Как направлены линии магнитной индукции: Линии магнитной индукции. — Физика. Магнитное поле.

Линии магнитной индукции. — Физика. Магнитное поле.

как направлены линии магнитной индукции?

С ПОДРОБНЫМ РЕШЕНИЕМ!!!Баржу перемещают с помощью двух буксиров, движущихся со скоростями 3 м/с и 5 м/с, образующими угол а (рис. 56), тангенс которог
…

о равен tga = 2. Тросы, с помощью которых буксируют баржу, нерастяжимы и прикреплены к одной точке баржи. Под каким углом В к скорости і, будет направлена скорость точки крепления тросов и че- му равна скорость этой точки? Воспользоваться формулой для косину- са разности двух углов cos(а — в) = cos a cos B + sin a sin В.​

Какое количество теплоты выделится при конденсации водяного пара массой 3 кг при температуре 100оС? Удельная теплота парообразования воды равна 2,3∙10
…

6 Дж/кг.
2,3 МДж
6,9МДж
3 МДж
23 МДж

Погрешность измерения тока I специальным амперметром, рассчитанным на токи до Imax=50 мА, определяется только погрешностью считывания и равна ΔI=1 мА.
…

У вас в распоряжении много таких амперметров.
Какое наименьшее количество амперметров нужно использовать, чтобы можно было измерить ток 1 А с наименьшей относительной погрешностью?
Чему равна относительная погрешность измерения такого тока? Ответ выразите в процентах, округлите до целого числа.

222. Первую треть пути автомобиль проехал с постоянной скоростью 10 км/ч, вторую треть со скоростно 60 км/ч, третью 30 км/ч. Вычислите среднюю скорост
…

ь автомобиля на всем пути.
(С РЕШЕНИЕМ!!!)
Спасибо!!!!!

Извините, я не уловил мысль. Помогите понять, что имелось ввиду. «Как и в случае равномерного движения, можно пользоваться формулой [tex]s \: = ut[/t
…

ex]для определения пути, пройденного за данный промежуток времени при определённой средней скорости, и формулой [tex]t \: = \frac{s}{u} [/tex]для определения времени, за которое пройден данный путь с данной средней скоростью. Но пользоваться этими формулами можно только для того участка пути и для того промежутка времени, для которых эта средняя скорость была рассчитана. Например, зная среднюю скорость на участке пути AB и зная длину AB, можно определить время, за которое был пройден этот участок, но нельзя найти время, за которое была пройдена половина участка АВ, т.к. средняя скорость на половине участка при неравномерном движении, вообще говоря, не будет равна средней скорости на всём участке.Что имеется ввиду под предпоследним предложением? Объясните просторно и понятно, даю 40 баллов​

ПОЖАЛУЙСТА, СРОЧНО!
1). Известно, что нота «до» первой октавы имеет частоту 262 Hz. Также известно, что частоты двух одноимённых нот соседних октав от
…

личаются ровно в 2 раза. В какой октаве находится звук, порождённые колебаниями, ищображенными на графике? (график приложен)
2). Нарисовать график
3). Определить музыкальный инструмент

Для того, чтобы быстрее остудить кастрюлю с горячей водой, Вам предложили:
1) поставить кастрюлю на лёд,
2) положить лёд на крышку кастрюли.
Выберите
…

один из вариантов и обоснуйте его.

В системе, показанной на рисунке, все нити невесомы и находятся в вертикальном положении. Верхний груз в два раза легче нижнего. Верхняя нить натянута
…

с силой
T1=19
Н, нижняя — с силой
T3=10
Н. Определите силу натяжения средней нити T2
.

28. На полиці стоять дві бронзові статуетки, одна з яких є учетверо зменшеною копією другої. У скільки разів відрізняються тиски, що створюють ці стат
…

уетки на полицю? 29. Знайти максимальну висоту колони, яку можна збудувати з каменю, що має межу міцності на стискання 5 МПа і густину 5000 кг/м3. Вважати g = 10 м/с2. 30. Який тиск чинить вода на нижню поверхню плоскої крижинки площею 20 см2 та масою 500 г?

Визначити омічний опір коливального контуру, індуктивність якого 1 Гн, якщо за час 0,01 с амплітуда напруги на конденсаторі зменшуєтся в 4 рази

Определение направления линий магнитного поля. Правило буравчика. Правило правой руки :: Класс!ная физика

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЛИНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ПРАВИЛО БУРАВЧИКА
для прямого проводника с током

— служит для определения направления магнитных линий ( линий магнитной индукции)
вокруг прямого проводника с током.

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением

линий магнитного поля тока.

Допустим, проводник с током расположен перпендикулярно плоскости

листа:
1. направление эл. тока от нас ( в плоскость листа)

Согласно правилу буравчика, линии магнитного поля будут

направлены по часовой стрелке.

или
2. направление эл. тока на нас ( из плоскости листа),

Тогда, согласно правилу буравчика, линии магнитного поля будут

направлены против часовой стрелки.

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ
для соленоида

( т.е. катушки с током)

— служит для определения направления магнитных линий (линий магнитной индукции) внутри соленоида.

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре

пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой

палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

ПОДУМАЙ !

1.Как взаимодействуют между собой 2

катушки с током?

2. Как направлены токи в проводах, если

силы взаимодействия направлены так, как на рисунке?

3. Два проводника расположены параллельно

друг другу. Укажите раправление тока в проводнике СД.

Жду решений на следующем уроке на «5»

!

ИНТЕРЕСНО ?

Известно, что сверхпроводники (

вещества, обладающие при определенных температурах практически нулевым электрическим сопротивлением)

могут создавать очень сильные магнитные

поля. Были проделаны опыты по демонстрации подобных магнитных полей. После охлаждения керамического сверхпроводника жидким азотом на

его поверхность помещали небольшой магнит. Отталкивающая сила

магнитного поля сверхпроводника была столь высокой, что магнит

поднимался, зависал в воздухе и

парил над сверхпроводником до тех пор, пока сверхпроводник, нагреваясь,

не терял свои необыкновенные свойства.

Устали? — Отдыхаем!

Как направлены линии магнитной индукции постоянного магнита

Тестирование онлайн

Магнитное поле

Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать железные предметы. Куски таких руд были найдены возле города Магнесии в Малой Азии, поэтому они получили название магнитов.

Посредством чего взаимодействуют магнит и железные предметы? Вспомним, почему притягиваются наэлектризованные тела? Потому что около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем.

Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (линии магнитной индукции). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).

Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок.

Магнитное поле проводника с током

А теперь о том, что обнаружили Ханс Кристиан Эрстед и Андре Мари Ампер в 1820 г. Оказывается, магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Любой провод, например, шнур от лампы, по которому протекает электрический ток, является магнитом! Провод с током взаимодействует с магнитом (попробуйте поднести к нему компас), два провода с током взаимодействуют друг с другом.

Силовые линии магнитного поля прямого тока — это окружности вокруг проводника.

Направление вектора магнитной индукции

Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенного в эту точку.

Направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.

Определяется направление вектора индукции по правилу буравчика или правилу правой руки.

Вектор магнитной индукции

Это векторная величина, характеризующая силовое действие поля.

Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током на расстоянии r от него:

Индукция магнитного поля в центре тонкого кругового витка радиуса r:

Индукция магнитного поля соленоида (катушка, витки которой последовательно обходятся током в одном направлении):

Принцип суперпозиции

Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности

Сравнительная таблица магнитного и электрического полей

Магнитное поле Земли

Земля является не только большим отрицательным зарядом и источником электрического поля, но в то же время магнитное поле нашей планеты подобно полю прямого магнита гигантских размеров.

Географический юг находится недалеко от магнитного севера, а географический север приближен к магнитному югу. Если компас разместить в магнитном поле Земли, то его северная стрелка ориентируется вдоль линий магнитной индукции в направлении южного магнитного полюса, то есть укажет нам, где располагается географический север.

Характерные элементы земного магнетизма весьма медленно изменяются с течением времени — вековые изменения. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к прежним значениям. Такое резкое изменение влияет на самочувствие людей.

Магнитное поле Земли является «щитом», прикрывающего нашу планету от частиц, проникающих из космоса («солнечного ветра»). Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.

Внутренняя структура магнита

Применение магнитного поля

Частицы диоксида железа на магнитной пленке хорошо намагничиваются в процессе записи.

Поезда на магнитной подушке скользят над поверхностью совершенно без трения. Поезд способен развивать скорость до 650 км/ч.

Работа головного мозга, пульсация сердца сопровождается электрическими импульсами. При этом в органах возникает слабое магнитное поле.

Познакомиться сначала с понятием магнитного поля.

Рассмотрим два явления. Первое хорошо всем известное – это притягивание или отталкивание магнитов. Принято считать, что у магнита есть два полюса: северный и южный. Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Надо отметить, что по отдельности магнитные полюса существовать не могут. Если мы разделим магнит, например, пополам, то у каждой половинки вновь образуется два полюса (рис. 1).

Примером магнита является компас, синяя стрелка которого показывает на север (рис. 2). Это значит, что если представить внутри Земли большой магнит, то на северном полюсе Земли будет находиться южный полюс этого магнита, а на южном полюсе Земли северный полюс магнита. Таким образом, имея под рукой стрелку компаса и магнит, мы можем определить полюса магнита. Важным во всех этих опытах является то, что один магнит или стрелка компаса, которая также является легким подвижным магнитом, каким то образом ”чувствуют” присутствие где-то рядом других магнитов и безошибочно точно определяют направление на них. Или другими словами один магнит действует на другой, даже если они находятся на расстоянии друг от друга.

Второе явление легко продемонстрировать, если взять два проводника и укрепить их для удобства вертикально на некотором расстоянии друг от друга. Если концы проводников соединить между собой, как это показано на рис. 3, а и подсоединить к источнику постоянного тока так, что в них потекут токи противоположного направления, то окажется, что провода отталкиваются друг от друга. Если же соединить их, как показано на рис. 3, б и токи в них потекут в одну сторону – проводники будут притягиваться.

N S N S N S N S

Рис.1. Одинаковые полюса магнитов отталкиваются (а), разные полюса – притягиваются (б). Полюса не могут существовать по отдельности (в)

Рис.2. Направление магнитной стрелки

Связь между этими двумя явлениями была установлена в 1821 году Эрстедом. Во время его экспериментов рядом с одним из проводников, по которому он пропускал ток, оказалась магнитная стрелка, которая начала двигаться и устанавливалась в направлении перпендикулярном проводу, независимо от места ее расположения (рис. 3, в). При изменении направления тока на противоположное стрелка поворачивалась в каждой точке на 180°. Таким образом, был сделан вывод о том, что на магнитную стрелку могут действовать не только находящиеся рядом другие магниты, но и проводники с током. Это указывает на одинаковую природу взаимодействия магнитов и проводников с током.

Рис. 3. Силы действующие между проводниками при различном (а) и одинаковом (б) направлениях электрического тока.
Действие проводника с током на магнитную стрелку (в)

Первоначально считали, что все окружающее нас пространство заполнено невидимым для глаз веществом – эфиром, частицы которого и осуществляют взаимодействие (отсюда осталась фраза: в эфире радиостанция…). Однако многочисленные наблюдения и эксперименты показали, что эфира как такового нет, поэтому стали говорить, что на расстоянии взаимодействие осуществляется через поле, в данном случае — магнитное поле. Таким образом, магнитное поле это нечто реально существующее, но не видимое глазом и не воспринимаемое другими органами чувств. Обнаружить магнитное поле можно, например, при помощи магнитной стрелки, специальных устройств и приборов или других индикаторов типа железного порошка. Одним из таких устройств является также феррозонд.

Теперь опыты с магнитами можно объяснить следующим образом. Первый магнит создает в пространстве около себя магнитное поле. Это поле действует на второй магнит или магнитную стрелку. Во втором опыте проводник, по которому протекает ток, создает вокруг себя магнитное поле и это магнитное поле действует на второй проводник с током или магнитную стрелку. Но в обоих опытах было замечено, что это магнитное поле имеет вполне определенное направление. Поскольку магнитное поле невидимо, чтобы хоть как-то наглядно представить его себе, договорились графически изображать его в виде линий со стрелками, которые назвали магнитными силовыми линиями. Условились, что магнитные силовые линии выходят из северного полюса постоянного магнита и входят в южный полюс и вне магнита силовая линия направлена от северного полюса к южному. Магнитные линии не пересекаются между собой. Наглядную картинку силовых линий можно наблюдать, если на постоянный магнит положить лист бумаги и посыпать железный порошок (рис. 4, д). В качестве примера на рис. 4, а – г приведены силовые линии магнитных полей постоянных магнитов в виде полосы и подковы, а также прямолинейного проводника с током и кольцевого витка (короткой катушки). В каждой точке направление магнитного поля, создаваемое прямолинейным проводником с током, (рис. 4, в) можно определить по правилу буравчика: если направить буравчик по направлению тока, направление вращения его будет совпадать с направлением силовых линий магнитного поля. В последнем случае поле внутри кольца будет больше, чем снаружи, так как магнитные поля создаваемые отдельными элементами направлены в одну сторону и складываются. Направления поля в центре кольца приведено на рис. 4, г.

В₃ а б в

Рис. 4. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита в виде полосы (а), подковы (б), прямолинейного проводника стоком (в), кольцевого витка с током (г), визуализация поля при помощи магнитного порошка (д), зависимость поля прямолинейного проводника с током от расстояния (е)

Основную количественную характеристику магнитного поля в каждой точке называют магнитной индукцией и обозначают буквой В. Стрелка над буквой подчеркивает, что магнитное поле имеет не только количественное значение, но и направление. В печатных изданиях стрелку обычно не ставят, а просто обозначают жирной буквой В. Такие величины часто встречаются в физике и их называют векторами. Очевидно, что в отличие от векторных величин, такие величины, как температура, объем, площадь направления не имеют (их называют скалярными). Примерами векторов являются хорошо знакомые всем скорость, ускорение, сила. На рисунках их изображают в виде отрезка со стрелкой на конце. По магнитным силовым линиям можно в каждой точке нарисовать вектор магнитной индукции. Его направление будет совпадать с направлением касательной к силовой линии в данной точке, а величина (длина) будет тем больше, чем гуще расположены магнитные силовые линии. Пример приведен на рис. 4, а для постоянного магнита в виде полосы. Из рисунка видно, что направление векторов магнитной индукции В₁, В₂ и В₃ различны, а по величине (длине) В₁ > В₂ > В₃, что соответствует густоте линий. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл). Поскольку Тесла – это достаточно большая индукция, в технике чаще используют дольную единицу: 1 мТл = 0,001 Тл, или 1000 мТл = 1 Тл.

При проведении неразрушающего контроля магнитными методами в деталях магнитная индукция составляет 0,1…2 Тл, а магнитная индукция около детали после размагничивания – 0,3…0,6 мТл.

На рис. 4 а – г хорошо видно, что в разных точках, даже близко расположенных друг к другу, магнитная индукция имеет различное значение и направление. Такие магнитные поля носят название неоднородных. Магнитное поле одинаковое в некоторой области по величине и направлению называется однородным. Такое поле может создаваться, например, в небольшом зазоре между полюсами магнита или в центре длинной катушки (соленоида) (рис. 5).

Рис. 5. Однородные магнитные поля в зазоре между полюсами

магнита (а) и внутри длинного соленоида (б)

Довольно часто при рассмотрении магнитных явлений, особенно при рассмотрении явления электромагнитной индукции Фарадея, пользуются понятием магнитного потока. Магнитный поток Ф определяется, как число силовых линий проходящих через выбранную площадку. Если эта площадка будет перпендикулярна магнитным силовым линиям, то Ф = ВS (S – площадь выбранной площадки, В – значение магнитной индукции на площадке), если силовые линии параллельны площадке, то они не пересекают ее и

Рис. 6. Магнитный поток через площадку: Ф = В S (а), Ф = 0 (б),
Ф = В S cos a (в)

Ф = 0. В общем случае Ф = ВScosa, где a – угол между направлением вектора магнитной индукции Ви вектором нормали n (перпендикуляром) к выбранной площадке. Предполагается, что площадка имеет небольшие размеры и в пределах этой площадки магнитная индукция одинакова (поле однородно).

Итак, вернемся к тому, что магнитные поля создаются постоянными магнитами или электромагнитами (проводниками с током). В тоже время мы знаем, что помимо макро токов (или просто токов), идущих в проводниках, в любом теле существуют микроскопические токи (микро токи, или токи Ампера), создаваемые движением электронов в атомах и молекулах. С одной стороны внешние поля, создаваемые макро токами или постоянными магнитами действуют на микро токи, в тоже время эти микро токи создают свое магнитное поле.

Магнитная индукция В – характеризует результирующее поле микро- и макро токов, поэтому В зависит от среды в которой создается поле и от расположения макро токов и постоянных магнитов. Указанный факт может значительно усложнить технические расчеты, если пользоваться только характеристикой поля В. Поэтому была введена еще одна величина, характеризующая магнитное поле, названная напряженностью магнитного поля и обозначаемая буквой Н. Величина Н также является векторной величиной, т.е. имеет направление и численное значение, но в отличие от магнитной индукции В не зависит от магнитных свойств среды и определяется только расположением постоянных магнитов и проводников с током.

Таким образом, напряженность магнитного поля Н – характеризует поле, создаваемое макро токами (соленоидами, катушками, проводниками с током) и постоянными магнитами (прикладные намагничивающие устройства с постоянными магнитами).

Величина магнитной индукции В связана с напряженностью магнитного поля Н соотношением:

В = mm_{Н, (1)}

где m – магнитная проницаемость вещества (величина безразмерная), а m _{– магнитная постоянная, равная 4p 10 -7 Гн/м (Генри на метр). Магнитная проницаемость m показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе отличается от магнитной индукции в воздухе (для воздуха m = 1).}

Единицей измерения напряженности магнитного поля Н в системе СИ является А/м (Ампер на метр). Часто в литературе и инструкциях приводят напряженность магнитного в А/см (Ампер на сантиметр). 1А/см = 100А/м, а 1 А/м = 0,01 А/см.

Поскольку магнитная проницаемость воздуха равна единице, то иногда, когда говорят о магнитном поле в воздухе, имеют ввиду не его напряженность Н, а его индукцию В (В = m_{Н). Зная значение m можно установить связь между численными значениями Н и В: 1А/см = 100А/м = 0,1256 мТл или 1 мТл = 7,96 А/см. Так, например, согласно инструкции на магнитопорошковый контроль после размагничивания магнитное поле около деталей должно быть не больше 5 А/см или 0,6 мТл, а для внутренних и наружных колец роликовых подшипников меньше 3 А/см или 0,375 мТл.}

Поля, используемые для контроля деталей составляют 100…200 А/см, а поле на полюсах постоянного магнита, используемого для намагничивания деталей более 1000 А/см. Магнитное поле Земли на нашей широте составляет 0,36 А/см.

Внутри прямолинейного проводника с током напряженность поля растет по линейному закону, а вне него убывает обратно пропорционально с расстоянием (рис. 4, е): Н = I/2pr (I – ток в проводнике, r – расстояние от центра проводника). Для соленоида длиной l, диаметром d и содержащего n витков на его оси поле определяется формулой H = I´n/Öl 2 + d 2 .

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

«Физика — 11 класс»

Электрическое поле характеризуется напряженностью электрического поля.
Напряженность электрического поля — это величина векторная. Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией.
Магнитная индукция — это векторная величина, она обозначается буквой .

Направление вектора магнитной индукции

За направление вектора магнитной индукци принимается направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Используя рамку с током или магнитную стрелку, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля.
В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности, плоскость которой перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода.

Правило буравчика

Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика.

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика указывает направление вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции

Магнитное поле можно показать с помощью линий магнитной индукции.
Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с вектором в данной точке поля. Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.

Линии магнитной индукции можно сделать видимыми, воспользовавшись железными опилками.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током

Для пряого проводника с током линии магнитной индукции являются концентрическими окружностями, лежащими в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.

Магнитное поле катушки с током (соленоида)

Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным.
Линии магнитной индукции такого поля параллельны и находятся на равных расстояниях друг от друга.

Магнитное поле Земли

Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида.
Магнитная ось Земли составляет с осью вращения Земли угол 11,5°.
Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность.

Вихревое поле

Силовые линии электростатического поля всегда имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
А линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца, они всегда замкнуты.
Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми.
Магнитное поле — вихревое поле.
Магнитное поле не имеет источников.
Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует.

Итак, магнитное поле — это вихревое поле, в каждой его точке вектор магнитной индукции указывает магнитная стрелка, направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Магнитное поле. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Магнитное поле. Линии — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.

Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

Магнитное поле витка с током

Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.

Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4).

Рис. 4. Поле витка с током

Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.

Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.

Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.

Магнитное поле катушки с током

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 — изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.

Рис. 5. Катушка (соленоид)

Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6).

Рис. 6. поле катушки с током

На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.

1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.

2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.

Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.

Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.

А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6) с линиями поля магнита на рис. 1. Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.

Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.

Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.

Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.

Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.

Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).

Рис. 7. Элементарные токи магнита

Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).

Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.

Магнитное поле, силовые линии, вектор магнитной индукции, принцип суперпозиции. Курсы по физике

Тестирование онлайн

• Магнитное поле. Основные понятия

• Магнитное поле. Вектор магнитной индукции

Магнитное поле

Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать железные предметы. Куски таких руд были найдены возле города Магнесии в Малой Азии, поэтому они получили название магнитов.

Посредством чего взаимодействуют магнит и железные предметы? Вспомним, почему притягиваются наэлектризованные тела? Потому что около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем.

Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (линии магнитной индукции). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).

Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок.

Магнитное поле проводника с током

А теперь о том, что обнаружили Ханс Кристиан Эрстед и Андре Мари Ампер в 1820 г. Оказывается, магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Любой провод, например, шнур от лампы, по которому протекает электрический ток, является магнитом! Провод с током взаимодействует с магнитом (попробуйте поднести к нему компас), два провода с током взаимодействуют друг с другом.

Силовые линии магнитного поля прямого тока — это окружности вокруг проводника.

Направление вектора магнитной индукции

Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенного в эту точку.

Направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.

Определяется направление вектора индукции по правилу буравчика или правилу правой руки.

Вектор магнитной индукции

Это векторная величина, характеризующая силовое действие поля.

Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током на расстоянии r от него:

Индукция магнитного поля в центре тонкого кругового витка радиуса r:

Индукция магнитного поля соленоида (катушка, витки которой последовательно обходятся током в одном направлении):

Принцип суперпозиции

Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности

Земля является не только большим отрицательным зарядом и источником электрического поля, но в то же время магнитное поле нашей планеты подобно полю прямого магнита гигантских размеров.

Географический юг находится недалеко от магнитного севера, а географический север приближен к магнитному югу. Если компас разместить в магнитном поле Земли, то его северная стрелка ориентируется вдоль линий магнитной индукции в направлении южного магнитного полюса, то есть укажет нам, где располагается географический север.

Характерные элементы земного магнетизма весьма медленно изменяются с течением времени — вековые изменения. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к прежним значениям. Такое резкое изменение влияет на самочувствие людей.

Магнитное поле Земли является «щитом», прикрывающего нашу планету от частиц, проникающих из космоса («солнечного ветра»). Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.

Частицы диоксида железа на магнитной пленке хорошо намагничиваются в процессе записи.

Поезда на магнитной подушке скользят над поверхностью совершенно без трения. Поезд способен развивать скорость до 650 км/ч.

Работа головного мозга, пульсация сердца сопровождается электрическими импульсами. При этом в органах возникает слабое магнитное поле.

Глава 22. Магнитные взаимодействия. Магнитная индукция.Силы Лоренца и Ампера

Если заряд движется, то наряду с электрическим полем он создает еще одно поле — магнитное, которое действует на другие движущиеся заряды. В результате возникает дополнительное (наряду с кулоновским) взаимодействие движущихся электрических зарядов, которое называется магнитным. В результате магнитного взаимодействия возникает взаимодействие проводников с током.

В 1820 г. датский физик Х. Эрстед обнаружил, что проводник с током действует на магнитную стрелку. После этого стало ясно, что магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов и токов и взаимодействие постоянных магнитов имеют одну и ту же природу. На основании подробных исследований А. Ампер установил, что взаимодействие постоянных магнитов между собой и с токами можно объяснить, если предположить, что внутри магнитов есть электрические токи (в настоящее время известно, что эти токи имеют внутримолекулярную природу).

Для характеристики магнитного поля вводится векторная величина, которая называется индукцией магнитного поля и которая позволяет найти силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды. Как правило, эту величину обозначают буквой . Для нахождения индукции в каждой точке магнитного поля, созданного проводником с током, используется закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции. Закон Био-Савара-Лапласа позволяет найти поле , созданное бесконечно малым элементом проводника, а принцип суперпозиции требует сложить векторы индукции, созданные всеми элементами проводников. Закон Био-Савара-Лапласа в школьный курс физики, однако, не входит. В задачи ЕГЭ входят только вопросы, связанные с направлением вектора магнитной индукции (но не с величиной). Существует несколько вариантов правила нахождения направления вектора . Наиболее удобным является правило буравчика — оно более универсально, чем правило левой руки. Правило буравчика утверждает, что если вкручивать правыйбуравчик¹ по току в проводнике, то направление движения ручки в каждой точке пространства покажет направление вектора индукции магнитного поля в этой точке. Относительно величины достаточно помнить, что чем дальше от проводника, тем меньше индукция, и что внутри бесконечной катушки (бесконечного соленоида) магнитное поле направлено вдоль оси катушки и однородно.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции — воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора в этой точке. Линии магнитной индукции проводят так, что их густота в каждой области пространства пропорциональна величине индукции в этой области. В отличие от силовых линий электрического поля линии магнитной индукции всегда являются замкнутыми.

На электрический заряд величиной , движущийся со скоростью в магнитном поле с индукцией , со стороны магнитного поля действует сила, которая называется силой Лоренца

где — угол между скоростью и вектором индукции. Направление силы Лоренца определяется следующим образом (см. рисунок).

1. Сила Лоренца перпендикулярна плоскости, в которой лежат векторы скорости заряда и индукции магнитного поля (на рисунке эта плоскость показана тонким пунктиром).

2. Выбор между двумя перпендикулярными направлениями осуществляется с помощью правила буравчика (или правила левой руки): если вращать правый буравчик так, что его ручка движется от вектора к вектору , то направление его вкручивания указывает направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд (траектория ручки буравчика показана на рисунке изогнутой стрелкой).

3. Для отрицательного заряда направление силы Лоренца противоположно.

Можно также определять направление силы Лоренца по правилу левой руки: левую руку нужно расположить так, чтобы вектор входил в ладонь, направление четырех пальцев совпадало с направлением вектора скорости заряда, тогда направление отогнутого под прямым углом к четырем пальцам большого пальца покажет направление силы, действующей на положительный заряд (на отрицательный заряд действует сила противоположного направления).

Поскольку магнитное поле действует на движущиеся заряды, то магнитное поле действует и на проводник, по которому течет электрический ток. Если в магнитном поле с индукцией находится проводник длиной , по которому течет ток , то на этот проводник действует сила

где — угол между током и вектором индукции. Направлен вектор силы (22.2) перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектор и проводник, причем в таком направлении, что если поставить правый буравчик перпендикулярно указанной плоскости и вращать его так, что ручка вращается от тока к вектору , то направление его вкручивания покажет направление силы (см. рисунок; плоскость в которой лежат проводник и вектор индукции обозначена тонким пунктиром, движение ручки буравчика — изогнутой стрелкой). Также для нахождения направления силы можно использовать правило левой руки. Сила (22.2), действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называется силой Ампера.

Рассмотрим теперь задачи.

Правильный ответ в задаче 22.1.1 — 4 (магнитное поле создается движущимися заряженными телами), в задаче 22.1.2 — 2 (в магнитном веществе есть незатухающие электрические токи). Что же касается того, заряжен магнит или нет, то от этого существование магнитного поля (если магнит покоится) не зависит.

В задаче 22.1.3 следует воспользоваться правилом буравчика. Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то в точке его ручка будет двигаться за чертеж. Следовательно, за чертеж направлен в точке и вектор индукции магнитного поля (ответ 1).

Если вкручивать буравчик по току в кольце (в любой точке кольца), то ручка буравчика в центре кольца будет двигаться за чертеж. Поэтому правильный ответ в задаче 22.1.4 — 3.

Поскольку угол между скоростью заряда и вектором магнитной индукции равен нулю (задача 22.1.5), то согласно формуле (22.1) сила Лоренца, действующая на этот заряд, равна нулю (ответ 4).

Применим к проводнику с током из задачи 22.1.6 формулу (22.2) для силы Ампера. Имеем (ответ 2).

Как следует из формулы (22.2) сила Ампера равна нулю, если угол между током и индукцией равен нулю или 180°. Из приведенных на рисунке в задаче 22.1.7 проводников, таковым является только проводник 1. Поэтому на него магнитное поле не действует (ответ 1).

Применяем к частице из задачи 22.1.8 (см. рисунок) правила нахождения направления силы Лоренца (пункты 1-3 после формулы (22.1)). Во-первых, сила Лоренца направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы скорости заряда и индукции магнитного поля — т.е. либо за чертеж, либо на нас. Во-вторых, при вращении ручки буравчика, поставленного на чертеж в ту точку, где находится заряд, от вектора к вектору (в направлении меньшего угла между ними), буравчик будет «выкручиваться» из чертежа. А по-скольку частица заряжена положительно, сила Лоренца направлена «на нас» (ответ 1).

В задаче 22.1.10 следует сначала найти направление вектора магнитной индукции поля провода в той точке, где находится заряд, а затем использовать правила для силы Лоренца (формула (22.1) и текст за ней). Согласно результатам задачи 22.1.3, вектор в той точке, где находится заряд, направлен за чертеж (см. рисунок).

Вектор силы Лоренца направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы и , т.е. либо к проводу, либо от него. Ставим буравчик перпендикулярно этой плоскости и вращаем его так, что ручка движется от вектора к вектору (см. рисунок; буравчик нужно вращать по часовой стрелке, если смотреть снизу). При таком вращении буравчик будет вкручиваться вверх. А поскольку электрон заряжен отрицательно, то действующая на него сила направлена противоположно, т.е. от провода (ответ 2).

В задаче 22.2.1 используем принцип суперпозиции. Ток в горизонтальном кольце создает поле в его центре с индукцией, направленной вверх, ток в вертикальном кольце — с индукцией, направленной вправо (см. задачу 22.1.4.). Результат сложения этих векторов — индукция суммарного магнитного поля — направлена на «северо-восток» (ответ 1).

Ток в верхнем проводе (задача 22.2.2) создает поле с индукцией, направленной «за чертеж», ток в нижнем — «на нас». Результат их сложения зависит от величин этих векторов. Поскольку поле нижнего провода в точке больше поля верхнего (меньше расстояние), то вектор суммы направлен «на нас» (ответ 1).

Сила Лоренца в любой момент времени перпендикулярна скорости частицы. Поэтому угол между бесконечно малым перемещением частицы в любой момент времени и силой Лоренца, действующей на частицу в этот момент времени, — прямой. А поскольку в формулу для работы силы на бесконечно малом участке перемещения входит косинус угла между силой и перемещением, то работа силы Лоренца равна нулю (задача 22.2.3 — ответ 3). Из этих рассуждений и теоремы об изменении кинетической энергии следует, что заряженная частица, движущаяся под действием магнитного поля, изменяет направление, но не величину своей скорости.

Если заряженная частица влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, то она движется по окружности, причем эта окружность лежит в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции. Радиус окружности можно найти из второго закона Ньютона для этой частицы

где и — масса частицы и ее заряд, — ускорение, — скорость, которая не изменяется по величине (см. предыдущую задачу), — индукция магнитного поля. В формуле (22.3) использовано известное выражение для центростремительного ускорения . Из формулы (22.3) получаем для радиуса окружности

Применяя формулу (22.4) к задаче 22.2.4 находим отношение радиусов окружности первой и второй частиц

(ответ 2).

Найдем сначала скорости протона и -частицы, ускоренных одним и тем же напряжением (задача 22.2.5). По теореме об изменении кинетической энергии имеем

где и — масса частицы и ее заряд, — скорость, которую частица приобретает после разгона (здесь предполагается, что начальная скорость частицы равна нулю). Из этой формулы находим отношение скоростей протона и -частицы , ускоренных одним и тем же напряжением

Поскольку заряд протона вдвое меньше заряда -частицы, а масса вчетверо меньше, то . Теперь из формулы (22.4) находим отношение радиусов окружности протона и  -частицы, ускоренных одним и тем же электрическим напряжением и движущихся в одном и том же магнитном поле

(ответ 4).

Период обращения заряженной частицы в магнитном поле (задача 22.2.6) можно найти из следующих соображений. В однородном магнитном поле частица движется по окружности и за период проходит путь, равный длине этой окружности , где — ее радиус. Используя формулу (22.4) для радиуса траектории, получим для периода обращения

где — скорость частицы, — ее масса, — заряд, — индукция магнитного поля. Отсюда заключаем, что период обращения заряженной частицы в магнитном поле не зависит от ее скорости (ответ 3).

Индукция магнитного поля в задаче 22.2.7 должна быть направлена так, чтобы сила Лоренца, действующая на электрон, была направлена к центру окружности, по которой он движется (см. рисунок). А поскольку сила Лоренца перпендикулярна скорости и индукции, то вектор индукции может быть направлен в этой ситуации только «за чертеж» или «на нас». Воспользуемся далее правилом буравчика (см. текст после формулы (22.1)): если вращать буравчик так, что его ручка будет вращаться от скорости заряда к индукции магнитного поля , то направление его вкручивания указывает направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд. Для электрона ( < 0) направление силы противоположно. Непосредственной проверкой убеждаемся, что вектор индукции направлен «за чертеж» (ответ 4).

В области среднего провода (задача 22.2.8) ток в верхнем проводе создает магнитное поле с индукцией, направленной «от нас», ток в нижнем — «на нас» (см. задачу 22.1.3). Но ток в нижнем проводе вдвое меньше тока в верхнем, а индукция поля — пропорциональна току. Поэтому индукция суммарного поля верхнего и нижнего проводов в области среднего провода направлена «от нас». Согласно правилам нахождения направления силы Ампера (см. текст после формулы (22.2)) находим, что сила, действующая на средний провод со стороны магнитного поля верхнего и нижнего проводов, направлена вверх (ответ 1). Отметим, что из приведенных рассуждений также следует, что два параллельных провода, по которым текут токи одинакового направления притягиваются, противоположного — отталкиваются.

В задаче 22.2.9 магнитное поле действует на рамку следующим образом. На стороны и , которые параллельны линиям индукции, поле не действует. На стороны и действуют силы Ампера, равные по величине , где — ток в рамке, — индукция магнитного поля, — длина стороны. Сила, действующая на сторону , направлена «на нас», на сторону — «от нас». Поскольку суммарная сила, действующая на рамку, равна нулю, как целое рамка перемещаться в пространстве не будет, а будет вращаться вокруг оси, показанной на рисунке пунктиром (ответ 4).

Задача 22.2.10 по формуле (22.2) находим силы Ампера, действующие на стороны треугольника

где — ток в контуре, и — длины сторон и , — индукция магнитного поля (последняя из приведенных формул следует из того, что сторона параллельна линиям индукции). Из теоремы синусов для треугольника

заключаем, что , а из правил для направления силы Ампера — что один из векторов или направлен «за чертеж», один — «на нас» (в зависимости от направления тока в контуре). Поэтому правильный ответ в задаче — 3.

Закон Ленца — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Используйте закон Ленца для определения направления наведенной ЭДС при изменении магнитного потока
• Используйте закон Фарадея с законом Ленца для определения наведенной ЭДС в катушке и в соленоиде.

Направление, в котором наведенная ЭДС движет ток по проволочной петле, можно определить через отрицательный знак. Однако обычно это направление легче определить с помощью закона Ленца, названного в честь его первооткрывателя Генриха Ленца (1804–1865).(Фарадей также открыл этот закон, независимо от Ленца.) Мы формулируем закон Ленца следующим образом:

Закон Ленца

Направление наведенной ЭДС направляет ток вокруг проволочной петли, чтобы всегда противодействовать изменению магнитного потока, вызывающему ЭДС.

Закон Ленца также можно рассматривать с точки зрения сохранения энергии. Если толкание магнита в катушку вызывает ток, энергия в этом токе должна исходить откуда-то. Если индуцированный ток вызывает магнитное поле, противодействующее увеличению поля магнита, который мы втолкнули, тогда ситуация ясна.Мы приложили магнит к полю и поработали с системой, и это проявилось как ток. Если бы индуцированное поле не препятствовало изменению магнитного потока, магнит был бы втянут, создавая ток без каких-либо действий. Была бы создана электрическая потенциальная энергия, нарушив закон сохранения энергии.

Чтобы определить наведенную ЭДС, вы сначала вычисляете магнитный поток, а затем получаете Величину, заданную по формуле. Наконец, вы можете применить закон Ленца для определения значения.Это будет развиваться на примерах, которые иллюстрируют следующую стратегию решения проблем.

Стратегия решения проблем: закон Ленца

Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
2. Определить направление приложенного магнитного поля
3. Определите, увеличивается или уменьшается его магнитный поток.
4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля. Индуцированное магнитное поле пытается усилить магнитный поток, который уменьшается, или противодействует магнитному потоку, который увеличивается. Следовательно, индуцированное магнитное поле добавляет или вычитает приложенное магнитное поле в зависимости от изменения магнитного потока.
5. Используйте правило правой руки 2 (RHR-2; см. Магнитные силы и поля), чтобы определить направление индуцированного тока I , ответственного за индуцированное магнитное поле
6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь может управлять обычным током в этом направлении.

Давайте применим закон Ленца к системе (Рисунок) (a). Мы обозначаем «перед» замкнутой проводящей петли как область, содержащую приближающийся стержневой магнит, а «заднюю часть» петли как другую область. По мере того, как северный полюс магнита движется к петле, поток через петлю из-за поля магнита увеличивается, потому что напряженность силовых линий, направленных от передней части петли к задней, увеличивается. Поэтому в контуре индуцируется ток. По закону Ленца направление индуцированного тока должно быть таким, чтобы его собственное магнитное поле было направлено так, чтобы противодействовали изменяющемуся потоку, вызванному полем приближающегося магнита.Следовательно, индуцированный ток циркулирует так, что силовые линии его магнитного поля через петлю направлены от задней части петли к передней. При использовании RHR-2 поместите большой палец напротив силовых линий магнитного поля, то есть к стержневому магниту. Ваши пальцы сгибаются против часовой стрелки, если смотреть со стороны стержневого магнита. В качестве альтернативы мы можем определить направление индуцированного тока, рассматривая токовую петлю как электромагнит, который противодействует приближению северного полюса стержневого магнита.Это происходит, когда индуцированный ток течет, как показано, поскольку тогда поверхность петли ближе к приближающемуся магниту также является северным полюсом.

Изменение магнитного потока, вызванное приближением магнита, индуцирует ток в контуре. (а) Приближающийся северный полюс индуцирует ток против часовой стрелки по отношению к стержневому магниту. (b) Приближающийся южный полюс индуцирует ток по часовой стрелке относительно стержневого магнита.

На части (b) рисунка показан южный полюс магнита, движущийся к проводящей петле.В этом случае поток через петлю из-за поля магнита увеличивается, потому что количество силовых линий, направленных от задней части петли к передней, увеличивается. Чтобы противодействовать этому изменению, в петле индуцируется ток, силовые линии которого через петлю направлены спереди назад. Точно так же можно сказать, что ток течет в таком направлении, что поверхность петли, расположенная ближе к приближающемуся магниту, является южным полюсом, который затем отталкивает приближающийся южный полюс магнита.В RHR-2 ваш большой палец направлен в сторону от стержневого магнита. Ваши пальцы сгибаются по часовой стрелке, что соответствует направлению индуцированного тока.

Другой пример, иллюстрирующий использование закона Ленца, показан на (Рисунок). Когда переключатель разомкнут, уменьшение тока через соленоид вызывает уменьшение магнитного потока через его катушки, что вызывает ЭДС в соленоиде. Эта ЭДС должна противодействовать вызывающему его изменению (прекращению тока). Следовательно, наведенная ЭДС имеет указанную полярность и движется в направлении исходного тока.Это может вызвать дугу на выводах переключателя при его размыкании.

(а) Соленоид, подключенный к источнику ЭДС. (b) Размыкающий переключатель S прекращает подачу тока, что, в свою очередь, вызывает ЭДС в соленоиде. (c) Разность потенциалов между концами заостренных стержней создается за счет индукции ЭДС в катушке. Эта разность потенциалов достаточно велика, чтобы образовалась дуга между острыми точками.

Проверьте свое понимание Найдите направление индуцированного тока в проводной петле, показанной ниже, когда магнит входит, проходит и покидает петлю.

Для показанного наблюдателя ток течет по часовой стрелке по мере приближения магнита, уменьшается до нуля, когда магнит центрируется в плоскости катушки, а затем течет против часовой стрелки, когда магнит покидает катушку.

Проверьте свое понимание Проверьте направления наведенных токов на (рисунок).

Сводка

• Мы можем использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС.
• Направление наведенной ЭДС всегда противодействует изменению магнитного потока, вызывающему ЭДС, результат, известный как закон Ленца.

Концептуальные вопросы

Круглые токопроводящие петли, показанные на прилагаемом рисунке, параллельны, перпендикулярны плоскости страницы и соосны. (a) Когда переключатель S замкнут, какое направление тока индуцируется в D ? (b) Когда переключатель разомкнут, каково направление тока, индуцируемого в контуре D ?

а.CW со стороны схемы; б. Против часовой стрелки, если смотреть со стороны схемы

Северный полюс магнита перемещается к медной петле, как показано ниже. Если вы смотрите на петлю сверху магнита, скажете ли вы, что индуцированный ток циркулирует по или против часовой стрелки?

На прилагаемом рисунке показано проводящее кольцо в различных положениях при его движении в магнитном поле. В чем смысл индуцированной ЭДС для каждой из этих позиций?

При входе в петлю наведенная ЭДС создает ток против часовой стрелки, а при выходе из петли индуцированная ЭДС создает непрерывный ток.В то время как петля полностью находится внутри магнитного поля, нет изменения потока и, следовательно, нет индуцированного тока.

Покажите, что и у вас такие же единицы.

Укажите направление индуцированного тока для каждого случая, показанного ниже, наблюдая со стороны магнита.

а. Против часовой стрелки, если смотреть со стороны магнита; б. CW, если смотреть со стороны магнита; c. CW, если смотреть со стороны магнита; d. Против часовой стрелки, если смотреть со стороны магнита; е. CW, если смотреть со стороны магнита; f. нет тока

Проблемы

Одновитковая круговая петля из проволоки радиусом 50 мм расположена в плоскости, перпендикулярной пространственно однородному магнитному полю.За интервал времени 0,10 с величина поля равномерно увеличивается от 200 до 300 мТл. (а) Определите ЭДС, наведенную в петле. (б) Если магнитное поле направлено за пределы страницы, каково направление тока, индуцируемого в петле?

а. ; б. CCW с той же точки зрения, что и магнитное поле

При первом включении магнитного поля поток через 20-витковую петлю изменяется со временем в зависимости от того, где он находится в милливеберах, t — в секундах, и петля находится в плоскости страницы с нормальным направлением единицы измерения. наружу.(а) Какая ЭДС индуцируется в контуре как функция времени? Каково направление индуцированного тока при (б) t = 0, (в) 0,10, (г) 1,0 и (д) 2,0 с?

а. 150 А вниз через резистор; б. 46 А вверх через резистор; c. 0,019 А вниз через резистор

Используйте закон Ленца для определения направления индуцированного тока в каждом случае.

Глоссарий

Закон Ленца

направление наведенной ЭДС противодействует изменению магнитного потока, который ее произвел; это отрицательный знак в законе Фарадея

линий магнитного поля | Блестящая вики по математике и науке

Земля :

Возможно, вы читали об разрушительных солнечных вспышках, вызванных солнечными бурями, или о прекрасных образцах ионизации, которые формируют северное сияние (Северное сияние).\ text {th} В 17 веке китайские путешественники заметили, что с компасами в море шутят. Исследователи предположили, что вращение Земли и присутствие железа в мантии Земли могли вызвать этот аномальный магнетизм. Эти теории вскоре были опровергнуты и заменены теорией геодинамо, которая утверждает, что многие ионы движутся в мантии под поверхностью нашей Земли, тем самым создавая ток, который создает магнитное поле.

Обратите внимание: как и у любого стержневого магнита, наша Земля также имеет два полюса, с той разницей, что эти полюса не совпадают с нашими географическими северным и южным полюсами, и поэтому известны как магнитные полюса.Из свойств стержневых магнитов мы знаем, что силовые линии магнитного поля, ответственные за поле, берут начало на севере и заканчиваются на южном полюсе и, таким образом, представляют собой замкнутые контуры. Хотя иногда считают, что в ядре Земли находится огромный магнит, это совсем не так, но дает хорошую картину для тематического исследования.

Как упоминалось ранее, магнитное поле Земли отклоняет вредные солнечные вспышки, унося ионизированные частицы. Рассмотрим заряженную частицу, падающую от Солнца.Направляясь прямо к Земле, он встречает магнитное поле, перпендикулярное его движению, и отклоняется. Это создает своего рода защитный щит вокруг Земли и может выдерживать типичные солнечные вспышки. Эффект магнитного экранирования проиллюстрирован ниже:

Ускорители частиц :

Ускорители элементарных частиц используются для ускорения элементарных частиц и атомов до огромных скоростей, приближающихся к скорости света.Затем частицы сталкиваются, и продукты этих столкновений тщательно анализируются на предмет признаков гипотетических или полностью новых частиц. Ускорители также используются для генерации излучения, используемого при лечении рака, например, при протонной терапии.

Ускорители

бывают нескольких типов, основными из которых являются циклотрон и синхотрон.

Циклотрон :

Механизм циклотрона сочетает в себе постоянное магнитное поле с переключающимся электрическим полем, чтобы удерживать частицы на спиральных траекториях все увеличивающегося радиуса.2} {r} .qvB = mrv2.

Это означает, что qB / m = v / rqB / m = v / rqB / m = v / r. Поскольку частота траектории определяется выражением 2πr / v2 \ pi r / v2πr / v, это предполагает, что частота орбиты составляет всего 1 / T = 2πm / qB1 / T = 2 \ pi m / qB1 / T = 2πm / qB. Мы замечаем, что это не зависит от энергии или радиуса. Таким образом, частица любой энергии будет поддерживать частоту 1 / T1 / T1 / T, даже если ее энергия меняется! Мы можем использовать эту невероятную регулярность траектории (даже если она спиралевидная) для создания простого ускорителя.

Рассмотрим область, в которой мы поддерживаем постоянное магнитное поле с напряженностью BBB. Далее рассмотрим разделительную линию (граница между красным и синим на диаграмме ниже). Когда частицы находятся справа от этой линии, электрическое поле указывает влево, ускоряя их влево через зазор, а когда частицы находятся слева, поле указывает вправо, и они ускоряются вправо. Поскольку магнитное поле удерживает частицы на траекториях с постоянной частотой, частицы регулярно ускоряются до более высокой энергии каждый раз, когда они пересекают зазор и движутся по траекториям с увеличивающимся радиусом.

Рассматривая это во временной области, мы видим, что мы можем запитать этот ускоритель электрическим полем, которое меняет ориентацию каждые T = qB / 2πmT = qB / 2 \ pi mT = qB / 2πm секунд. Черная линия соответствует красно-синему интерфейсу выше.

Таким образом, используя переключающееся EEE-поле (направленное прямо через зазор) и однородное BBB-поле (ориентированное вертикально) в тандеме, мы можем ускорять заряженные частицы по спиральным траекториям, которые затем могут быть выпущены из ускорителя и использованы для последующего использования. цели (т.е. столкновения, терапия и др.)

Синхотрон :

Синхротрон — это усовершенствованная форма циклотрона; это тип кругового ускорителя, в котором дипольные магниты используются для направления движения частицы, а квадрупольные магниты используются для сохранения фокусировки пучка заряженных частиц.

Большой адронный коллайдер

Высокочастотное радиочастотное поле используется для передачи энергии частицам, и путь остается постоянным независимо от энергии.Различие между циклотроном и синхротроном видно из-за генерации синхротронного излучения.

Синхротронное излучение возникает, когда электрон высокой энергии (скорость приближается к скорости света) проходит через дипольный магнит и испытывает боковую силу, вызывающую центростремительное ускорение. На этом этапе электрон испускает интенсивное излучение, касательное к его траектории, известное как синхротронное излучение.

Фотон :

Фотоны, конечно же, являются фундаментальными квантами света; на данной частоте интенсивность светового потока может изменяться только с шагом одного фотона.. Это поле изменяется в пространстве и времени, что означает, что оно создает магнитное поле в соответствии с законом индукции Фарадея. Магнитное поле сдвигается на полпериода и колеблется перпендикулярно электрическому полю. Очевидно, что аргумент применяется в обратном порядке (распространяющееся магнитное поле порождает перпендикулярно колеблющееся электрическое поле), так что они неразделимы.

Визуализируя этот результат, мы видим, что электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве, состоит из связанных полей EEE и BBB, колеблющихся поперек общей оси, которая является направлением волны.

Линии поля представляют собой стрелки, указывающие от оси распространения до амплитуды каждой волны.

20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила

Магниты и намагниченность

Люди знали о магнитах и ​​магнетизме тысячи лет. Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в регионе Малой Азии под названием Магнезия — название этого региона является источником таких слов, как магнит .Магнитные породы, обнаруженные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена. Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части. Эти области называются полюсами магнита. Магнитный полюс — это часть магнита, которая оказывает наибольшую силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита показаны на рисунке 20.2 — это место, где сосредоточены скрепки.

Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.

Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс — на юг. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться. Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита — южным.

Рис. 20.3 Компас — это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.

Открытие того, что один полюс магнита ориентирован на север, а другой — на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса. И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов.Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс : полюса отталкиваются, а полюса — притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

Рис. 20.4 В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита.Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом. Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена ​​как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с южным магнитным полюсом на географическом Северном полюсе и наоборот. Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе рядом с Землей, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли.По сути, именно это происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.

Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, так северный полюс магнитов получил свое название. Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы. Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса.Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды. Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями: di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

Смотреть Physics

Введение в магнетизм

Это видео представляет собой интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.

Проверка захвата

К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

1. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
2. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
3. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
4. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.

Только определенные материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами.Такие материалы называются ферромагнетиками, после латинского слова ferrum , обозначающего железо. Другие материалы обладают слабыми магнитными эффектами, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты — так, как железо притягивается к магнитам, — но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно вызвать намагничиванием или превратить в постоянные магниты (рис. 20.7). Постоянный магнит — это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.

Рис. 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

Когда магнит приближается к ранее ненамагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагнитное железо притягивается к магниту.

То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов выровнены магнитные полюса отдельных атомов. Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены имеют небольшие размеры и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b).Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

Рис. 20.8 (a) Немагнитный кусок железа или другого ферромагнитного материала имеет произвольно ориентированные домены. (б) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита.Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться. Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, которые имеют температуру Кюри намного ниже комнатной температуры и являются ферромагнитными только ниже этих температур.

Snap Lab

Магниты на холодильник

Мы знаем, что подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это для двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что вы можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?

Проверка захвата

У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

1. Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
2. Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Генераторы и двигатели

Основное магнитное поле

Магниты — это куски металла, которые могут притягивать другие металлы.У каждого магнита два полюса: северный и южный. Как и электрические заряды, два одинаковых магнитных полюса отталкиваются друг от друга; в то время как противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу. Магниты имеют постоянную силу вокруг себя, известную как магнитное поле. Это поле позволяет им привлекать другие металлы. Рисунок 1 иллюстрирует эту силу с использованием стержневых и подковообразных магнитов.

Форма магнита определяет путь, по которому будут двигаться силовые линии. Обратите внимание, что сила на рисунке 1 состоит из нескольких линий, движущихся в определенном направлении.Можно сделать вывод, что линии проходят от северного полюса магнита к его южному. Эти силовые линии часто называют магнитным потоком. Если стержневой магнит теперь согнуть, чтобы сформировать подковообразный магнит, северный и южный полюсы теперь находятся напротив друг друга. Обратите внимание на подковообразный магнит, как силовые линии теперь прямые и проходят от северного полюса к югу. Будет показано, как генераторы и двигатели используют эти силовые линии для выработки электричества, а также для механического движения.

Магнитные поля вокруг проводников

Когда ток течет по проводнику, магнитное поле окружает проводник. По мере увеличения тока увеличивается количество силовых линий в магнитном поле (рис. 2).

Правило правой руки помогает продемонстрировать взаимосвязь между током в проводнике и направлением силы. Возьмитесь за провод в правой руке, положите большой палец на провод, направленный вверх, и обхватите провод четырьмя пальцами.Пока большой палец находится в направлении, в котором ток течет через провод, пальцы сгибаются вокруг провода в направлении магнитного поля. Рисунок 3 демонстрирует правило правой руки.

Полярность катушек, прорезающих силовые линии

Провод можно скрутить в катушку, которая эффективно вырабатывает ток при разрезании силовых линий в магнитном поле. Чем больше витков в этой катушке, тем сильнее магнитное поле.Более того, если катушка наматывается на кусок железа, ток становится еще сильнее.

При необходимости определить, какие полюса какие в проводнике, важно заметить, в какую сторону поворачиваются катушки, чтобы применить правило правой руки. Кроме того, всегда нужно смотреть, какая сторона катушки присоединена к положительной клемме источника питания, например, батареи, а какая — к отрицательной. На рисунке 4 показаны четыре различных сценария и соответствующие полюса.

Когда проводник пересекает силовые линии в магнитном поле, он генерирует ток. Этот метод индукции тока называется индукцией. Есть три правила индукции:

1. Когда проводник пересекает силовые линии, он индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) или напряжение.
2. Для этого необходимо, чтобы магнитное поле или проводник двигались.
3. Если направление резания поперек магнитного поля изменяется, направление наведенной ЭДС также изменяется.

Соответственно, закон Фарадея гласит, что индуцированное напряжение может быть определено количеством витков в катушке и скоростью, с которой катушка прорезает магнитное поле. Следовательно, чем больше витков в катушке или чем сильнее магнитное поле, тем больше индуцируемого напряжения.

Кроме того, ток меняет направление в зависимости от того, как он проходит через магнитное поле. Как показано на Рисунке 5, катушка, пересекающая основное магнитное поле по часовой стрелке, сначала приведет к току с положительной полярностью, но, поскольку она пересекает то же поле в противоположном направлении во второй половине своего оборота, полярность становится отрицательной.

Когда ток многократно переключается с положительного на отрицательный, это называется переменным током или A.C. Переменный ток будет объяснен более подробно позже.

Постоянный ток

Когда ток является постоянным (DC), а не переменным (A.C.), полярность этого тока никогда не меняет направление. Обычно, когда катушка вращается по часовой стрелке, первые 180 градусов поворота приводят к тому, что индуцированный ток идет в положительном направлении.Однако, как упоминалось выше, вторые 180 градусов приводят к тому, что индуцированный ток идет в отрицательном направлении. В постоянном токе ток всегда течет в положительном направлении. Как это возможно? При наведении постоянного тока необходимо использовать какой-то механизм, чтобы убедиться, что катушки прорезают магнитное поле только в одном направлении, или что цепь использует ток только от катушки, разрезая в этом одном направлении. Такие устройства, как генераторы постоянного тока, используют механизм, называемый коммутатором, для поддержания тока, протекающего в одном направлении.На рисунке 6 показан постоянный ток в виде синусоиды. Обратите внимание, что ток никогда не имеет отрицательной полярности и поэтому всегда течет в положительном направлении.

Генераторы постоянного тока

Генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую.

Простые генераторы постоянного тока состоят из нескольких частей, включая якорь (или ротор), коммутатор, щетки и обмотку возбуждения.Различные источники могут подавать механическую энергию на генератор постоянного тока для поворота его якоря. Коммутатор преобразует переменный ток (A.C.) в постоянный, когда он протекает через якорь.

Стационарные щетки, являющиеся графитовыми соединителями на генераторе, образуют контакт с противоположными частями коммутатора. Когда катушка якоря поворачивается, она пересекает магнитное поле, и индуцируется ток. При первом полуоборота катушки якоря (по часовой стрелке) контакты между коммутатором и щетками меняются местами, или, другими словами, первая щетка теперь контактирует с противоположным сегментом, которого она касалась в течение первого полуоборота, в то время как вторая щетка контактирует с сегментом, противоположным тому, которого она коснулась в первой половине оборота.Таким образом, щетки поддерживают ток в одном направлении и доставляют его к месту назначения и обратно.

Двигатели постоянного тока

Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Двигатели и генераторы постоянного тока устроены очень похоже. Сначала они работают почти противоположно, потому что генератор создает напряжение, когда проводники пересекают силовые линии в магнитном поле, в то время как двигатели создают крутящий момент — крутящее усилие механического вращения.Простые двигатели имеют плоскую катушку, по которой проходит ток, вращающийся в магнитном поле. Двигатель действует как генератор, поскольку после запуска он вырабатывает встречный ток, вращаясь в магнитном поле, что, в свою очередь, приводит к физическому движению.

Это достигается, когда проводник проходит через магнитное поле, а затем противоположные поля отталкиваются друг от друга, вызывая физическое движение. Правило левой руки можно использовать для объяснения принципа работы простого двигателя (рис. 9).Указательный палец указывает в направлении магнитного поля, средний палец указывает в направлении тока, а большой палец показывает, в какую сторону будет вынужден двигаться проводник.

Самовозбуждающийся двигатель производит собственное возбуждение поля. Шунтирующий двигатель имеет свое поле параллельно цепи якоря, а последовательный двигатель — это когда поле последовательно с якорем.

Когда проводник согнут в катушку, физическое движение выполняет цикл вверх и вниз.Чем больше изгибов в катушке, тем менее пульсирующим будет движение. Это физическое движение называется крутящим моментом и может быть измерено уравнением:

T = узлы Q ia

T = крутящий момент

узлы = постоянная в зависимости от физических размеров двигателя

Q = общее количество магнитных линий, входящих в якорь от одного полюса N

ia = ток якоря

Переменный ток

Подобно процессу производства постоянного тока, процесс производства переменного тока требует, чтобы петля проводника вращалась в магнитном поле.Фактически, процесс одинаков для обоих типов тока, за исключением того, что переменный ток никогда не превращается в постоянный ток с помощью коммутатора. Проводящая петля или катушка прорезает силовые линии в магнитном поле, чтобы навести напряжение переменного тока на своих выводах. Каждый полный оборот петли называется «циклом». Волна переменного тока изображена на рисунке 10.

Обратите внимание, какой сегмент волны состоит из одного цикла, а какой является частью волны от точки A до следующей точки A.Если мы разделим волну на четыре равные части, деления произойдут в точках A, B, C и D. Мы можем прочитать поворот катушки и то, как он соотносится с производимой волной. От A до B — первая четверть оборота катушки, от B до C — вторая четверть оборота, от C до D — третья четверть оборота и от D до A — последняя четверть оборота.

Важно отметить, что отметки градусов на горизонтальной оси относятся к электрическим градусам и не являются геометрическими. Приведенный выше пример относится к однополюсному генератору.Однако, если бы это был двухполюсный генератор, то 1 цикл происходил бы на каждые 180 градусов, а не на 360 градусов, и так далее.

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока или генератор переменного тока вырабатывает переменный ток, что означает, что полярность тока неоднократно меняет направление. Для этого типа генератора требуется катушка, которая пересекает магнитное поле, и она прикреплена к двум контактным кольцам, связанным с щетками. Щетки подают ток к месту назначения нагрузки и от него, замыкая цепь.

Во время первой половины оборота катушка пересекает поле около северного полюса магнита. Электроны поднимаются по проводу, и нижнее контактное кольцо становится положительно заряженным. Когда катушка разрезает около южного полюса провода во время второй половины оборота, нижнее контактное кольцо становится отрицательно заряженным, и электроны движутся по проводу. Чем быстрее вращается катушка, тем быстрее движутся электроны, или, другими словами, чем больше увеличивается частота или чем больше герц в секунду, тем сильнее ток.

Двигатель переменного тока

Двигатель переменного тока похож на двигатель постоянного тока, за исключением нескольких характеристик. Вместо того, чтобы менять направление вращения поля ротора каждые пол-оборота, поле статора меняет направление каждые пол-оборота.

Существует несколько различных типов двигателей переменного тока. Самый распространенный тип — это многофазные асинхронные двигатели, которые содержат статор и ротор, где статор прикреплен к A.C. поставка. Когда обмотка статора находится под напряжением, создается вращающееся магнитное поле. ЭДС индуцируется, когда поле проходит через катушки индуктивности и через них течет ток. Таким образом, крутящий момент действует на проводники ротора, по которым проходит ток в статоре.

НАЗАД НА ДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНИТИЗМА

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1995-2021, автор —
Майкл В. Дэвидсон
и Государственный университет Флориды.Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.

Этот веб-сайт поддерживается нашим

Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:19

Счетчик доступа с 29 марта 1999 г .: 341216

Можете ли вы экранировать или блокировать магнитные поля? | Ребята из науки

Я слышал, что свинец останавливает ядерную радиацию; вы можете экранировать или блокировать магнитные поля?

Февраль 2004

Короткий ответ — нет, не существует экрана или вещества, которое эффективно блокировало бы магнитные поля как таковые.Однако вы можете перенаправить линии магнитного поля, что некоторые люди называют магнитным экранированием. Теперь давайте разберемся с этим немного подробнее.

На самом деле существует закон, называемый законом Гаусса, который кое-что говорит нам о магнитных полях (этот закон также является одним из уравнений Максвелла, объясняющих все электромагнитные явления). Этот закон в основном подразумевает, что вы не можете разделить магнитные полюса, то есть вы не можете изолировать только один полюс; должно быть два магнитных полюса: северный и южный.Это отличается от электрических зарядов, когда вы можете отделить один положительный или один отрицательный заряд. Магнитные полюса всегда идут парами. Ученые используют терминологию, согласно которой монополей (одиночных магнитных полюсов) не существует.

Линии магнитного поля представляют собой замкнутые контуры и должны быть непрерывными между северным и южным полюсами. В случае стержневого магнита представьте себе силовые линии, выходящие из северного полюса, излучающие через пространство и вновь входящие в стержневой магнит на южном полюсе, продолжающиеся через магнит обратно к северному полюсу.Поскольку эти силовые линии должны быть непрерывными, они должны найти путь обратно к своему источнику. Их невозможно остановить, и им некуда идти.

Однако линии поля могут быть перенаправлены. Следовательно, можно спроектировать область пространства, относительно свободную от линий магнитного поля, потому что они перенаправлены вокруг этой области. Обратите внимание, что вы не остановили их, а просто перенаправили. Силовые линии по-прежнему должны быть непрерывными и в конечном итоге замкнуться сами по себе.

Чтобы перенаправить линии магнитного поля, вы предлагаете им предпочтительный путь.Силовые линии магнитного поля предпочитают перемещаться в материалах, которые обладают определенными магнитными свойствами, а именно в материалах с высокой проницаемостью. Помещая материал с высокой проницаемостью (или, по крайней мере, с проницаемостью выше, чем рассматриваемая область) вокруг области, которую вы хотите защитить, вы эффективно предлагаете силовым линиям лучший путь для перемещения. Магнитные линии идут по этому пути и держатся подальше от области, которую вы хотите защитить. Материал с высокой проницаемостью будет «проводить» силовые линии магнитного поля лучше, чем его первоначальный путь.Хотя это не одно и то же явление, это напоминает нам о том, что электричество идет по пути наименьшего сопротивления. Линии поля выбирают самый легкий путь для путешествия. Таким образом, оболочка из материала с высокой проницаемостью, построенная вокруг области, будет эффективно удерживать большую часть силовых линий магнитного поля в самой оболочке и вне области внутри оболочки.

Хотя свинец блокирует или останавливает радиоактивные выбросы, такие как бета-частицы или гамма-лучи, он не блокирует магнитные поля.Проницаемость свинца низкая и практически не влияет на магнитные поля.

Роль неосесимметрии жгута магнитного потока в ограничении солнечных извержений

Обзор события

Изучаемое извержение происходило в активной области NOAA (AR) 12268, которая появилась на видимой стороне Солнца 21 января. Январь 2015 г. АО представляло собой биполярное скопление на восточном лимбе Солнца. С появлением и исчезновением фотосферного магнитного поля паразитная положительная полярность постепенно возникала около центра отрицательной полярности в АО в течение нескольких дней.Впоследствии магнитная конфигурация АР усложнилась. Он произвел шесть вспышек на геостационарном оперативном экологическом спутнике (GOES) классов M и C ³³ за 36 часов с 29 по 30 января. Однако вызывает недоумение тот факт, что ни одна из шести вспышек не вызвала какого-либо CME, хотя 3 вспышки класса M были очень интенсивными и вспыхнули за короткий промежуток времени. Здесь мы сосредотачиваемся на интенсивной вспышке M2.0 (рис.1), которая произошла в 00:32 UT 30 января 2015 г., которую наблюдал Сборщик атмосферных изображений ³⁵ (AIA) на борту обсерватории солнечной динамики ³⁶ (SDO).Обоснованием нашего выбора является то, что особая магнитная структура, а именно раздвоенная MFR, была сформирована до начала извержения ³³ .

Рис. 1: Потоки мягкого рентгеновского излучения GOES от солнечной вспышки класса M2.0 30 января 2015 г. составляют 1,0–8,0 Å (красная кривая) и 0,5–4,0 Å (синяя кривая).

Фиолетовая вертикальная линия показывает время пика вспышки в 00:44 UT. Три буквы M, C и B представляют классы вспышек в соответствии с пиковым потоком рентгеновского излучения при 1,0–8,0 Å.

На рис. 2а показано изображение в крайнем ультрафиолете AIA 171 Å в 00:00 UT, наложенное на полное изображение реконструированных корональных магнитных полей до начала вспышки.Восстановленные поля экстраполируются с использованием модели нелинейного бессилового поля ³⁷ , основанной на фотосферном векторном магнитном поле, полученном за 32 минуты до начала вспышки с помощью гелиосейсмического и магнитного тепловизора ³⁸ (HMI) на борту SDO. Экстраполированные поля достигают устойчивого состояния, максимально приближенного к состоянию равновесия, и очень хорошо удовлетворяют условиям отсутствия сил и расхождения. Магнитная конфигурация АР привлекательна тем, что она достаточно сложна.Как показано на рис. 2b, АР состоит из трех основных полярностей. Положительная полярность (P1) в центре частично закрывается отрицательной (N1 до N1e). Другая удаленная положительная полярность (P2) также подключается к N1 через раздвоенный MFR. Мы помечаем раздвоенные и неразветвленные части MFR желтыми и оранжевыми линиями поля соответственно. Также существует куполообразная структура в короне, отмеченная голубыми линиями поля. Хотя раздвоенный MFR имеет три точки основания, канал сильного тока в основном сконцентрирован в центральной неразветвленной части MFR.Этот текущий канал имеет две точки, уходящие корнями в фотосферу. Мы также строим графики разброса числа закручиваний всех силовых линий магнитного поля образца в зависимости от расстояния от оси MFR (дополнительные рис. 1a и b). Максимальное значение абсолютного числа закручивания MFR больше 1,6 витка, что близко к максимальному порогу нестабильности винтового перегиба.

Рис. 2: Обзор солнечной вспышки класса M2.0, наблюдавшейся 30 января 2015 года.

изображение полного диска AIA 171 Å в 00:00 UT 30 января.Некоторые выбранные силовые линии (зеленые) на относительно большой высоте перекрываются в активной области. b Первоначальное восстановленное магнитное поле с увеличенным изображением области, соответствующей белой пунктирной рамке на панели a . Желтые и оранжевые линии представляют собой раздвоенные и неразветвленные части MFR соответственно. Голубые линии представляют собой куполообразную структуру. Белая полупрозрачная изоповерхность представляет плотность электрического тока больше 32.9% от максимального значения во всем домене. Прозрачный срез, перпендикулярный оси MFR, показывает поперечное сечение MFR, очерченное QSL. На фоновом изображении показана магнитограмма с полярностями, обозначенными как N1, N1e, P1 и P2, наложенная белым и черным контурами с уровнями контура B _z ( B _z ≡ e _z ⋅ B ), составляющие — 50 G и 50 G соответственно.

Наблюдения в полосах пропускания SDO / AIA 94, 171 и 1600 Å (рис. 3) показывают четкий процесс ограниченного извержения. В частности, мы представляем текущую разницу между двумя последовательными изображениями AIA 171 Å, чтобы более четко выявить структуру извержения. Излучение на AIA 171 Å происходит из верхней переходной области и спокойной короны, которая раскрывает плазму с характерной температурой 6,3 × 10 ⁵ К. Когда произошла вспышка M2.0, извергалась четкая плазмоидная структура Инжир.3а), а затем его обтекали до полярности P2, как показано на изображениях 171 Å. Делаем четыре среза, чтобы отслеживать движение плазмы. Как показано на рис. 3b, диаграммы время-расстояние для срезов 1 и 2 показывают потоки плазмы вдоль корональных петель в направлении полярности P2 вблизи времени пика вспышки, в то время как диаграммы для срезов 3 и 4, перпендикулярных корональной петле, показывают, что плазма поднимается вверх. до определенной высоты, а затем перестает подниматься, указывая на неудавшееся извержение. По сравнению с излучением при 171 Å, излучение при 94 Å имеет более высокую характеристическую температуру, равную 6.3 × 10 ⁶ K, что свидетельствует о большом канале тока в короне. Составной снимок на рис. 3c ясно показывает, что излучение при 94 A сильнее, чем при 171 A в области раздвоенного MFR. Можно видеть, что два контура, очерчивающих самую сильную эмиссию 94 Å, совпадают с двумя точками основания канала тока, проинтегрированными вдоль вертикального направления, полученного из экстраполированного магнитного поля. Отмечается, что вспышечное излучение на 1600 A показывает сложную структуру с шестью лентами (рис.3d). Ленты R1, R2 и R5 имеют полукруглую форму, охватывающую полярность P1. Ленты R2 и R4, расположенные по обе стороны от линии инверсии полярности (PIL), демонстрируют четкий сдвиг и отделяются друг от друга с развитием вспышки, как и предсказывается в стандартной модели вспышки. У ленты R3 слабая интенсивность, которая появляется позже, чем у упомянутых лент. Эмиссионные характеристики ленты R6 при полярности P2 аналогичны характеристикам лент R2 и R4, что позволяет предположить, что эти ленты нагреваются с помощью того же механизма высвобождения энергии.

Рис. 3: Вспышка в многоволновых каналах AIA.

a Изображение разницы бега AIA 171 Å, показывающее структуру извержения в пиковое время вспышки M2.0, 00:44 UT, 30 января 2015 года. Красный и синий цвета представляют положительные и отрицательные различия в интенсивности , соответственно. Черный контур на заднем плане показывает положительную полярность, при этом B _z составляет +50 G. Голубые и оранжевые линии показывают два разных среза, параллельных коронарной петле, а зеленая и черная линии относятся к срезам, перпендикулярным к венечной петле. b Диаграммы время-расстояние, показывающие движение плазмы вдоль четырех срезов, параллельных или перпендикулярных корональной петле. Черная пунктирная линия показывает время пика вспышки в 00:44 UT. c Составное изображение AIA 94 Å (красный) и 171 Å (голубой) в момент начала вспышки M2.0, 00:32 UT, 30 января 2015 г. Зеленый и белый контуры представляют 60% максимума излучение при 94 Å и 50% максимального электрического тока, интегрированного вдоль луча зрения, соответственно. d Временной ряд излучения AIA 1600 Å с 00:32 UT. Черный контур такой же, как на панелях и . Стрелки указывают на расклешенные ленты, обозначенные как R1 – R6.

3D МГД-моделирование

Чтобы прояснить механизм неудавшегося извержения, мы выполняем МГД-моделирование на основе данных с использованием приближения 0– β . Начальное условие восстанавливается из нелинейного бессилового поля ³⁷ (см. Подраздел «Методы» Начальные и граничные условия) на основе векторного магнитного поля, наблюдаемого SDO / HMI.Граничное условие на дне обеспечивается временными рядами векторных магнитных полей и векторных скоростей (см. Раздел «Методы» Начальные и граничные условия). На рис. 4a – d показана трехмерная динамическая эволюция магнитного поля и плотности электрического тока в четыре типичных момента, охватывающих основной период события. Во-первых, при первоначальном повышении исчезает раздвоенная часть MFR. Впоследствии неразветвленная часть MFR продолжает расти и далее повторно соединяется с окружающими ее поперечными силовыми линиями.Во время этого процесса несколько силовых линий ниже MFR становятся частью MFR за счет магнитного пересоединения. Их концы на одном конце, первоначально расположенные в паразитной полярности P1, постепенно переносятся на удаленную полярность P2. Между тем, куполообразная структура наверху также растягивается из-за восходящей MFR. Хотя весь MFR затем расширяется до очень больших размеров, пространственные распределения четырех величин, включая электрический ток, квазисепаратрисный слой, число закручивания и магнитный поток, указывают на то, что основная часть MFR все еще завершена и сохраняет свое согласованность.Следует отметить, что токовый слой растягивается под MFR, что было предсказано в стандартной модели солнечной вспышки. Подробная динамика MFR показана в дополнительном фильме 1. Мы также измеряем высоту фронта MFR в 3D и его скорость на основе моделирования MHD. Как показано на рис. 5a, MFR растет с почти постоянной скоростью после своего начального ускорения, а затем постепенно замедляется после пика вспышки, имитируя то, что произошло на самом деле. Далее мы изучаем временную эволюцию тороидального потока MFR, рассчитанную по формуле ϕ _T = ∫ B _T ⋅ d S , где B _T — полное тороидальное магнитное поле, а S — это площадь поперечного сечения MFR.Затем мы получаем полоидальный поток с помощью \ ({\ phi} _ {{\ rm {P}}} = {\ mathcal {T}} {\ phi} _ {{\ rm {T}}} \) (см. Методы подраздел «Диагностика магнитного поля» для вычисления числа закрутки \ ({\ mathcal {T}} \)). Мы обнаружили, что во время извержения MFR, тороидальный поток непрерывно увеличивается, в то время как полоидальный поток сначала увеличивается, затем уменьшается после времени пика вспышки и остается почти неизменным в поздней фазе (рис. 5b).

Рис. 4: Снимки, показывающие MFR и плотность электрического тока.

a – d Четыре снимка в 00:00, 00:32, 00:44 и 01:20 UT 30 января 2015 г., соответствующие времени до вспышки, начала вспышки, пика и окончания вспышки, соответственно.Желтая и оранжевая линии имеют то же значение, что и на рис. 2б. Розовая и оливковая линии внутри MFR представляют собой силовые линии, соединяющие отрицательную полярность N1 и положительную полярность P1 и P2 соответственно. Вертикальный прозрачный срез отображает плотность электрического тока. Белая полупрозрачная изоповерхность представляет плотность электрического тока, превышающую 32,9% от максимального значения во всей области. Фон показывает распределение вертикальной компоненты магнитного поля: B _z .

Рис. 5: Кинематика и магнитные потоки МПР.

a Измерение времени – высоты MFR при моделировании MHD. Оранжевые треугольники и фиолетовые кружки показывают высоту и скорость соответственно. b Временная эволюция тороидального потока (синие квадраты) и полоидального потока (красные кружки) MFR. Зеленая пунктирная линия представляет время пика вспышки M2.0 в 00:44 UT.

Затем мы охарактеризуем магнитную топологию путем сравнения результатов моделирования с данными наблюдений в крайнем ультрафиолете AIA.Сначала мы сравним трехмерное магнитное поле с излучением AIA при 304 Å (рис. 6а). Мы очерчиваем типичные линии поля разными цветами, которые представляют MFR и вышележащее поле. Основания силовых линий хорошо совпадают с осветляющими лентами вспышки. Во-вторых, мы вычисляем плотность электрического тока и идентифицируем некоторые важные магнитные топологические структуры, такие как разделители ³⁹ , гиперболическая магнитная трубка ⁴⁰ (HFT) и, чаще, квазисепаратрисные слои ⁴¹ (QSL).QSL определяются как места с сильными градиентами магнитной связи. Мы обычно идентифицируем QSL с помощью топологического параметра, называемого коэффициентом сжатия Q . На рисунке 6b показан вид сбоку MFR, который четко показывает положения с высокой плотностью электрического тока и QSL (\ ({\ rm {log}} (Q)> 3 \)). Видно, что часть высоких плотностей электрического тока хорошо совпадает в пространстве с высокими значениями Q . На рисунке 6c показано излучение в крайнем ультрафиолете при 94 A во время пика вспышки, что указывает на структуру горячего канала вдоль PIL.Мы также составляем синтетическую карту излучательной способности AIA, интегрируя плотность электрического тока в вертикальном направлении во время пика вспышки (рис. 6d). Видно, что излучение вдоль PIL более заметно в положении MFR.

Рис. 6: Сравнение между МГД-моделированием и наблюдениями в крайнем ультрафиолете AIA в пиковый момент вспышки M2.0.

a Выбранные линии магнитного поля, наложенные на изображение AIA 304 Å в вертикальной перспективе.Линии поля, отмеченные зеленым цветом, расположены на относительно большой высоте. Розовая и оливковая линии имеют то же значение, что и на рис. 4. Голубые, желтые и оранжевые линии имеют то же значение, что и на рис. 2b. b MFR, вид сбоку. Линии поля розового цвета такие же, как на панели и . Вертикальный срез, перпендикулярный оси MFR, отображает плотность электрического тока, наложенную на контур QSL с \ ({\ rm {log}} (Q)> 3 \). Две красные стрелки указывают приток в месте переподключения.Белая полупрозрачная изоповерхность представляет плотность электрического тока, превышающую 32,9% от максимального значения во всей области. На нижней поверхности показано распределение вертикальной компоненты магнитного поля, B _z , наложенное голубой линией инверсии полярности. c Изображение AIA 94 Å в 00:44 UT 30 января 2015 года. d Синтетическое излучение при 94 Å, рассчитанное путем интегрирования плотности электрического тока вдоль вертикального направления в пиковое время.

Известно, что QSL (рис. 7a, d) также являются благоприятными местами, где энергичные частицы могут ускоряться и двигаться вниз вдоль силовых линий, нагревая нижнюю часть солнечной атмосферы, что приводит к яркости вспыхивающих лент. Предыдущие исследования показали пространственное соответствие между вспышечными лентами и фотосферными QSL с использованием моделей экстраполяции ⁴² , магнитно-фрикционных моделей ^43,44 или МГД-моделирования ^45,46 . Однако, когда происходит вспышка, магнитная топология в ядре вспышечной области быстро изменяется из-за магнитного пересоединения.Таким образом, сама магнитная топология очень динамична по своей природе. На практике трудно точно отследить смоделированные QSL после наблюдаемых вспышечных лент из-за неизбежного разрыва между моделированием и наблюдениями, например, из-за некоторого непредсказуемого удельного сопротивления в реальной короне и ложного численного сопротивления в моделировании ⁴⁷ . Несмотря на эти трудности, мы пытаемся найти динамическую связь между QSL и вспышечными лентами. Для этого мы вычисляем коэффициент сжатия Q внизу и идентифицируем подписанные QSL с \ (| {\ rm {log}} (Q) |> 3 \), которые затем накладываются на вспышечные ленты (Дополнительные Рис.2 и 3). Чтобы показать динамическую эволюцию, показаны четыре типичных момента, соответствующие временам предвспышки, начала вспышки, пика и окончания вспышки соответственно. Мы обнаружили, что эволюция QSL очень хорошо согласуется с вспыхивающими лентами. Это означает, что наше моделирование достигает высокой степени реализма, по крайней мере, в динамической эволюции магнитной топологии. Дальнейший количественный анализ показывает, что разделение QSL проходит в два этапа. Скорость отрыва до времени пика вспышки больше, чем после времени пика, динамическое поведение почти такое же, как и то, что показывают наблюдаемые вспышечные ленты.Более подробная информация о динамике вспыхивающих лент по сравнению с QSL показана в дополнительном фильме 2.

Рис. 7: Сравнение QSL и силы Лоренца, L _z .

Верхние панели для времени 00:16 UT и нижние панели для времени 02:00 UT, которые представляют раннюю фазу и более позднюю фазу извержения, соответственно. a Распределение QSL в плоскости Y — Z в 00:16 UT.QSL показывают границу MFR. Белый символ «плюс» указывает на ось флюсового жгута. Фон внизу рисунка показывает распределение вертикальной компоненты магнитного поля, B _z . Желтая и оранжевая полупрозрачные изоповерхности представляют плотность электрического тока, превышающую 21,9% и 32,9% от максимального значения во всей области, соответственно. b Распределение силы Лоренца в плоскости Y — Z в 00:16 UT.Белый символ плюса имеет то же значение, что и в a . Белая вертикальная линия имеет длину 31,5 мм (охватывающий диапазон высот от 16,8 до 48,3 мм), которая проходит от нижней части до верхней части MFR. Фон такой же, как у и . c Распределение вертикальной составляющей силы Лоренца, L _z , вдоль белой линии на панели b . Серая линия — чистая сила. Оранжевые, пурпурные, синие, красные и голубые линии представляют различные компоненты, включая кольцевую силу ( F _H ), силы, индуцированные неосесимметрией ( F _N1 и F _N2 ), усилие обвязки ( F _S ) и усилие натяжения ( F _T ), которые перечислены в дополнительной таблице 1.Черная вертикальная линия показывает расположение оси MFR. d Аналогично панели a , но на время 02:00 UT. e Аналогично панели b , но на время 02:00 UT. Белая вертикальная линия имеет длину 63,0 мм (диапазон высоты от 65,8 до 128,8 мм). f Аналогично панели c , но на время 02:00 UT.

Механизм ограниченного извержения

Наша модель успешно воспроизводит процесс неудавшегося извержения и, таким образом, может показать, какие физические механизмы в конечном итоге останавливают извержение.В плазме с низким β , где гравитация и тепловое давление могут быть опущены, успешное или неудачное извержение MFR зависит от конкуренции между различными силами Лоренца, действующими на него, включая кольцевую силу градиента магнитного давления, сила натяжения от тороидального магнитного поля, сила стяжки от внешнего полоидального магнитного поля и сила, вызванная радиальным магнитным полем MFR. Если чистая сила Лоренца направлена ​​вниз, MFR не может прорваться через вышележащее магнитное поле, чтобы сформировать CME.Чтобы исследовать эту проблему количественно, мы вычисляем силу Лоренца в вертикальном направлении, L _z = e _z ⋅ ( J × B ). На рис. 7b, e показано пространственное распределение L _z на вертикальном разрезе области моделирования в 00:16 и 02:00 UT соответственно. Мы обнаружили, что направление L _z в пределах радиуса MFR сначала направлено вверх, что способствует извержению, а позже оно становится направленным вниз, таким образом предотвращая дальнейшее движение MFR вверх.Общее распределение L _z в различных положениях в MFR идет вниз после 00:52 UT. Мы также замечаем, что сила Лоренца все еще возрастает, но MFR уже имеет крошечное замедление около 00:40 UT. Возможная причина заключается в том, что сила Лоренца действует непосредственно на локальную плазму, в то время как кажущаяся скорость MFR связана не только со скоростью плазмы, но и с изменением магнитной структуры MFR, последнее из которых значительно меняется в течение этот период.Подробная временная эволюция L _z показана в дополнительном фильме 3.

Затем мы разлагаем общую вертикальную силу Лоренца L _z на различные компоненты, вносимые различными комбинациями магнитного поля и компоненты электрического тока, как указано в дополнительной таблице 1 и дополнительных рисунках 4a и b. На рис. 7c, f показано распределение различных составляющих силы вдоль вертикальной линии, перпендикулярной оси MFR в 00:16 и 02:00 UT, соответственно.Как и в предыдущих моделях, окружная сила ( F _H ) всегда направлена ​​вверх ниже оси MFR, действуя как движущая сила извержения. Что еще более интересно, мы обнаружили, что во время 02:00 UT три компонента силы направлены вниз ниже оси MFR, включая силу магнитного натяжения ( F _T ) и силы, индуцированные радиальной составляющей магнитного поля MFR ( F _N1 и F _N2 ). Первая сила не меняет своего направления, как показано на дополнительном рис.4c. Последние силы не включены в предыдущие модели. Обратите внимание, что радиальная составляющая поля деформирует поперечное сечение и, таким образом, приводит к неосесимметрии MFR. Таким образом, мы называем эти две силы силами, вызванными неосесимметрией. В частности, F _N1 меняет свое направление в процессе извержения. Первоначально он направлен вверх, толкая MFR вверх, но в конце он становится вниз, тем самым сдерживая извержение MFR, как показано на Рис. 7c, f и Дополнительном Рис. 4d.Видно, что для этого события такая сила, вызванная неосесимметрией, играет основную роль в возникновении неудавшегося извержения.

Еще одно интересное открытие заключается в том, что направление силы обвязки меняется с нисходящего в 00:16 UT на вверх в 02:00 UT, как показано на дополнительном рис. внешнее полоидальное поле не действует как главный фактор, сдерживающий извержение, вопреки тому, что предсказывается в традиционной модели неустойчивости тора.Фактически, эта активная область имеет крупномасштабное квадрупольное поле, а именно, внешнее полоидальное поле в основном создается полярностями P2 и N1 в 02:00 UT (длинная синяя стрелка на дополнительном рис. 5), по сравнению с полями P1 и N1e в 00:16 UT (длинная белая стрелка на дополнительном рис. 5). Следовательно, внешнее полоидальное поле меняет свое относительное направление по отношению к оси MFR, когда MFR движется вверх. Следовательно, стягивающая сила \ ({F} _ {{\ rm {S}}} = {{\ bf {e}}} _ {z} \ cdot ({{\ bf {J}}} _ {{ \ rm {TR}}} \ times {{\ bf {B}}} _ {{\ rm {P, ex}}}) \), меняет свое направление с вниз на вверх из-за изменения внешнего полоидального поля .

Предыдущие модели в основном вызывали нестабильность спирального перегиба и / или нестабильность тора в качестве механизмов, запускающих и управляющих извержением MFR. Ключевыми параметрами, характеризующими эти две МГД нестабильности, являются число закрутки MFR и индекс затухания внешнего полоидального поля. Обычно одного из двух параметров недостаточно для того, чтобы судить об успешном извержении MFR или нет. Примером может служить то, что традиционная неустойчивость тора не может объяснить окончательный отказ некоторых извержений, в которых число закручивания уменьшается из-за преобразования полоидального магнитного поля в тороидальное, но индекс распада все еще превышает критическое значение.В таких случаях возрастающая сила натяжения приводит к окончательному провалу извержений ²⁹ . Поэтому была предложена фазовая диаграмма путем объединения числа закручивания и индекса распада ²⁹ , что может значительно улучшить наше понимание поведения извержения. Здесь мы также вычисляем временную эволюцию среднего закрутки MFR и индекса затухания внешнего полоидального магнитного поля, которые нанесены на фазовую диаграмму события (рис. 8). Основываясь на критических значениях неустойчивости винтового кинка и неустойчивости тора, полученных из теорий ^18,21,22 , экспериментов ²⁹ , наблюдений ^28,48 и МГД-моделирования ^24,26 , мы разделим пространство параметров на четыре различных режима.Мы легко можем обнаружить, что MFR претерпевает различные фазы, начиная со стабильного режима, за которым следует режим неудавшегося излома, затем переходя к эруптивному режиму и, в конечном итоге, останавливаясь в режиме отказавшего тора. Фактически, именно режим провалившегося тора может объяснить довольно много неудачных извержений, которые традиционная неустойчивость тора не может ⁴⁸ . В заключение, наше МГД-моделирование на основе данных обеспечивает фазовую диаграмму для реального солнечного извержения и выявляет неудавшийся режим тора для ограниченных извержений, который был предложен только в лабораторных экспериментах ²⁹ .Что еще более важно, мы предлагаем сценарий для режима отказавшего тора, в котором составляющая силы Лоренца, возникающая из-за неосесимметрии MFR, может играть важную роль в остановке извержения.

Рис. 8: Фазовая диаграмма, показывающая временную эволюцию абсолютного значения среднего кручения MFR в зависимости от индекса затухания внешнего полоидального магнитного поля.

-ось X представляет число закручивания \ ({\ mathcal {T}} \), измеренное в поворотах, а ось Y представляет индекс затухания, которые считаются основными параметрами для нестабильности спирального изгиба и неустойчивость тора соответственно.Вся область разделена на четыре отдельных квадранта параметров критическими значениями для двух нестабильностей. Заштрихованная область относится к диапазону (нижний и верхний пределы) критического значения неустойчивости тора, как получено из теорий ^21,22,23,24 , наблюдений ^27,28,48 или экспериментов ^{29, 30} . Полоса ошибок, показанная в нижней левой части панели, относится к неопределенности среднего скручивания для типичного момента.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• Образование
• Исследовать
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О MIT
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О MIT

Меню ↓

Поиск

Меню

Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще!

Что вы ищете?

Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

.