Czym są w istocie pola magnetyczne. Zmiany właściwości magnetycznych materiałów

Pola magnetyczne występują naturalnie i można je wytworzyć sztucznie. Człowiek zauważył ich użyteczne cechy, które nauczył się stosować w życiu codziennym. Jakie jest źródło pola magnetycznego?

Jpg?.jpg 600w

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 igiełek francuski naukowiec Peregrine odkrył przecięcie magnetycznych linii sił w pewnych punktach - biegunach. Zaledwie trzy wieki później, kierując się tym odkryciem, Gilbert kontynuował jego badania, a następnie obronił swoją hipotezę, że Ziemia ma własne pole magnetyczne.

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

Co to jest pole magnetyczne

Pole magnetyczne przejawia się w oddziaływaniu siły na poruszające się ładunki elektryczne lub na ciałach posiadających 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

Przyczyna występowania pola magnetycznego jest identyczna dla wszystkich źródeł: mikroładunki elektryczne – elektrony, jony lub protony – mają własny moment magnetyczny lub są w ruchu ukierunkowanym.

Ważny! Wzajemnie generują się pola elektryczne i magnetyczne, które zmieniają się w czasie. Zależność tę określają równania Maxwella.

Charakterystyka pola magnetycznego

Charakterystyki pola magnetycznego to:

1. Strumień magnetyczny, wielkość skalarna określająca, ile linii pola magnetycznego przechodzi przez daną sekcję. Oznaczony 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 narysowanej 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. pl/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. Ilościowo indukcję magnetyczną mierzy się w teslach (Tl);
2. Napięcie MP (N). Decyduje o tym przenikalność magnetyczna różnych mediów. W próżni przepuszczalność jest traktowana jako jedność. Kierunek wektora natężenia pokrywa się z kierunkiem indukcji magnetycznej. Jednostka miary - A/m.

Jak przedstawić pole magnetyczne

Łatwo zaobserwować przejawy pola magnetycznego na przykładzie magnesu trwałego. Ma dwa bieguny i w zależności od orientacji dwa magnesy przyciągają lub odpychają. Pole magnetyczne charakteryzuje procesy zachodzące w tym przypadku:

1. MP jest matematycznie opisane jako pole wektorowe. Można go zbudować za pomocą wielu wektorów indukcji magnetycznej B, z których każdy skierowany jest w stronę północnego bieguna igły kompasu i ma długość zależną od siły magnetycznej;
2. Alternatywnym sposobem przedstawiania jest użycie linii siły. Linie te nigdy się nie przecinają, nigdzie nie zaczynają ani nie kończą, tworząc zamknięte pętle. Linie MF łączą się w częstszych regionach, w których pole magnetyczne jest najsilniejsze.

Ważny! Gęstość linii pola wskazuje na siłę pola magnetycznego.

Chociaż MF nie można zobaczyć w rzeczywistości, linie sił można łatwo zwizualizować w prawdziwym świecie, umieszczając opiłki żelaza w MF. Każda cząsteczka zachowuje się jak maleńki 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

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 pozostałych cech jest znacznie trudniejszy. Praktyczne magnetometry pojawiły się dopiero w XIX wieku. Większość z nich działa przy użyciu siły, jaką odczuwa elektron podczas poruszania się w polu magnetycznym.

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

Magnetometr

Bardzo dokładny pomiar małych pól magnetycznych stał się praktyczny od czasu odkrycia w 1988 olbrzymiego magnetooporu w materiałach warstwowych. To odkrycie w fizyce fundamentalnej zostało szybko zastosowane w technologii magnetycznych dysków twardych do przechowywania danych w komputerach, co spowodowało tysiąckrotny wzrost pojemności pamięci w ciągu zaledwie kilku lat.

W ogólnie przyjętych systemach pomiarowych MF jest mierzone w testach (T) lub w Gaussie (G). 1 T = 10000 gausów. Gauss jest często używany, ponieważ Tesla to zbyt duże pole.

Ciekawe. Mały magnes na lodówkę wytwarza MF równy 0,001 T, a ziemskie pole magnetyczne wynosi średnio 0,00005 T.

Charakter pola magnetycznego

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

Pierwszym z nich jest podłączenie przewodu do źródła prądu, wokół niego powstaje MF.

Ważny! Wraz ze wzrostem prądu (liczby poruszających się ładunków) MP wzrasta proporcjonalnie. W miarę oddalania się od przewodu pole zmniejsza się wraz z odległością. Opisuje to prawo Ampère'a.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/6-9.jpg 720w

Prawo Ampère'a

Niektóre materiały o wyższej przepuszczalności magnetycznej są zdolne do koncentracji pól magnetycznych.

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

Aby zastosować regułę, należy wyobrazić sobie, że drut jest uchwycony prawą ręką, a kciuk wskazuje kierunek prądu. Następnie pozostałe cztery palce pokażą kierunek wektora indukcji magnetycznej wokół przewodnika.

Jpeg?.jpeg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/7.jpeg 612w

Zasada prawej ręki

Drugim sposobem tworzenia MF jest wykorzystanie faktu, że elektrony pojawiają się w niektórych substancjach, które mają swój własny moment magnetyczny. Tak działają magnesy trwałe:

1. Chociaż atomy często mają wiele elektronów, w większości są one połączone w taki sposób, że całkowite pole magnetyczne pary znosi się. Mówi się, że dwa sparowane w ten sposób elektrony mają przeciwne spiny. Dlatego, aby coś namagnesować, potrzebujesz atomów, 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 w atomach mogą być zorientowane losowo i nie będzie wspólnego pola magnetycznego, bez względu na to, ile niesparowanych elektronów ma materiał. Musi być stabilny w niskiej temperaturze, aby zapewnić ogólnie korzystną orientację elektronów. Wysoka przepuszczalność magnetyczna powoduje namagnesowanie takich substancji w określonych warunkach poza wpływem pola magnetycznego. To są ferromagnesy;
3. Inne materiały mogą wykazywać właściwości magnetyczne w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Pole zewnętrzne służy do wyrównania wszystkich spinów elektronów, które zanikają po usunięciu MF. Substancje te są paramagnetyczne. Metalowe drzwi lodówki to przykład paramagnesu.

Pole magnetyczne Ziemi

Ziemię można przedstawić w postaci płyt kondensatora, których ładunek ma przeciwny znak: „minus” - na powierzchni ziemi i „plus” - w jonosferze. Pomiędzy nimi znajduje się powietrze atmosferyczne jako uszczelka izolacyjna. Ogromny kondensator zachowuje stały ładunek dzięki wpływowi ziemskiego pola magnetycznego. Korzystając z tej wiedzy można stworzyć schemat pozyskiwania energii elektrycznej z pola magnetycznego Ziemi. To prawda, wynikiem będą niskie wartości napięcia.

Muszę wziąć:

• urządzenie uziemiające;
• drut;
• Transformator Tesli, zdolny do generowania oscylacji o wysokiej częstotliwości i wyładowania koronowego, jonizujący powietrze.

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

Cewka Tesli

Cewka Tesli będzie działać jak emiter elektronów. Cała konstrukcja jest ze sobą połączona, a aby zapewnić odpowiednią różnicę potencjałów, transformator musi zostać podniesiony na znaczną wysokość. W ten sposób powstanie obwód elektryczny, przez który popłynie mały prąd. Za pomocą tego urządzenia niemożliwe jest uzyskanie dużej ilości energii elektrycznej.

Elektryczność i magnetyzm dominują w wielu światach otaczających człowieka: 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: ferrimagnesy (metale - głównie żeliwo, żelazo i ich stopy) oraz ich klasy ferrytów, niezależnie od stanu;

przenoszenie opłat za energię elektryczną.

Ciała fizyczne, które mają całkowity moment magnetyczny elektronów lub innych cząstek, nazywane są magnesy trwałe. Ich interakcja jest pokazana na obrazku. linie magnetyczne mocy.

Powstały one po przyłożeniu magnesu trwałego na odwrotną stronę arkusza tektury z równą warstwą opiłków żelaza. Rysunek pokazuje wyraźne oznaczenie biegunów północnego (N) i południowego (S) z kierunkiem linii sił względem ich orientacji: wyjście z bieguna północnego i wejście na południe.

Jak powstaje pole magnetyczne

Źródłami pola magnetycznego są:

magnesy trwałe;

opłaty mobilne;

zmienne w czasie pole elektryczne.

Każde dziecko w wieku przedszkolnym zna działanie magnesów trwałych. W końcu musiał już wyrzeźbić obrazki-magnesy na lodówce, wyjęte z paczek z wszelkiego rodzaju gadżetami.

Ładunki elektryczne w ruchu mają zwykle znacznie wyższą energię pola magnetycznego niż. Wskazują na to również linie siły. Przeanalizujmy zasady ich projektowania dla przewodnika prostoliniowego z prądem I.

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

Kierunek tych sił określa dobrze znana zasada śruby lub świdra z prawoskrętnym nawijaniem gwintu.

zasada świderka

Konieczne jest ustawienie świdra współosiowo z wektorem prądu i obrócenie uchwytu tak, aby ruch translacyjny świdra pokrywał się z jego kierunkiem. Następnie orientacja magnetycznych linii siły zostanie pokazana poprzez przekręcenie uchwytu.

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

Linie pola magnetycznego zawsze wychodzą z bieguna północnego i wchodzą na południe. Kontynuują wewnątrz magnesu i nigdy nie są otwarte.

Zasady oddziaływania pól magnetycznych

Pola magnetyczne z różnych źródeł są do siebie dodawane, tworząc pole wynikowe.

W tym przypadku magnesy o przeciwnych biegunach (N - S) są przyciągane do siebie, a przy tych samych biegunach (N - N, S - S) są odpychane. Siły oddziaływania między biegunami zależą od odległości między nimi. Im bliżej przesunięte są bieguny, tym większa jest generowana siła.

Główne cechy pola magnetycznego

Obejmują one:

wektor indukcji magnetycznej (B);

strumień magnetyczny (F);

połączenie strumienia (Ψ).

Intensywność lub siła uderzenia pola jest szacowana przez wartość wektor indukcji magnetycznej. Określa ją wartość siły „F” wytworzonej przez przepływający prąd „I” przez przewód o długości „l”. B \u003d F / (I ∙ l)

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

1Tl=1∙N/(A∙m)

Kierunek wektora B jest określony przez zasada lewej ręki.

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

W przypadku, gdy przewodnik z prądem elektrycznym nie znajduje się pod kątem prostym do linii pola magnetycznego, wówczas siła działająca na niego będzie proporcjonalna do wielkości płynącego prądu i części składowej rzutu długości przewodnika z prądem na płaszczyznę umieszczoną w kierunku prostopadłym.

Siła działająca na prąd elektryczny nie zależy od materiałów, z których wykonany jest przewodnik i jego pola przekroju. Nawet jeśli ten przewodnik w ogóle nie istnieje, a poruszające się ładunki zaczną przemieszczać się w innym ośrodku między biegunami magnetycznymi, to siła ta w żaden sposób się nie zmieni.

Jeśli wewnątrz pola magnetycznego we wszystkich punktach wektor B ma ten sam kierunek i wielkość, to takie pole uważa się za jednolite.

Każde środowisko, które ma , wpływa na wartość wektora indukcyjnego B .

Strumień magnetyczny (F)

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

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

Jednostką miary strumienia magnetycznego jest 1 weber, który jest określany przez przejście indukcji 1 tesli przez obszar 1 metra kwadratowego.

Połączenie topnika

Termin ten służy do uzyskania całkowitej ilości strumienia magnetycznego wytworzonego z pewnej liczby przewodników przewodzących prąd znajdujących się między biegunami magnesu.

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

Ψ=n F . Jednostką wiązania strumienia jest 1 weber.

Jak powstaje pole magnetyczne z przemiennego elektrycznego?

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

elektryczny;

magnetyczny.

Są ze sobą powiązane, stanowią kombinację siebie nawzajem, a gdy jedno zmienia się w czasie, w drugim pojawiają się pewne odchylenia. Na przykład podczas tworzenia przemiennego sinusoidalnego pola elektrycznego w generatorze trójfazowym powstaje jednocześnie to samo pole magnetyczne o charakterystyce podobnych przemiennych harmonicznych.

Właściwości magnetyczne substancji

W związku z oddziaływaniem z zewnętrznym polem magnetycznym substancje dzieli się na:

antyferromagnetyki ze zrównoważonymi momentami magnetycznymi, dzięki którym powstaje bardzo mały stopień namagnesowania ciała;

diamagnesy o właściwości magnesowania pola wewnętrznego wbrew działaniu pola zewnętrznego. Gdy nie ma pola zewnętrznego, nie wykazują one właściwości magnetycznych;

paramagnesy o właściwościach namagnesowania pola wewnętrznego w kierunku pola zewnętrznego, które mają niewielki stopień;

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

ferrimagnesy z momentami magnetycznymi niezrównoważonymi pod względem wielkości i kierunku.

Wszystkie te właściwości substancji znalazły różnorodne zastosowania we współczesnej technologii.

Obwody magnetyczne

Na tej podstawie pracują wszystkie transformatory, indukcyjności, maszyny elektryczne i wiele innych urządzeń.

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

Większość urządzeń elektrycznych ma w swojej konstrukcji obwody magnetyczne. Przeczytaj więcej na ten temat w tym artykule -

POLE MAGNETYCZNE

Pole magnetyczne to szczególny rodzaj materii, niewidzialnej i nieuchwytnej dla człowieka,
istniejącą niezależnie od naszej świadomości.
Nawet w czasach starożytnych naukowcy-myśliciele domyślali się, że coś istnieje wokół magnesu.

Igła magnetyczna.

Igła magnetyczna to urządzenie niezbędne do badania magnetycznego działania prądu elektrycznego.
Jest to mały magnes montowany na czubku igły, posiada dwa bieguny: północny i południowy.Igła magnetyczna może się swobodnie obracać na czubku igły.
Północny koniec igły magnetycznej zawsze wskazuje północ.
Linia łącząca bieguny igły magnetycznej nazywana jest osią igły magnetycznej.
Podobna igła magnetyczna znajduje się w każdym kompasie - urządzeniu do orientacji na ziemi.

Skąd bierze się pole magnetyczne?

Doświadczenie Oersteda (1820) - pokazuje, w jaki sposób przewodnik z prądem i igła magnetyczna oddziałują na siebie.

Gdy obwód elektryczny jest zamknięty, igła magnetyczna odchyla się od swojej pierwotnej pozycji, gdy obwód jest otwarty, igła magnetyczna powraca do swojej pierwotnej pozycji.

W przestrzeni wokół przewodnika z prądem (i w ogólnym przypadku wokół dowolnego poruszającego się ładunku elektrycznego) powstaje pole magnetyczne.
Siły magnetyczne tego pola działają na igłę i ją obracają.

Ogólnie można powiedzieć
że wokół poruszających się ładunków elektrycznych powstaje pole magnetyczne.
Prąd elektryczny i pole magnetyczne są nierozłączne.

CIEKAWE CO...

Wiele ciał niebieskich - planet i gwiazd - ma swoje własne pola magnetyczne.
Jednak nasi najbliżsi sąsiedzi - Księżyc, Wenus i Mars - nie mają pola magnetycznego,
podobny do ziemi.
___

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

W pierwszej połowie lat 90., kiedy pojawiły się nowe monety gruzińskie - lari,
miejscowi kieszonkowcy dostali magnesy,
dlatego metal, z którego wykonano te monety, był dobrze przyciągany przez magnes!

Jeśli weźmiesz banknot dolarowy za róg i przyniesiesz go do potężnego magnesu
(np. podkowa), tworząc niejednorodne pole magnetyczne, kartkę papieru
zbaczać w kierunku jednego z biegunów. Okazuje się, że kolor banknotu zawiera sole żelaza,
ma właściwości magnetyczne, więc dolar jest przyciągany do jednego z biegunów magnesu.

Jeśli przyłożysz duży magnes do poziomnicy cieśli, bańka się poruszy.
Faktem jest, że poziomica wypełniona jest cieczą diamagnetyczną. Gdy taka ciecz zostanie umieszczona w polu magnetycznym, w jej wnętrzu powstaje pole magnetyczne o przeciwnym kierunku i zostaje ona wypchnięta z tego pola. Dlatego bańka w cieczy zbliża się do magnesu.

WARTO O NICH WIEDZIEĆ!

Organizatorem biznesu kompasów magnetycznych w rosyjskiej marynarce wojennej był znany naukowiec-dewiator,
kapitan I stopnia, autor prac naukowych dotyczących teorii kompasu I.P. Belavan.
Członek podróży dookoła świata na fregatę „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 został mianowany szefem pierwszego w kraju Obserwatorium Kompasowego w Kronsztadzie.