. Електрон має свій магнітним моментом, який має квантову природу, рухається по орбіті в атомах. Саме такими малими струмами визначаються магнітні властивості.
Якщо струми рухаються безладно, то магнітні поля, викликані ними, самокомпенсіруются. Зовнішнє поле робить струми впорядкованими, тому формується магнітне поле. Це є намагниченностью речовини.
Різні речовини можна розділити за властивостями взаємодії з магнітними полями.
Їх поділяють на групи:
парамагнетики- речовини, що мають властивості намагнічування в напрямку зовнішнього поля, що володіють низькою можливістю магнетизму. Вони мають позитивну напруженість поля. До таких речовин відносять хлорне залізо, марганець, платину і т. Д.
феримагнетики- речовини з неврівноваженими у напрямку і значенням магнітними моментами. У них характерна наявність некомпенсованого антиферомагнетизму. Напруженість поля і температура впливає на їх магнітну сприйнятливість (різні оксиди).
ферромагнетики- речовини з підвищеною позитивною сприйнятливістю, яка залежить від напруженості і температури (кристали кобальту, нікелю і т. Д.).
Діамагнетик- володіють властивістю намагнічування в протилежному напрямку зовнішнього поля, тобто, від'ємне значення магнітної сприйнятливості, яка не залежить від напруженості. При відсутності поля у цього речовини не буде магнітних властивостей. До таких речовин відносяться: срібло, вісмут, азот, цинк, водень і інші речовини.
антиферомагнетики
- володіють урівноваженим магнітним моментом, внаслідок чого утворюється низький ступінь намагнічування речовини. У них при нагріванні здійснюється фазовий перехід речовини, при якому виникають парамагнітні властивості. При зниженні температури нижче певної межі, такі властивості з'являтися не будуть (хром, марганець).
Розглянуті магнетики також класифікуються ще за двома категоріями:
магнитомягкие матеріали
. Вони мають низьку коерцитивної силою. При малопотужних магнітних полях вони можуть увійти в насичення. При процесі перемагнічування у них спостерігаються незначні втрати. Внаслідок цього такі матеріали використовуються для виробництва сердечників електричних пристроїв, що функціонують на змінній напрузі (, генератор,).
магнітотвердіматеріали. Вони мають підвищену величиною коерцитивної сили. Щоб їх перемагнитилось, потрібно сильне магнітне поле. Такі матеріали використовуються у виробництві постійних магнітів.
Магнітні властивості різних речовин знаходять своє використання в технічних проектах і винаходи.
магнітні ланцюга
Об'єднання декількох магнітних речовин називається магнітним ланцюгом. Вони є подобою і визначаються аналогічними законами математики.
На базі магнітних кіл діють електричні прилади, індуктивності,. У функціонуючого електромагніту потік протікає по магнітопровода, виготовленого з феромагнітного матеріалу і повітрю, який не є феромагнетиком. Поєднання цих компонентів є магнітної ланцюгом. Безліч електричних пристроїв у своїй конструкції містять магнітні ланцюги.
Являє собою силове поле, що впливає на електричні заряди і на тіла, що знаходяться в русі і мають магнітний момент, незалежно від стану їх руху. Магнітне поле є частиною електромагнітного поля.
Струм заряджених частинок або магнітні моменти електронів в атомах створюють магнітне поле. Також, магнітне поле виникає в результаті певних тимчасових змін електричного поля.
Вектор індукції магнітного поля В являє собою головну силову характеристику магнітного поля. У математиці В = В (X, Y, Z) визначається як векторне поле. Це поняття служить для визначення і конкретизації фізичного магнітного поля. У науці часто вектор магнітної індукції просто, для стислості, іменується магнітним полем. Очевидно, що таке застосування допускає деяку вільне трактування цього поняття.
Ще однією характеристикою магнітного поля струму є векторні потенціал.
В науковій літературічасто можна зустріти, що в якості головна характеристикамагнітного поля, в умовах відсутності магнітної середовища (вакуумі), розглядається вектор напруженості магнітного поля. Формально, така ситуація цілком прийнятна, оскільки в вакуумі вектор напруженості магнітного поля H і вектор магнітної індукції B збігаються. У той же час, вектор напруженості магнітного поля в магнітному середовищі не наповнений тим же фізичним змістом, і є другорядною величиною. Виходячи з цього при формальній рівності цих підходів для вакууму, систематична точка зору розглядає вектор магнітної індукції основною характеристикою магнітного поля струму.
Магнітне поле, безумовно, є особливий вид матерії. За допомогою цієї матерії відбувається взаємодія між володіють магнітним моментом і рухомими зарядженими частинками або тілами.
Спеціальна теорія відносності розглядає магнітні поля як наслідок існування самих електричних полів.
У сукупності магнітне і електричне поля формують електромагнітне поле. Проявами електромагнітного поля є світло і електромагнітні хвилі.
Квантова теорія магнітного поля розглядає магнітне взаємодія як окремий випадок електромагнітної взаємодії. Він переноситься безмассового бозоном. Бозон є фотон - частку, яку можна уявити як квантове збудження електромагнітного поля.
Породжується магнітне поле або струмом заряджених частинок, або трансформується в часовому просторі електричним полем, або власними магнітними моментами часток. Магнітні моменти частинок для одноманітного сприйняття формально зводяться до електричних струмів.
Обчислення значення магнітного поля.
Прості випадки дозволяють обчислити значення магнітного поля провідника зі струмом за законом Біо-Савара-Лапласа, або за допомогою теореми про циркуляцію. Таким же чином може бути знайдено значення магнітного поля і для струму, довільно розподіленого в обсязі або просторі. Очевидно, ці закони застосовні для постійних або відносно повільно змінюються магнітних і електричних полів. Тобто, у випадках наявності магнитостатики. Більш складні випадки вимагають обчислення значення магнітного поля струмузгідно рівнянь Максвелла.
Прояв наявності магнітного поля.
Основним проявом магнітного поля є вплив на магнітні моменти частинок і тіл, на заряджені частинки знаходяться в русі. силою Лоренцаназивається сила, яка впливає на електрично заряджену частинку, яка рухається в магнітному полі. Ця сила має постійно виражену перпендикулярну спрямованість до векторів v і B. Вона також має пропорційне значення заряду частинки q, складовою швидкості v, що здійснюється перпендикулярно напрямку вектора магнітного поля B, і величиною, яка виражає індукцію магнітного поля B. Сила Лоренца згідно міжнародній системіодиниць має такий вислів: F = q, В системі одиниць СГС: F = q / c
Векторний добуток відображено квадратними дужками.
В результаті впливу сили Лоренца на рухомі по провіднику заряджені частинки, магнітне поле і може здійснювати вплив на провідник зі струмом. Силою Ампера є сила, що діє на провідник зі струмом. Складовими цієї сили вважаються сили, що впливають на окремі заряди, які рухаються всередині провідника.
Явище взаємодії двох магнітів.
Явище магнітного поля, яке ми можемо зустріти в повсякденному житті, отримало назву взаємодія двох магнітів. Воно виражається в відштовхуванні один від одного однакових полюсів і тяжінні протилежних полюсів. З формальної точки зору описати взаємодії між двома магнітами як взаємодія двох монополів, є досить корисною, яка реалізується і зручною ідеєю. У той же час, детальний аналіз свідчить, що в дійсності це не зовсім вірне опис явища. Основним питанням, що залишається без відповіді в рамках такої моделі, є, чому монополя не можуть бути розділені. Власне, експериментально доведено, що будь-який ізольоване тіло не має магнітний заряд. Також цю модель неможливо застосувати до магнітного поля, створеного макроскопічними струмом.
З нашої точки зору, правильно вважати, що сила, яка діє на магнітний диполь, що знаходиться в неоднорідному полі, прагне розвернути його таким чином, щоб магнітний момент диполя мав однакове з магнітним полем напрямок. Однак немає магнітів, які схильні до впливу сумарної сили з боку однорідного магнітного поля струму. Сила, яка діє на магнітний диполь з магнітним моментом mвиражається наступною формулою:
.
Діюча на магніт сила з боку неоднорідного магнітного поля, виражається сумою всіх сил, які визначаються цією формулою, і які впливають на елементарні диполі, які складають магніт.
Електромагнітна індукція.
У разі зміни в часі потоку вектора магнітної індукції через замкнутий контур, в цьому контурі формується ЕРС електромагнітної індукції. Якщо контур нерухомий, вона породжується вихровим електричним полем, яке виникає в результаті зміни магнітного поля з часом. Коли магнітне поле не змінюється з часом і немає змін потоку через рух контуру-провідника, то ЕРС породжується силою Лоренца.
Тема: Магнітне поле
Підготував: Байгарашев Д.М.
Перевірила: Габдуллина А.Т.
Магнітне поле
Якщо два паралельно розташованих провідника під'єднати до джерела струму так, щоб по ним пройшов електричний струм, то в залежності від напрямку струму в них провідники або відштовхуються, або притягуються.
Пояснення цього явища можливо з позиції виникнення навколо провідників особливого виду матерії - магнітного поля.
Сили, з якими взаємодіють провідники зі струмом, називаються магнітними.
Магнітне поле- це особливий вид матерії, специфічною особливістю якої є дія на рухомий електричний заряд, провідники зі струмом, тіла, що володіють магнітним моментом, з силою, яка залежить від вектора швидкості заряду, напрямки сили струму в провіднику і від напрямку магнітного моменту тіла.
Історія магнетизму йде корінням в глибоку старовину, до античних цивілізацій Малої Азії. Саме на території Малої Азії, в Магнезії, знаходили гірську породу, зразки якої притягувалися один до одного. За назвою місцевості такі зразки і стали називати "Магнетик". Будь-магніт у формі стрижня або підкови має два торця, які називаються полюсами; саме в цьому місці найсильніше і проявляються його магнітні властивості. Якщо підвісити магніт на нитці, один полюс завжди буде вказувати на північ. На цьому принципі заснований компас. Звернений на північ полюс вільно висить магніту називається північним полюсом магніту (N). Протилежний полюс називається південним полюсом (S).
Магнітні полюси взаємодіють один з одним: однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні - притягуються. Аналогічно концепції електричного поля, що оточує електричний заряд, вводять уявлення про магнітне поле навколо магніту.
У 1820 р Ерстед (1777-1851) виявив, що магнітна стрілка, розташована поруч з електричним провідником, відхиляється, коли по провіднику тече струм, т. Е. Навколо провідника зі струмом створюється магнітне поле. Якщо взяти рамку з струмом, то зовнішнє магнітне поле взаємодіє з магнітним полем рамки і надає на неї орієнтує дію, т. Е. Існує таке положення рамки, при якому зовнішнє магнітне поле надає на неї максимальне вращающее дію, і існує положення, коли крутний момент сил дорівнює нулю.
Магнітне поле в будь-якій точці можна охарактеризувати вектором В, який називається вектором магнітної індукціїабо магнітної індукціїв точці.
Магнітна індукція В - це векторна фізична величина, що є силовою характеристикою магнітного поля в точці. Вона дорівнює відношенню максимального механічного моменту сил, що діють на рамку зі струмом, вміщену в однорідне поле, до твору сили струму в рамці на її площа:
За направлення вектора магнітної індукції В приймається напрямок позитивної нормалі до рамки, яке пов'язане зі струмом в рамці правилом правого гвинта, при механічному моменті, що дорівнює нулю.
Точно так же, як зображували лінії напруженості електричного поля, зображують лінії індукції магнітного поля. Лінія індукції магнітного поля - уявна лінія, дотична до якої збігається з напрямком В в точці.
Напрямку магнітного поля в даній точці можна визначити ще як напрям, який вказує
північний полюс стрілки компаса, поміщений в цю точку. Вважають, що лінії індукції магнітного поля спрямовані від північного полюса до південного.
Напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного електричним струмом, який тече по прямолінійним провіднику, визначається правилом свердлика або правого гвинта. За направлення ліній магнітної індукції приймається напрямок обертання головки гвинта, яке забезпечувало б поступальний його рух у напрямку електричного струму (рис. 59).
де n 01 = 4 Пі 10 -7 В с / (А м). - магнітна постійна, R - відстань, I - сила струму в провіднику.
На відміну від ліній напруженості електростатичного поля, які починаються на позитивному заряді і закінчуються на негативному, лінії індукції магнітного поля завжди замкнені. Магнітного заряду аналогічно електричномузаряду не виявлено.
За одиницю індукції приймається одна тесла (1 Тл) - індукція такого однорідного магнітного поля, в якому на рамку площею 1 м 2, по якій тече струм в 1 А, діє максимальний крутний механічний момент сил, що дорівнює 1 Н м.
Індукцію магнітного поля можна визначити і по силі, що діє на провідник зі струмом в магнітному полі.
На провідник зі струмом, поміщений в магнітне поле, діє сила Ампера, величина якої визначається наступним виразом:
де I - сила струму в провіднику, l -довжина провідника, В - модуль вектора магнітної індукції, а - кут між вектором і напрямком струму.
Напрямок сили Ампера можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці маємо у напрямку струму в провіднику, то відігнутий великий палець показує напрям сили Ампера.
З огляду на, що I = q 0 nSv, і підставляючи цей вираз в (3.21), отримаємо F = q 0 nSh / B sin a. Число частинок (N) в заданому обсязі провідника одно N = nSl, тоді F = q 0 NvB sin a.
Визначимо силу, що діє з боку магнітного поля на окрему заряджену частинку, яка рухається в магнітному полі:
Цю силу називають силою Лоренца (1853-1928). Напрямок сили Лоренца можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці показували напрям руху позитивного заряду, великий відігнутий палець покаже напрям сили Лоренца.
Сила взаємодії між двома паралельними провідниками, по яких течуть струми I 1 і I 2 дорівнює:
де l -частина провідника, що знаходиться в магнітному полі. Якщо струми одного напрямку, то провідники притягуються (рис. 60), якщо протилежного напрямку - відштовхуються. Сили, що діють на кожен провідник, рівні по модулю, протилежні за напрямком. Формула (3.22) є основною для визначення одиниці сили струму 1 ампер (1 А).
Магнітні властивості речовини характеризує скалярна фізична величина - магнітна проникність, що показує у скільки разів індукція В магнітного поля в речовині, повністю заповнює поле, відрізняється по модулю від індукції В 0 магнітного поля в вакуумі:
За своїм магнітним властивостям всі речовини діляться на діамагнітниє, парамагнітніі феромагнітні.
Розглянемо природу магнітних властивостей речовин.
Електрони в оболонці атомів речовини рухаються по різних орбітах. Для спрощення вважаємо ці орбіти круговими, і кожен електрон, що обертається навколо атомного ядра, можна розглядати як кругової електричний струм. Кожен електрон, як круговий струм, створює магнітне поле, яке назвемо орбітальним. Крім того, у електрона в атомі є власне магнітне поле, зване спіновим.
Якщо при внесенні в зовнішнє магнітне поле з індукцією В 0 всередині речовини створюється індукція В< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).
В діамагнітнихматеріалах при відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні поля електронів компенсовані, і при внесенні їх в магнітне поле індукція магнітного поля атома стає спрямованої проти зовнішнього поля. Діамагнетик виштовхується з зовнішнього магнітного поля.
У парамагнітнихматеріалів магнітна індукція електронів в атомах повністю не компенсується, і атом в цілому виявляється подібний маленькому постійному магніту. Зазвичай в речовині всі ці маленькі магніти орієнтовані довільно, і сумарна магнітна індукція всіх їх полів дорівнює нулю. Якщо помістити парамагнетик в зовнішнє магнітне поле, то все маленькі магніти - атоми повернуться в зовнішньому магнітному полі подібно стрільцям компаса і магнітне поле в речовині посилюється ( n >= 1).
феромагнітниминазиваються такі матеріали, в яких n"1. У феромагнітних матеріалах створюються так звані домени, макроскопічні області мимовільного намагнічування.
У різних доменах індукції магнітних полів мають різні напрямки (рис. 61) і в великому кристалі
взаємно компенсують один одного. При внесенні феромагнітного зразка в зовнішнє магнітне поле відбувається зміщення кордонів окремих доменів так, що обсяг доменів, орієнтованих по зовнішньому полю, збільшується.
Зі збільшенням індукції зовнішнього поля В0 зростає магнітна індукція намагніченого речовини. При деяких значеннях В 0 індукція припиняє різке зростання. Це явище називається магнітним насиченням.
Характерна особливість феромагнітних матеріалів - явище гістерезису, яке полягає в неоднозначній залежності індукції в матеріалі від індукції зовнішнього магнітного поля при його зміні.
Петля магнітного гістерезису - замкнута крива (cdc`d`c), що виражає залежність індукції в матеріалі від амплітуди індукції зовнішнього поля при періодичному досить повільній зміні останнього (рис. 62).
Петля гістерезису характеризується наступними величинами B s, B r, B c. B s - максимальне значення індукції матеріалу при В 0s; В r - залишкова індукція, рівна значенню індукції в матеріалі при зменшенні індукції зовнішнього магнітного поля від B 0s до нуля; -В з і В з - коерцитивної сила - величина, рівна індукції зовнішнього магнітного поля, необхідного для зміни індукції в матеріалі від залишкової до нуля.
Для кожного феромагнетика існує така температура (точка Кюрі (Ж. Кюрі, 1859-1906), вище якої феромагнетик втрачає свої феромагнітні властивості.
Існує два способи приведення намагніченого феромагнетика в розмагніченого стан: а) нагріти вище точки Кюрі і охолодити; б) намагнічувати матеріал змінним магнітним полем з повільно спадної амплітудою.
Ферромагнетики, що володіють малою залишковою індукцією і коерцитивної силою, називаються магнитомягкими. Вони знаходять застосування в пристроях, де феромагнетика доводиться часто перемагнічуватися (сердечники трансформаторів, генераторів і ін.).
Магнитожорсткі ферромагнетики, що володіють великою коерцитивної силою, застосовуються для виготовлення постійних магнітів.
