Магнитное поле электрического тока (стр. 1 из 4). Магнитное электрическое поле

1.7. Электрические и магнитные поля

После того, как были найдены законы взаимодействия неподвижных и движущихся зарядов, оставался без ответа вопрос о том, как передается взаимодействие между зарядами.

Как может передаваться действие одного тела на другое, если они находятся на некотором расстоянии?

Отвечая на поставленный вопрос, прежде всего необходимо исследовать, нет ли между этими телами каких-либо связей, какой-либо среды, способной передавать взаимодействие. Попытки объяснить передачу действия подобным образом можно найти ещё у древних мыслителей: «Тело не может действовать там, где его нет».

В эпоху зарождения классического естествознания французский ученый Рене Декарт (1596-1650 гг.) провозгласил принцип согласно которому действие передается через среду в течение некоторого времени.

Принцип, согласно которому действие передается через промежуточное звено, через посредника с конечной скоростью, лежит в основе концепции близкодействия.

Когда был открыт закон Всемирного тяготения, и Ньютоном было установлено, что причиной движения являются силы, большинство ученых склонны были считать, что взаимодействие определяется лишь значением силы в той или иной точке пространства. По представлениям большинства ученых того времени, для пере­дачи взаимодействия не нужен никакой посредник. Утвердился принцип дальнодействия (действие на расстоянии) как способ передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно.

Закон Кулона, состоявшийся под впечатлением открытого Нью­тоном закона Всемирного тяготения, также трактует взаимодействие зарядов как «действие на расстоянии». Кулон был убежден, что взаимодействие зависит только от величин зарядов и от расстояния между ними, а «пустота» между зарядами никакого участия во взаимодействии не принимает.

Концепция дальнодействия или действия на расстоянии: тела способны мгновенно «чувствовать» присутствие друг друга без какой-либо среды.

На разных этапах развития науки доминировала либо одна, либо другая концепции. Они противостояли друг другу, ученые приводили аргументы, математические доказательства в подтверждение истинности теории, сторонниками которой они являлись. Иногда авторитет ученых, склонных придерживаться той или иной концепции, тоже был аргументом, доказывающим справедливость теории.

К XVIII в. оформляются две точки зрения на проблему взаимодействия. Одна основана на принципе дальнодействия, другая - на принципе близкодействия.

В 30-е г. xix в. был совершен поворот к концепции близкодействия, но только на более высоком уровне представлений. Это сделал великий английский естество испытатель М. Фарадей (1791 – 1867 гг.) – творец основ электромагнетизма. Фарадей выдвигает концепцию поля. Согласно Фарадею, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое, магнитное (если заряд движется) поля. Поле одного заряда действует на другой заряд и наоборот. Взаимодействие передается не мгновенно, а с конечной скоростью.

Физические поля - это первичные понятия. Поле - это одна из форм существования материи.

Поле реально, оно не зависит от наших знании о нем. Наши представления о том, что такое поле, образуются в результате опытного исследования его свойств.

!Электрическое поле создается зарядами.

Главное свойство электрического поля - это способность действовать на электрические заряды (как на подвижные, так и на неподвижные) с некоторой силой.

По действию на заряд устанавливается присутствие поля, распределение его в пространстве, изучаются все его характеристики.

Силовой характеристикой электрического поля яаляется физичес­кая величина, называемая напряженностью электрического поля. Для исследования силового действия здектрического поля заряда q нужно поместить в это поле пробный заряд q0. Практически это будет какое-то заряженное тело, которое имеет малые размеры и малый заряд, чтобы можно было пренебречь влиянием этого заряда на изучаемое поле. Согласно закону Кулона на пробный заряд будет действовать сила:

Найдем отношениеF к q0:

Отношение, как видно, не зависит от выбора пробного заряда и характеризует поле в данной точке. Это отношение зависит только от величины заряда, который создает поле, и от расстояния от источника поля до точки, в которую помещают пробный заряд. Абсолютно очевидно, что чем больше величина заряда, создающе­го поле, тем больше отношение; чем дальше помещают пробный заряд от источника поля, тем меньше величина, определяемая вышеуказанным отношением. Величина, определяемая этим отношением, является напряженностью Е поля в данной точке.

Напряженность электрического поля - это физическая величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на заряд, к величине этого заряда:

Напряженность поля — величина векторная. За направление вектора напряженности электрического поля принимается направление вектора кулоновской силы, действующей на положи­тельный электрический заряд, помещённый в данную точку поля.

Единица напряженности электрического поля в СИ — ньютон на кулон (Н/Кл).

Если значение напряженности в одних и тех же точках пространства с течением времени не меняется, то мы имеем дело с постоянным электрическим полем. Если значение напряженности в одних и тех же точках пространства с течением времени меняется, то электрическое поле — переменное.

Электростатическое поле — электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами.

Мы живем в электрическом поле, напряженность которого у поверх­ности Земли составляет 130 Н/Кл.

Если электрическое поле создается несколькими зарядами q1, q2 ... qn , то напряженность поля системы зарядов будет определяться как векторная сумма напряженности полей, связанных с каждым из зарядов в отдельности :

E = E1+ E2+ …En. (в векторном виде)

Это соотношение отражает принцип наложения (суперпозиции) полей.

В основе представлений Фарадея об электрическом поле было понятие о силовых линиях, которые расходятся во все стороны от наэлектризованных тел. Эти линии, дающие направление действия электрической силы в каждой точке, были известны уже давно. Их наблюдали и изучали как любопытное явление. Если продолговатые кристаллики диэлектрика (например, хинина) хорошо перемешать в такой вязкой жидкости, как касторка, то вблизи заряженных тел эти кристаллики выстроятся в цепочки, образуя линии.

Силовые линии по Фарадею — это наглядное изображение реальных процессов, происходящих в пространстве вблизи наэлектризованных тел или магнитов. Силовые линии помогают наглядно представить распределение поля в пространстве, и не более реальны, чем параллели и меридианы на земном шаре.

Силовые линии или линии напряженности - это линии, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке поля.

Вслучае поля точечного заряда силовые линии радиальные прямые, расходящиеся от заряда(рис. 6).

Направление силовых линий совпадает с направлением векторов напряженности поля. Силовые линии положительного заряда направлены от заряда, а отрицательного – к заряду.

Силовые линии электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Это свидетельство того, что источниками электрического поля являются электрические заряды.

Силовые линии электростатического поля не пересекаются.

На рис. 7 изображены силовые линии электрического поля системы двух зарядов: разноименных и одноименных. Из рисунков видно, что по густоте линий можно судить о напряженности электрического поля.

Электрическое поле называется однородным, если вектор его напряженности одинаков во всех точках пространства. Пример такого поля —электрическое поле между двумя близко расположенными параллельными пластинами, равномерно заряженными по их поверхности разноименными, равными по значению зарядами.

На рис.8 показаны силовые линии такого поля. На рисунке видно, что однородное электрическое поле существует только в пространстве между пластинами.

Важнейшим свойством электрического поля как особого вида материи является наличие энергии. Поля, обладающие энергией, называются потенциальными. Электростатическое поле является потенциальным полем. Наличие энергии свидетельствует о том, что при перемещении заряда в однородном электростатическом поле совершается работа, которая не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю.

Перейдем к представлению магнитного поля. Всякий движущийся заряд создает в окружающем пространстве магнитное иоле, способное действовать на другие движущиеся заряды.

Главное свойство магнитного поля - это способность действовать на движущиеся заряды с определенной силой.

! Создается магнитное поле только движущимися электрическими зарядами (проводниками стоком).

Силовая характеристика магнитного поля, по причинам исторического характера, получила название не напряженность, а индукция. Принято обозначать индукцию магнитного поля буквой В. Обычно эту физическую величину вводят путем рассмотрения действия магнитного поля на маленькую пробную рамку с током. Такая рамка должна иметь малые размеры, чтобы по ее поведению можно было судить о магнитном поле в малой области пространства (в «точке»). Ток в этой рамке должен быть достаточно мал, чтобы его влиянием на источники исследуемого магнитного поля можно было пренебречь. Пробная рамка с током, помещенная в магнитное поле, будет располагаться определенным образом. Силы, действующие на нее со стороны магнитного поля, будут разворачивать рамку. Вращающий момент сил будет максимален, когда рамка ориентированна перпендикулярно магнитным линиям. Отношение максимального вращающего момента Ммах к произведению силы тока I на площадь, ограниченную рамкой, S характеризует магнитное поле в том месте, где расположена рамка. Это отношение и принимают, по определению, за модуль вектора магнитной индукции В.

Модуль вектора магнитной индукции - это физическая величина, численно равная отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с током со стороны магнитного поля, к произведению силы тока в рамке на площадь, ограниченную рамкой:

За единицу магнитной индукции в СИ принята единица, которая называется тесла (Тл).

Как и электрическое поле, магнитное поле удовлетворяет принципу суперпозиции: если магнитное поле создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля есть векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым проводником.

Направление вектора магнитной индукции определяется с помощью правила буравчика или правило винта с правой нарезкой:

!Если буравчик с правой резьбой ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением силовых линий магнитного поля, создаваемого этим током.

Направление магнитных силовых линий в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Как и в случае электрического поля, картину силовых линий магнитного поля можно сделать «видимой». Для этого используют мелкие железные опилки, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль силовых линий. Наблюдения за распределением магнитного поля убеждают нас, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, охватывают проводник с током, который порождает поле. Поля с замкнутыми силовыми линиями являются вихревыми полями. Замкнутость силовых линий магнитного поля свидетельствует о том, что в природе нет магнитных зарядов.

studfiles.net

Kvant. Электрическое и магнитное поля — PhysBook

Белкин И.К. Электрическое и магнитное поля //Квант. — 1984. — № 3. — С. 28-31.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Вокруг всякого покоящегося в некоторой системе отсчета электрического заряда q существует, как известно, электростатическое поле. Если этот заряд точечный, то напряженность поля в любой точке на расстоянии r от него определяется формулой:

\(~E = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q}{r^2}\) . (1)

Сила взаимодействия двух покоящихся точечных зарядбв q и q’, находящихся на расстоянии r друг от друга, равна

\(~F_{el} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{qq'}{r^2}\) . (2)

Если заряды одинаковые (q = q’), то

\(~F_{el} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q^2}{r^2}\) . (2')

Это хорошо известный закон Кулона. Подчеркнем, что эгот закон был установлен экспериментально. Входящая в формулы (1), (2) величина ε0 — это электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/(Н·м2).

Обсудим теперь ситуацию с зарядом, движущимся с постоянной скоростью \(~\vec \upsilon\). Скорость \(~\vec \upsilon\) мы измеряем относительно заранее выбранной системы отсчета, которую мы условно считаем неподвижной и обозначим буквой К.

Движущийся заряд — это электрический ток, а вокруг тока существует магнитное поле. Значит, движение заряда приводит к появлению магнитного поля в рассматриваемой нами системе отсчета К.

Обратите внимание на то, что если бы мы перешли в систему отсчета К’, движущуюся относительно системы К со скоростью, равной скорости заряда \(~\vec \upsilon\) никакого магнитного поля в этой системе не было бы (помещенная там магнитная стрелка (компас) оставалась бы в покое).

Вернемся, однако, снова в систему К. Из опыта мы знаем, что магнитное поле действует на электрический ток, а значит, и на движущийся заряд. Понятно, что между электрическими и магнитными явлениями должна существовать тесная связь.

Рассмотрим простой пример. Пусть заряд q движется со скоростью \(~\vec \upsilon\) (в системе К). Тогда в пространстве вокруг него есть и электрическое, и магнитное поля. Пусть теперь в какой-то точке, где электрическое и магнитное поля созданы зарядом q, оказался другой заряд q’, который движется со скоростью \(~\vec \upsilon\). Очевидно, что на него будут действовать электрическая и магнитная силы. Аналогичное утверждение можно сделать и про заряд q.

Если заряды движутся со скоростями не слишком большими (что такое «не слишком большие», выяснится ниже), то их электрические поля в каждый момент времени практически не отличаются от случая покоящихся зарядов, а силу электрического взаимодействия зарядов можно подсчитывать по закону Кулона (2).

Мы ограничимся дальше случаем не очень быстро движущихся зарядов. В этом случае можно довольно просто сравнить магнитные и электрические силы. Мы сделаем это для двух зарядов, скорости которых в некоторый момент оказались параллельными друг другу и перпендикулярными к линии, соединяющей эти заряды (рис. 1).

Рис. 1

Прежде вгего нам нужно понять, как индукция магнитного поля \(~\vec B\), создаваемого движущимся зарядом, связана с величиной этого заряда q и его скоростью \(~\vec \upsilon\). Проведем из точки, где находится заряд q в точку, в которой мы хотим вычислить индукцию \(~\vec B\), радиус-вектор \(~\vec r\). Обобщение результатов опытов показывает, что величина индукции определяется формулой

\(~B = kq \frac{\upsilon}{r^2} \sin \varphi\) . (3)

Здесь \(~r = |\vec r|\), φ - угол между векторами \(~\vec \upsilon\) и \(~\vec r\), a k — постоянная, определяемая опытным путем и равная 10-7 Н·с2/Кл2. Для интересующего нас случая φ = 90° и

\(~B = k\upsilon \frac{q}{r^2}\) . (3')

Направление вектора \(~\vec B\) определяется по правилу буравчика (правого винта): если вращать вектор \(~\vec \upsilon\) по направлению к вектору \(~\vec r\) в той плоскости, в которой они оба лежат, и так, чтобы вращение происходило в направлении минимального утла между \(~\vec \upsilon\) и \(~\vec r\), то вектор \(~\vec B\) направлен перпендикулярно указанной плоскости и «смотрит» туда, куда «смотрел бы» ввинчиваемый буравчик (рис. 2).

Рис. 2

В формулы (3) и (3') входит в качестве множителя то же отношение \(~\frac{q}{r^2}\), которое содержится и в выражении для напряженности электрического поля, создаваемого зарядом q в точке, где находится заряд q’. Это замечание позволяет нам установить связь между величинами В и Е. Учитывая (1), получаем

\(~B = k\upsilon \frac{q}{r^2} = 4 \pi \varepsilon_0 k \upsilon E\) .

Обозначим еще \(4 \pi k = \mu_0\), тогда

\(~B = \varepsilon_0 \mu_0 \upsilon E\) . (4)

Входящая в (4) величина μ0 носит название магнитной постоянной (по аналогии с электрической постоянной ε0). Зная k, мы вычислим μ0 = 1,256·10-6 Н·с2/Кл2.

Теперь, когда мы умеем вычислять магнитную индукцию В в точке, где находится заряд q’, можно определить и магнитную силу (силу Лоренца), действующую на заряд q’. В общем случае сила Лоренца

\(~F_L = q' \upsilon' B \sin \alpha\) . (5)

Здесь α — угол между векторами \(~\vec \upsilon'\) и \(~\vec B\). Направление вектора \(~\vec F_L\) определяется тоже по правилу правого буравчика (вектор \(~\vec \upsilon\) нужно поворачивать в направлении минимального угла к вектору \(~\vec B\) в плоскости, в которой лежат оба этих вектора, вектор \(~\vec F_L\) перпендикулярен этой плоскости).

В нашем случае угол α также равен 90°, и на заряд q’ действует сила

\(~F_m = q' \upsilon' B\) .

Подставляя сюда В из (3'), получим

\(~F_m = k \frac{q q' \upsilon \upsilon'}{r^2} = \frac{\mu_0}{4 \pi} \frac{q q' \upsilon \upsilon'}{r^2}\) . (6)

Электрическая сила, действующая между q и q’, определяется формулой (2). Предположим теперь еще, что q = q’, а \(~\vec \upsilon = \vec \upsilon'\). Тогда отношение

\(~\frac{F_m}{F_{el}} = \varepsilon_0 \mu_0 \upsilon^2\) .

Зная определенные из опыта постоянные ε0 и μ0, мы легко убедимся в том, что

\(~\frac{1}{\varepsilon_0 \mu_0} = 0 \cdot 10^{16} \frac{m^2}{c^2}\) .

Но стоящая в этой формуле справа величина есть квадрат скорости света! Это, конечно, не случайное совпадение. Обозначая скорость света буквой с, получим окончательно:

\(~\frac{1}{\varepsilon_0 \mu_0} = c^2\) . (7)

и

\(~\frac{F_m}{F_{el}} = \left( \frac{\upsilon}{c} \right)^2\) . (8)

Это очень важные формулы. Формула (7) еще раз подтверждает существование глубокой связи электрических и магнитных явлений. Из формулы (8) мы можем сделать вывод, что отношение магнитных и электрических сил для многих практически интересных случаев оказывается малой величиной. Например, обычно направленная скорость электронов в металле при прохождении тока составляет десятые доли миллиметра в секунду. В таких случаях магнитное взаимодействие электронов примерно в 1024 раз меньше их электрического взаимодействия. Стоит ли вообше считаться с магнитным взаимодействием движущихся зарядов? Оказывается, стоит и вот почему. Во всяком проводнике имеются в равном числе заряженные частицы обоих знаков. Поэтому проводники с током электрически практически нейтральны. Электрические силы в проводниках с огромной точностью скомпенсированы, а при их отсутствии даже очень малые магнитные силы оказываются существенными. В электрических моторах движущиеся в их обмотках электроны взаимодействуют именно магнитными силами. Именно за счет магнитных сил приводятся в движение двигатели.

Вспомним теперь, что в наших рассуждениях мы сделали допущение о «ие слишком больших скоростях». Теперь можно сказать, что мы имели в виду малость скоростей частиц по сравнению со скоростью света. Это было нужно нам для того, чтобы не возникло необходимости пользоваться более сложными (релятивистскими) формулами. Например, при скоростях заряженных частиц, близких к скорости света, уже нельзя записывать формулу для напряженности электрического поля в виде (1).

Так же, как и другие физические величины, например, скорости и ускорения частиц, силы, действующие на них, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля зависят от того, в какой системе отсчета мы их рассматриваем (измеряем). Выше мы уже говорили, например, о том, что если магнитное поле существует в системе К, то из-этого еще не следует, что оно сохранится в системе К’. Система К’, которую мы рассматривали, двигалась со скоростью, равной скорости \(~\vec \upsilon\) интересовавшего нас заряда. И магнитное поле в системе К’ отсутствовало. В общем случае и вектор \(~\vec E\), и вектор \(~\vec B\) относительны, то есть зависят от того, в какой системе отсчета находится наблюдатель с приборами, измеряющими эти величины.

Для нас существенно то, что при скоростях, малых по сравнению со скоростью света, электрическое поле изменяется мало. Количественной характеристикой этой малости как раз и служит отношение \(~\left( \frac{\upsilon}{c} \right)^2\).

Заметим, впрочем, что формула (8) оказывается справедливой и при скоростях, близких к скорости света. Поэтому для релятивистских частиц, движущихся со скоростью, лишь немногим меньшей скорости света, величины магнитных и электрических сил могут отличаться не очень сильно.

Подводя итог нашим вычислениям, еще раз подчеркнем, что для многих задач магнитное взаимодействие оказывается существенным, даже если оио мало по сравнению с электрическим.

Остановимся совсем кратко на других отличиях магнитного и электрического (электростатического) полей. Одно из этих отличий состоит в том, что линии действия электрических сил (силовые линии электростатического поля) имеют начало и конец. Они начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных. Работа при перемещении заряда между двумя фиксированными точками в электростатическом поле не зависит от формы и длины траектории, а работа, совершаемая при движении заряда по замкнутой траектории, равна нулю. Благодаря этому свойству электростатического поля каждая его точка характеризуется не только напряженностью, но и потенциалом.

Линии же магнитной индукции, в отличие от силовых линий электростатического поля, не имеют начала и конца. Они замкнуты и охватывают ток. Каждая точка магнитного поля характеризуется величиной магнитной индукции, но не потенциалом.

Сила, действующая на заряд в электростатическом поле, всегда направлена по касательной к силовым линиям. Если рассматривать в магнитном поле участки проводников с током или движущиеся заряженные частицы, то силы, действующие на них, направлены не по касательной к линиям индукции, а перпендикулярно к ним (сила Лоренца, закон Ампера). Сила в магнитном поле может вовсе не вызывать поступательного движения, а лишь поворот (рамка с током в однородном магнитном поле; движение заряда по окружности в плоскости, перпендикулярной однородному магнитному полю).

Все сказанное говорит о том, что электростатическое поле во многом не похоже на магнитное. Связь электрических и магнитных полей вовсе не означает, что между ними не существует различий.

www.physbook.ru

Про магнитное поле, соленоиды и электромагниты

Магнитное поле электрического тока

Магнитное поле создается не только естественными либо искусственными постоянными магнитами, но и проводником, если по нему проходит электрический ток. Как следует, существует связь меж магнитными и электронными явлениями.

Убедиться в том, что вокруг проводника, по которому проходит ток, появляется магнитное поле, несложно. Над подвижной магнитной стрелкой параллельно ей расположите прямолинейный проводник и пропустите через него электрический ток. Стрелка займет положение, перпендикулярное проводнику.

Какие же силы могли вынудить обернуться магнитную стрелку? Разумеется, силы магнитного поля, появившегося вокруг проводника. Выключите ток, и магнитная стрелка займет свое обычное положение. Это гласит о том, что с выключением тока пропало и магнитное поле проводника.

Таким образом, проходящий по проводнику электрический ток делает магнитное поле. Чтоб выяснить, в какую сторону отклонится магнитная стрелка, используют правило правой руки. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтоб направление тока совпадало с направлением пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление отличия северного полюса магнитной стрелки, помещенной под проводником. Пользуясь этим правилом и зная полярность стрелки, можно найти также направление тока в проводнике.

Магнитное поле проводника имеет форму концентрических кругов. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтоб ток вроде бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс магнитной стрелки. Такое поле именуется радиальным магнитным полем.

Направление силовых линий радиального поля находится в зависимости от направления электронного тока в проводнике и определяется так именуемым правилом «буравчика». Если буравчик образно ввинчивать по направлению тока, то направление вращения его руки будет совпадать с направлением магнитных силовых линий поля. Применяя это правило, можно выяснить направление тока в проводнике, если понятно направление силовых линий поля, сделанного этим током.

Возвращаясь к опыту с магнитной стрелкой, можно убедиться в том, что она всегда размещается своим северным концом по направлению силовых линий магнитного поля.

Итак, вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, появляется магнитное поле. Оно имеет форму концентрических кругов и именуется радиальным магнитным полем.

Соленоид. Магнитное поле соленоида

Магнитное поле появляется вокруг любого проводника независимо от его формы при условии, что по проводнику проходит электрический ток.

В электротехнике мы имеем дело с различного рода катушками, состоящими из ряда витков. Для исследования интересующего нас магнитного поля катушки разсмотрим поначалу, какую форму имеет магнитное поле 1-го витка.

Представим себе виток толстого провода, пронизывающий лист картона и присоединенный к источнику тока. Когда через виток проходит электрический ток, то вокруг каждой отдельной части витка появляется радиальное магнитное поле. По правилу «буравчика» несложно найти, что магнитные силовые полосы внутри витка имеют однообразное направление (к нам либо от нас, зависимо от направления тока в витке), при этом они выходят с одной стороны витка и входят в другую сторону. Ряд таких витков, имеющий форму спирали, представляет собой так именуемый соленоид (катушку).

Вокруг соленоида, при прохождении через него тока, появляется магнитное поле. Оно выходит в итоге сложения магнитных полей каждого витка и по форме припоминает магнитное поле прямолинейного магнита. Силовые полосы магнитного поля соленоида, так же как и в прямолинейном магните, выходят из 1-го конца соленоида и входят в другой. Внутри соленоида они имеют однообразное направление. Таким образом, концы соленоида владеют полярностью. Тот конец, из которого выходят силовые полосы, является северным полюсом соленоида, а конец, в который силовые полосы входят, — его южным полюсом.

Полюса соленоида можно найти по правилу правой руки, но для этого нужно знать направление тока в его витках. Если наложить на соленоид правую руку ладонью вниз, так чтоб ток вроде бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс соленоида. Из этого правила следует, что полярность соленоида находится в зависимости от направления тока в нем. В этом несложно убедиться фактически, поднеся к одному из полюсов соленоида магнитную стрелку и потом изменив направление тока в соленоиде. Стрелка мгновенно оборотится на 180°, т. е. укажет на то, что полюсы соленоида поменялись.

Соленоид обладает свойством втягивать в себя легкие железные предметы. Если вовнутрь соленоида поместить металлической брусок, то через некое время под действием магнитного поля соленоида брусок намагнитится. Этот метод используют при изготовлении постоянных магнитов.

Электромагниты

Электромагнит представляет собой катушку (соленоид) с помещенным вовнутрь нее стальным сердечником. Формы и размеры электромагнитов многообразны, но общее устройство их всех идентично.

Катушка электромагнита представляет собой каркас, сделанный в большинстве случаев из прессшпана либо фибры и имеющий разные формы зависимо от предназначения электромагнита. На каркас намотана в пара слоев медная изолированная проволока — обмотка электромагнита. Она имеет различное число витков и изготовляется из проволоки различного сечения, зависимо от предназначения электромагнита.

Для предохранения изоляции обмотки от механических повреждений обмотку покрывают одним либо несколькими слоями бумаги либо любым другим изолирующим материалом. Начало и конец обмотки выводят наружу и присоединяют к выводным клеммам, укрепленным на каркасе, либо к гибким проводникам с наконечниками на концах.

Катушка электромагнита надета на сердечник из мягкого, отожженного железа либо сплавов железа с кремнием, никелем и т. д. Такое железо обладает минимальным остаточным магнетизмом. Сердечники в большинстве случаев делают составными из тонких листов, изолированных друг от друга. Формы сердечников могут быть разными, зависимо от предназначения электромагнита.

Если по обмотке электромагнита пропустить электрический ток, то вокруг обмотки появляется магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Так как сердечник изготовлен из мягкого железа, то он намагнитится моментально. Если потом выключить ток, то магнитные характеристики сердечника также быстро пропадут, и он перестанет быть магнитом. Полюсы электромагнита, как и соленоида, определяются по правилу правой руки. Если в обмотке электромагнита изменить направление тока, то в согласовании с этим поменяется и полярность электромагнита.

Действие электромагнита подобно действию постоянного магнита. Но между ними есть большая разница. Постоянный магнит всегда обладает магнитными качествами, а электромагнит — только тогда, когда по его обмотке проходит электрический ток.

Не считая этого, сила притяжения постоянного магнита неизменна, потому что неизменен магнитный поток постоянного магнита. Сила же притяжения электромагнита не является величиной неизменной. Один и тот же электромагнит может владеть различной силой притяжения. Сила притяжения любого магнита находится в зависимости от величины его магнитного потока.

Сила притяжения электромагнита, а как следует, и его магнитный поток зависят от величины тока, проходящего через обмотку этого электромагнита. Чем больше ток, тем больше сила притяжения электромагнита, и, напротив, чем меньше ток в обмотке электромагнита, тем с наименьшей силой он притягивает к для себя магнитные тела.

Но для разных по собственному устройству и размерам электромагнитов сила их притяжения зависит не только лишь от величины тока в обмотке. Если, к примеру, взять два электромагнита схожего устройства и размеров, но один с маленьким числом витков обмотки, а другой — с большим, то несложно убедиться, что при одном и том же токе сила притяжения последнего будет еще больше. Правда, чем больше число витков обмотки, тем большее при данном токе создается вокруг этой обмотки магнитное поле, потому что оно слагается из магнитных полей каждого витка. Это означает, что магнитный поток электромагнита, а как следует, и сила его притяжения будут тем больше, чем большее количество витков имеет обмотка.

Еще есть одна причина, влияющая на величину магнитного потока электромагнита это — качество его магнитной цепи. Магнитной цепью именуется путь, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь обладает определенным магнитным сопротивлением. Магнитное сопротивление находится в зависимости от магнитной проницаемости среды, через которую проходит магнитный поток. Чем больше магнитная проницаемость этой среды, тем меньше ее магнитное сопротивление.

Так как магнитная проницаемость ферромагнитных тел (железа, стали) во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, потому необходимо делать электромагниты так, чтоб их магнитная цепь не содержала внутри себя воздушных участков. Произведение силы тока на число витков обмотки электромагнита именуется магнитодвижущей силой. Магнитодвижущая сила измеряется числом ампер-витков.

К примеру, по обмотке электромагнита, имеющего 1200 витков, проходит ток силой 50 ма. Магнитодвижущая сила такового электромагнита равна 0,05 х 1200 = 60 ампер-витков.

Действие магнитодвижущей силы аналогично действию электродвижущей силы в электронной цепи. Подобно тому как ЭДС является предпосылкой появления электронного тока, магнитодвижущая сила делает магнитный поток в электромагните. Точно так же, как в электронной цепи с повышением ЭДС возрастает ток в цени, так и в магнитной цепи с повышением магнитодвижущей силы возрастает магнитный поток.

Действие магнитного сопротивления аналогично действию электронного сопротивления цепи. Как с повышением сопротивления электронной цепи миниатюризируется ток, так и в магнитной цепи повышение магнитного сопротивления вызывает уменьшение магнитного потока.

Зависимость магнитного потока электромагнита от магнитодвижущей силы и его магнитного сопротивления можно выразить формулой, аналогичной формуле закона Ома: магнитодвижущая сила = (магнитный поток/ магнитное сопротивление)

Магнитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление.

Число витков обмотки и магнитное сопротивление для каждого электромагнита есть величина неизменная. Потому магнитный поток данного электромагнита меняется только с конфигурацией тока, проходящего по обмотке. Потому что сила притяжения электромагнита обусловливается его магнитным потоком, то, чтоб прирастить (либо уменьшить) силу притяжения электромагнита, нужно соответственно прирастить (либо уменьшить) ток в его обмотке.

Поляризованный электромагнит

Поляризованный электромагнит представляет собой соединение постоянного магнита с электромагнитом. Он устроен следующим образом. К полюсам постоянного магнита прикреплены так называемые полюсные надставки из мягкого железа. Любая полюсная надставка служит сердечником электромагнита, на нее насаживается катушка с обмоткой. Обе обмотки соединяются между собой поочередно.

Так как полюсные надставки конкретно присоединены к полюсам постоянного магнита, то они владеют магнитными качествами и при отсутствии тока в обмотках; при всем этом сила притяжения их неизменна и обусловливается магнитным потоком постоянного магнита.

Действие поляризованного электромагнита состоит в том, что при прохождении тока по его обмоткам сила притяжения его полюсов растет либо уменьшается зависимо от величины и направления тока в обмотках. На этом свойстве поляризованного электромагнита основано действие электрических поляризованных реле и других электротехнических устройств.

Действие магнитного поля на проводник с током

Если в магнитное поле поместить проводник так, чтоб он был размещен перпендикулярно силовым линиям поля, и пропустить по этому проводнику электрический ток, то проводник придет в движение и будет выталкиваться из магнитного поля.

В итоге взаимодействия магнитного поля с электрическим током проводник приходит в движение, т. е. электрическая энергия преобразуется в механическую.

Сила, с которой проводник выталкивается из магнитного поля, находится в зависимости от величины магнитного потока магнита, силы тока в проводнике и длины той части проводника, которую пересекают силовые полосы поля. Направление действия этой силы, т. е. направление движения проводника, находится в зависимости от направления тока в проводнике и определяется по правилу левой руки.

Если держать ладонь левой руки так, чтоб в нее входили магнитные силовые полосы поля, а вытянутые четыре пальца были обращены по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника. Применяя это правило, нужно помнить, что силовые полосы поля выходят из северного полюса магнита.

elektrica.info

Магнитные и электрические поля человека

Электрическое поле

Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.

Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 - 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.

Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал ни много раз меньше, чем поле трибозарядов. [1]

В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки.

При этом на тело пациента подается переменное электрическое напряжение частотой - 10 МГц, а несколько антенн-электродов подносят к грудной клетке на расстоянии 2-5 см. Антенна и тело представляют собой две обкладки конденсатора. Перемещения грудной клетки меняет расстояние между обкладками, то есть емкость этого конденсатора и, следовательно, емкостной ток, измеряемый каждой антенной. На основании измерений этих токов можно построить карту перемещений грудной клетки во время дыхательного цикла. В норме она должна быть симметрична относительно грудины. Ее симметрия нарушена и с одной стороны амплитуда движений мала, то это может свидетельствовать, например, о скрытом переломе ребра, при котором блокируется сокращение мышц с соответствующей стороны грудной клетки.

Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии. Основной прогресс в этих исследованиях обусловлен применением вычислительной техники, в том числе персональных компьютеров. Они позволяют получать электрокардиограммы высокого разрешении (ЭКГ ВР).

Как известно, амплитуда сигнала ЭКГ не более 1 мВ, а ST-сегмента еще меньше, причем сигнал маскируется электрическим шумом, связанным с нерегулярной мышечной активностью. Поэтому применяют метод накопления - то есть суммирование многих последовательно идущих сигналов ЭКГ. Для этого ЭВМ сдвигает каждый последующий сигнал так, чтобы его R-пик был совмещен с R-пиком предыдущего сигнала, и прибавляет его к предыдущему, и так для многих сигналов в течение нескольких минут. При этой процедуре полезный повторяющийся сигнал увеличивается, а нерегулярные по мехи гасят друг друга. За счет подавления шума удается выделить тонкую структуру ST-комплекса, которая важна для прогноза риска мгновенной смерти.

В электроэнцефалографии, используемой для целей нейрохирургии, персональные компьютеры позволяют строить в реальном времени мгновенные карты распределения электрического поля мозга с использованием потенциалов от 16 до 32 электродов, размещенных на обоих полушариях, через временные интервалы порядка нескольких мс.

Построение каждой карты включает в себя четыре процедуры:

1) измерение электрического потенциала во всех точках, где стоят электроды;

2) интерполяцию (продолжения) измеренных значений на точки, лежащие между электродами;

3) сглаживание получившейся карты;

4) раскрашивание карты в цвета, соответствующие определенным значениям потенциала. Получаются эффектные цветные изображения. Такое представление в квазицвете, когда всему диапазону значений поля от минимального до максимального ставят в соответствие набор цветов, например от фиолетового до красного, сейчас очень распространено, поскольку сильно облегчает врачу анализ сложных пространственных распределений. В результате получается последовательность карт, из которой видно, как по поверхности коры перемещаются источники электрического потенциала.

Персональный компьютер позволяет строить карты не только мгновенного распределения потенциала, но и более тонких параметров ЭЭГ, которые давно апробированы в клинической практике. К ним в первую очередь относится пространственное распределение электрической мощности тех или иных спектральных составляющих ЭЭГ (α, Я, γ , δ, и θ-ритмы). Для построения такой карты в определенном временном окне измеряют потенциалы в 32 точках скальпа, затем по этим записям определяют частотные спектры и строится пространственное распределение отдельных спектральных компонент.

Карты α, δ, Я ритмов сильно отличаются. Нарушения симметрии таких карт между правым и левым полушарием может быть диагностическим критерием в случае опухолей мозга и при некоторых других заболеваниях.

Таким образом, в настоящее время разработаны бесконтактные методы регистрации электрического поля, которое создает тело человека в окружающем пространстве, и найдены некоторые приложения этих методов в медицине. Контактные измерения электрического поля получили новый импульс в связи с развитием персональных ЭВМ - их высокое быстродействие позволило получать карты электрических полей мозга.

Магнитное поле человека

Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало - 10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Для его измерения используют квантовый магнитометр. Его датчиком является сверхпроводящий квантовый магнитометр (СКВИД), на вход которого включены приемы и с катушки. Этот датчик измеряет сверхслабый магнитный поток, пронизывающий катушки. Чтобы СКВИД работал, его надо ох ладить до температуры, при которой появляется сверхпроводимость, т.е. до температуры жидкого гелия (4 К). Для этого его и приемные катушки помещают в специальный термос для хранения жидкого гелия - криостат, точнее, в его узкую хвостовую часть, которую удается максимально близко поднести к телу человека.

Магнитное поле человека

В последние годы после открытия "высокотемпературной сверхпроводимости" появились СКВИДы, которые достаточно охлаждать до температуры жидкого азота (77 К). Их чувствительность достаточна для измерения магнитных полей сердца.

Магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитном поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств.

Существуют два подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный - создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо с шикать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стопками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната - дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе се сооружение. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.

Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь на расстояниях, сравнимых с размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т.е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.

Приемное устройство прибора со сквидом в качестве чувствительного элемента изготовляется так, что оно чувствительно только к градиенту магнитного поля, - в этом случае прибор называют градиометром. Однако часто внешние (шумовые) поля обладают все же заметными градиентами, тогда приходится применять прибор, измеряющий вторую пространственную производную индукции магнитного поля - градиометр второго порядка. Такой прибор можно применять уже в обычной лабораторной обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно применять в местах с "магнитно-спокойной" обстановкой, и некоторые исследовательские группы работают в специально сооружаемых немагнитных домах в сельской местности.

В настоящее время интенсивные биомагнитные исследования ведутся как в магнитоэкранированных комнатах, так и без них, с применением градиометров. В широком спектре биомагнитных явлений есть много задач, допускающих разный уровень ослабления внешних шумов.



biofile.ru

Магнитное поле

На рисунке проводник, вокруг которого существует магнитное поле

Магнитные силовые линии, образованные железной стружкой на бумаге, к которому поднесенный магнит

Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, с помощью которой осуществляется взаимодействие между подвижными электрически заряженными частицами.

Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, которое создается переменным во времени электрическим полем, подвижными электрическими зарядами или спинами заряженных частиц. Магнитное поле вызывает силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Неподвижные электрические заряды с магнитным полем не взаимодействуют, но элементарные частицы с ненулевым спином, которые имеют собственный магнитный момент, является источником магнитного поля и магнитное поле вызывает на них силовое воздействие, даже если они находятся в состоянии покоя.

Магнитное поле создается, например, в пространстве вокруг проводника, по которому течет ток или вокруг постоянного магнита.

Магнитное поле векторным полем, т.е. с каждой точкой пространства связан вектор магнитной индукции характеризующий величину и направление магнитом поля в этой точке и может меняться с течением времени. Наряду с вектором магнитной индукции , Магнитное поле также описывается вектором напряженности .

В вакууме эти векторы пропорциональны между собой: , Где k - константа, зависящая от выбора системы единиц. В СИ, - Так называемой магнитной проницаемости вакуума. Некоторые системы единиц, например СГС Г, построены так, чтобы векторы индукции и напряженности магнитного поля тождественно равны друг другу: .

Однако в среде эти векторы различны: вектор напряженности описывает только магнитное поле созданное движущимися зарядами (токами) игнорируя поле создано средой, тогда как вектор индукции учитывает еще и влияние среды:

[1]

где - Вектор намагниченности среды.

1. Образование магнитного поля

В отличие от электрических зарядов, магнитных зарядов, которые создавали бы магнитное поле аналогичным образом, не наблюдается. Теоретически такие заряды, которые получили название магнитных монополей, могли бы существовать. В таком случае электрическое и магнитное поле были бы полностью симметричными.

Таким образом, наименьшей единицей, которая может создавать магнитное поле, является магнитный диполь. Магнитный диполь отличается тем, что у него всегда есть два полюса, в которых начинаются и кончаются силовые линии поля. Микроскопические магнитные диполи связаны с спинами элементарных частиц. Магнитный диполь имеют как заряженные элементарные частицы, например, электроны, так и нейтральные, например, нейтроны. Элементарные частицы с отличным от нуля спином можно представить себе как маленькие магнитики. Обычно частицы с противоположными значениями спинов спариваются, что приводит к компенсации созданных ими магнитных полей, но в отдельных случаях возможно выравнивание спинов многих частиц в одном направлении, что приводит к образованию постоянных магнитов.

Магнитное поле - также создается движущимися электрическими зарядами, т.е. электрическим током.

Создание электрическим зарядом поле зависит от системы отсчета. Относительно наблюдателя, движущегося с одинаковой с зарядом скоростью, заряд неподвижен, и такой наблюдатель будет фиксировать только создано ним электрическое поле. Другой наблюдатель, движущийся с иной скоростью, фиксировать как электрическое, так и магнитное поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, и являются составными частями общего электромагнитного поля.

При протекании электрического тока через проводник он остается электрически нейтральным, однако носители заряда в нем движутся, поэтому вокруг проводника возникает только магнитное поле. Величина этого поля определяется законом Био-Савара, а направление можно определить с помощью правила Ампера или правила правой руки. Такое поле является вихревым, т.е. его силовые линии замкнуты.

Магнитное поле создается также переменным электрическим полем. По закону электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, что также является вихревым. Взаимное создания электрического и магнитного поля переменным магнитным и электрическим полем приводит к возможности распространения в пространстве электромагнитных волн.

2. Действие магнитного поля

Действие магнитного поля на движущиеся заряды определяется силой Лоренца.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле называется силой Ампера. Силы взаимодействия проводников с током определяются законом Ампера.

Нейтральные вещества без электричества могут втягиваться в магнитное поле ( парамагнетиков) или выталкиваться из него ( диамагнетиков). Выталкивание диамагнетиков из магнитного поля можно использовать для левитации.

Ферромагнетики намагничиваются в магнитном поле и хранят магнитный момент при снятии приложенного поля.

3. Энергия магнитного поля

Энергия магнитного поля в пространстве задается формулой

.

Соответственно, плотность энергии магнитного поля равна

.

Энергия магнитного поля проводника с током равна:

,

где - сила тока, а - индуктивность, зависит от формы проводника.

4. Термодинамика

Во внешнем магнитном поле, которое задается вектором магнитной индукции изменяются значения термодинамических потенциалов термодинамических систем. Так, например, прирост внутренней энергии единичного объема термодинамической системы при изменении величины индукции магнитного поля на равно

,

где S - энтропия, T - температура.

Соответственно, для свободной энергии

Таким образом, напряженность магнитного поля в термодинамической системе определяется через частную производную от свободной энергии при постоянной температуре

5. Единицы

Магнитная индукция B измеряется в Теслах в системе СИ, и в Гаусса в системе СГС. Напряженность магнитного поля H измеряется в А / м в системе CI и в Эрстедах в системе СГС.

6. Измерение

Магнитное поле измеряется магнитометрами. Механические магнитометры определяют величину поля по отклонению катушки с током. Слабые магнитные поля измеряются магнитометрами на основе эффекта Джозефсона - СКВИД. Магнитное поле можно измерять на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, эффекта Холла и другими методами.

7. Создание

Магнитное поле широко используется в технике и для научных целей. Для его создания используются постоянные магниты и электромагниты. Однородное магнитное поле можно получить с помощью катушек Гельмгольца. Для создания мощных магнитных полей, необходимых для работы ускорителей или для содержания плазмы в установках с ядерного синтеза используются электромагниты на сверхпроводниках.

8. Неоформленный приложение

В 1820 г. Х.Ерстед открыл магнитное поле электрического тока. При этом появление магнитного поля сопровождала любое движение заряженных точек: магнитное поле возникает вокруг металлического проводника с током (движение электронов в твердом теле), возле ванны с электролитом, в которой протекает ток (движение ионов) и даже в вакууме у пучка катодных лучей (движение электронов под действием термоэлектронной эмиссии испускаются катодом. При этом магнитная стрелка (вспомним: "пробный заряд" в электричестве) всегда располагается перпендикулярно току.

Тогда же А.Ампер установил основные законы магнитного взаимодействия токов. Он применил в физике новый термин - "молекулярные токи", протекающие в твердых веществах. Наличием таких токов Ампер объяснил магнитные свойства веществ. Позже было установлено, что роль молекулярных токов в твердых телах выполняют электроны, которые постоянно движутся по круговым орбитам вокруг ядер.

Магнитное поле - составная часть "электромагнитного поля", что является отдельным видом материи. Особенность магнитного поля проявляется в его механическом действии только на движущиеся электрические заряды или на тела, имеющие магнитный момент, независимо от того, движутся они или нет. Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды, например, ток в проводниках. Магнитное поле связано с электрическим полем. Эта связь проявляется в том, что при изменении одного из них возникает второе. Магнитные поля, которые существуют вокруг магничених тел, в том числе и магнитов, причиной движением электрических частиц, из которых состоят тела (электронов, нуклонов). Основными характеристиками магнитного поля вектор напряженности Н в заданной точке поля (в вакууме) и вектор магнитной индукции В (при наличии среды). Эти величины являются силовыми характеристиками деяния магнитного поля на определенные магнитики или на контуры электрическим током. Напряженность магнитного поля вычисляют в эрстедах (в СГСМ системные единицы) и в ("ампер на метр") в МКСА системе единиц). Направление вектора Н магнитного поля, создаваемого электрическим током в проводнике или контуре, можно определить по правилу винта. Для наглядной характеристики магнитного поля введено понятие о линии напряженности магнитного поля или линии магнитной индукции, являются кривыми линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают соответственно с направлениями векторов Н или В. сами величины этих векторов выражают плотностью линий напряженности или индукции, т.е. количеством соответствующих линий, пересекающих перпендикулярную к ним плоскость в 1 см или в 1 м . Основным законом магнитных явлений считают Био-Савара закон.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В, который можно определить с помощью пробной прямоугольной рамки КLNР с током I 1 (рис.1). Проведем через точку А (центр рамки) положительную нормаль п к плоскости, в которой лежит контур рамки. Положительный направление нормали совпадает с поступательным движением буравчика, если рукоятку вращать в направлении тока I1 в рамке. Пусть на участке КL ток 1о совпадает по направлению с током I, на участке NP - противоположный.

Магнитные поля обоих токов I и 1о взаимодействуют, и, если дать возможность рамке поворачиваться относительно вертикальной оси, то она установится так, что плоскость контура КLNР сумиститься с плоскостью, в которой лежит прямолинейный проводник с током И.

Магнитным моментом Рт замкнутого тока называется векторная физическая величина в направлении положительной нормали, которая измеряется произведением величины тока в контуре на площадь, которую охватывает этот контур, то Рт = И1 S месте, где S-площадь контура рамки. На рамку с током действует также механический крутящий момент М пары сил. Вектор М имеет направление вертикальной оси рамки и будет максимальный Мmax, если радиус-вектор r перпендикулярен плоскости контура рамки. Все опыты показывают, что при r = const отношение - остается неизменным.

Магнитная индукция определяется отношением максимальной величины крутящего механического момента рамки с током в его магнитного момента:.

Магнитная индукция является величина векторная. Вектор и Рт имеют направление положительной нормали п, если рамка находится в состоянии равновесия М = 0.

Линиями магнитной индукции называют кривые, касательные к которым в каждой точке совпадает с направлением вектора В в этих точках поля. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводник с током. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом буравчика:

если буравчик поворачивать так, чтобы поступательное движение совпадало с направлением тока и, то вращательное движение рукоятки покажет направление линий магнитной индукции (рис. 2). Удобное также и правило охвата правой рукой: если большой палец правой руки направить в направлении тока, а остальными пальцами обхватить проводник с током, то они укажут направление линий магнитной индукции (и вектора В). Для наглядного изображения магнитного поля используют магнитные стрелки или железные опилки (рис. 3).

См.. также

Источники

• И.М.Кучерук, И.Т.Горбачук, П.П.Луцик Общий курс физики: Учебное пособие в 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. - Киев: Техника, 2006.

• Сивухин Д.В. Общий курс физики. т III. Электричество. - Москва: Наука, 1977.
• Jackson, John David (1999). Classical Electrodynamics (3rd ed.). New York: Wiley. ISBN 0-471-30932-X

Примечания

1. Формулы на этой странице записаны в системе СГС Г. Для превращения в систему СИ смотри Правила перевода формул системы СГС в систему СИ.

nado.znate.ru

Электрические и Магнитные поля » общее описание явлений.

 

 

 

Тема: что из себя представляют электрические и магнитные поля.

 

В этой теме будет дано общее представление об этих природных (физических) явлениях и вкратце рассказано о каждом из них. Несмотря на то, что про существование электрических и магнитных полей известно многим людям, их истинная суть остается большой загадкой для современной науки. Они скрывают в себе множество тайн и новых возможностей, применимых к новых технологиям будущего.

 

Философия и физика видят в основе всего существующего — материю, что проявляет себя в многообразии форм и состояний. Материя может быть локализована (сконцентрирована в пределах определённого ограниченного пространства), а может и, делокализована. В первом случае этому будет соответствовать «веществу», а во втором – это будет уже «поле». Но и там и там есть множество сходных общих характеристик.

 

Материя в своих свойствах и проявлениях неисчерпаема, ну а процесс её познания и открытий не имеет границ. Посему, абсолютно все понятия, когда-либо созданные человеком, прибывают в состоянии постоянного изменения, развитии и совершенствования. К примеру: нынешняя физика не ставит строгую границу между веществом и полем, в отличие от классической. В ней вещество и поле неразрывно связаны и постоянно превращаются одно в другое.

 

А что собой представляют поля, и какими они бывают? Как Вы должны знать из курса физики, физическим полем (как явление, а не территория) называется особый вид материи. Это места в пространстве, где наблюдаются физические, реально зафиксированные и точно измеренные силы. Современная наука выделяет 4 основных вида физического поля: поля сильных взаимодействий (ядерные), слабых взаимодействий, гравитационные и электромагнитные поля.

 

 

Если сильно не вдаваться в глубины квантовых и прочих теорий, упрощённо любые поля можно представить в виде такой наглядной и понятной модели: есть материальный объект, шар (наиболее идеальная форма в пространстве), вокруг его центра на некотором расстоянии в пространстве существует невидимая сила (энергия), которая может взаимодействовать с подобного рода силой иного объекта. Причём характер этого взаимодействия обусловлен многими факторами (вид поля, его природа, размеры систем, геометрическая форма и прочие факторы).

 

Можно сказать, что любой материально существующий объект (будь-то элементарная частица или же целая планета и т.д.) обладает всеми разновидностями полей одновременно. Только их проявление зависит от конкретных условий и обстоятельств. К примеру, гравитационное поле земли зависит от внутренних процессов, происходящих в глубинах земной коры. Или интенсивность магнитного поля в проводниках, будет завесить от скорости и количества заряженных частиц, что перемещаются вдоль этого проводника.

 

Ну, а теперь перейдём к теме: электрические и магнитные поля. Благодаря имеющимся свойствам электрических и магнитных полей, электричество проявляет себя так, как мы его привыкли понимать. Абсолютно все устройства, механизмы, системы, приборы функционируют на тех внутренних основополагающих принципах и законах, которые работают благодаря существованию электромагнитных полей (их сил взаимодействия).

 

Взять любой электродвигатель, у которого имеется внутренняя обмотка. По ней бежит ток и вокруг её существует в этот момент магнитное поле. Именно оно отталкивает ротор от статора, тем самым приводя электромотор в движение. Или при процессе генерации электричества, магнитное поле, проходя сквозь обмотку электрогенератора, приводит в движение электроны, тем самым создавая разность потенциалов на выводах электрогенерирующих систем.

 

 

Следует понимать, что электрическое и магнитное поле, это два совсем разных проявления природы. Первоначальными носителями полей являются элементарные частицы — электроны и ионы. Частицы обладают обоими типами полей одновременно (и магнитным и электрическим). Но, проявление интенсивности каждого из них зависит от определённых условий.

 

Как Вы, возможно, знаете, интенсивность электрического поля зависит, в первую очередь, от имеющегося количества разноимённых зарядов элементарных частиц. То есть, чем больше электрических зарядов одного вида на одной части, и противоположного, на другой, следовательно, тем больше будет электрическое поле между этими двумя частями (к примеру, пластины конденсатора). Расстояние между этими пластинами мы пока не берём в учёт.

 

Магнитное поле ведёт себя немного иначе. Оно существует при движении электрических зарядов. То есть, чем интенсивнее движение зарядов, тем больше вокруг их магнитного поля. Ну, а второстепенным фактором, конечно, будет количество движущихся заряженных частиц. При их движении в одном и том же направлении, магнитное поле увеличится за счёт суммирования. Учтите, что полной статики у заряженных частиц нет, и не может быть. Следовательно, микротоки (и магнитные поля) есть везде и повсюду. Более подробно об электрических и магнитных полях мы поговорим в следующих статьях, а данная вводная тема, электрические и магнитные поля, окончена.

 

P.S. Человеческие чувства сильно ограничены в восприятии природных явлений. Какие бы картины художники рисовали, если бы люди могли видеть различные виды «ПОЛЕЙ».

electrohobby.ru

Магнитное поле электрического тока

СОДЕРЖАНИЕ

1 Введение…………………………………………………………....1

2 Магнитное поле электрического тока………………………....4

3 Магнетики в магнитном поле…………………………………..7

3.1 Магнитные моменты электронов и атомов………………......7

3.2 Атом в магнитном поле................................................................10

3.3 Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле.........................................................................................................12

4 Магнитное поле в магнетиках......................................................17

5 Ферромагнетики..............................................................................19

6 Список использованной литературы...........................................21

ВВЕДЕНИЕ

Огромный круг явлений природы определяется магнитными силами. Магнитные силы являются источником многих явлений микромира, т. е. поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и пр.; магнитные явления характерны и для огромных небесных тел. Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной.

Немагнитных веществ не существует. Любое вещество всегда магнитно, т. е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения невелики и обнаружить их можно только с помощью очень совершенной аппаратуры; иногда они весьма значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью очень простых средств. К слабомагнитным веществам относятся медь, алюминий, вода, ртуть и пр., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

Изучение магнитных явлений чрезвычайно важно как с теоретической, так и с практической стороны. Современная электротехника весьма широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.

Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

В жизни современного человека физика играет особую роль. Глубоко проникая в тайны строения материи, устанавливая закономерности, лежащие в основе различных форм ее движения, разрабатывая необычайно тонкие методы исследования и контроля различных процессов и явлений, физика является основой всех естественных наук и прочным фундаментом современной техники.

В теории магнетизма считается, что электрон обладает квантовым свойством, т.е. спином, вследствие чего ведет себя как стрелка компаса, которая вращается вокруг своей оси и соединяющая южный и северный полюса. Спины электронов могут быть ориентированы в направлениях, которые обычно называют «спин-вверх» (мажорные спины) и «спин-вниз» (минорные спины).

Электрон, участвующий в процессе прохождения электрического тока, совершает квантовые переходы за счёт энергии источника тока. Переход электрона с одного квантового уровня на другой на определенном участке цепи – потребителе тока сопровождается испусканием кванта энергии в виде гравитона. Электроны, не участвующие в процессе электрического тока, не изменяют своего энергетического состояния. Таким образом, в квантовой модели электрического тока гравитон является связывающим звеном между квантом электрического поля и квантом магнитного поля.

2 Магнитное поле электрического тока

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил магнитное действие тока. Это явление заключается в том, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника с током, отклоняется от плоскости магнитного меридиана и уже, как правило, не указывает с севера на юг.

Над неподвижным проводом 1, расположенным вдоль меридиана, т. е. в направлении север — юг, подвешена на тонкой нити магнитная стрелка 2. Стрелка, как известно, устанавливается также приблизительно по линии север — юг, и поэтому она располагается примерно параллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и пустим ток по проводу 1, мы увидим, что магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться под прямым углом к нему, т. е. в плоскости, перпендикулярной к проводу. Этот фундаментальный опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки, т. е. силы, подобные тем, которые действуют вблизи естественных и искусственных магнитов. Такие силы называют магнитными силами, так же, как силы, действующие на электрические заряды, называют электрическими.

Для изучения конфигурации магнитного поля, создаваемого током, можно использовать способ железных опилок. Если через отверстие в картонной пластинке пропустить прямолинейный проводник достаточной длины и затем насыпать на картон железные опилки и пропустить по проводнику электрический ток, то опилки расположатся в виде концентрических окружностей с центром на оси проводника. Силовые линии магнитного поля прямолинейного тока лежат в плоскости, перпендикулярной току, и представляют собой концентрические окружности с центром на оси тока.

Для определения направления силовых линий можно воспользоваться небольшими магнитными стрелками. Расположение силовых линий магнитного поля прямолинейного тока дает возможность установить правило, по которому всегда легко определить направление силовых линий магнитного поля тока. Правило это называется правилом буравчика или правилом винта: если ввинчивать буравчик по направлению тока, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле тока, как и магнитное поле магнита, проявляется очень заметно только вблизи проводника. С удалением же от последнего поле становится все менее и менее заметным.

Магнитное поле характеризуется в каждой точке пространства особой величиной Н, называемой напряженностью магнитного поля. Чем больше напряженность поля, тем сильнее действие его на магнитную стрелку, на стальные или железные предметы. Напряженность поля в каждой его точке выражается определенным числом, причем за единицу напряженности поля принимается особая единица – эрстед, в честь ученого Эрстеда, открывшего магнитное действие тока. Напряженность поля, равная одному эрстеду, создается в воздухе прямолинейным током силой в 5 А на расстоянии 1 см от оси проводника. С увеличением расстояния от проводника напряженность магнитного поля убывает по закону

Н=0.2I/r

где I – сила тока, выраженная в амперах (если силу тока выражать в единицах СГС), то формула примет вид

H = 2I/cr

где с = 3 х 10^10 см/сек, что равно скорости света в вакууме), r – расстояние от оси проводника, выраженное в сантиметрах, Н – напряженность магнитного поля в эрстедах.

Несколько иную конфигурацию имеет магнитное поле кругового тока. Изучить конфигурацию магнитного поля такого тока можно при помощи железных опилок, а направление силовых линий при помощи магнитных стрелок.

Присматриваясь к направлению магнитных силовых линий кругового тока, можно убедиться в применимости и в этом случае правила буравчика. В самом деле, на небольшом участке отрезок кругового проводника с током можно рассматривать как прямолинейный ток. Ввинчивая по направлению тока буравчик, убеждаемся в применимости правила буравчика, так как направление движения рукоятки совпадает с направлением силовых линий кругового тока вблизи данного участка кругового проводника. Напряженность поля в центре кругового тока можно вычислить по формуле

H = 0,2ni/r

где H и n имеют тот же физический смысл, что и в формуле (1), r – радиус круга.

Если навить проводник на стержень или трубку, то получится несколько последовательно соединенных круговых токов. Такая катушка носит название соленоида. Магнитное поле соленоида подобно магнитному полю полосового магнита. Что касается магнитного поля кругового тока, то оно также подобно магнитному полю полосового, но очень короткого магнита – магнитного листка.

Напряженность поля внутри достаточно длинного соленоида может быть вычислена по формуле

H = 0.4nNi/I

где N – число витков соленоида, Z – его длина.

3 Магнетики в магнитном поле

3.1 Магнитные моменты электронов и атомов

Магнетиками называются вещества, способные приобретать во внешнем магнитном поле собственное магнитное поле, т.е., намагничиваться. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомами (молекулами) ве­щества. По магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромаг­нетики.

Рассмотрим движение электрона по орбите в атоме. Его можно считать эквивалентным некоторому замкнутому контуру с током (орбитальный ток). Такой контур будет обладать магнитным моментом, значение которого будет определяться профилем кон­тура и величиной силы тока. Если поверхность контура площа­дью S плоская (орбита электрона), все нормали к поверхности имеют одинаковое направление. Магнитный момент такого “вит­ка” с током называется орбитальным магнитным моментом электрона. Он равен:

mirznanii.com

---

• 
  Тяговая сеть
• 
  Бизнес и новации в энергетике
• 
  Кто должен устанавливать счетчик электроэнергии
• 
  Эксплуатация электродвигателей
• 
  Аварийная служба по электричеству
• 
  Расположение розеток в спальне схема
• 
  Виды промышленности
• 
  Тушение электроустановок под напряжением огнетушителем
• 
  Чему равно полное сопротивление
• 
  Сайт вл
• 
  Розетки в плацкарте