Cosa sono in sostanza i campi magnetici. Cambiamenti nelle proprietà magnetiche dei materiali
I campi magnetici sono presenti in natura e possono essere creati artificialmente. Una persona ha notato le loro caratteristiche utili, che ha imparato ad applicare nella vita di tutti i giorni. Qual è la sorgente del campo magnetico?
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Campo magnetico terrestre
Come si è sviluppata la dottrina del campo magnetico
Le proprietà magnetiche di alcune sostanze furono notate nell'antichità, ma il loro studio iniziò davvero nell'Europa medievale. Usando piccoli aghi d'acciaio, uno scienziato francese, Peregrine, ha scoperto l'intersezione di linee di forza magnetiche in determinati punti: i poli. Solo tre secoli dopo, guidato da questa scoperta, Gilbert continuò a studiarlo e successivamente difese la sua ipotesi che la Terra avesse un proprio campo magnetico.
Il rapido sviluppo della teoria del magnetismo iniziò all'inizio del XIX secolo, quando Ampère scoprì e descrisse l'influenza di un campo elettrico sulla presenza di un campo magnetico e la scoperta di Faraday dell'induzione elettromagnetica stabilì una relazione inversa.
Cos'è un campo magnetico
Il campo magnetico si manifesta nell'effetto della forza su cariche elettriche in movimento, o su corpi che hanno momento magnetico.
Sorgenti di campo magnetico:
- conduttori attraverso i quali passa la corrente elettrica;
- magneti permanenti;
- campo elettrico variabile.
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Sorgenti di campo magnetico
La causa principale del campo magnetico è identica per tutte le sorgenti: le microcariche elettriche - elettroni, ioni o protoni - hanno il proprio momento magnetico o sono in movimento direzionale.
Importante! Generano reciprocamente campi elettrici e magnetici che cambiano nel tempo. Questa relazione è determinata dalle equazioni di Maxwell.
Caratteristiche del campo magnetico
Le caratteristiche del campo magnetico sono:
- Flusso magnetico, una quantità scalare che determina quante linee di campo magnetico attraversano una data sezione. Designato con la lettera F. Calcolato secondo la formula:
F = B x S x cos α,
dove B è il vettore di induzione magnetica, S è la sezione, α è l'angolo di inclinazione del vettore rispetto alla perpendicolare tracciata al piano di sezione. Unità di misura - weber (Wb);
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flusso magnetico
- Il vettore di induzione magnetica (B) mostra la forza che agisce sui portatori di carica. È diretto verso il polo nord, dove punta il solito ago magnetico. Quantitativamente, l'induzione magnetica si misura in tesla (Tl);
- Tensione MP (N). È determinato dalla permeabilità magnetica di vari mezzi. Nel vuoto, la permeabilità è considerata come unità. La direzione del vettore intensità coincide con la direzione dell'induzione magnetica. Unità di misura - A / m.
Come rappresentare un campo magnetico
È facile vedere le manifestazioni del campo magnetico sull'esempio di un magnete permanente. Ha due poli e, a seconda dell'orientamento, i due magneti si attraggono o si respingono. Il campo magnetico caratterizza i processi che si verificano in questo caso:
- MP è matematicamente descritto come un campo vettoriale. Può essere costruito mediante tanti vettori di induzione magnetica B, ognuno dei quali è diretto verso il polo nord dell'ago della bussola e ha una lunghezza dipendente dalla forza magnetica;
- Un modo alternativo di rappresentare è usare le linee di forza. Queste linee non si intersecano mai, non iniziano né si fermano mai da nessuna parte, formando anelli chiusi. Le linee MF si combinano in regioni più frequenti dove il campo magnetico è più forte.
Importante! La densità delle linee di campo indica l'intensità del campo magnetico.
Sebbene l'MF non possa essere visto nella realtà, le linee di forza possono essere facilmente visualizzate nel mondo reale inserendo limatura di ferro nell'MF. Ogni particella si comporta come un minuscolo magnete con un polo nord e uno sud. Il risultato è uno schema simile alle linee di forza. Una persona non è in grado di sentire l'impatto di MP.
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Linee del campo magnetico
Misura del campo magnetico
Poiché si tratta di una grandezza vettoriale, ci sono due parametri per misurare MF: forza e direzione. La direzione è facile da misurare con una bussola collegata al campo. Un esempio è una bussola posta nel campo magnetico terrestre.
La misurazione di altre caratteristiche è molto più difficile. I magnetometri pratici apparvero solo nel XIX secolo. La maggior parte di loro funziona usando la forza che l'elettrone sente quando si muove attraverso il campo magnetico.
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Magnetometro
La misurazione molto accurata di piccoli campi magnetici è diventata pratica dalla scoperta nel 1988 della magnetoresistenza gigante nei materiali stratificati. Questa scoperta nella fisica fondamentale è stata rapidamente applicata alla tecnologia dei dischi rigidi magnetici per l'archiviazione dei dati nei computer, determinando un aumento di mille volte della capacità di archiviazione in pochi anni.
Nei sistemi di misurazione generalmente accettati, MF è misurato in test (T) o in gauss (G). 1 T = 10000 gauss. Gauss è spesso usato perché Tesla è un campo troppo grande.
Interessante. Un piccolo magnete da frigo crea un MF pari a 0,001 T, e il campo magnetico terrestre, in media, è di 0,00005 T.
La natura del campo magnetico
Magnetismo e campi magnetici sono manifestazioni della forza elettromagnetica. Ci sono due modi possibili per organizzare una carica energetica in movimento e, di conseguenza, un campo magnetico.
Il primo è collegare il filo a una sorgente di corrente, attorno ad esso si forma un MF.
Importante! All'aumentare della corrente (il numero di cariche in movimento), l'MP aumenta proporzionalmente. Man mano che ti allontani dal filo, il campo diminuisce con la distanza. Questo è descritto dalla legge di Ampère.
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Legge di Ampère
Alcuni materiali con una maggiore permeabilità magnetica sono in grado di concentrare i campi magnetici.
Poiché il campo magnetico è un vettore, è necessario determinarne la direzione. Per una corrente ordinaria che scorre attraverso un filo rettilineo, la direzione può essere trovata con la regola della mano destra.
Per usare la regola bisogna immaginare che il filo sia afferrato dalla mano destra e che il pollice indichi la direzione della corrente. Quindi le altre quattro dita mostreranno la direzione del vettore di induzione magnetica attorno al conduttore.
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Regola della mano destra
Il secondo modo per creare un MF è sfruttare il fatto che gli elettroni compaiono in alcune sostanze che hanno il loro momento magnetico. Ecco come funzionano i magneti permanenti:
- Sebbene gli atomi abbiano spesso molti elettroni, sono per lo più collegati in modo tale che il campo magnetico totale della coppia si annulla. Si dice che due elettroni accoppiati in questo modo abbiano spin opposti. Pertanto, per magnetizzare qualcosa, hai bisogno di atomi che abbiano uno o più elettroni con lo stesso spin. Ad esempio, il ferro ha quattro di questi elettroni ed è adatto per fabbricare magneti;
- Miliardi di elettroni negli atomi possono essere orientati in modo casuale e non ci sarà un campo magnetico comune, indipendentemente dal numero di elettroni spaiati del materiale. Deve essere stabile a bassa temperatura per fornire un orientamento elettronico preferito complessivo. L'elevata permeabilità magnetica provoca la magnetizzazione di tali sostanze in determinate condizioni al di fuori dell'influenza del campo magnetico. Questi sono ferromagneti;
- Altri materiali possono presentare proprietà magnetiche in presenza di un campo magnetico esterno. Il campo esterno serve a equalizzare tutti gli spin degli elettroni, che scompare dopo la rimozione dell'MF. Queste sostanze sono paramagnetiche. Il metallo della porta del frigorifero è un esempio di paramagnete.
Campo magnetico terrestre
La terra può essere rappresentata sotto forma di piastre del condensatore, la cui carica ha il segno opposto: "meno" - sulla superficie terrestre e "più" - nella ionosfera. Tra di loro c'è l'aria atmosferica come guarnizione isolante. Il condensatore gigante mantiene una carica costante a causa dell'influenza del campo magnetico terrestre. Usando questa conoscenza, è possibile creare uno schema per ottenere energia elettrica dal campo magnetico terrestre. È vero, il risultato saranno valori di bassa tensione.
Dover prendere:
- dispositivo di messa a terra;
- il cavo;
- Trasformatore di Tesla, in grado di generare oscillazioni ad alta frequenza e creare una scarica a corona, ionizzando l'aria.
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Bobina di Tesla
La bobina di Tesla fungerà da emettitore di elettroni. L'intera struttura è collegata tra loro e, per garantire una sufficiente differenza di potenziale, il trasformatore deve essere sollevato ad un'altezza considerevole. Pertanto, verrà creato un circuito elettrico, attraverso il quale scorrerà una piccola corrente. È impossibile ottenere una grande quantità di elettricità utilizzando questo dispositivo.
L'elettricità e il magnetismo dominano molti dei mondi che circondano l'uomo: dai processi più fondamentali in natura ai dispositivi elettronici all'avanguardia.
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Il termine "campo magnetico" di solito indica un certo spazio energetico in cui si manifestano le forze dell'interazione magnetica. Influiscono su:
singole sostanze: ferrimagneti (metalli - principalmente ghisa, ferro e loro leghe) e la loro classe di ferriti, indipendentemente dallo stato;
cariche elettriche in movimento.
Vengono chiamati corpi fisici che hanno un momento magnetico totale di elettroni o altre particelle magneti permanenti. La loro interazione è mostrata nell'immagine. linee magnetiche di potenza.
Sono stati formati dopo aver portato un magnete permanente sul retro di un foglio di cartone con uno strato uniforme di limatura di ferro. L'immagine mostra una chiara marcatura dei poli nord (N) e sud (S) con la direzione delle linee di forza rispetto al loro orientamento: l'uscita dal polo nord e l'ingresso a sud.
Come si crea un campo magnetico
Le sorgenti del campo magnetico sono:
magneti permanenti;
spese mobili;
campo elettrico variabile nel tempo.
Ogni bambino dell'asilo conosce l'azione dei magneti permanenti. Dopotutto, doveva già scolpire immagini-magneti sul frigorifero, prese da pacchi con ogni sorta di chicche.
Le cariche elettriche in movimento di solito hanno un'energia del campo magnetico molto più elevata rispetto a. È anche indicato da linee di forza. Analizziamo le regole per la loro progettazione per un conduttore rettilineo con corrente I.
La linea di forza magnetica è tracciata in un piano perpendicolare al movimento della corrente in modo che in ogni punto la forza che agisce sul polo nord dell'ago magnetico sia diretta tangenzialmente a questa linea. Questo crea cerchi concentrici attorno alla carica in movimento.
La direzione di queste forze è determinata dalla ben nota regola di una vite o di un succhiello con avvolgimento di filettatura destrorsa.
regola del succhiello
E' necessario posizionare il succhiello coassialmente al vettore di corrente e ruotare la maniglia in modo che il movimento traslatorio del succhiello coincida con la sua direzione. Quindi l'orientamento delle linee di forza magnetiche verrà mostrato ruotando la maniglia.
Nel conduttore ad anello, il movimento rotatorio della maniglia coincide con la direzione della corrente e il movimento traslatorio indica l'orientamento dell'induzione.
Le linee del campo magnetico escono sempre dal polo nord ed entrano nel sud. Continuano all'interno del magnete e non sono mai aperti.
Regole per l'interazione dei campi magnetici
I campi magnetici provenienti da sorgenti diverse vengono sommati tra loro, formando il campo risultante.
In questo caso, i magneti con poli opposti (N - S) sono attratti l'uno dall'altro e con gli stessi poli (N - N, S - S) vengono respinti. Le forze di interazione tra i poli dipendono dalla distanza tra loro. Più i poli vengono spostati, maggiore è la forza generata.
Principali caratteristiche del campo magnetico
Questi includono:
vettore di induzione magnetica (B);
flusso magnetico (F);
collegamento di flusso (Ψ).
L'intensità o la forza dell'impatto del campo è stimata dal valore vettore di induzione magnetica. È determinato dal valore della forza "F" creata dal passaggio della corrente "I" attraverso un conduttore di lunghezza "l". B \u003d F / (I ∙ l)
L'unità di misura dell'induzione magnetica nel sistema SI è Tesla (in memoria del fisico scienziato che studiò questi fenomeni e li descrisse usando metodi matematici). Nella letteratura tecnica russa è designato "Tl" e nella documentazione internazionale viene adottato il simbolo "T".
1 T è l'induzione di un tale flusso magnetico uniforme, che agisce con una forza di 1 newton su ogni metro di lunghezza di un conduttore rettilineo perpendicolare alla direzione del campo, quando una corrente di 1 ampere passa attraverso questo conduttore.
1Tl=1∙N/(A∙m)
La direzione del vettore B è determinata da regola della mano sinistra.
Se posizioni il palmo della mano sinistra in un campo magnetico in modo che le linee di forza dal polo nord entrino nel palmo ad angolo retto e metti quattro dita nella direzione della corrente nel conduttore, allora il pollice sporgente indicare la direzione della forza su questo conduttore.
Nel caso in cui il conduttore con corrente elettrica non si trovi ad angolo retto rispetto alle linee del campo magnetico, la forza che agisce su di esso sarà proporzionale all'entità della corrente che scorre e alla parte componente della proiezione della lunghezza del conduttore con corrente su un piano situato nella direzione perpendicolare.
La forza che agisce sulla corrente elettrica non dipende dai materiali di cui è costituito il conduttore e dalla sua sezione trasversale. Anche se questo conduttore non esiste affatto e le cariche in movimento iniziano a muoversi in un altro mezzo tra i poli magnetici, questa forza non cambierà in alcun modo.
Se all'interno del campo magnetico in tutti i punti il vettore B ha la stessa direzione e grandezza, allora tale campo è considerato uniforme.
Qualsiasi ambiente che ha , influenza il valore del vettore di induzione B .
Flusso magnetico (F)
Se consideriamo il passaggio dell'induzione magnetica attraverso una certa area S, allora l'induzione limitata dai suoi limiti sarà chiamata flusso magnetico.
Quando l'area è inclinata di un certo angolo α rispetto alla direzione dell'induzione magnetica, il flusso magnetico diminuisce del valore del coseno dell'angolo di inclinazione dell'area. Il suo valore massimo viene creato quando l'area è perpendicolare alla sua induzione penetrante. Ô=В·S
L'unità di misura del flusso magnetico è 1 weber, che è determinato dal passaggio di 1 tesla di induzione attraverso un'area di 1 metro quadrato.
Collegamento di flusso
Questo termine viene utilizzato per ottenere la quantità totale di flusso magnetico creato da un certo numero di conduttori che trasportano corrente situati tra i poli di un magnete.
Per il caso in cui la stessa corrente I passa attraverso l'avvolgimento della bobina con il numero di spire n, allora il flusso magnetico totale (collegato) da tutte le spire è chiamato collegamento di flusso Ψ.
Ψ=n F . L'unità di collegamento del flusso è 1 weber.
Come si forma un campo magnetico da un campo elettrico alternato
Il campo elettromagnetico che interagisce con cariche elettriche e corpi con momenti magnetici è una combinazione di due campi:
elettrico;
magnetico.
Sono correlati, rappresentano una combinazione l'uno dell'altro e quando uno cambia nel tempo, si verificano alcune deviazioni nell'altro. Ad esempio, quando si crea un campo elettrico sinusoidale alternato in un generatore trifase, si forma contemporaneamente lo stesso campo magnetico con le caratteristiche di armoniche alternate simili.
Proprietà magnetiche delle sostanze
In relazione all'interazione con un campo magnetico esterno, le sostanze sono suddivise in:
antiferromagneti con momenti magnetici equilibrati, grazie ai quali si crea un grado molto piccolo di magnetizzazione del corpo;
diamagneti con la proprietà di magnetizzare il campo interno contro l'azione di quello esterno. Quando non c'è campo esterno, allora non mostrano proprietà magnetiche;
paramagneti con le proprietà di magnetizzazione del campo interno nella direzione del campo esterno, che hanno un piccolo grado;
ferromagneti, che hanno proprietà magnetiche senza un campo esterno applicato a temperature inferiori al valore del punto di Curie;
ferrimagneti con momenti magnetici sbilanciati in grandezza e direzione.
Tutte queste proprietà delle sostanze hanno trovato varie applicazioni nella tecnologia moderna.
Circuiti magnetici
Tutti i trasformatori, le induttanze, le macchine elettriche e molti altri dispositivi funzionano sulla base.
Ad esempio, in un elettromagnete funzionante, il flusso magnetico passa attraverso un circuito magnetico costituito da acciai ferromagnetici e aria con pronunciate proprietà non ferromagnetiche. La combinazione di questi elementi costituisce il circuito magnetico.
La maggior parte dei dispositivi elettrici ha circuiti magnetici nel loro design. Leggi di più in questo articolo -
UN CAMPO MAGNETICO
Il campo magnetico è un tipo speciale di materia, invisibile e intangibile per l'uomo,
esistenti indipendentemente dalla nostra coscienza.
Anche nei tempi antichi, gli scienziati-pensatori immaginavano che esistesse qualcosa attorno al magnete.
Ago magnetico.
Un ago magnetico è un dispositivo necessario per studiare l'azione magnetica di una corrente elettrica.
È un piccolo magnete montato sulla punta dell'ago, ha due poli: Nord e Sud. L'ago magnetico può ruotare liberamente sulla punta dell'ago.
L'estremità nord dell'ago magnetico punta sempre verso nord.
La linea che collega i poli dell'ago magnetico è chiamata asse dell'ago magnetico.
Un ago magnetico simile si trova in qualsiasi bussola: un dispositivo per l'orienteering a terra.
Dove ha origine il campo magnetico?
L'esperimento di Oersted (1820) - mostra come interagiscono un conduttore con corrente e un ago magnetico.
Quando il circuito elettrico viene chiuso, l'ago magnetico devia dalla sua posizione originale, quando il circuito viene aperto, l'ago magnetico ritorna nella sua posizione originale.
Nello spazio attorno a un conduttore con corrente (e nel caso generale attorno a qualsiasi carica elettrica in movimento) si forma un campo magnetico.
Le forze magnetiche di questo campo agiscono sull'ago e lo fanno girare.
In generale, si può dire
che si forma un campo magnetico attorno a cariche elettriche in movimento.
La corrente elettrica e il campo magnetico sono inseparabili l'uno dall'altro.
INTERESSANTE COSA...
Molti corpi celesti - pianeti e stelle - hanno i propri campi magnetici.
Tuttavia, i nostri vicini più prossimi - la Luna, Venere e Marte - non hanno un campo magnetico,
simile alla terra.
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Gilbert scoprì che quando un pezzo di ferro viene avvicinato a un polo di un magnete, l'altro polo inizia ad attrarsi più fortemente. Questa idea è stata brevettata solo 250 anni dopo la morte di Hilbert.
Nella prima metà degli anni '90, quando apparvero nuove monete georgiane - lari,
borseggiatori locali hanno magneti,
Perché il metallo di cui erano fatte queste monete era ben attratto da una calamita!
Se prendi una banconota da un dollaro dietro l'angolo e la porti a un potente magnete
(ad esempio, ferro di cavallo), creando un campo magnetico non uniforme, un pezzo di carta
deviare verso uno dei poli. Si scopre che il colore della banconota da un dollaro contiene sali di ferro,
avendo proprietà magnetiche, quindi il dollaro è attratto da uno dei poli del magnete.
Se porti un grande magnete alla livella a bolla del falegname, la bolla si muoverà.
Il fatto è che la livella a bolla è riempita con un liquido diamagnetico. Quando un tale liquido viene posto in un campo magnetico, al suo interno si crea un campo magnetico di direzione opposta, che viene espulso dal campo. Pertanto, la bolla nel liquido si avvicina al magnete.
DOVRESTI SAPERE DI LORO!
L'organizzatore del business della bussola magnetica nella Marina russa era un noto scienziato deviatore,
capitano di 1 ° grado, autore di lavori scientifici sulla teoria della bussola I.P. Belavan.
Membro di un viaggio intorno al mondo sulla fregata "Pallada" e partecipante alla guerra di Crimea del 1853-56. fu il primo al mondo a smagnetizzare una nave (1863)
e risolto il problema dell'installazione di bussole all'interno di un sottomarino di ferro.
Nel 1865 fu nominato capo del primo Compass Observatory del paese a Kronstadt.
