Czym w istocie są pola magnetyczne? Zmiany właściwości magnetycznych materiałów

Pola magnetyczne występują w przyrodzie i mogą być wytwarzane sztucznie. Osoba zauważyła ich przydatne cechy, które nauczyła się stosować w życiu codziennym. Jakie jest źródło pola magnetycznego?

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/1-17-768x560..jpg 795w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Pole magnetyczne Ziemi

Jak rozwinęła się doktryna pola magnetycznego

Właściwości magnetyczne niektórych substancji zauważono już w starożytności, ale ich badania tak naprawdę rozpoczęły się w średniowiecznej Europie. Za pomocą małych stalowych igieł naukowiec z Francji Peregrine odkrył przecięcie linii sił magnetycznych w pewnych punktach – biegunach. Zaledwie trzy wieki później, kierując się tym odkryciem, Gilbert kontynuował badania, a następnie bronił swojej hipotezy, że Ziemia ma własne pole magnetyczne.

Szybki rozwój teorii magnetyzmu rozpoczął się na początku XIX wieku, kiedy Ampere odkrył i opisał wpływ pola elektrycznego na powstawanie pola magnetycznego, a odkrycie indukcji elektromagnetycznej przez Faradaya ustaliło odwrotną zależność.

Co to jest pole magnetyczne

Pole magnetyczne objawia się działaniem siły na znajdujące się w ruchu ładunki elektryczne lub ciała posiadające moment magnetyczny.

Źródła pola magnetycznego:

1. Przewodniki, przez które przepływa prąd elektryczny;
2. Magnesy trwałe;
3. Zmieniające się pole elektryczne.

Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/2-18-600x307.jpg?.jpg 600w, https://elquanta. ru/wp-content/uploads/2018/02/2-18-768x393..jpg 800w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Źródła pola magnetycznego

Podstawowa przyczyna pojawienia się pola magnetycznego jest identyczna dla wszystkich źródeł: mikroładunki elektryczne - elektrony, jony lub protony - mają swój własny moment magnetyczny lub poruszają się kierunkowo.

Ważny! Pola elektryczne i magnetyczne wzajemnie się generują, zmieniając się w czasie. Zależność tę wyznaczają równania Maxwella.

Charakterystyka pola magnetycznego

Charakterystyka pola magnetycznego to:

1. Strumień magnetyczny, wielkość skalarna określająca, ile linii pola magnetycznego przechodzi przez dany przekrój poprzeczny. Oznaczone literą F. Obliczane według wzoru:

F = B x S x cos α,

gdzie B jest wektorem indukcji magnetycznej, S jest przekrojem, α jest kątem nachylenia wektora do prostopadłej poprowadzonej do płaszczyzny przekroju. Jednostka miary – weber (Wb);

Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/3-17-600x450.jpg?.jpg 600w, https://elquanta. ru/wp-content/uploads/2018/02/3-17.jpg 720w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Strumień magnetyczny

1. Wektor indukcji magnetycznej (B) pokazuje siłę działającą na nośniki ładunku. Jest skierowany w stronę bieguna północnego, gdzie wskazuje zwykła igła magnetyczna. Indukcję magnetyczną mierzy się ilościowo w teslach (T);
2. Napięcie MF (N). Określone przez przenikalność magnetyczną różnych mediów. W próżni przepuszczalność przyjmuje się jako jedność. Kierunek wektora napięcia pokrywa się z kierunkiem indukcji magnetycznej. Jednostka miary – A/m.

Jak przedstawić pole magnetyczne

Łatwo jest zobaczyć przejawy pola magnetycznego na przykładzie magnesu trwałego. Ma dwa bieguny i w zależności od orientacji oba magnesy przyciągają się lub odpychają. Pole magnetyczne charakteryzuje procesy zachodzące w jego trakcie:

1. MP jest matematycznie opisywane jako pole wektorowe. Można go zbudować za pomocą wielu wektorów indukcji magnetycznej B, z których każdy jest skierowany w stronę północnego bieguna igły kompasu i ma długość zależną od siły magnetycznej;
2. Alternatywnym sposobem przedstawienia tego jest użycie linii pola. Linie te nigdy się nie przecinają, nie zaczynają ani nie kończą w żadnym miejscu, tworząc zamknięte pętle. Linie MF łączą się w obszary o częstszym położeniu, w których pole magnetyczne jest najsilniejsze.

Ważny! Gęstość linii pola wskazuje siłę pola magnetycznego.

Chociaż MP nie można zobaczyć w rzeczywistości, linie pola można łatwo zwizualizować w świecie rzeczywistym, umieszczając w MP opiłki żelaza. Każda cząsteczka zachowuje się jak mały magnes z biegunem północnym i południowym. Rezultatem jest wzór podobny do linii siły. Osoba nie jest w stanie odczuć wpływu MP.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/4-13.jpg 640w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Linie pola magnetycznego

Pomiar pola magnetycznego

Ponieważ jest to wielkość wektorowa, istnieją dwa parametry pomiaru MF: siła i kierunek. Kierunek można łatwo zmierzyć za pomocą kompasu podłączonego do pola. Przykładem jest kompas umieszczony w polu magnetycznym Ziemi.

Pomiar innych cech jest znacznie trudniejszy. Praktyczne magnetometry pojawiły się dopiero w XIX wieku. Większość z nich działa wykorzystując siłę odczuwaną przez elektron poruszający się wzdłuż MP.

Jpg?x15027" alt="(!JĘZYK:Magnetometr" width="414" height="600">!}

Magnetometr

Bardzo precyzyjny pomiar małych pól magnetycznych stał się praktycznie wykonalny od czasu odkrycia gigantycznego magnetooporu w materiałach warstwowych w 1988 roku. To odkrycie z zakresu fizyki podstawowej szybko zastosowano w technologii magnetycznych dysków twardych do przechowywania danych w komputerach, co doprowadziło do tysiąckrotnego zwiększenia pojemności pamięci w ciągu zaledwie kilku lat.

W ogólnie przyjętych systemach pomiarowych MP mierzy się w testach (T) lub gausach (G). 1 T = 10000 Gs. Często używa się Gaussa, ponieważ Tesla jest zbyt dużym polem.

Ciekawy. Mały magnes na lodówce wytwarza pole magnetyczne o natężeniu 0,001 Tesli, a ziemskie pole magnetyczne wynosi średnio 0,00005 Tesli.

Natura pola magnetycznego

Magnetyzm i pola magnetyczne są przejawami siły elektromagnetycznej. Istnieją dwa możliwe sposoby zorganizowania ładunku energetycznego w ruchu, a co za tym idzie, pola magnetycznego.

Pierwszym jest podłączenie drutu do źródła prądu, wokół niego powstaje MF.

Ważny! Wraz ze wzrostem prądu (liczby ładunków w ruchu) MP wzrasta proporcjonalnie. W miarę oddalania się od przewodu pole zmniejsza się w zależności od odległości. Opisuje to prawo Ampera.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/6-9.jpg 720w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Prawo Ampera

Niektóre materiały o wyższej przenikalności magnetycznej są w stanie koncentrować pola magnetyczne.

Ponieważ pole magnetyczne jest wektorem, konieczne jest określenie jego kierunku. W przypadku zwykłego prądu płynącego przez prosty przewód kierunek można wyznaczyć za pomocą reguły prawej dłoni.

Aby skorzystać z reguły, musisz wyobrazić sobie, że drut jest chwytany prawą ręką, a kciuk wskazuje kierunek prądu. Następnie cztery pozostałe palce wskażą kierunek wektora indukcji magnetycznej wokół przewodnika.

Jpeg?.jpeg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/7.jpeg 612w" size="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Reguła prawej ręki

Drugi sposób wytworzenia pola magnetycznego polega na wykorzystaniu faktu, że w niektórych substancjach pojawiają się elektrony, które mają swój własny moment magnetyczny. Tak działają magnesy trwałe:

1. Chociaż atomy często mają wiele elektronów, przeważnie łączą się one w taki sposób, że całkowite pole magnetyczne pary znosi się. Mówi się, że dwa elektrony sparowane w ten sposób mają przeciwny spin. Dlatego, aby coś namagnesować, potrzebne są atomy, które mają jeden lub więcej elektronów o tym samym spinie. Na przykład żelazo ma cztery takie elektrony i nadaje się do wytwarzania magnesów;
2. Miliardy elektronów znajdujących się w atomach mogą być zorientowane losowo i nie będzie ogólnego MF, niezależnie od liczby niesparowanych elektronów w materiale. Musi być stabilny w niskich temperaturach, aby zapewnić ogólnie preferowaną orientację elektronów. Wysoka przenikalność magnetyczna powoduje namagnesowanie takich substancji w określonych warunkach poza wpływem pól magnetycznych. Są ferromagnetyczne;
3. Inne materiały mogą wykazywać właściwości magnetyczne w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Pole zewnętrzne służy do wyrównywania spinów wszystkich elektronów, co zanika po usunięciu MF. Substancje te są paramagnetyczne. Metal drzwi lodówki jest przykładem materiału paramagnetycznego.

Pole magnetyczne Ziemi

Ziemię można przedstawić w postaci płytek kondensatorów, których ładunek ma przeciwny znak: „minus” na powierzchni ziemi i „plus” w jonosferze. Pomiędzy nimi znajduje się powietrze atmosferyczne jako przekładka izolacyjna. Gigantyczny kondensator utrzymuje stały ładunek pod wpływem ziemskiego MF. Korzystając z tej wiedzy, możesz stworzyć schemat pozyskiwania energii elektrycznej z ziemskiego pola magnetycznego. To prawda, że ​​​​wynikiem będą niskie wartości napięcia.

Muszę wziąć:

• urządzenie uziemiające;
• drut;
• Transformator Tesli zdolny do generowania oscylacji o wysokiej częstotliwości i tworzenia wyładowań koronowych, jonizujących powietrze.

Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/8-3-592x600.jpg?.jpg 592w, https://elquanta. ru/wp-content/uploads/2018/02/8-3.jpg 644w" size="(max-width: 592px) 100vw, 592px">

Cewka Tesli

Cewka Tesli będzie działać jako emiter elektronów. Cała konstrukcja jest ze sobą połączona i aby zapewnić wystarczającą różnicę potencjałów, transformator należy podnieść na znaczną wysokość. W ten sposób powstanie obwód elektryczny, przez który przepłynie niewielki prąd. Za pomocą tego urządzenia nie da się uzyskać dużej ilości prądu.

Elektryczność i magnetyzm dominują w wielu otaczających nas światach, od najbardziej podstawowych procesów zachodzących w przyrodzie po najnowocześniejsze urządzenia elektroniczne.

Wideo

Termin „pole magnetyczne” zwykle oznacza pewną przestrzeń energetyczną, w której manifestują się siły oddziaływania magnetycznego. Wpływają na:

poszczególne substancje: ferrimagnetyki (metale – głównie żeliwo, żelazo i ich stopy) oraz ich klasa ferrytów, niezależnie od stanu;

poruszające się ładunki elektryczne.

Nazywa się ciała fizyczne, które mają całkowity moment magnetyczny elektronów lub innych cząstek magnesy trwałe. Ich interakcję pokazano na obrazku linie sił magnetycznych.

Powstały po przyłożeniu magnesu trwałego do tylnej części arkusza tektury z równą warstwą opiłków żelaza. Na zdjęciu widać wyraźne oznaczenia bieguna północnego (N) i południowego (S) z kierunkiem linii pola w stosunku do ich orientacji: wyjście z bieguna północnego i wejście na południe.

Jak powstaje pole magnetyczne?

Źródłami pola magnetycznego są:

magnesy trwałe;

ładunki ruchome;

zmienne w czasie pole elektryczne.

Każde dziecko w przedszkolu jest zaznajomione z działaniem magnesów trwałych. Przecież musiał już rzeźbić zdjęcia magnesów na lodówce, pobrane z opakowań z najróżniejszymi smakołykami.

Ładunki elektryczne w ruchu mają zwykle znacznie większą energię pola magnetycznego niż ładunki elektryczne. Jest również oznaczony liniami sił. Przyjrzyjmy się zasadom ich rysowania dla prostego przewodnika z prądem I.

Linię pola magnetycznego rysuje się w płaszczyźnie prostopadłej do ruchu prądu, tak że w każdym punkcie siła działająca na biegun północny igły magnetycznej jest skierowana stycznie do tej linii. Tworzy to koncentryczne okręgi wokół poruszającego się ładunku.

Kierunek tych sił wyznacza znana zasada działania śruby lub świdra z prawoskrętnym uzwojeniem.

Zasada Gimleta

Należy ustawić świder współosiowo z wektorem prądu i obrócić uchwyt tak, aby ruch translacyjny świdra pokrywał się z jego kierunkiem. Następnie orientacja linii pola magnetycznego zostanie pokazana poprzez obrót uchwytu.

W przewodniku pierścieniowym ruch obrotowy uchwytu pokrywa się z kierunkiem prądu, a ruch translacyjny wskazuje orientację indukcji.

Linie sił magnetycznych zawsze opuszczają biegun północny i wchodzą na biegun południowy. Znajdują się one wewnątrz magnesu i nigdy nie są otwarte.

Zasady oddziaływania pól magnetycznych

Pola magnetyczne z różnych źródeł sumują się, tworząc pole wynikowe.

W tym przypadku magnesy o przeciwnych biegunach (N - S) przyciągają się, a przy jednakowych biegunach (N - N, S - S) odpychają. Siły oddziaływania pomiędzy biegunami zależą od odległości między nimi. Im bliżej przesunięte są bieguny, tym większa jest generowana siła.

Podstawowe charakterystyki pola magnetycznego

Obejmują one:

wektor indukcji magnetycznej (B);

strumień magnetyczny (F);

połączenie strumienia (Ψ).

Na podstawie tej wartości szacuje się intensywność lub siłę oddziaływania pola wektor indukcji magnetycznej. Wyznacza się ją na podstawie wartości siły „F” wytworzonej przez przepływ prądu „I” przez przewodnik o długości „l”. В =F/(I∙l)

Jednostką miary indukcji magnetycznej w układzie SI jest Tesla (ku pamięci fizyka, który badał te zjawiska i opisywał je metodami matematycznymi). W rosyjskiej literaturze technicznej jest on oznaczony jako „Tl”, a w dokumentacji międzynarodowej przyjmuje się symbol „T”.

1 T jest indukcją takiego równomiernego strumienia magnetycznego, który działa z siłą 1 niutona na każdy metr długości prostego przewodnika prostopadłego do kierunku pola, gdy przez ten przewodnik przepływa prąd o natężeniu 1 ampera.

1T=1∙N/(A∙m)

Kierunek wektora B jest określony przez reguła lewej ręki.

Jeśli umieścisz dłoń lewej ręki w polu magnetycznym tak, aby linie siły z bieguna północnego wchodziły do ​​dłoni pod kątem prostym i umieścisz cztery palce w kierunku prądu w przewodniku, wówczas wystający kciuk wskazać kierunek siły działającej na ten przewodnik.

W przypadku, gdy przewodnik z prądem elektrycznym nie jest położony pod kątem prostym do magnetycznych linii siły, działająca na niego siła będzie proporcjonalna do wielkości przepływającego prądu i składowej rzutu długości przewodnika z prądu na płaszczyznę położoną w kierunku prostopadłym.

Siła działająca na prąd elektryczny nie zależy od materiałów, z których wykonany jest przewodnik i jego pola przekroju poprzecznego. Nawet jeśli tego przewodnika w ogóle nie ma, a poruszające się ładunki zaczną przemieszczać się w innym ośrodku pomiędzy biegunami magnetycznymi, to siła ta nie ulegnie żadnej zmianie.

Jeżeli wewnątrz pola magnetycznego we wszystkich punktach wektor B ma ten sam kierunek i wielkość, wówczas takie pole uważa się za jednorodne.

Każde środowisko posiadające , wpływa na wartość wektora indukcji B .

Strumień magnetyczny (F)

Jeśli weźmiemy pod uwagę przejście indukcji magnetycznej przez pewien obszar S, to indukcja ograniczona jej granicami będzie nazywana strumieniem magnetycznym.

Gdy powierzchnia jest nachylona pod pewnym kątem α do kierunku indukcji magnetycznej, strumień magnetyczny zmniejsza się o wartość cosinusa kąta nachylenia powierzchni. Jego maksymalna wartość powstaje, gdy obszar jest prostopadły do ​​jego indukcji penetrującej. Ф=В·S

Jednostką miary strumienia magnetycznego jest 1 weber, zdefiniowany przez przejście indukcji 1 tesli przez powierzchnię 1 metra kwadratowego.

Połączenie strumieniowe

Termin ten używany jest do określenia całkowitej wielkości strumienia magnetycznego wytworzonego przez pewną liczbę przewodników przewodzących prąd, umieszczonych pomiędzy biegunami magnesu.

W przypadku, gdy ten sam prąd I przepływa przez uzwojenie cewki o liczbie zwojów n, wówczas całkowity (połączony) strumień magnetyczny ze wszystkich zwojów nazywany jest połączeniem strumienia Ψ.

Ψ=n·Ф . Jednostką powiązania strumienia jest 1 weber.

Jak powstaje pole magnetyczne z prądu przemiennego

Pole elektromagnetyczne oddziałujące z ładunkami elektrycznymi i ciałami z momentami magnetycznymi jest połączeniem dwóch pól:

elektryczny;

magnetyczny.

Są ze sobą powiązane, stanowią wzajemne połączenie, a gdy jedno zmienia się w czasie, w drugim występują pewne odchylenia. Na przykład, gdy w generatorze trójfazowym powstaje zmienne sinusoidalne pole elektryczne, jednocześnie powstaje to samo pole magnetyczne o charakterystyce podobnych przemiennych harmonicznych.

Właściwości magnetyczne substancji

Ze względu na oddziaływanie z zewnętrznym polem magnetycznym substancje dzielą się na:

antyferromagnetyki ze zrównoważonymi momentami magnetycznymi, dzięki czemu powstaje bardzo niski stopień namagnesowania ciała;

Diamagnetyki posiadające właściwość magnesowania pola wewnętrznego wbrew działaniu pola zewnętrznego. Gdy nie ma pola zewnętrznego, ich właściwości magnetyczne nie pojawiają się;

materiały paramagnetyczne o właściwościach magnesujących pole wewnętrzne w kierunku pola zewnętrznego, które mają niski stopień;

ferromagnesy, które mają właściwości magnetyczne bez przyłożonego pola zewnętrznego w temperaturach poniżej punktu Curie;

ferrimagnetyki z momentami magnetycznymi niezrównoważonymi pod względem wielkości i kierunku.

Wszystkie te właściwości substancji znalazły różnorodne zastosowanie we współczesnej technologii.

Obwody magnetyczne

Na tej zasadzie działają wszystkie transformatory, cewki indukcyjne, maszyny elektryczne i wiele innych urządzeń.

Na przykład w działającym elektromagnesie strumień magnetyczny przechodzi przez rdzeń magnetyczny wykonany ze stali ferromagnetycznej i powietrze o wyraźnych właściwościach nieferromagnetycznych. Połączenie tych elementów tworzy obwód magnetyczny.

Większość urządzeń elektrycznych ma w swojej konstrukcji obwody magnetyczne. Więcej na ten temat przeczytasz w tym artykule –

POLE MAGNETYCZNE

Pole magnetyczne to szczególny rodzaj materii, niewidoczny i nieuchwytny dla człowieka,
istnieją niezależnie od naszej świadomości.
Już w starożytności myśliciele naukowi domyślali się, że wokół magnesu coś istnieje.

Igła magnetyczna.

Igła magnetyczna jest urządzeniem niezbędnym do badania magnetycznego działania prądu elektrycznego.
Jest to mały magnes zamontowany na czubku igły i ma dwa bieguny: północny i południowy. Igła magnetyczna może swobodnie obracać się na czubku igły.
Północny koniec igły magnetycznej zawsze wskazuje „północ”.
Linię łączącą bieguny igły magnetycznej nazywamy osią igły magnetycznej.
Podobną igłę magnetyczną można znaleźć w każdym kompasie - urządzeniu do orientowania się.

Skąd bierze się pole magnetyczne?

Doświadczenie Oersteda (1820) - pokazuje, jak przewodnik z prądem oddziałuje z igłą magnetyczną.

Kiedy obwód elektryczny jest zamknięty, igła magnetyczna odchyla się od swojego pierwotnego położenia; po otwarciu obwodu igła magnetyczna powraca do swojego pierwotnego położenia.

Pole magnetyczne powstaje w przestrzeni wokół przewodnika, w którym płynie prąd (i ogólnie wokół poruszającego się ładunku elektrycznego).
Siły magnetyczne tego pola działają na igłę i ją obracają.

Ogólnie rzecz biorąc, możemy powiedzieć
że pole magnetyczne powstaje wokół poruszających się ładunków elektrycznych.
Prąd elektryczny i pole magnetyczne są od siebie nierozłączne.

INTERESUJĄCE, ŻE...

Wiele ciał niebieskich – planet i gwiazd – ma własne pola magnetyczne.
Jednak nasi najbliżsi sąsiedzi – Księżyc, Wenus i Mars – nie posiadają pola magnetycznego,
podobny do ziemskiego.
___

Gilbert odkrył, że gdy kawałek żelaza zbliży się do jednego bieguna magnesu, drugi biegun zaczyna przyciągać mocniej. Pomysł ten został opatentowany dopiero 250 lat po śmierci Gilberta.

W pierwszej połowie lat 90-tych, kiedy pojawiły się nowe monety gruzińskie – lari,
lokalni kieszonkowcy zdobyli magnesy,
ponieważ metal, z którego wykonano te monety, był dobrze przyciągany przez magnes!

Jeśli weźmiesz banknot dolarowy za róg i przytrzymasz go w pobliżu potężnego magnesu
(na przykład w kształcie podkowy), tworząc nierównomierne pole magnetyczne, kawałek papieru
odchyli się w stronę jednego z biegunów. Okazuje się, że atrament na banknocie dolarowym zawiera sole żelaza.
posiadający właściwości magnetyczne, dzięki czemu dolar przyciąga jeden z biegunów magnesu.

Jeśli przytrzymasz duży magnes blisko poziomu bańki stolarskiej, bańka się poruszy.
Faktem jest, że poziomica jest wypełniona płynem diamagnetycznym. Kiedy taką ciecz umieszcza się w polu magnetycznym, powstaje w niej pole magnetyczne o przeciwnym kierunku, które jest wypychane z pola. Dlatego pęcherzyk w cieczy zbliża się do magnesu.

MUSISZ O NICH WIEDZIEĆ!

Organizatorem biznesu kompasów magnetycznych w rosyjskiej marynarce wojennej był znany naukowiec zajmujący się dewiatorami,
kapitan I stopnia, autor prac naukowych z teorii kompasu I.P. Belavanets.
Uczestnik rejsu dookoła świata na fregacie „Pallada” i uczestnik wojny krymskiej 1853-56. Jako pierwszy na świecie rozmagnesował statek (1863)
i rozwiązał problem instalowania kompasów w żelaznej łodzi podwodnej.
W 1865 roku został mianowany dyrektorem pierwszego w kraju Obserwatorium Kompasu w Kronsztadzie.