Магнитное поле его свойства и характеристики: Характеристики и свойства магнитного пола. Проявления магнитного поля в жизни

Характеристики и свойства магнитного пола. Проявления магнитного поля в жизни

Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!

Магнитное поле

Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).

Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!

Магнит

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем.

У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).

Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий. Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.

Картина магнитного поля

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.

Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.

Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).

Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.

Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

Магнитный поток Ф –  физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.

Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).

Магнитный поток

Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

Магнитное поле Земли

Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете — Курская и Бразильская магнитные аномалии.

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли.  Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.

Магнитное поле земли

Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов — в среднем скорость растет на 3 километра в год.

Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.

Магнитное поле Земли

За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.

К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.

Основные характеристики магнитного поля | Электрикам

Магнитное поле представляет собой особую форму материи которая проявляется через механическое взаимодействие токов и через возникновение ЭДС в проводниках движущихся в этом поле. Оно обнаруживается вокруг движущихся электрических зарядов, следовательно и вокруг проводника с током.

Графическое изображение магнитного поля

Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми.

Для того что бы определить направление магнитного поля можно воспользоваться магнитной стрелкой, или правилом буравчика.

Правило буравчика

Основные характеристики магнитного поля

Магнитная индукция B  — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл.

B = Ф/S

  магнитная постоянная.

µ — относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)

Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.

Магнитный поток через контур максимален,если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю.

Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле:

Φ_max = B · S

Магнитный поток через контур равен нулю,если контур располагается параллельно магнитному полю.

Напряженность H – это векторная величина независящая от магнитных свойств среды. Измеряется в ампер на метр А/М.

Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит магнитная проницаемость_.

Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле (МП). Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.

Магнитное поле

Теория магнетизма возникла еще в древности, в античной цивилизации Азии. В Магнезии в горах нашли особую породу, куски которой могли притягиваться между собой. По названию места эту породу назвали «магнетиками». Стержневой магнит содержит два полюса. На полюсах особенно сильно обнаруживаются его магнитные свойства.

Магнит, висящий на нитке, своими полюсами будет показывать стороны горизонта. Его полюса будут повернуты на север и юг. На таком принципе действует устройство компаса. Разноименные полюсы двух магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Ученые обнаружили, что намагниченная стрелка, находящаяся возле проводника, отклоняется при прохождении по нему электрического тока. Это говорит о том, что вокруг него образуется МП.

Магнитное поле оказывает влияние на:

• Перемещающиеся электрические заряды.
• Вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.

Постоянные магниты – тела, имеющие общий магнитный момент заряженных частиц (электронов).

1 — Южный полюс магнита
2 — Северный полюс магнита
3 — МП на примере металлических опилок
4 — Направление магнитного поля

Силовые линии появляются при приближении постоянного магнита к бумажному листу, на который насыпан слой железных опилок. На рисунке четко видны места полюсов с ориентированными силовыми линиями.

Источники магнитного поля

• Электрическое поле, меняющееся во времени.
• Подвижные заряды.
• Постоянные магниты.

С детства нам знакомы постоянные магниты. Они использовались в качестве игрушек, которые притягивали к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику, они были встроены в различные игрушки.

Электрические заряды, которые находятся в движении, чаще всего имеют больше магнитной энергии, по сравнению с постоянными магнитами.

Свойства

• Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является относительность. Если неподвижно оставить заряженное тело в некоторой системе отсчета, а рядом расположить магнитную стрелку, то она укажет на север, и при этом не «почувствует» постороннего поля, кроме поля земли. А если заряженное тело начать двигать возле стрелки, то вокруг тела появится МП. В результате становится ясно, что МП формируется только при передвижении некоторого заряда.
• Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние. Стрелка компаса чаще всего окрашивается в синий цвет. Она является полоской намагниченной стали. Компас ориентируется всегда на север, так как у Земли есть МП. Вся планета – это как большой магнит со своими полюсами.

Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем.

Основные правила

Правило буравчика

Силовая линия изображается в плоскости, которая расположена под углом 90⁰ к пути движения тока таким образом, чтобы в каждой точке сила была направлена по касательной к линии.

Чтобы определить направление магнитных сил, нужно вспомнить правило буравчика с правой резьбой.

Буравчик нужно расположить по одной оси с вектором тока, рукоятку вращать таким образом, чтобы буравчик двигался в сторону его направления. В этом случае ориентация линий определится вращением рукоятки буравчика.

Правило буравчика для кольца

Поступательное перемещение буравчика в проводнике, выполненном в виде кольца, показывает, как ориентирована индукция, вращение совпадает с течением тока.

Силовые линии имеют свое продолжение внутри магнита и не могут быть разомкнутыми.

Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.

Магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются, а с разными – притягиваются. Значение силы взаимодействия зависит от удаленности между ними. При приближении полюсов сила возрастает.

Параметры магнитного поля

• Сцепление потоков (Ψ).
• Вектор магнитной индукции (В).
• Магнитный поток (Ф).

Интенсивность магнитного поля вычисляется размером вектора магнитной индукции, которая зависит от силы F, и формируется током I по проводнику, имеющему длину l: В = F / (I * l).

Магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл), в честь ученого, изучавшего явления магнетизма и занимавшегося их методами расчета. 1 Тл равна индукции магнитного потока силой 1 Н на длине 1 м прямого проводника, находящегося под углом 90⁰ к направлению поля, при протекающем токе в один ампер:

1 Тл = 1 х Н / (А х м).

Правило левой руки

Правило находит направление вектора магнитной индукции.

Если ладонь левой руки разместить в поле, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь из северного полюса под 90⁰, а 4 пальца разместить по течению тока, большой палец покажет направление магнитной силы.

Если проводник находится под другим углом, то сила будет прямо зависеть от тока и проекции проводника на плоскость, находящуюся под прямым углом.

Сила не зависит от вида материала проводника и его сечения. Если проводник отсутствует, а заряды движутся в другой среде, то сила не изменится.

При направлении вектора магнитного поля в одну сторону одной величины, поле называется равномерным. Различные среды влияют на размер вектора индукции.

Магнитный поток

Магнитная индукция, проходящая по некоторой площади S и ограниченная этой площадью, является магнитным потоком.

Если площадь имеет наклон на некоторый угол α к линии индукции, магнитный поток снижается на размер косинуса этого угла. Наибольшая его величина образуется при нахождении площади под прямым углом к магнитной индукции:

Ф = В * S.

Магнитный поток измеряется в такой единице, как «вебер», который равен протеканием индукции величиной 1 Тл по площади в 1 м².

Потокосцепление

Такое понятие применяется для создания общего значения магнитного потока, который создан от некоторого числа проводников, находящихся между магнитными полюсами.

В случае, когда одинаковый ток I протекает по обмотке с количеством витков n, общий магнитный поток, образованный всеми витками, является потокосцеплением.

Потокосцепление Ψ измеряется в веберах, и равно: Ψ = n * Ф.

Магнитные свойства

Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.

Ученые определили причину, по которой тела получают магнитные свойства. Согласно гипотезе ученых внутри веществ есть электрические токи микроскопической величины. Электрон обладает своим магнитным моментом, который имеет квантовую природу, движется по некоторой орбите в атомах. Именно такими малыми токами определяются магнитные свойства.

Если токи движутся беспорядочно, то магнитные поля, вызываемые ими, самокомпенсируются. Внешнее поле делает токи упорядоченными, поэтому формируется магнитное поле. Это является намагниченностью вещества.

Различные вещества можно разделить по свойствам взаимодействия с магнитными полями. Их разделяют на группы:

• Парамагнетики – вещества, имеющие свойства намагничивания в направлении внешнего поля, обладающие низкой возможностью магнетизма. Они имеют положительную напряженность поля. К таким веществам относят хлорное железо, марганец, платину и т. д.
• Ферримагнетики – вещества с неуравновешенными по направлению и значению магнитными моментами. В них характерно наличие некомпенсированного антиферромагнетизма. Напряженность поля и температура влияет на их магнитную восприимчивость (различные оксиды).
• Ферромагнетики – вещества с повышенной положительной восприимчивостью, зависящей от напряженности и температуры (кристаллы кобальта, никеля и т. д.).
• Диамагнетики – обладают свойством намагничивания в противоположном направлении внешнего поля, то есть, отрицательное значение магнитной восприимчивости, не зависящая от напряженности. При отсутствии поля у этого вещества не будет магнитных свойств. К таким веществам относятся: серебро, висмут, азот, цинк, водород и другие вещества.
• Антиферромагнетики – обладают уравновешенным магнитным моментом, вследствие чего образуется низкая степень намагничивания вещества. У них при нагревании осуществляется фазовый переход вещества, при котором возникают парамагнитные свойства. При снижении температуры ниже определенной границы, такие свойства появляться не будут (хром, марганец).

Рассмотренные магнетики также классифицируются еще по двум категориям:

• Магнитомягкие материалы. Они обладают низкой коэрцитивной силой. При маломощных магнитных полях они могут войти в насыщение. При процессе перемагничивания у них наблюдаются незначительные потери. Вследствие этого такие материалы используются для производства сердечников электрических устройств, функционирующих на переменном напряжении (асинхронный электродвигатель, генератор, трансформатор).
• Магнитотвердые материалы. Они обладают повышенной величиной коэрцитивной силы. Чтобы их перемагнитить, потребуется сильное магнитное поле. Такие материалы используются в производстве постоянных магнитов.

Магнитные свойства различных веществ находят свое использование в технических проектах и изобретениях.

Магнитные цепи

Объединение нескольких магнитных веществ называется магнитной цепью. Они являются подобием электрических цепей и определяются аналогичными законами математики.

На базе магнитных цепей действуют электрические приборы, индуктивности, трансформаторы. У функционирующего электромагнита поток протекает по магнитопроводу, изготовленному из ферромагнитного материала и воздуху, который не является ферромагнетиком. Объединение этих компонентов является магнитной цепью. Множество электрических устройств в своей конструкции содержат магнитные цепи.

Похожие темы:

Магнитное поле и его характеристики. (Лекция 9)

ЛЕКЦИЯ № 9 Магнитное поле и его характеристики
Элементы содержания: Опыт Эрстеда. Механическое взаимодействие
токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Линии магнитной индукции.
Сила Ампера и сила Лоренца. Вращающий момент, действующий на рамку
(виток) с током. Магнитная индукция поля, созданного прямым бесконечно
длинным проводником с током, круговым витком с током и соленоидом.
Макро- и микротоки. Напряженность магнитного поля и магнитная
индукция. Магнитная проницаемость вещества. Пара-, диа- и
ферромагнетики. Основные уравнения магнитостатики.
Литература: Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. М.:
Академия, 2006. С. 202-220, 234-245.
История важнейших открытий (к началу XIX в.)
VI в. до н.э. – Первые сведения об электричестве и магнетизме.
Открытие свойств натертого янтаря притягивать легкие предметы, а
магнита — железные опилки (Фалес Милетский).
XI в. – Переоткрытие арабами свойств ориентации свойств
ориентации магнитной иглы (стрелки), появление компаса (свойство
магнитной иглы ориентироваться в определенном направлении было
известно китайцам еще в 2700 г.г. до н.э.). В Европе компас появился
в XII в.
1269 г. – Появился первый рукописный трактат по магнетизму (Пьер
Пелегрино), где дано описание свойств магнитного камня, методов
определения полярности магнита, взаимодействия полюсов,
намагничивание прикосновением.
1600 г. – Вышел в свет трактат Уильяма Гильберта «О магните,
магнитных телах и о большом магните Земли», в котором заложены
основы электро- и магнитостатики.
История важнейших открытий (к началу XIX в.)
1750 г. – Бенджамин Франклин, изобрел молниеотвод, сформулировал
унитарную теорию электричества, ввел понятия положительного и
отрицательного зарядов, установил закон сохранения электрического
заряда.
1785 г. – Шарль Кулон установил основной закон электростатики: закон
взаимодействия электрических зарядов.
1786 г. – Луиджи Гальвани, исследуя движение мышц лягушки, открыл
явление электрического тока.
1799 г. – Алессандро Вольта сконструировал первый источник
постоянного электрического тока – прототип гальванического
элемента.
1800 г. – Антуан Фуркруа открыл тепловое действие тока.
В 1774 г. Американская академия наук предложила вознаграждение
тому, кто сможет установить взаимосвязь между электричеством и
магнетизмом.
Магнитное поле, создаваемое электрическим током
Опыт Эрстеда (Г.Х.Эрстед, 1820 г.):
Магнитная стрелка, расположенная
вблизи проводника, при пропускании
тока поворачивается на некоторый
угол. При размыкании цепи стрелка
возвращается в исходное положение.
Механическое взаимодействие токов
(А.М.Ампер, 1820 г.): проводники, по
которым текут токи, притягиваются
друг к другу, если токи направлены в
одну сторону, и отталкиваются, — если
токи
текут
в
противоположные
стороны:
F
0 2 I1I 2 ,
l
4 R
(9.1)
где — магнитная проницаемость среды, в которой находятся
проводники; 0=4 10-7 Н А2 – магнитная постоянная; I1 и I2 — силы
токов, текущих по первому и второму проводнику соответственно;
l — длина каждого из проводников;
R — расстояние между
проводниками.
Магнитное поле – особый вид материи, оказывающий силовое
воздействие на проводники с током, движущиеся электрические
заряды и магнитные материалы.
Магнитная индукция (индукция магнитного поля) – силовая
характеристика магнитного поля; [B ]=Тл.
Линии магнитной индукции — линии, касательные к которым в
каждой точке совпадают с направлением вектора В.
Направление линии магнитной индукции задается правилом
правого винта или правилом буравчика: головка винта (рукоятка
буравчика), ввинчиваемого по направлению тока, вращается в
направлении линий магнитной индукции.
Линии магнитной индукции или силовые линии магнитного поля
всегда замкнуты:
Сила Ампера – сила, действующая со стороны
магнитного поля на проводник с током:
FA IlB sin .
(9.2)
где I — сила тока, текущего по проводнику; l длина проводника; B — магнитная индукция поля,
действующего на проводник; — угол между
направлением
тока
в
проводнике
и
направлением вектора магнитного поля.
Направление
силы
Ампера
определяется правилом левой руки:
четыре
пальца
левой
руки
располагают по току так, чтобы
линии магнитной индукции входили
в ладонь, тогда отогнутый большой
палец укажет направление силы
Ампера.
Сила Лоренца – сила, действующая со стороны магнитного поля на
движущийся электрический заряд :
FL qvB sin
.
(9.3)
где v — скорость заряда; B — магнитная индукция поля, действующего
на движущийся заряд; — угол между направлением вектора скорости
заряда и направлением вектора магнитного поля.
Направление
силы
Лоренца
для
положительных
зарядов
определяется правилом левой руки, а для отрицательных зарядов –
правилом правой руки. При этом четыре пальца руки располагают по
направлению движения заряда.
Вращающий момент, действующий на рамку (виток) с током
Магнитный дипольный момент
рамки (витка) с током:
m ISn ,
(9.4)
где S – площадь рамки (витка).
Вращающий момент, действующий на рамку (виток) с током,
рассчитывается по формуле
M m B
.
(9.5)
Из формулы (9.2) FA, max IlB
B
FA, max
Il
.
(9.6)
Магнитная индукция – векторная величина, численно равная
максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на
единичный элемент тока .
Магнитная индукция поля, созданного прямым бесконечно длинным
проводником с током:
0 I
B
2 r
.
(9.7)
где — магнитная проницаемость среды, в которой находится
проводник; I — сила тока, текущего по проводнику; r — расстояние от
проводника до данной точки поля.
Магнитная индукция поля, созданного круговым витком с током в его
центре:
0 I
B
2r
.
(9.8)
где — магнитная проницаемость среды, в которой находится виток;
I — сила тока, текущего по витку; r — радиус витка.
Магнитная индукция поля, созданного соленоидом (катушки с
током):
0 NI
B
l
.
(9.9)
где — магнитная проницаемость среды внутри соленоида;
N — число витков соленоида; I — сила тока, текущего по соленоиду;
l — длина соленоида.
Магнитное поле в веществе
Макротоки – это токи, текущие в проводниках.
Микротоки – это токи, обусловленные движением электронов в атомах
и молекулах.
Магнитная индукция B – это характеристика результирующего
магнитного поля, создаваемого как макротоками, так и микротоками.
H — это характеристика магнитного
поля, создаваемого только макротоками, [H]=A/м.
Напряженность магнитного поля
В однородном и изотропном веществе
B 0 H B0 ,
где
(9.10)
B0 — магнитная индукция внешнего поля, т.е. поля, образуемого
проводниками с током в вакууме.
B B0 —
(9.11)
магнитная проницаемость вещества – величина, показывающая во
сколько раз индукция магнитного поля в веществе больше магнитной
индукции внешнего поля .

Диамагнетиками называются вещества, при внесении которых во
внешнее магнитное поле они создают собственное поле,
направленное против внешнего поля и ослабляющее его.
>1 – парамагнетики (Al, Pt, O2, …)
Парамагнетиками называются вещества, при внесении которых во
внешнее магнитное поле они создают собственное поле,
совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее
его.
Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное
магнитное поле, ведут себя по-разному – парамагнетики
втягиваются в область сильного поля, диамагнетики –
выталкиваются.
Диамагнетики
Cu: =0,9999912
Парамагнетики
Al: =1,000023
>>1 – ферромагнетики (Fe, Co, Ni, «редкие земли»)
Fe: max=5000.
Супермаллой (79%Ni , 16%Fe, 5%Mo): max=900000!!!
Свойства ферромагнетиков
1) Магнитная проницаемость зависит от внешнего магнитного поля
(Александр Столетов, 1872 г.).
Точка насыщения – это такая напряженность магнитного поля, при
которой магнитная проницаемость ферромагнетика практически не
отличается от единицы.
Свойства ферромагнетиков
2) Магнитный гистерезис (Эмиль Варбург, 1880 г.)
— явление, которое состоит в том, что зависимость
магнитной
индукции
ферромагнетика
от
напряженности магнитного поля не является
однозначной,
а
определяется
предысторией
ферромагнетика.
Коэрцитивная сила – это такая напряженность магнитного поля, при
которой
ферромагнетик,
первоначально
намагниченный
до
насыщения, размагничивается.
Магнито-мягкие материалы – ферромагнетики, у которых небольшая
коэрцитивная
сила
(применение:
сердечники
трансформаторов,
электромоторов, генераторов тока).
Магнито-жесткие материалы – ферромагнетики, у которых большая
коэрцитивная сила (применение: постоянные магниты).
Свойства ферромагнетиков
3) Наличие точки Кюри (Пьер Кюри, 1895 г.)
Точка Кюри – это такая температура, при которой ферромагнетик
переходит в парамагнитное состояние.
Материал
Железо Кобальт Никель
(Fe)
(Co)
(Ni)
Температура 1043
1388
627
Кюри, К
Гадолиний
(Gd)
293
Диспрозий
(Dy)
85
4) Магнитострикция (Джеймс Джоуль, 1842 г.) – изменение формы и
размеров ферромагнетика при его намагничивании.
Природа ферромагнетизма
Гипотеза Вейса (Пьер Вейс, 1907 г.) – ферромагнетик ниже точки
Кюри состоит из доменов – малых областей (~10-5…10-4 м)
самопроизвольно намагниченных до насыщения.
В отсутствие магнитного поля домены ориентированы хаотически
(рисунок «а»).
При включении магнитного поля размеры доменов, направленных
вдоль поля, увеличиваются, направленных против поля –
уменьшаются.
При увеличении поля начинается поворот доменов как целого в
направлении поля. В сильных полях домены ориентированы вдоль
поля (рисунок «b»), т.е. наступает насыщение.
Основные уравнения магнитостатики
Электростатика
Закон Гаусса
D dS q
Теорема о циркуляции вектора
напряженности электростатического поля
E dr 0
Магнитостатика
B dS 0
(9.12)
H dr I
(9.13)
Уравнение (9.12) называют законом Гаусса для магнитного поля, из
которого следует, что в природе отсутствуют магнитные заряды, а
линии магнитной индукции являются замкнутыми .
Уравнение (9.13) называют законом Ампера
(или законом полного тока): циркуляция
напряженности магнитного поля вдоль
произвольного
контура
равна
результирующей силе тока, пересекающего
охваченную контуром поверхность.

Занятие по теме «Магнитное поле и его основные характеристики»

Цели:

Образовательная цель: сформировать
у студентов представление об магнитном поле как
об основном из видов материи и раскрыть свойства
магнитного поля, его силовую характеристику и
материальность.

Развивающая цель: расширить
диалектическое представление о материи, о
неразрывной связи вещества и поля. Развивать
интеллектуальные способности учащихся через
умение решать задачи, анализировать полученный
результат, делать выводы; уметь излагать в
доступной научной форме свои мысли; уметь
обобщать.

Воспитательная цель: воспитывать
умение преодолевать трудности, выслушивать
оппонентов, отстаивать свою точку зрения,
уважать окружающих.

Основные знания и умения:

• Знать определение магнитного поля и его силовую
  характеристику.
• Уметь применять правило буравчика для
  определения направления вектора индукции
  магнитного поля тока; графически изображать
  магнитные поля прямолинейного, кругового токов и
  соленоида, определять модуль вектора магнитной
  индукции.

Оборудование:

• электрофорная машина, две изолирующие стойки;
• магнитные стрелки, проволочные катушки;
• постоянные магниты (полосовой и
  подковообразный), железные опилки;
• источник постоянного тока;
• компьютер;




• мультимедиапроектор.

Демонстрации: взаимодействие постоянных
магнитов; отсутствие магнитного поля вокруг
проводника со статическим зарядом,
существование магнитного поля вокруг проводника
с током, взаимодействия двух гибких проводников,
расположенных вертикально, взаимодействие витка
с током и постоянным магнитом, взаимодействие
катушек с током, направленным в одну сторону,
взаимодействие витков с током, направленным в
разные стороны, постоянная ориентация
вращающейся магнитной стрелки в магнитном поле.

Ход урока

I. Организационный момент.

Эпиграфом урока послужат слова Конфуция:

“Три пути ведут к знанию: путь размышления –
это путь самый благородный, путь подражания –
это путь самый легкий, и путь опыта – это путь
самый горький”.

В ходе урока мы воспользуемся тремя путями,
которые ведут к знаниям, по мнению философа. Но
какой путь для вас самый приемлемый решать вам.

II. Актуализация опорных знаний учащихся.

Я предлагаю ответить на вопросы тестового
задания, путем размышления, опираясь на
полученные знания предыдущих уроков.

Тест (взаимопроверка) I вариант А, II вариант Б.

1. Вычислить общее сопротивление участка цепи:

А) R₁= 2 Ом, R₂ = 5 Ом, R ₃= 0, 2 Ом

Б) R₁= 2 Ом, R₂ = 5 Ом, R₃= 0, 2 Ом

2.

А) Как движутся в металлических проводниках
свободные электроны при отсутствии в них
электрических полей?

Б) Как движутся в металлических проводниках
свободные электроны при наличии в них
электрических полей?

3. При каком соединении проводников:

А) а) б ) R_об

=   в)

Б) а) I₁ : I₂ : I₃ = б ) U_об = U₁ = U₂

= … = U_n в) I =

4. Дополнить одну из частей уравнения:

А) а) I = б) …
= в)

Б) б) I = б) Q =
I…Rt в ) Р =

Ответы:

1. А) 7,2 Ом Б) 5,7 Ом

2. А)Хаотически Б) направленно навстречу полю

3.

А) а) последовательном, б) при параллельном
соединении n одинаковых проводников; в)при
последовательном соединении.

Б) а)Параллельном б) параллельном в) при
параллельном n одинаковых проводников.

4.

А) а) ; б) R;
в) t.
Б) а) R; б) I ²; в) А.

III. Изучение нового материала.

1. Вспомните как взаимодействуют неподвижные
   электрические заряды?




2. Как определить силу взаимодействия неподвижных
   зарядов? (закон Кулона)
3. Как осуществляется это взаимодействие? (согласно
   теории близкодействия взаимодействие между
   заряженными частицами осуществляется
   посредством электрического поля; каждый заряд
   создает электрическое поле, которое действует на
   другой заряд, и наоборот)
4. Что такое электрическое поле?
5. Неподвижные электрические заряды редко
   используются на практике. Для того, чтобы
   заставить электрические заряды служить нам, их
   надо привести в движение – создать
   электрический ток.
6. Что такое электрический ток?

Проблема: Взаимодействуют ли между
собой движущиеся заряды? Каков механизм этого
взаимодействия?

Демонстрация взаимодействия двух гибких
проводников, расположенных вертикально.

Каждый проводник с током имеет вокруг себя
собственное магнитное поле, которое с некоторой
силой действует на соседний проводник. В
зависимости от направления токов проводники
могут притягиваться или отталкиваться друг от
друга. Итак, тема сегодняшнего урока Магнитное
поле и его основные характеристики

А что именно мы можем узнать о магнитном поле?

• Определение магнитного поля и где оно
  образуется?
• Свойства магнитного поля?
• Как изобразить магнитное поле?
• Какие величины характеризуют магнитное поле?
• Сравнить с электрическим полем.

Тем самым мы с вами определили цели занятия.

Обсуждение.

1. Каков по аналогии с электрическим
взаимодействием, должен быть механизм
взаимодействия проводников с током?

Определение. Взаимодействия между
проводниками с током, т. е. взаимодействия между
движущимися электрическими зарядами, называют
магнитными.

Вывод. Подобно тому, как в
пространстве, окружающем неподвижные
электрические заряды, возникает электрическое
поле, в пространстве, окружающем токи, возникает
поле, называемое магнитным.

Работа с учебником: найти определение
магнитного поля, прочитать, записать в тетрадь,
рассказать соседу.

2. Будет ли отклоняться второй проводник, если
выключить ток в первом проводнике? (Продемонстрировать)

3. Будет ли действовать магнитное поле на
проводник без тока? (Продемонстрировать)

4. Что может служить индикатором магнитного поля?

5. Будет ли отклоняться магнитная стрелка вблизи
проводника, если по нему пропускать ток?

Сообщение студента (Приложение 1)

Работа в группах.

Задание 1. Повторить опыт Эрстеда.

Задание 2.Взаимодействие постоянных магнитов.

Задание 3. Взаимодействие витка с током и
постоянным магнитом.

Задание 4 Взаимодействие катушек с током,
направленным в одну сторону.

Задание 5. Взаимодействие витков с током,
направленным в разные стороны.

Отчет групп.

Вывод. Движущиеся заряды
(электрический ток) создают магнитное поле.
Обнаруживается магнитное поле по действию на
электрический ток.

Проблема: Каковы свойства магнитного
поля?

Беседа, в результате которой получаем:

1. Магнитное поле порождается электрическим током
   (движущимися зарядами).




2. Магнитное поле обнаруживается по действию на
   ток (движущиеся заряды).
3. Магнитное поле непрерывно и неограниченно.
4. Магнитное поле существует реально и не зависит
   от нашего сознания.
5. Действие магнитного поля может быть больше или
   меньше.
6. Магнитное поле зависит от силы и направления
   электрического тока.

Следовательно, магнитное поле должно
характеризоваться некоторой векторной
величиной.

Проблема. Какая величина является
характеристикой магнитного поля?

Основной характеристикой магнитного поля
является вектор магнитной индукции . Условились считать, что
вектор магнитной индукции в произвольной точке
поля совпадает по направлению с силой, которая
действует на северный полюс бесконечно малой
магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля.
Сила, действующая со стороны магнитного поля на
южный полюс стрелки, направлена в сторону
противоположную вектору . Следовательно, в магнитном поле
на магнитную стрелку действует пара сил,
поворачивающая ее таким образом, чтобы ось
стрелки, соединяющая южный полюс с северным,
совпадала с направлением поля, т.е. с вектором .

Магнитные поля, в каждой точке которых
действуют одинаковые по величине и направлению
магнитные силы, называют однородными.

Вывод. Основной характеристикой
магнитного поля является вектор магнитной
индукции. За
направление вектора магнитной индукции
принимается направление от южного полюса S к
северному полюсу N магнитной стрелки, свободно
устанавливающейся в магнитном поле.

Магнитные поля могут быть однородными и
неоднородными.

Эксперимент (приборы на столах)

1. Вокруг проводника с током расположите
   несколько магнитных стрелок, включить ток. Как
   расположились стрелки?
2. Измените направление тока. Как расположились
   стрелки?
3. Сделать вывод.

Работа с учебником. Как определить направление
вектора магнитной индукции?

Формулировка правила буравчика. (записать в
тетрадь )

Проблема. Электрическое поле можно
изобразить графически. А магнитное поле?

Вводится понятие линий магнитной индукции.

Виртуальная лабораторная работа
“Наблюдение силовых линий магнитного поля”.

Цель работы: Изучить расположение
силовых линий магнитного поля прямого тока,
кругового тока, соленоида.

Выполнение работы:

1. Работа с “Открытой физикой”.
2. Тема: “Электричество и магнетизм”.
3. Открыть модели: “Магнитное поле прямого тока”,
   “Магнитное поле кругового витка с током”,
   “Магнитное поле соленоида”.




4. Для каждой модели зарисовать картинку с
   силовыми линиями магнитного поля.
5. Изменить направление тока (сделать его
   отрицательным). Что изменилось?
6. Сделать выводы по работе. Особенности линий
   магнитной индукции.

Картину линий магнитной индукции можно сделать
видимой, воспользовавшись мелкими железными
опилками.

Работа в группах.

1. Магнитное поле полосового магнита.
2. Магнитное поле подковообразного магнита.

Отчет групп (готовят заранее слайды для
презентации).

Понятие вихревого поля.

Вывод. Магнитные поля графически
изображается линиями индукции. Линии индукции
магнитного поля реально не существуют. Это
удобная графическая модель характеристики
направления сил магнитного поля. Линии магнитной
индукции всегда замкнуты.

Силовые линии однородного магнитного поля
параллельны друг другу, а количество силовых
линий через единичную площадку в любой области
поля одинаково.

Какие это поля?

Ответ студентов. Чем они отличаются от
однородного?

Решить задачи (Закрепить знание правила
буравчика и применение этого правила).

1. По проводу идет электрический ток. В каком
направлении повернется магнитная стрелка,
помещенная в точку А? в точку С?

2)

Вывод. Итак, мы научились находить
направление вектора магнитной индукции. Надо
научиться определять модуль В.

Проблема. Выяснить экспериментально,
от чего зависит сила действующая на проводник с
током в магнитном поле.

Установка на рис. 136 Физика – 10. Г. Я. Мякишев

Выясняем, что

— сила достигает максимального значения, когда
магнитная индукция перпендикулярна проводнику;

—  F_max ~ I

— не
зависит ни от силы тока в проводнике, ни от длины
участка проводника.

В =

Работа с учебником. Найти определение модуля
вектора магнитной индукции, прочитать, записать
в тетрадь и рассказать соседу.

Вывод. В каждой точке магнитного поля
могут быть определены направление вектора
магнитной индукции и его модуль с помощью
измерения силы, действующей на участок
проводника с током

IV. Закрепление материала.

I. Разбор вопросов (для сравнения
электростатического и магнитного полей):

1) Что является источником:

а) электростатического поля? (электрические
заряды)


б) магнитного поля? (движущиеся электрические
заряды – электрический ток)

2) При помощи чего передается взаимодействие:

а) электрических токов? (магнитным полем
одного тока на другой ток; магнитными силами)

б) электрических зарядов? (электрическим полем
одного заряда на другой заряд; электрическими
силами)

3) Что является индикатором:

а) электростатического поля? (электрические
заряды)

б) магнитного поля? (движущиеся электрические
заряды – электрический ток)

4) Можно ли разрезать магнит так, чтобы один из
полученных магнитов имел только северный полюс,
а другой только южный?

5) В романе Жюля Верна “Пятнадцатилетний
капитан” подлый Негоро один компас разбивает, а
под другой подкладывает топор. А почему бы ему не
разбить оба? И топор подложить нужно было умеючи,
не так ли? Почему?

II. Решение задач.

1. Проводник, активная длина которого 0,3 м,
находится в однородном магнитном поле
перпендикулярно его линиям индукции. Определить
индукцию магнитного поля, если оно,
взаимодействуя с магнитным полем тока,
выталкивает проводник с силой 1,2 Н, когда по нему
проходит ток 4А (на доске с полным объяснением).

Самостоятельная работа.

I вариант

По проводнику длиной 45 см протекает ток силой 20
А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое
помещен проводник, если на проводник действует
сила 9мН?

II вариант

Определите модуль силы, действующей на
проводник с током длиной 20 см при силе тока 10 А в
магнитном поле с индукцией 0,13 Тл.

V. Обобщение и подведение итогов урока. Мы
сегодня с вами изучили Магнитное поле (пишем на
доске в овале, напротив каждой стрелки –
свойства, характеристики, т.е. составляем кластер
“Магнитное поле”.

Итак, что же представляет собой магнитное поле?
Магнитное поле- – это особый вид материи, о
котором мы судим по его проявлению. Важнейшим
свойством магнитного поля является его
способность действовать с силой на проводник с
током или движущиеся заряды. Природа магнитного
поля до сих пор не раскрыта, но вот его свойства
давно установлены и этими свойствами пользуются
для решения различных задач.

VI. Домашнее задание: 11.2, заполнить
таблицу “Сравнительная характеристика
электрических и магнитных полей” (начата при
изучении электрического поля).

Подготовить сообщения: “История развития
магнетизма”, “Магнитное поле земли”
(желательно с презентацией).

Притягательная планета Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из «теорий заговора» – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. «Собранные» частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли — удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было — его необходимо было бы придумать.

Урок «Магнитное поле и его характеристики.Способы образования магнитного поля»

План-конспект урока

Тема урока: «Магнитное поле и его характеристики.Способы образования магнитного поля»

Ход урока :

1. 
   Проверка д.з (доклада)

Ханс Кристиан Эрстед (дат. Hans Christian Ørsted, 1777-1851) – великий датский физик, прославившийся на ниве исследования явлений электромагнетизма. Ему удалось правильно объяснить возникновение электродвижущей силы при условии разных температур на концах спаянных проводников, что породило возникновение понятия термоэлектричество.

Ханс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 года в городе Рюдкобинг, расположенном на датском острове Лангеланд. Его отец работал обыкновенным аптекарем и звезд с неба не хватал, поэтому семья жила небогато. Родители не могли позволить дать своим детям хорошее образование, поэтому Хансу вместе с братом приходилось получать отрывочные знания, которые им преподавали добросердечные соседи – местный пастор, парикмахер, студент и даже землемер. В результате у будущего физика сложились обобщенные представления о немецком и датском языке, литературе, истории, геологии и других науках.

Чтобы прокормить семью, Ханс с 12 лет стал помогать отцу в аптеке. В этот период жизни он всерьез увлекся медициной и осознал свою тягу к науке. Для подготовки к поступлению в университет, Эрстед выезжает в Копенгаген, где в течение года усиленно штудирует литературу, необходимую для сдачи экзамена. Вскоре в столицу переехал и брат для изучения юриспруденции.

После поступления в университет,  Ханс с упоением изучает различные дисциплины, отдавая предпочтение разностороннему образованию. В этом он изрядно преуспел, заслужив Золотую университетскую медаль за блестяще написанное эссе под названием «Границы поэзии и прозы». Такую же высокую оценку получил его труд, посвященный свойствам щелочей. В дальнейшем он с успехом защитил диссертацию по медицине, за что был удостоен звания фармацевта высшей категории. Это позволило ему получить работу временного управляющего в одной из аптек Копенгагена.

В то же время его не покидало желание преподавать в университете, поэтому Ханс подрядится читать лекции на протяжении нескольких недель без всякой оплаты. В 1806 году в жизни ученого случилось знаменательное событие – к степени доктора философии добавилось звание профессора физики. Теперь он мог на законных основаниях преподавать физику, химию и философию.

Дания в то время находилась на периферии научного мира, и чтобы пополнить запас знаний Эрстед добивается командировки в Германию и Францию, где ученый с интересом слушал лекции своих коллег. В это время он приходит к многозначному выводу о связи всего со всем. Пытливый ум Эрстеда взбудоражили мысли немецкого философа Иоганна Фихте о возможности изучения физических явлений, используя для этого поэзию и даже мифологию. Также огромное влияние на мировоззрение Ханса оказал философ Фридрих Вильгельм Шеллинг с его идеей взаимосвязи и взаимообусловленности.

Подобными переживаниями в это время «болел» еще один известный физик Иоганн Риттер. В одном из писем другу Эртеду он признался, что нашел взаимосвязь между максимальным наклоном эклиптики и совершением выдающихся открытий в сфере электричества. Автор предсказывал новую волну изобретений в 1819-1820 годах. Вообще, жизненное кредо Риттера было весьма схожим с принципами Эрстеда, который всегда страстно увлекался философией и все время стремился распространять научные открытия в широкие массы.

В 1813 году увидела свет работа Эрстеда «Исследования идентичности химических и электрических сил». В ней автор предположил существование связи между магнетизмом и электричеством. Он утверждал наличие влияния тока на магнит и обосновал это довольно простым доводом. Если электричество способно порождать тепло, свет и звук, почему оно не может вызывать магнитные действия. К слову, эта проблема также волновала других ученых – Араго, Ампера и Элиниуса, но только Эрстеду удалось получить столь однозначный ответ.

В феврале 1820 года во время чтения лекции студентам ученый показывал нагревание проволоки с помощью электричества. Поблизости от нее случайно находился компас. Один из студентов подсказал профессору, что его стрелка реагирует на замыкание/размыкание электрической цепи, поворачиваясь в разные стороны. Ханс сразу заявил, что в присутствии аудитории произошло великое открытие, которого ждали два десятилетия с момента создания первого источника электротока Вольтой.

Через несколько месяцев Эрстед повторил этот эксперимент, используя более мощные источники тока. В результате он смог сделать вывод, что магнитный эффект электричества обладает круговым движением вокруг него. Причина такого явления связана с наличием перпендикулярной силы, которая возникает между проволокой и магнитом. Обнаруженный факт никак не стыковался с утвердившимися со времен Ньютона представлениями о действии и противодействии.

Кроме того, Ханс изучал влияние на стрелку проводников, выполненных из различных материалов. В качестве образцов использовалось золото, свинец, латунь, серебро и ряд других металлов. По итогам эксперимента удалось установить наличие магнитных свойств даже у тех материалов, в которых ранее они не отмечались. Получалось, что они приобретали их только после того, как через них был пропущен электрический ток.

Затем физик начал экранировать стрелку от провода другими материалами, обладающими разными свойствами – деревом, смолой, глиной, камнями и всегда стрелка продолжала отклоняться, т.е. экранирования не происходило. Эффект наблюдался даже помещения стрелки в резервуар с водой. Все это позволило сделать вывод, что подобной передачи действия сквозь различные материалы не было у обычного электричества. Открытие ученого позволило создать чувствительный и эффективный индикатор электротока, а в 1820 году немецкий физик Иоганн Швейггер сконструировал мультипликатор.             

2.Обьяснение нового материала

В природе существуют природные соединения металлов, которые обладают   свойством   притягивать   к   себе   некоторые    другие    тела. Это означает, что они создают вокруг себя поле. Такое поле принято называть магнитным полем. Тела, длительное время сохраняющие свою намагниченность, называются постоянным магнитом, или магнитом.

Возьмем магнит прямоугольной формы и приблизим его к мелким частицам железа. Мы увидим, что они прилипают только к двум концам магнита. Те места магнита, где обнаруживается наибольшее магнитное действие, называются полюсами постоянного магнита. Постоянный магнит имеет два магнитных полюса: северный (N)  и южный  (S) Если  две   магнитные   стрелки   приблизить друг к другу, то магниты притягиваются разноименными полюсами и отталкиваются одноименными. Это означает, что между намагниченными телами существует сила взаимного действия. Действующие силы характеризуются через силовые линии  магнитного поля.

Силовые линии магнитного поля увидеть невозможно. Однако с помощью следующего опыта мы сможем получить представление о расположении (направлении) магнитных силовых линий. Для этого картонную бумагу равномерно покроем железными опилками и положим ее на поверхность плоского магнитного стрежня. Если несколько раз осторожно встряхнуть картонную бумагу, то железные опилки  примут вид, как показано на рис. . На рисунке видно, что опилки на картоне собираются плотнее у концов магнита, а между полюсами их меньше.

Картина распределения железных опилок показывает положение силовых линий, связывающих магнитные полюсы. Силовыми линиями магнитного поля принято считать замкнутые кривые, которые выходят  из  северного  полюса,  а  входят  в  южный  полюс  магнита . Поля с замкнутыми силовыми линиями называются вихревыми полями. Значит, магнитное поле является вихревым полем. Этим свойством силовые линии магнитного поля отличаются от силовых линий электрического поля.

Физическая величина, характеризующая величину силовых линий определенной точки магнитного поля, называется индукцией магнитного поля. Индукция магнитного поля является векторной величиной и обозначается буквой  B .

Единицей измерения индукции магнитного поля в системе СИ в честь сербского физика Никола Тесла принято называть тесла (Тл).

Магнитный поток. Для описания величины  магнитных  силовых линий, пересекающих какие­либо поверхности, введено понятие «поток магнитного поля». Потоком магнитной индукции,  пересекающим площадь S, называется произведение вектора магнитной индукции на площадь поверхности. Магнитный поток является скалярной величиной и обозначается буквой Ф. Магнитный поток выражается  как:

Ф= B · ΔS.

Если индукционные линии магнитного поля создают с поверхностью определенный угол α (рис. 1.4),  то  поток  магнитной  индукции, проходящий через поверхность, будет зависеть от этого угла, т.е.:

Ф= B · S cosα

Здесь α – угол между вектором B и нормалью n  к поверхности.

В системе СИ единицу магнитного потока назвали в честь немецкого физика Д. Вебера – вебер (Вб).  

1 Вб = 1 Tл · 1 м2.

Магнитное поле, проходящее сквозь перпендикулярно   расположенную   площадь 1 м2   к линиям индукции магнитного поля, равной 1  Тл, составляет 1 Вб.

3.Решение задач

1. Определить магнитный поток, проходящий через площадь 20 , ограниченную замкнутым контуром в однородном магнитном поле с индукцией 20 мТл, если угол между вектором магнитной индукции и плоскостью контура составляет 30 ̊.

Дано:                                      Решение.

Ответ: 0,2 мкВб

 Ι. Работа с условием.

У.: Что известно в задаче?

Шк.: Площадь 20 , индукция 20 мТл, угол α равен 60 ̊.

У.: А что нужно найти в задаче?

Шк.: Магнитный поток.

У.: Все ли единицы измерения представлены в СИ?

Шк. Нет.

У.: Осуществите перевод.

Шк.: S=20=2⋅, B=20мТл=0,022 Тл

 ΙΙ. Поиск решения.

У.: Опишите физическую ситуацию.

Шк.: Магнитный поток проходит через площадь, ограниченную замкнутым контуром в однородном магнитном поле. Дана площадь,  индукция и угол между вектором магнитной индукции и плоскостью контура. Необходимо найти магнитный поток.

У.: По какой формуле можно вычислить магнитный поток?

Шк.: Ф=В⋅S⋅ cos α

У.: Хорошо. Приступайте к решению.

ΙΙΙ. Реализация плана решения.

Дано:                                      Решение.

Ответ: 0,2 мкВб

ΙV. Проверка правильности решения.

У.: Как же теперь проверить решение?

Шк.: В⋅S⋅ cos α=[Тл⋅]=[кг⋅⋅⋅] =[Вб]

Ф=[Вб]

2. Определить магнитную индукцию магнитного поля, если магнитный поток через площадь  500 , ограниченную контуром, составил 9⋅ Вб. Угол между вектором  магнитной индукции и плоскостью контура составляет 60 ̊.

Дано:                                          Решение.

Ответ: 0,02 Тл.

Ι. Работа с условием.

У.: Что известно в задаче?

Шк.: Площадь 500 , магнитный поток 9⋅ Вб, угол α составляет 30 ̊.

У.: А что нужно найти в задаче?

Шк.: Магнитную индукцию.

У.: Все ли единицы измерения представлены в СИ?

Шк. Нет.

У.: Осуществите перевод.

Шк.: S=500=0,05 .

 ΙΙ. Поиск решения.

У.: Опишите физическую ситуацию.

Шк.: Магнитный поток проходит через площадь, ограниченную замкнутым контуром в однородном магнитном поле. Дана площадь,  магнитный поток и угол между вектором магнитной индукции и плоскостью контура. Необходимо найти магнитную индукцию.

У.: Какая формула связывает все величины?

Шк.: Ф=В⋅S⋅ cos α

У.: Как из нее выразить искомую величину?

Шк.: В=

У.: Хорошо. Приступайте к решению.

ΙΙΙ. Реализация плана решения.

Дано:                                          Решение.

Ответ: 0,02 Тл.

ΙV. Проверка правильности решения.

У.: Как же теперь проверить решение?

Шк.: =[]=[]=[]=[Тл]

В=[ Тл]

Магнитные поля и линии магнитного поля

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определение магнитного поля и описание силовых линий различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка ощущала силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно мыслить о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности.Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле для представления магнитных сил. Графическое представление линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на Фиг.1, направление линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B -field .

Рис. 1. Линии магнитного поля определяются так, чтобы они имели направление, которое указывает маленький компас при размещении в определенном месте. (a) Если для отображения магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в показанных направлениях: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита. (Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (B) Соединение стрелок дает непрерывные линии магнитного поля.Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. (c) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры.

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, его не побеспокоят. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с помощью небольшого пробного заряда. В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не тестирующий их зонд.) На рисунке 2 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинный прямой провод, который можно исследовать с помощью небольшого компаса.Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B . Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.

Рис. 2. Маленькие компасы можно использовать для картирования полей, показанных здесь. (а) Магнитное поле круговой токовой петли похоже на магнитное поле стержневого магнита. (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге.Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, наконечника стрелки).

Установление соединений: концепция поля

Поле — это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.

Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем линии магнитного поля для представления поля (линии — это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе). Свойства силовых линий магнитного поля можно описать следующими правилами:

1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
2. Сила поля пропорциональна близости линий.Она точно пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (называемой плотностью площади).
3. Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
4. Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса нельзя разделить. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются положительными и отрицательными зарядами.Если бы магнитные монополи существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

Сводка раздела

• Магнитные поля могут быть графически представлены силовыми линиями магнитного поля, свойства которых следующие:
  • Поле касается линии магнитного поля.
  • Напряженность поля пропорциональна линейной плотности.
  • Линии поля не могут пересекаться.
  • Полевые линии представляют собой непрерывные петли.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему магнитное поле не может быть уникальным (то есть не иметь единственного значения) в точке пространства, где силовые линии магнитного поля могут пересекаться.(Учитывайте направление поля в такой точке.)
2. Перечислите сходства силовых линий магнитного и электрического поля. Например, направление поля касается линии в любой точке пространства. Также укажите, чем они отличаются. Например, электрическая сила параллельна силовым линиям электрического поля, тогда как магнитная сила, действующая на движущиеся заряды, перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.
3. Заметив, что силовые линии магнитного поля стержневого магнита напоминают силовые линии пары равных и противоположных зарядов, ожидаете ли вы, что магнитное поле будет быстро уменьшаться в силе с удалением от магнита? Это согласуется с вашим опытом работы с магнитами?
4. Магнитное поле Земли параллельно земле во всех местах? Если нет, то где она параллельна поверхности? Его сила одинакова во всех местах? Если нет, то где оно больше всего?

Глоссарий

Магнитное поле:

представление магнитных сил

B — поле:

другой термин для обозначения магнитного поля

силовые линии магнитного поля:

графическое изображение силы и направления магнитного поля

направление силовых линий магнитного поля:

направление, на которое указывает северный конец стрелки компаса

Магнетизм: определение, типы, свойства и принцип работы (с примерами)

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: GAYLE TOWELL

Магниты.Они есть у вас на холодильнике, вы играли с ними в детстве, вы даже держали компас в руке, когда стрелка компаса указывала на северный магнитный полюс Земли. Но как они работают? Что это за явление магнетизма?

Что такое магнетизм?

Магнетизм — один из аспектов фундаментальной электромагнитной силы. Он описывает явления и силы, связанные с магнитами или магнитными объектами.

Все магнитные поля создаются движущимся зарядом или изменяющимися электрическими полями.Вот почему явления электричества и магнетизма вместе называются электромагнетизмом. Они действительно одно и то же!

Во всех материалах атомы содержат электроны, и эти электроны образуют облако вокруг атомного ядра, а их общее движение создает миниатюрный магнитный диполь. В большинстве материалов, однако, случайное распределение ориентации этих мини-магнитов приводит к компенсации полей. Ферромагнитные материалы — исключение.

Многие материалы проявляют магнитные явления, включая железо, марганец, магнетит и кобальт.Они могут существовать как постоянные магниты или могут быть парамагнитными (т. Е. Притягиваться к магнитным материалам, но сами не сохраняют постоянный магнетизм). Электромагниты создаются путем пропускания электрического тока через провод, намотанный вокруг такого материала, как железо (или в любой ситуации, в которой есть движущийся электрический заряд).

Магнитные материалы могут притягиваться друг к другу или отталкиваться, в зависимости от того, какие части этих материалов собраны вместе.

Магнитные поля

Так же, как электрическая сила и сила гравитации, объекты, которые действуют друг на друга магнитными силами, создают вокруг себя поле.Например, стержневой магнит создает магнитное поле в пространстве вокруг себя, в результате чего любые другие магниты или ферромагнитные материалы, попадающие в это поле, чувствуют силу.

Один из способов визуализации магнитного поля — использовать железные опилки. Железные опилки — это маленькие кусочки железа, которые при рассыпании вокруг магнита выравниваются по линиям внешнего магнитного поля, позволяя вам их визуализировать.

Единицей СИ, связанной с напряженностью магнитного поля, является тесла.2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}

Другой распространенной единицей, связанной с напряженностью магнитного поля, является гаусс.

Типы магнетизма

Существует много различных типов магнетизма:

Парамагнетизм описывает определенные материалы, которые могут быть слабо притянуты к магнитам, но сами не сохраняют постоянное магнитное поле. В присутствии внешнего поля они будут формировать внутренние индуцированные магнитные поля, которые выравниваются.Это может привести к временному усилению магнитного поля в целом. Есть много разных типов парамагнитных материалов, в том числе некоторые драгоценные камни.

Диамагнетизм — это свойство, присущее всем материалам, но обычно оно наиболее очевидно у материалов, которые мы считаем немагнитными. Диамагнитные материалы очень слабо отталкиваются магнитными полями. В постоянных магнитах и ​​парамагнитных материалах эффекты диамагнетизма незначительны.

Электромагнетизм возникает, когда электрический ток проходит через провод.Этот провод может быть намотан на железный стержень, чтобы усилить эффект, поскольку железо будет создавать собственное магнитное поле, которое выравнивается с внешним полем. Эта форма магнетизма является прямым результатом того факта, что движение электронов создает магнитное поле. (Опять же, электричество и магнетизм — две стороны одного и того же фундаментального физического свойства!)

Ферромагнетизм описывает, как определенные материалы, называемые ферромагнитными материалами, образуют постоянные магниты, которые более подробно обсуждаются в следующем разделе.

Ферромагнитные материалы

Материалы, которые сильно притягиваются магнитами, называются ферромагнитными. Железо — самый распространенный материал этого типа. (Это неудивительно, поскольку латинский префикс ferro — означает «железо».)

Ферромагнитные материалы имеют так называемые магнитные домены; то есть области внутри них, похожие на магниты, но ориентированные в разных направлениях, так что общий эффект нейтрализуется, и они обычно не действуют как магниты.Однако, если эти материалы поместить в магнитные поля, это может вызвать выравнивание доменов, так что все они будут выровнены в одном направлении, и, следовательно, они сами станут (часто временно) подобными магнитам.

Ферромагнитные материалы включают магнитный камень, железо, никель, кобальт и различные редкоземельные материалы, включая неодим.

Стержневые магниты, диполи и магнитные свойства

Стержневой магнит представляет собой прямоугольный или цилиндрический стержень из магнитного материала.Концы стержневого магнита — это северный и южный полюса. Это два типа магнитных полюсов, и они взаимодействуют друг с другом посредством магнитной силы аналогично тому, как положительные и отрицательные заряды взаимодействуют через электрическую силу.

Барные магниты представляют собой магнитные диполи. У них есть противоположные полюса, разделенные расстоянием, как у электрического диполя. Однако одно из основных отличий заключается в том, что с магнитами у вас не может быть монополя (изолированного полюса), как у зарядов.Магнит всегда существует как диполь, и никогда как северный полюс сам по себе или южный полюс сам по себе. (Если вы разрежете стержневой магнит пополам, чтобы попытаться разделить полюса, вы просто получите два меньших диполярных магнита!)

Магнитное поле Земли

Как вы, вероятно, знаете, у Земли есть магнитное поле. Это позволяет людям использовать компасы, чтобы определить, в каком направлении они смотрят относительно полюсов. Магнитный компас состоит из небольшого магнита, который может свободно перемещаться и выравниваться с любым внешним полем.Красный конец стрелки компаса указывает на север. Магнитное поле Земли действует как гигантский стержневой магнит. Этот воображаемый стержневой магнит ориентирован так, что северный конец магнита находится на южном полюсе Земли, а южный конец магнита — на северном полюсе Земли.

Магнитное поле Земли также в большинстве мест не параллельно поверхности Земли. Вы можете определить склонение магнитного поля Земли с помощью погружной иглы. Сначала сориентируйте стрелку по горизонтали и совместите ее с магнитным севером Земли.Затем поверните его вертикально и соблюдайте угол наклона. Угол тем больше, чем ближе вы к полюсам.

Магнитное поле Земли создает область пространства, окружающую планету, которая называется магнитосферой. Магнитосфера по сути выглядит как магнитное поле очень большого стержневого магнита, выровненного близко к оси Земли, хотя магнитосфера может деформироваться при взаимодействии с заряженными частицами.

Магнитосфера защищает нас от солнечного ветра, который содержит заряженные частицы.Взаимодействия между этими частицами и силовыми линиями магнитного поля вызывают полярные сияния.

Примеры

Явление магнетизма используется во всех видах повседневных приложений.

Явление электромагнетизма позволяет нам преобразовывать механическую энергию в электрическую в электрических генераторах. В электрических генераторах используются механические средства для вращения турбины (дующий ветер или проточная вода), которая изменяет магнитное поле относительно проволочных катушек, вызывая протекание тока.

Электродвигатели, по сути, противоположны электрическим генераторам, использующим электромагнетизм для преобразования электрической энергии в механическую, будь то электродрель, миксер или электромобиль.

Промышленные электромагниты — это гигантские магниты с очень сильными магнитными полями, которые позволяют собирать старые автомобили на свалке.

Аппараты МРТ используют сильные магнитные поля для создания изображений ваших внутренних органов и позволяют врачам диагностировать целый ряд заболеваний.

Магнитное поле Земли

Магнитосфера защищает поверхность Земли от заряженных частиц солнечного ветра и генерируется электрическими токами, расположенными во многих различных частях Земли. Он сжимается на дневной (солнечной) стороне за счет силы приходящих частиц и расширяется на ночной стороне. (Изображение не в масштабе.) Разница между магнитным севером и «истинным» севером.

Магнитное поле Земли (и поверхностное магнитное поле ) приблизительно представляет собой магнитный диполь, с S-полюсом магнитного поля вблизи географического северного полюса Земли (см. Северный магнитный полюс) и северным полюсом другого магнитного поля вблизи географического южный полюс (см. Южный магнитный полюс).Благодаря этому компас можно использовать для навигации. Причину возникновения поля можно объяснить теорией динамо. Магнитное поле распространяется бесконечно, но ослабевает по мере удаления от источника. Магнитное поле Земли, также называемое геомагнитным полем , которое эффективно распространяется на несколько десятков тысяч километров в космос, формирует магнитосферу Земли. Палеомагнитное исследование австралийского красного дацита и подушечного базальта оценило возраст магнитного поля как минимум 3,5 миллиарда лет. ^{[1] [2]}

Важность

Моделирование взаимодействия между магнитным полем Земли и межпланетным магнитным полем.

Земля в значительной степени защищена от солнечного ветра, потока энергичных заряженных частиц, исходящих от Солнца, своим магнитным полем, которое отклоняет большинство заряженных частиц. Некоторые из заряженных частиц солнечного ветра захвачены в радиационном поясе Ван Аллена.Меньшему количеству частиц солнечного ветра удается перемещаться, как по линии передачи электромагнитной энергии, в верхние слои атмосферы и ионосферу Земли в зонах полярных сияний. Единственный раз, когда солнечный ветер наблюдается на Земле, — это когда он достаточно силен, чтобы вызывать такие явления, как полярное сияние и геомагнитные бури. Яркие полярные сияния сильно нагревают ионосферу, заставляя ее плазму расширяться в магнитосферу, увеличивая размер плазменной геосферы и вызывая утечку атмосферного вещества в солнечный ветер.Геомагнитные бури возникают, когда давление плазмы, содержащейся внутри магнитосферы, достаточно велико, чтобы раздуваться и тем самым искажать геомагнитное поле.

Солнечный ветер отвечает за общую форму магнитосферы Земли, и колебания ее скорости, плотности, направления и увлекаемого магнитного поля сильно влияют на локальную космическую среду Земли. Например, уровни ионизирующего излучения и радиопомех могут варьироваться от сотен до тысяч раз; а форма и расположение магнитопаузы и головной ударной волны перед ней могут изменяться на несколько радиусов Земли, подвергая геосинхронные спутники прямому солнечному ветру.Эти явления собирательно называются космической погодой. Механизм атмосферного разрыва вызван захватом газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. ^[3] Изменения напряженности магнитного поля коррелировали с изменением количества осадков в тропиках. ^[4]

Магнитные полюса и магнитный диполь

Основные статьи: Северный магнитный полюс и Южный магнитный полюс Магнитное склонение от истинного севера в 1700 г.

Положение магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами ^[5] .

Часто магнитный (наклонный) полюс рассматривается как точка на поверхности Земли, где магнитное поле полностью вертикально. Другими словами, угол наклона поля Земли составляет 90 ° на северном магнитном полюсе и -90 ° на южном магнитном полюсе. На магнитном полюсе компас, удерживаемый в горизонтальной плоскости, указывает случайным образом, в то время как в противном случае он указывает почти на северный магнитный полюс или от Южного магнитного полюса, хотя существуют местные отклонения. Два полюса перемещаются независимо друг от друга и не находятся в прямо противоположных положениях на земном шаре.Магнитный полюс падения может быстро перемещаться, для Северного магнитного полюса ^[6] проводились наблюдения до 40 км в год.

Магнитное поле Земли можно точно описать полем магнитного диполя, расположенного рядом с центром Земли. Ориентация диполя определяется осью. Два положения, где ось диполя, которая лучше всего соответствует геомагнитному полю, пересекает поверхность Земли, называются Северным и Южным геомагнитными полюсами. Для наилучшего соответствия диполь, представляющий геомагнитное поле, должен быть размещен примерно в 500 км от центра Земли.Это заставляет внутренний радиационный пояс опускаться ниже в южной части Атлантического океана, где поверхностное поле является самым слабым, создавая то, что называется южноатлантической аномалией.

Если бы магнитное поле Земли было идеально дипольным, геомагнитный и магнитный полюса падения совпадали. Однако важные недиполярные члены в точном описании геомагнитного поля приводят к тому, что положения двух типов полюсов находятся в разных местах.

Характеристики поля

Напряженность поля у поверхности Земли составляет менее 30 микротеслов (0.3 гаусса) на территории, включающей большую часть Южной Америки и Южной Африки, до более чем 60 микротеслов (0,6 гаусс) вокруг магнитных полюсов в северной Канаде и на юге Австралии, а также в части Сибири. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли составила 25 Гаусс, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. ^{[9] [10]}

Поле аналогично полю стержневого магнита. Магнитное поле Земли в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре.Ядро Земли горячее, чем 1043 К, температура точки Кюри, выше которой ориентация спинов в железе становится случайной. Такая рандомизация приводит к потере намагниченности вещества.

Конвекция расплавленного железа во внешнем жидком ядре, наряду с эффектом Кориолиса, вызванным общим вращением планеты, имеет тенденцию организовывать эти «электрические токи» в валки, выровненные вдоль полярной оси север-юг. Когда проводящая жидкость течет через существующее магнитное поле, индуцируются электрические токи, которые, в свою очередь, создают другое магнитное поле.Когда это магнитное поле усиливает исходное магнитное поле, создается динамо-машина, которая поддерживает себя. Это называется теорией динамо, и она объясняет, как поддерживается магнитное поле Земли.

Еще одна особенность, которая магнитно отличает Землю от стержневого магнита, — это ее магнитосфера. На больших расстояниях от планеты преобладает поверхностное магнитное поле. Электрические токи, индуцированные в ионосфере, также создают магнитные поля. Такое поле всегда создается вблизи того места, где атмосфера находится ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на величину до одного градуса.Типичные суточные колебания напряженности поля составляют около 25 нанотесла (нТл) (т.е. ~ 1: 2 000), с вариациями в течение нескольких секунд, как правило, около 1 нТл (т.е. ~ 1: 50 000). ^[11]

Вариации магнитного поля

Геомагнитные вариации с момента последнего обращения.

Токи в ядре Земли, создающие ее магнитное поле, возникли по крайней мере 3 450 миллионов лет назад. ^{[12] [13]}

Магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения в магнитном поле Земли, вызванные железными артефактами, печами, некоторыми типами каменных построек и даже канавами и мусором в археологической геофизике.С помощью магнитных инструментов, адаптированных на основе бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок, были нанесены на карту магнитные вариации на дне океана. Базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана — содержит сильно магнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было признано исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации предоставили еще один способ изучения глубоководного дна океана.Когда вновь образованная порода охлаждается, такие магнитные материалы регистрируют магнитное поле Земли.

Часто магнитосфера Земли поражается солнечными вспышками, вызывающими геомагнитные бури, вызывающие проявления полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется с помощью K-индекса.

Недавно в магнитном поле были обнаружены утечки, которые взаимодействуют с солнечным ветром Солнца способом, противоположным первоначальной гипотезе. Во время солнечных бурь это может привести к крупномасштабным отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников. ^[14]

См. Также Магнитная аномалия

Инверсия магнитного поля

Основная статья: Инверсия геомагнитного поля

Основываясь на изучении лавовых потоков базальта во всем мире, было высказано предположение, что магнитное поле Земли меняет направление на противоположное. с интервалами от десятков тысяч до многих миллионов лет, со средним интервалом примерно 300 000 лет. ^[15] Однако последнее подобное событие, названное инверсией Брюнес – Матуяма, произошло примерно 780 000 лет назад.

Нет четкой теории относительно того, как могли произойти геомагнитные инверсии. Некоторые ученые создали модели ядра Земли, в которых магнитное поле лишь квазистабильно, а полюса могут самопроизвольно перемещаться из одной ориентации в другую в течение от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Другие ученые предполагают, что геодинамо сначала отключается самопроизвольно или из-за какого-то внешнего воздействия, такого как удар кометы, а затем перезапускается с магнитным «северным» полюсом, указывающим либо на север, либо на юг.Внешние события вряд ли будут обычными причинами инверсий магнитного поля из-за отсутствия корреляции между возрастом ударных кратеров и временем инверсий. Независимо от причины, когда магнитный полюс переключается из одного полушария в другое, это называется инверсией, тогда как временные изменения наклона диполя, которые перемещают ось диполя через экватор, а затем возвращаются к исходной полярности, называются отклонениями.

Исследования потоков лавы на горе Стинс, штат Орегон, показывают, что магнитное поле могло смещаться со скоростью до 6 градусов в день в какой-то момент истории Земли, что значительно усложняет популярное понимание того, как работает магнитное поле Земли. . ^[16]

Палеомагнитные исследования, подобные этим, обычно состоят из измерений остаточной намагниченности вулканических пород. Осадки, отложенные на дне океана, ориентируются в соответствии с местным магнитным полем, сигнал, который может быть записан по мере их затвердевания. Хотя залежи магматических пород в основном парамагнитны, они действительно содержат следы ферри- и антиферромагнитных материалов в виде оксидов железа, что дает им способность обладать остаточной намагниченностью.Фактически, эта характеристика довольно часто встречается во многих других типах горных пород и отложений, обнаруженных по всему миру. Одним из наиболее распространенных оксидов, обнаруживаемых в природных отложениях горных пород, является магнетит.

В качестве примера того, как это свойство магматических пород позволяет нам определить, что поле Земли в прошлом менялось, рассмотрим измерения магнетизма на океанских хребтах. Прежде чем магма выйдет из мантии через трещину, она имеет чрезвычайно высокую температуру, превышающую температуру Кюри любого закиси железа, который она может содержать.Лава начинает остывать и затвердевать, когда попадает в океан, позволяя этим оксидам железа в конечном итоге восстановить свои магнитные свойства, в частности, способность удерживать остаточную намагниченность. Если предположить, что единственное магнитное поле, присутствующее в этих местах, связано с самой Землей, эта затвердевшая порода становится намагниченной в направлении геомагнитного поля. Хотя напряженность поля довольно мала, а содержание железа в типичных образцах горных пород невелико, относительно небольшая остаточная намагниченность образцов находится в пределах разрешающей способности современных магнитометров.Затем можно измерить возраст и намагниченность застывших образцов лавы, чтобы определить ориентацию геомагнитного поля в древние эпохи.

Обнаружение магнитного поля

Отклонения модели магнитного поля от данных измерений, данных, созданных спутниками с чувствительными магнитометрами

Напряженность магнитного поля Земли была измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 году и с тех пор неоднократно измерялась, показывая относительное ослабление около 10% за последние 150 лет. ^[17] Спутник Magsat и более поздние спутники использовали 3-осевые векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник Эрстеда позволил провести сравнение, показывающее динамическое геодинамо в действии, которое, по-видимому, порождает альтернативный полюс под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки. ^[18]

Правительства иногда используют подразделения, специализирующиеся на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно являющиеся частью национальной геологической службы, например, обсерватория Эскдалемуир Британской геологической службы.Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека. (См. Магнитную бурю.)

Международная сеть магнитных обсерваторий в реальном времени с более чем 100 взаимосвязанными геомагнитными обсерваториями по всему миру с 1991 года регистрирует магнитное поле Земли.

Военные определяют местные характеристики геомагнитного поля по порядку для обнаружения аномалий на естественном фоне, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, например, затопленной подводной лодкой.Как правило, эти детекторы магнитных аномалий используются в самолетах, таких как британский Nimrod, или буксируются в качестве инструмента или набора инструментов с надводных кораблей.

В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления естественных аномалий рудных тел, таких как Курская магнитная аномалия.

Животные, включая птиц и черепах, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать это поле для навигации во время миграции. ^[19] Коровы и дикие олени склонны выстраивать свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под высоковольтными линиями электропередач, что заставляет исследователей полагать, что причиной этого является магнетизм. Дайсон, П.Дж. (2009). «Биология: электрические коровы». Nature 458 (7237): 389. DOI: 10.1038 / 458389a. PMID 19325587.

Внешние ссылки

• Уильям Дж. Брод, Будет ли компас указывать на юг? . New York Times, 13 июля 2004 г.
• John Roach, Почему меняется магнитное поле Земли? . National Geographic, 27 сентября 2004 г.
• Когда север идет на юг . Проекты в области научных вычислений, 1996.
• Трехмерный имитатор заряженных частиц в магнитном поле Земли . Инструмент, предназначенный для трехмерного моделирования заряженных частиц в магнитосфере. [Требуется подключаемый модуль VRML]
• Великий Магнит, Земля , История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерном.
• Исследование магнитосферы Земли , Образовательный веб-сайт Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм — это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы.Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы в поле за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм. Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм. За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics. Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно.В этом случае их магнитные поля направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (NDT), направление их вращения определяет направление магнитного поля. Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля дипольные, с северным и южным магнитными полюсами. По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а подобные полюса (северный и северный, или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра.Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты. Как ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов сохраняется без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит.Постоянные магниты — результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe ₃ O ₄ . Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или вблизи нее, и иногда они намагничиваются. Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень — это магнетит, пораженный молнией», — говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что можно намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитным камнем, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивался в направлении север-юг. Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы, помимо железа, обладают ферромагнитными свойствами.К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах. Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо.По словам Джеральда Кюстлера, широко публикуемого независимого немецкого исследователя и изобретателя, в его статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; потому что, когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита ».

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю. Это заставляет все материалы отталкиваться постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может подниматься над сверхсильным редкоземельным магнитом.Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в свое немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом.Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за многих общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует в проводе ток. И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора.Согласно Руководству по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутрь катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морсом, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности.Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа. Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушка вокруг магнита также может двигаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления.Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам. Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных металлов теперь используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку входить и выходить по магнитному сердечнику по той же схеме.Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе. Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была улучшена и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

Применения электромагнитов почти бесчисленны. Закон индукции Фарадея составляет основу многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров.Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку металлолома, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

Магнитные свойства — Химия LibreTexts

Магнитный момент системы измеряет силу и направление ее магнетизма.Сам термин обычно относится к магнитному дипольному моменту. Все, что является магнитным, например стержневой магнит или петля электрического тока, обладает магнитным моментом. Магнитный момент — это векторная величина, имеющая величину и направление. Электрон обладает магнитным дипольным моментом электрона, порожденным внутренним свойством спина электрона, что делает его движущимся электрическим зарядом. Есть много различных магнитных свойств, включая парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.

Интересной характеристикой переходных металлов является их способность образовывать магниты.Комплексы металлов, которые имеют неспаренные электроны, являются магнитными. Поскольку последние электроны находятся на d-орбиталях, этот магнетизм должен быть связан с наличием неспаренных d-электронов. Спин отдельного электрона обозначается квантовым числом \ (m_s \) как + (1/2) или — (1/2). Этот спин отменяется, когда электрон спарен с другим, но создает слабое магнитное поле, когда электрон не спарен. Более неспаренные электроны усиливают парамагнитные эффекты. Электронная конфигурация переходного металла (d-блок) изменяется в координационном соединении; это происходит из-за сил отталкивания между электронами в лигандах и электронами в соединении.В зависимости от силы лиганда соединение может быть парамагнитным или диамагнитным.

Ферромагнетизм (постоянный магнит)

Ферромагнетизм — это основной механизм, с помощью которого определенные материалы (например, железо) образуют постоянные магниты . Это означает, что соединение демонстрирует постоянные магнитные свойства, а не проявляет их только в присутствии внешнего магнитного поля (рис. \ (\ PageIndex {1} \)). В ферромагнитном элементе электроны атомов сгруппированы в домены, в которых каждый домен имеет одинаковый заряд.В присутствии магнитного поля эти домены выстраиваются так, что заряды параллельны по всему соединению. Может ли соединение быть ферромагнитным или нет, зависит от количества неспаренных электронов и размера его атома.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Ферромагнетизм (а) немагнитный материал и (2) намагниченный материал с соответствующими магнитными полями.

Ферромагнетизм, постоянный магнетизм, связанный с никелем, кобальтом и железом, — обычное явление в повседневной жизни.Примеры знания и применения ферромагнетизма включают обсуждение Аристотеля в 625 г. до н.э., использование компаса в 1187 г. и современный холодильник. Эйнштейн продемонстрировал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны в его специальной теории относительности.

Парамагнетизм (притяжение магнитного поля)

Парамагнетизм относится к магнитному состоянию атома с одним или несколькими неспаренными электронами. Непарные электроны притягиваются магнитным полем из-за магнитных дипольных моментов электронов.Правило Хунда гласит, что электроны должны занять каждую орбиталь по отдельности, прежде чем любая орбиталь будет занята дважды. Это может привести к тому, что в атоме останется много неспаренных электронов. Поскольку неспаренные электроны могут вращаться в любом направлении, они проявляют магнитные моменты в любом направлении. Эта способность позволяет парамагнитным атомам притягиваться к магнитным полям. Двухатомный кислород, \ (O_2 \), является хорошим примером парамагнетизма (описанного с помощью теории молекулярных орбиталей). На следующем видео показан жидкий кислород, притягиваемый магнитным полем, созданным сильным магнитом:

Видео \ (\ PageIndex {1} \): Парамагнетизм жидкого кислорода

Диамагнетизм (отталкивается магнитным полем)

Как показано на видео, молекулярный кислород (\ (\ ce {O2} \)) парамагнитен и притягивается к магниту.Напротив, молекулярный азот (\ (\ ce {N_2} \)) не имеет неспаренных электронов и является диамагнитным; на него не действует магнит. Диамагнитные вещества характеризуются парными электронами, например, отсутствием неспаренных электронов. Согласно принципу исключения Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно, спины электронов ориентированы в противоположных направлениях. Это приводит к нейтрализации магнитных полей электронов; таким образом, нет чистого магнитного момента, и атом не может быть притянут в магнитное поле.Фактически, диамагнитные вещества слабо отталкиваются магнитным полем, как показано на листе пиролитического углерода на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Левитирующий пиролитический углерод: небольшой (~ 6 мм) кусок пиролитического графита, парящий над массивом постоянных неодимовых магнитов (5-миллиметровые кубы на куске стали). Обратите внимание, что полюса магнитов выровнены по вертикали и чередуются (два с севером вверх и два с югом вверх по диагонали).(Общественное достояние; Splarka через Википедию).

Как определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Магнитные свойства вещества можно определить, исследуя его электронную конфигурацию: если у него есть неспаренные электроны, то вещество парамагнитно, а если все электроны спарены, вещество тогда диамагнитно. Этот процесс можно разбить на три этапа:

1. Запишите конфигурацию электроники
2. Нарисуйте валентные орбитали
3. Определить, существуют ли неспаренные электроны
4. Определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Пример \ (\ PageIndex {1} \): атомы хлора

Шаг 1: Найдите электронную конфигурацию

Для атомов Cl электронная конфигурация 3s ² 3p ⁵

Шаг 2. Изобразите валентные орбитали

Игнорируйте остовные электроны и сосредоточьтесь только на валентных электронах.

Шаг 3: Ищите неспаренные электроны

Есть один неспаренный электрон.

Шаг 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Поскольку существует неспаренный электрон, атомы \ (\ ce {Cl} \) парамагнитны (хотя и слабо).

Пример \ (\ PageIndex {2} \): атомы цинка

Шаг 1: Найдите электронную конфигурацию

Для атомов Zn электронная конфигурация 4s ² 3d ¹⁰

Шаг 2. Изобразите валентные орбитали

Шаг 3: Ищите неспаренные электроны

Нет неспаренных электронов.

Шаг 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Поскольку неспаренных электронов нет, атомы \ (\ ce {Zn} \) диамагнитны.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

1. Сколько неспаренных электронов содержится в атомах кислорода?
2. Сколько неспаренных электронов находится в атомах брома?
3. Укажите, являются ли атомы бора парамагнитными или диамагнитными. {-}} \) парамагнитными или диамагнитными.{2 +}} \) ионы бывают парамагнитными или диамагнитными.

Ответьте на

Атом O имеет электронную конфигурацию 2s ² 2p ⁴ . Следовательно, O имеет 2 неспаренных электрона.

Ответ б

Атом Br имеет электронную конфигурацию 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁵ . Следовательно, Br имеет 1 неспаренный электрон.

Ответ c

Атом B имеет 2s ² 2p ¹ в качестве электронной конфигурации.{2 +}} \) ион имеет электронную конфигурацию 3d ⁶ . Поскольку он имеет 4 неспаренных электрона, он парамагнитен.

магнетизм | Национальное географическое общество

Магнетизм — это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга. Магнетизм вызывается движением электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, несущие электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или остова атома.Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ равное количество электронов вращается в противоположных направлениях, что нейтрализует их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, считаются слабомагнитными. В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не магниты.

Чтобы стать намагниченным, другое сильно магнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита.Магнитное поле — это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются. Когда вы протираете кусок железа по магниту, северные полюса атомов в железе выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Железка стала магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током.Когда электричество проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, ​​как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля — ​​это магнит. Ученые не до конца понимают, почему, но они думают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли порождает электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности далеко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов фиксируется в породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы. Когда лава остывает и превращается в твердую породу, сильно магнитные частицы внутри породы намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли.Таким образом, камни фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи горных пород, образовавшихся в одно и то же время, похоже, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно перемещаются. Таким образом, плиты, на которых застывала порода, переместились с тех пор, как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись на противоположный вид — сотни раз с момента образования Земли.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Следовательно, это может быть полезным инструментом, помогающим людям сориентироваться. Сотни лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли. Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует в области, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу.Солнечный ветер, заряженные частицы от Солнца, прижимает магнитосферу к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в форме капли на теневой стороне.

Магнитосфера защищает Землю от большинства частиц, но некоторые из них просачиваются сквозь нее и попадают в ловушку. Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами газа в верхних слоях атмосферы вокруг геомагнитных полюсов, они создают световые эффекты, называемые полярными сияниями. Эти полярные сияния появляются над такими местами, как Аляска, Канада и Скандинавия, где их иногда называют «Северным сиянием».«Южное сияние» можно увидеть в Антарктиде и Новой Зеландии.

22.3 Магнитные поля и линии магнитного поля — College Physics

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка ощущала силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно мыслить о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности.Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле для представления магнитных сил. Графическое изображение силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на рисунке 22.15, направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют полем B .

Рис. 22.15 Линии магнитного поля определяются так, чтобы они имели направление, на которое указывает маленький компас при размещении в определенном месте.(a) Если для отображения магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в показанных направлениях: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита. (Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (B) Соединение стрелок дает непрерывные линии магнитного поля. Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. (c) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры.

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, его не побеспокоят. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с помощью небольшого пробного заряда. В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не тестирующий их зонд.) На рисунке 22.16 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинный прямой провод, который можно исследовать с помощью небольшого компаса. Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B .Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.

Рис. 22.16. Маленькие компасы можно использовать для картирования полей, показанных здесь. (а) Магнитное поле круговой токовой петли похоже на магнитное поле стержневого магнита. (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, наконечника стрелки).

Установление соединений: концепция поля

Поле — это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.

Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем линии магнитного поля для представления поля (линии — это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе).Свойства силовых линий магнитного поля можно описать следующими правилами:

1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
2. Сила поля пропорциональна близости линий. Она точно пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (называемой плотностью площади).
3. Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
4. Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса не могут быть разделены.