Що таке поля магнітні поля насправді. Зміни магнітних властивостей матеріалів

Магнітні поля виникають у природі та можуть створюватися штучно. Людина помітила їхні корисні характеристики, які навчився застосовувати у повсякденному житті. Що є джерелом магнітного поля?

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/1-17-768x560..jpg 795w "sizes="

Магнітне поле Землі

Як розвивалося вчення про магнітне поле

Магнітні властивості деяких речовин були помічені ще в давнину, але по-справжньому їхнє вивчення почалося в середньовічній Європі. Використовуючи дрібні сталеві голки, вчений із Франції Перегрін виявив перетин силових магнітних ліній у певних пунктах – полюсах. Тільки через три століття, керуючись цим відкриттям, Гілберт продовжив його вивчення і згодом захищав свою гіпотезу, що Земля має власне магнітне поле.

Бурхливий розвиток теорії магнетизму почався з початку 19-го століття, коли Ампер виявив і описав вплив електричного поля на виникнення магнітного, а відкриття Фарадеєм електромагнітної індукції встановило зворотний взаємозв'язок.

Що таке магнітне поле

Магнітне поле проявляється у силовому впливі на електрозаряди, що знаходяться в русі, або на тіла, які мають магнітний момент.

Джерела магнітного поля:

1. Провідники, якими проходить електричний струм;
2. Постійні магніти;
3. Електричне поле, що змінюється.

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" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Джерела магнітного поля

Причина виникнення магнітного поля ідентична всім джерел: електричні мікрозаряди – електрони, іони чи протони мають власним магнітним моментом чи перебувають у спрямованому русі.

Важливо!Взаємно породжують одне одного електричні та магнітні поля, що змінюються з часом. Цей взаємозв'язок визначається рівняннями Максвелла.

Характеристики магнітного поля

Характеристиками магнітного поля є:

1. Магнітний потік, скалярна величина, що визначає, скільки силових ліній магнітного поля проходить через заданий переріз. Позначається літерою F. Розраховується за формулою:

F = B x S x cos α,

де В – вектор магнітної індукції, S – переріз, α – кут нахилу вектора до перпендикуляра, проведеного до площини перерізу. Одиниця виміру - вебер (Вб);

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" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Магнітний потік

1. Вектор магнітної індукції (В) показує силу, що діє на зарядні носії. Він спрямований у бік північного полюса, куди вказує стандартна магнітна стрілка. Кількісно магнітну індукцію вимірюють у теслах (Тл);
2. Напруженість МП (Н). Визначається магнітною проникністю різних середовищ. У вакуумі проникність приймається за одиницю. Напрямок вектора напруженості збігається із напрямком магнітної індукції. Одиниця виміру – А/м.

Як уявити магнітне поле

Легко бачити прояви магнітного поля з прикладу постійного магніту. Він має два полюси, і в залежності від орієнтації два магніти притягуються або відштовхуються. Магнітне поле характеризує процеси, що відбуваються при цьому:

1. МП математично описується як векторне поле. Воно може бути побудовано за допомогою багатьох векторів магнітної індукції, кожен з яких спрямований у бік північного полюса стрілки компаса і має довжину, що залежить від магнітної сили;
2. Альтернативний спосіб подання полягає у використанні силових ліній. Ці лінії ніколи не перетинаються, ніде не починаються і не зупиняються утворюючи замкнуті петлі. Лінії МП поєднуються в області з більш частим розташуванням, де магнітне поле є найсильнішим.

Важливо!Щільність силових ліній свідчить про міцність магнітного поля.

Хоча насправді МП бачити не можна, силові лінії легко візуалізувати в реальному світі, розташувавши залізну тирсу в МП. Кожна частка поводиться як крихітний магніт з північним і південним полюсом. Результатом є шаблон схожий на силові лінії. Відчути вплив МП людина не здатна.

600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/4-13.jpg 640w" sizes="(max-width: 600px)

Силові лінії магнітного поля

Вимірювання магнітного поля

Так як це векторна величина, для вимірювання МП існує два параметри: сила і напрямок. Напрямок легко виміряти компасом, з'єднаним з полем. Приклад компас, поміщений в магнітне поле Землі.

Вимірювання інших характеристик значно складніше. Практичні магнітометри з'явилися лише у 19-му столітті. Більшість із них працюють, використовуючи силу, яку електрон відчуває під час руху МП.

Jpg?x15027" alt="Магнітометр" width="414" height="600">!}

Магнітометр

Дуже точний вимір малих магнітних полів став практично здійсненний з моменту відкриття в 1988 році гігантського магнітоопору в шаруватих матеріалах. Це відкриття у фундаментальній фізиці було швидко застосовано до магнітної технології жорсткого диска для зберігання даних на комп'ютерах, що призвело до тисячоразового збільшення ємності сховища лише за кілька років.

У загальноприйнятих системах вимірювання МП вимірюється в тестах (Тл) або в гаусах (Гс). 1 Тл = 10 000 Гс. Гаус часто використовується, тому що Тесла - занадто велике поле.

Цікаво.Невеликий магніт на холодильнику створює МП, що дорівнює 0,001 Тл, а магнітне поле Землі в середньому - 0,00005 Тл.

Природа виникнення магнітного поля

Магнетизм та магнітні поля є проявами електромагнітної сили. Є два можливі способи, як організувати енергозаряд у русі і, отже, магнітне поле.

Перший - це приєднати провід до джерела струму, навколо нього утворюється МП.

Важливо!У міру збільшення струму (кількості зарядів у русі) пропорційно збільшується МП. При віддаленні дроту поле знижується залежно від відстані. Це описується законом Ампера.

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

Закон Ампера

Деякі матеріали, що мають більш високу магнітопроникність, здатні концентрувати магнітні поля.

Оскільки магнітне поле – це вектор, необхідно визначити його напрямок. Для звичайного струму, що протікає через прямий провід, напрямок можна знайти за правилом правої руки.

Щоб використовувати правило, треба уявити, що провід обхоплений правою рукою, а великий палець вказує напрямок струму. Тоді чотири інші пальці покажуть напрямок вектора магнітної індукції навколо провідника.

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

Правило правої руки

Другий спосіб створення МП - використання факту, що в деяких речовинах з'являються електрони, що мають власний магнітний момент. Так працюють постійні магніти:

1. Хоча атоми часто мають багато електронів, вони з'єднуються в основному так, що повне магнітне поле пари компенсується. Кажуть, що два електрони, спарені таким чином, мають протилежний спин. Тому щоб щось намагнітити, потрібні атоми, які мають один або кілька електронів з однаковим спином. Наприклад, залізо має чотири таких електрони і підходить для виготовлення магнітів;
2. Мільярди електронів, що знаходяться в атомах, можуть бути випадково орієнтовані, і загального МП не буде незалежно від того, скільки неспарених електронів має матеріал. Він має бути стабільним за невисокої температури, щоб забезпечити загальну кращу орієнтацію електронів. Висока магнітопроникність обумовлює намагнічування таких речовин за певних умов поза впливом МП. Це феромагнетики;
3. Інші матеріали можуть проявляти магнітні властивості за наявності зовнішнього МП. Зовнішнє поле служить вирівнювання всіх електронних спинів, що зникає після видалення МП. Це речовини – парамагнетики. Метал двері холодильника є прикладом парамагнетика.

Магнітне поле Землі

Землю можна як конденсаторних обкладок, заряд яких має протилежний знак: «мінус» – біля земної поверхні і «плюс» – в іоносфері. Між ними знаходиться атмосферне повітря як ізоляційна прокладка. Гігантський конденсатор зберігає постійний заряд завдяки впливу земного МП. Користуючись цими знаннями, можна створити схему отримання електрики з магнітного поля Землі. Щоправда, у результаті будуть невисокі значення напруги.

Потрібно взяти:

• заземлюючий пристрій;
• дріт;
• трансформатор Тесла, здатний генерувати високочастотні коливання та створювати коронний розряд, іонізуючи повітря.

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" sizes="(max-width: 592px) 100vw, 592px">

Котушка Тесла

Котушка Тесла виступатиме в ролі емітера електронів. Вся конструкція з'єднується разом, причому для забезпечення достатньої різниці потенціалів трансформатор має бути піднятий на значну висоту. Таким чином, буде створено електричний ланцюг, яким буде протікати маленький струм. Отримати велику кількість електроенергії, користуючись цим пристроєм, неможливо.

Електрика і магнетизм домінують у багатьох світах, що оточують людину: від фундаментальних процесів у природі до ультрасучасних електронних пристроїв.

Відео

Під терміном "магнітне поле" прийнято мати на увазі певний енергетичний простір, в якому проявляються сили магнітної взаємодії. Вони впливають на:

окремі речовини: феримагнетики (метали - переважно чавуни, залізо та сплави з них) та їх клас феритів незалежно від стану;

заряди електрики, що рухаються.

Фізичні тіла, які мають сумарний магнітний момент електронів або інших частинок, називають постійними магнітами. Їхня взаємодія представлена ​​на картинці силовими магнітними лініями.

Вони утворилися після піднесення постійного магніту до зворотного боку картонного листа з рівним шаром залізної тирси. Картинка демонструє чітке маркування північного (N) та південного (S) полюсів із напрямом силових ліній щодо їхньої орієнтації: вихід із північного полюса та вхід до південного.

Як створюється магнітне поле

Джерелами магнітного поля є:

постійні магніти;

рухомі заряди;

електричне поле, що змінюється в часі.

З дією постійних магнітів знайома кожна дитина дитсадкового віку. Адже йому вже доводилося ліпити на холодильник картинки-магнітики, які витягують з упаковок з усілякими ласощами.

Електричні заряди, що знаходяться в русі, зазвичай мають значно більшу енергію магнітного поля, ніж . Його також позначають силовими лініями. Розберемо правила їхнього накреслення для прямолінійного провідника зі струмом I.

Магнітна силова лінія проводиться в площині, перпендикулярній до руху струму так, щоб у кожній її точці сила, що діє на північний полюс магнітної стрілки, прямувала по дотичній до цієї лінії. Таким чином створюються концентричні кола навколо заряду, що рухається.

Напрямок цих сил визначається відомим правилом гвинта або свердла з правосторонньою навивкою різьблення.

Правило буравчика

Необхідно розташувати свердловин співвісно з вектором струму і обертати рукоятку так, щоб поступальний рух свердловика збігався з його напрямком. Тоді орієнтація силових магнітних ліній буде показана обертанням рукоятки.

У кільцевому провіднику обертальний рух рукоятки збігається із напрямом струму, а поступальний - свідчить про орієнтацію індукції.

Магнітні силові лінії завжди виходять із північного полюса та входять до південного. Вони продовжуються всередині магніту і ніколи не бувають розімкненими.

Правила взаємодії магнітних полів

Магнітні поля від різних джерел складаються один з одним, утворюючи результуюче поле.

При цьому магніти з різноіменними полюсами (N - S) притягуються один до одного, а з однойменними (N - N, S - S) відштовхуються. Сили взаємодії між полюсами залежить від відстані між ними. Чим ближче зрушені полюси, тим більше зусилля з'являється.

Основні характеристики магнітного поля

До них відносять:

вектор магнітної індукції (В);

магнітний потік (Ф);

потокозчеплення (Ψ).

Інтенсивність чи силу впливу поля оцінюють величиною вектор магнітної індукції. Вона визначається значенням сили «F», створюваної струмом, що проходить «I» по провіднику довжиною «l». =F/(I∙l)

Одиниця виміру магнітної індукції в системі СІ – Тесла (на знак пам'яті про вченого фізику, який досліджував ці явища та описав їх математичними методами). У російській технічної літературі вона позначається "Тл", а в міжнародній документації прийнято символ "Т".

1 Тл - це індукція такого однорідного магнітного потоку, який впливає з силою в 1 ньютон на кожен метр довжини прямолінійного провідника, розташованого перпендикулярно напрямку поля, коли по цьому провіднику проходить струм 1 ампер.

1Тл=1∙Н/(А∙м)

Напрямок вектора визначається за правила лівої руки.

Якщо розташувати долоню лівої руки в магнітному полі так, щоб силові лінії з північного полюса входили в долоню під прямим кутом, а чотири пальці розташувати у напрямку струму в провіднику, то відстовбурчений великий палець вкаже напрям дії сили на цей провідник.

У разі, коли провідник з електричним струмом розташований не під прямим кутом до магнітних силових ліній, то сила, що впливає на нього, буде пропорційна величині струму, що протікає, і складової частини проекції довжини провідника зі струмом на площину, розташовану в перпендикулярному напрямку.

Сила, що впливає електричний струм, залежить від матеріалів, у тому числі створений провідник і його перерізу. Навіть якщо цього провідника взагалі не буде, а заряди, що рухаються, переміщатимуться в іншому середовищі між магнітними полюсами, то ця сила ніяк не зміниться.

Якщо всередині магнітного поля у всіх точках вектор має однаковий напрямок і величину, то таке поле вважають рівномірним.

Будь-яке середовище, що володіє, впливає на значення вектора індукції В.

Магнітний потік (Ф)

Якщо розглядати проходження магнітної індукції через певну площу S, то обмежена її межами індукція називатиметься магнітним потоком.

Коли площа нахилена під якимось кутом до напрямку магнітної індукції, то магнітний потік зменшується на величину косинуса кута нахилу площі. Максимальне його значення створюється при перпендикулярному розташуванні площі до її пронизливої ​​індукції. Ф = В · S

Одиницею вимірювання магнітного потоку є 1 вебер, який визначається проходженням індукції в 1 плоті через площу 1 метр квадратний.

Потокосчеплення

Цей термін використовується для отримання сумарної величини магнітного потоку, що створюється від певної кількості провідників зі струмом, що розташовані між полюсами магніту.

Для випадку, коли той самий струм I проходить по обмотці котушки з числом витків n, то повний (зчеплений) магнітний потік від усіх витків називають потоком зчеплення Ψ.

Ψ=n·Ф . Одиницею вимірювання потокозчеплення є один вебер.

Як утворюється магнітне поле від змінного електричного

Електромагнітне поле, що взаємодіє з електричними зарядами і тілами, що володіють магнітними моментами, є сукупністю двох полів:

електричного;

магнітного.

Вони взаємопов'язані, являють собою сукупність один одного і при зміні протягом одного часу відбуваються певні відхилення в іншому. Наприклад, при створенні змінного синусоїдального електричного поля в трифазному генераторі одночасно утворюється таке ж магнітне поле з характеристиками аналогічних гармонік, що чергуються.

Магнітні властивості речовин

По відношенню до взаємодії із зовнішнім магнітним полем речовини поділяють на:

антиферомагнетикиз урівноваженими магнітними моментами, завдяки чому створюється дуже мала ступінь намагніченості тіла;

діамагнетики із властивістю намагнічування внутрішнього поля проти дії зовнішнього. Коли ж зовнішнє поле відсутнє, то вони магнітні властивості не проявляються;

парамагнетики з властивостями намагнічування внутрішнього поля за напрямом дії зовнішнього, які мають малий ступінь;

феромагнетики, що володіють магнітними властивостями без прикладеного зовнішнього поля при температурах, менших за значення точки Кюрі;

феримагнетики з неврівноваженими за величиною та напрямом магнітними моментами.

Всі ці властивості речовин знайшли різноманітне застосування у сучасній техніці.

Магнітні ланцюги

На основі працюють усі трансформатори, індуктивності, електричні машини та багато інших пристроїв.

Наприклад, у працюючого електромагніту магнітний потік проходить магнітопроводом з феромагнітних сталей і повітря з вираженими не феромагнітними властивостями. Сукупність цих елементів і становить магнітний ланцюг.

Більшість електричних апаратів у своїй конструкції мають магнітні кола. Докладніше про це читайте у цій статті -

МАГНІТНЕ ПОЛЕ

Магнітне поле - це особливий вид матерії, невидимий і невловимий для людини,
існуючий незалежно від нашої свідомості.
Ще в давнину вчені-мислителі здогадувалися, що довкола магніту щось існує.

Магнітна стрілка.

Магнітна стрілка – це пристрій, необхідний щодо магнітної дії електричного струму.
Вона являє собою маленький магніт, встановлений на вістря голки, має два полюси: північний і південний. Магнітна стрілка може вільно обертатися на кінчику голки.
Північний кінець магнітної стрілки завжди вказує на "північ".
Лінія, що з'єднує полюси магнітної стрілки, називається віссю магнітної стрілки.
Аналогічна магнітна стрілка є у будь-якому компасі - приладі для орієнтування біля.

Де виникає магнітне поле?

Досвід Ерстеда (1820) - показує, як взаємодіє провідник зі струмом і магнітна стрілка.

При замиканні ланцюга магнітна стрілка відхиляється від свого первісного положення, при розмиканні ланцюга магнітна стрілка повертається у своє початкове положення.

У просторі навколо провідника зі струмом (а в загальному випадку навколо будь-якого електричного заряду, що рухається) виникає магнітне поле.
Магнітні сили цього поля діють на стрілку та повертають її.

У загальному випадку можна сказати,
що магнітне поле виникає навколо електричних зарядів, що рухаються.
Електричний струм та магнітне поле невіддільні один від одного.

ЦІКАВО, ЩО...

Багато небесних тіл - планети і зірки - мають власні магнітні поля.
Однак наші найближчі сусіди – Місяць, Венера та Марс – не мають магнітного поля,
подібного до земного.
___

Гільберт відкрив, що коли наближають до одного полюса магніту шматок заліза, інший полюс починає притягувати сильніше. Ця ідея була запатентована лише через 250 років після смерті Гільберта.

У першій половині 90-х років, коли з'явилися нові грузинські монети – ларі,
місцеві злодії-кишенькові злодії обзавелися магнітами,
т.к. метал, із якого робилися ці монети, добре притягувався магнітом!

Якщо взяти доларову купюру за кут і піднести до потужного магніту
(наприклад, підковоподібний), що створює неоднорідне магнітне поле, папірець
відхилиться до одного із полюсів. Виявляється, фарба доларової купюри містить солі заліза,
які мають магнітні властивості, тому долар притягується до одного з полюсів магніту.

Якщо піднести до теслярського бульбашкового рівня великий магніт, то бульбашка зрушить.
Справа в тому, що бульбашковий рівень заповнений діамагнітною рідиною. Коли таку рідину поміщають у магнітне поле, то в ній створюється магнітне поле протилежного напрямку, і вона виштовхується з поля. Тому бульбашка в рідині наближається до магніту.

ПРО НИХ ТРЕБА ЗНАТИ!

Організатором магнітно-компасної справи у ВМФ Росії був відомий вчений-девіатор,
капітан I-го рангу, автор наукових праць з теорії компаса І.П. Білаванець.
Учасник навколосвітньої подорожі на фрегаті "Паллада" та учасник Кримської війни 1853-56 років. він уперше у світі здійснив розмагнічування судна (1863 р.)
і вирішив проблему встановлення компасів усередині залізного підводного човна.
У 1865 р. був призначений начальником першої країни Компасної обсерваторії в Кронштадті.