Магнитное поле. Свойства магнитного поля.
Магнитное поле – это особая форма материи, которая создается магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами) и которую можно обнаружить по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц).
Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда.
Магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивается на некоторый угол при включении тока в проводнике. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.
Из опыта Г. Эрстеда следует, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Опыт Ампера
Два параллельных проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой: притягиваются, если токи сонаправлены, и отталкиваются, если токи направлены противоположно. Это происходит из-за взаимодействия возникающих вокруг проводников магнитных полей.
Свойства магнитного поля
1. Материально, т.е. существует независимо от нас и наших знаний о нём.
2. Создаётся магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами)
3. Обнаруживается по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц)
4. Действует на магниты, проводники с током (движущиеся заряженные частицы) с некоторой силой
5. Никаких магнитных зарядов в природе не существует. Нельзя разделить северный и южный полюсы и получить тело с одним полюсом.
6. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена французским учёным Ампером. Ампер выдвинул заключение — магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.
Эти токи представляют собой движение электронов по орбитам в атоме.
Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, составляющих тело, то их взаимодействия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.
И наоборот: если плоскости, в которых вращаются электроны, параллельны друг другу и направления нормалей к этим плоскостям совпадают, то такие вещества усиливают внешнее магнитное поле.
7. Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют магнитными силовыми линиями. С их помощью можно удобно и наглядно показывать магнитное поле в том или ином случае.
Чтобы более точно изобразить магнитное поле, условились в тех местах, где поле сильнее, показывать силовые линии расположенными гуще, т.е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т.е. расположенными реже.
8. Магнитное поле характеризует вектор магнитной индукции.
Вектор магнитной индукции — векторная величина, характеризующая магнитное поле.
Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке.
Направление вектора индукции поля и силы тока I связаны «правилом правого винта (буравчика)»:
если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке совпадет с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Тема 2 магнитное поле и его характеристики
Магнитное поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.
Магнитное поле изображается силовыми линиями, касательные к которым совпадают с ориентацией магнитных стрелок, внесенных в поле (рис. 2.1). Таким образом, магнитные стрелки как бы являются пробными элементами для магнитного поля. За положительное направление магнитного поля услов- но принимают направление северного полюса магнитной стрелки. Можно утверждать, что магнитное поле и электрический ток — взаимосвязанные явления. Вокруг проводника, в котором существует ток, всегда имеется магнитное поле, и, наоборот, в замкнутом проводнике, движущемся в маг- нитном поле, возникает ток.
Рассмотрим количественные характеристики магнитного поля.
Магнитной индукции В — векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заря- женную частицу со стороны магнитного поля. Эта характеристика является основной характеристикой магнитного поля, так как определяет электромаг- нитную силу, а также ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в маг- нитном поле. Единицей измерения магнитной индукции является вебер на квадратный метр, или тесла [Вб/м 2 ]= [Тл]
Абсолютная магнитная проницаемость среды а — вели- чина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды, единица измерения — генри деленный метр Гн / м.
где 0 = 410 -7 Гн / м — магнитная постоянная, характеризующая магнит- ные свойства (проницаемость) вакуума. Величину r называю относи-тельной магнитной проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз магнитная проницаемость среды больше чем вакуума, и является безразмерной величиной.
Вещества, в зависимости от величины r , делятся на:
— парамагнетики ( r 1), (алюминий);
— ферромагнетики ( r 1), (железо, кобальт, никель).
Для большинства материалов проницаемость r постоянна и близка к единице. Для ферромагнитных материалов r является функцией тока, создающего магнитное поле, и достигает больших значений.
Напряженность магнитного поля Н— векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в про- водниках, создающими магнитное поле. Направление вектора Н (рис. 2.1) для изотропных сред совпадает с вектором В и определяется касательной, проведенной в данной точке поля (точка А ) к силовой линии.
. 
Рис. 2.1. Рис. 2.2. Рис. 2.3.
Напряженность связана с магнитной индукцией соотношением
В = r Н (2.2)
Единица напряженности магнитного поля — ампер на метр [А/м].
Приведенные характеристики магнитного поля являются основными, теперь рассмотрим производные характеристики.
Магнитный поток Ф — поток магнитной индукции. На рис. 2.2 пока-зано однородное магнитное поле, пересекающее площадку S. Магнитный поток Ф через площадку S в однородном магнитном поле равен произве- дению нормальной составляющей вектора индукции Вп на площадь S:
Ф = Вп S = B S cos (2.3)
Магнитное напряжение Uм на участке АВ (рис. 2.3, а) в однородном магнитном поле определяется как произведение проекции Hl вектора Н на отрезок АВ и длину этого отрезка l, единица магнитного напряжения -ампер (А)
Uм = Hl l (2.4)
В том случае, когда поле неоднородное или участок, вдоль которого определяется Uм не прямолинейный (рис. 2.3,б) то полное магнитное напряжение на участке AD:
Uм = Hl l (2.5)
Магнитное напряжение вычисленное вдоль замкнутого контура, называют магнитодвижущей силой (МДС) или намагничи-вающей силой F. Опытным путем установлено, что
F = Hl l = I (2.6)
Намагничивающая сила вдоль контура равна полному току I, прохо- дящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. В этом заклю- чается смысл закона полного тока.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТОКА
Магнитное поле прямолинейного проводника с током имеет вид концентри- ческих окружностей (рис. 2.4). Направление поля определяют по правилу буравчика Вследствие симметрии напряженность поля во всех точках, равно удаленных от оси проводника, одинакова. В качестве контура выберем окружность, совпадающую с силовой линией поля. Так как контур совпадает с магнитной линией, длина вектора напряженности и его проекция на касательную в любой точке равны между собой:
Hl =Hr, и при длине проводника значительно большей радиуса r:
Hr = I / ( 2r) (2.7)
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК
Магнитное поле кольцевой катушки имеет вид концентрических окружностей и сосредоточено внутри катушки (рис. 2.5).Направление поля определяется по правилу правой руки: если правую руку расположить вдоль катушки так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках катушки, то отогнутый большой палец покажет направление поля.
При симметричной намотке катушки напряженность Н во всех, точках равноудаленных от центра, будет одинакова. Для контура радиусом r и числом витков w, применив закон полного тока, получим:
Hr = I w /r (2.9)
Эта формула справедлива и для средней части цилиндрической катушки (рис. 12.6 а). Если длина l соизмерима с диаметром D (рис. 2.6,б), напря-
женность поля в точках, расположенных на оси катушки, рассчитывают по следующей формуле:
HА = I w ( cos + sin ) /2 l (2.10)
НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью, назы- вают ферромагнитными (железо, никель, кобальт и их сплавы). Оказав- шись во внешнем магнитном поле, эти материалы значительно усиливают его. Это явление упрощенно можно объяснить таким образом.
Ферромагнитные материалы имеют области самопроизвольного намагничи- вания. Магнитное состояние таких областей (доменов) характеризуется век- тором намагниченности, которые ориентированы случайным образом. Поэ- тому намагниченность ферромагнитных тел в отсутствие внешнего маг- нитного поля не проявляется. Если ферромагнитное тело поместить во внеш- нее магнитное поле, то под его воздействием произойдут изменения, в ре -зультате которых векторы намагниченности отдельных областей будут ориентированы в направлении внешнего поля. Индукция результирующего магнитного поля будет определяться как индукцией внешнего поля, так и магнитной индукцией отдельных доменов, т. е. результирующее значение индукции будет намного превышать ее начальное значение. Таким образом, суммарное магнитное поле значительно превысит внешнее поле.
Магнитное состояние ферромагнитного поля и характеризуется кривой намагничивания (рис. 2.7). Рассмотрим процесс намагничивания ферромаг- нитного сердечника, помещенного в катушку с током. По мере увеличе- ния тока в катушке магнитная индукция в сердечнике быстро возрастает Это объясняется ориентацией векторов намагниченности ферромагнитного сердечника. Затем интенсивность ориентации замедляется, точка 2 соответ-
ствует магнитному насыщению. т. е. при некотором значении напряженности поля все домены сориентированы и при дальнейшем увеличении тока в катушке индукция поля растет так же, как она росла бы при отсутствии сердечника.
Если через катушку пропускать ток, меняющий свое направление, то сер- дечник будет перемагничиваться. Рассмотрим этот процесс (рис. 2.8). При увеличении тока в катушке магнитная индукция возрастает до индукции насыщения (точка а). При уменьшении тока магнитная индукция снижа- ется но так, что при тех же значениях Н она оказывается больше значе- ний магнитной индукции, соответствующих увеличению тока. Это объяс- няется тем, что часть доменов сохраняет свою ориентацию. Таким обра- зом, при Н = 0 в сердечнике сохраняется магнитное поле, характери- зуемое остаточной индукцией Вr (точка 6). При увеличении тока в противополож ном направлении магнитное поле катушки компенсирует магнитное поле, созданное доменами сердечника. При напряженности поля Нс (точка с), которая называется коэрцитивной силой, магнитная индук ция окажется равной нулю. Дальнейшее увеличение тока в катушке вызо- вет перемагничивание сердечника, т. е. поворот векторов намагниченности на 180°. При некотором значении Н (точка d) сердечник снова будет на-сыщаться. При уменьшении тока в катушке до нуля индукция будет умень- шаться до остаточной индукции (точка е). Увеличение тока в положитель- ном направлении вызовет намагничивание сердечника до исходного состоя- ния (точка а). Полученную кривую называют петлей г и с т е р и з и с а (запаздывания). Участок 0а характеристики намагничивания назы- вают основной кривой намагничивания.
Процесс перемагничивания связан с затратами энергии и сопровожда- ется выделением теплоты. Энергия, которая затрачивается за один цикл перемагничивания, пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса. В зависимости от вида петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнито-. мягкие материалы обладают круто поднимающейся основной кривой намаг- ничивания и относительно малыми площадями гистерезисных петель. Для магнитотвердых материалов характерны пологость основной кри -вой намагничивания и большая площадь гистерезисной петли.
ЭЛЕКТРОН В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
На электрон, движущийся в магнитном поле (рис.2.9), действует элек- тромагнитная сила. Эта сила возникает в результате взаимодействия даного магнитного поля с полем, которое образуется в результате движения элек -трона. Она называется силой Лоренца и определяется отношением:
F0 = q B v sin (2.11)
Где: v — скорость движения электронов; — угол между направлениями маг- нитного поля и электронного тока. Направление силы определяется по прави- лу левой руки: левую руку следует расположить так, чтобы магнитное поле входило в ладонь, вытянутые четыре пальца располагаются по направлению тока; тогда отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление силы. Необходимо помнить, что ток, вызванный движением электрона, напра- влен в сторону противоположную этому ДВИЖСНИЮ.
ПРОВОДНИК С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
На проводник с током, находящийся в магнитном поле (рис. 2.10), действует сила. Так как ток в металлическом проводнике обусловлен движением электронов, то силу, действующую на проводник, можно рассматривать как сумму сил, действующих на все электроны проводника длиной l. В результате полу- чаем соотношение :
F = F0 n l S =I B l sin (2.12)
где F0— сила Лоренца, действующая на электрон; n – концентрации электронов (число электронов в единице объема); l, S — длина и площадь поперечного сечения проводника.
Полученная зависимость отражает закон Ампера. Направление силы опре- деляется по правилу левой руки. Рассмотренное явление положено в основу работы электрических двигателей.
На практике часто приходится встречаться с взаимодействием параллельных проводников, по которым проходят токи. если токи проходят в одном направлении, то проводники притягиваются, если в разном – оттал- киваются.
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.
Суть закона электромагнитной индукции, открытого английским физиком М. Фарадеем, заключается в следующем: всякое изменение магнитного поля, в котором помещен проводник произвольной формы, вызывает в последнем появление ЭДС электромагнитной индукции. Пусть проводник длиной l дви- жется со скоростью v. Тогда на свободные электроны, движущиеся вместе с проводником, будет действовать сила Лоренца, на правление которой опре -деляется по правилу левой руки (рис. 2.11).
Под действием этой силы электроны движутся вдоль проводника, что приводит к разделению за рядов: на конце А проводника накапливаются положительные заряды, на конце Б-отрицательные. Но при разделении зарядов возникает электрическое поле, препятствующее этому процессу, и когда силы поля уравновесят силу Лоренца, разделение прекратится. В про- цессе разделения зарядов силы Лоренца производят работу которой опреде- ляется напряжение между точками А и Б. Это напряжение равно ЭДС элек- тромагнитной индукции и в общем случае выражается соотношением:.
E = B v l sin (2.13)
Направление ЭДС определяется по правилу правой руки: правую руку рас -полагают так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением скорости; тогда вытянутые четыре пальца покажут направление ЭДС.
ЭДС, индуцируемая в контуре при изменении магнитного потока, проходя- щего сквозь поверхность, ограниченную этим контуром, равна скорости измене- ния потока, взятой с отрицательным знаком.
e = — dФ / dt (2.14)
Отрицательный знак в этом выражении свидетельствует о том, что ЭДС, индуцируемая в контуре, стремится вызвать токи, препятствующие измене- нию магнитного потока. Следовательно, индуцированная в контуре ЭДС и ток всегда имеют такое направление, при котором они препятствуют при- чине, их вызывающей. Это положение выражает сформулированный Лен- цем закон о направлении индуцированного тока (рис. 2.12). Магнитный
поток витка имеет направление, противоположное направлению магнитно- го поля постоянного магнита. Ток, возникающий в витке, создает магнит- ный поток, препятствующий убыванию магнитного поля магнита.
Рис. 2.12
Таким образом виток стремится сохранить неизменным свое магнитное состояние, т. е. сохранить постоянный магнитный поток, сцепленный с ним.
ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЕ И ИНДУКТИВНОСТЬ КАТУШКИ
Если через катушку проходит изменяющийся ток, то ее витки пересекаются переменным магнитным полем, вызываемым этим током, и на концах катушки возникает ЭДС индукции. Для количественной характеристики этого процесса вводятся понятия потокосцепления и индуктивности катушки. На рис .2.13 по-казана катушка с током, витки которой пронизывают различное число силовых линий, следовательно, магнитные потоки различных витков различны. Эти магнитные потоки называют потоками самоиндукции, а их сумму для всех витков катушки называют потокосцеплением самоиндукции ().
Рис. 2.13 Рис. 2.14 Рис. 2.15.
В том случае, когда магнитная проницаемость среды постоянна, между потокосцеплением и создающим его током существует линейная зависимость
L = L I (2.15)
где L — коэффициент пропорциональности называемый индуктивность ка- тушки. Единицей индуктивности является генри (Гн): На практике, как пра- вило, пользуются более мелкими единицами: миллигенри (1 мГн=10 -3 Гн) и
микрогенри (1 мГн=10 -6 Гн).
Индуктивность цилиндрической катушки, у которой длина достаточно велика
по сравнению с диаметром также может быть определена по формуле: L = 0 S w 2 / l (2.16)
Так как eL = — dL /dt и L = Li для катушки без ферромагнитного сердечника ( L=const) окончательно получим:
eL = —L di /dt (2.17)
ЭДС eL называют ЭДС самоиндукции, а рассмотренное явление возникно-вения ЭДС в катушке вследствие изменения тока в этой катушке — само индукцией. ЭДС самоиндукции, согласно принципу Ленца, препятствует изменению тока в катушке, поэтому ток достигает установившегося значе- ния постепенно. Для нахождения всей энергии, которая накопится в магнитном поле катушки за время dt при изменении тока от 0 до I, проинтегрируем выражение L di/dt и получим:
WL = L I 2 / 2 (2.18)
В том случае, когда переменное магнитное поле созданное током одной катушки, пересекает витки, другой катушки (рис. 2.14), и наоборот, на зажимах последней катушки возникает ЭДС, которую называют ЭДС взаимоиндукции.
Магнитные потоки взаимоиндукции, пропорциональны токам, их созда- ющим, следовательно, и потокосцепление взаимоиндукции пропорциональны этим токам:
12 = M12 i1 , 21 = M21 i2 (2.19)
Коэффициенты пропорциональности M12 и M21 называют взаимными индуктивностями. В том случае, когда катушки не содержат ферромаг-нитных сердечников, M12.= M21 = M. Взаимная индуктивность M зависит от числа витков катушек, их размеров и взаимного расположения, а также
магнитных свойств среды. Единица взаимной индуктивности M генри (Гн). При изменении потокосцепления взаимоиндукции первой катушки во второй катушке наводится ЭДС взаимоиндукции:
e12 = — d12 /dt = —M di1 /dt (2.20)
Соответственно изменение потокосцепления взаимоиндукции второй катушки вызывает ЭДС взаимоиндукции в первой катушке
e2 1 = — d2 1 /dt = —M di2 /dt (2.21)
Явление взаимоиндукции находит широкое применение в различных электро и радиотехнических устройствах. В частности, оно используется для транс- формации электроэнергии в целях переменного тока. Однако это явление может проявлять себя и как вредное. Например, в сердечнике катушки или трансформатора (рис.2.15) за счет явления взаимоиндукции возникает кольцевой ток, который называют вихревым. Протекание вихревых токов в сердечнике вызывает большие тепловые потери. Для уменьшения этих потерь ферромагнитные сердечники набирают из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали с повышенным удельным электричес -ким сопротивлением.
Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли
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 — 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.
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).
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.
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.
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 свойства и характеристики магнитного поля.
Магнитное поле — это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов (рис.1.1). В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.
Рис. 1.1
Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.
Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.
Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.
Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент — это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.
Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.
Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий — это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.
Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.
Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки (рис.1.2). Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока (от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.
· Закон Ампера
Закон Ампера показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.
Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.
Энергия, заключенная в магнитном поле, может проявлять себя в виде электромагнитных сил, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с движущимися электрическими зарядами
Если поместить в магнитное поле проводник с током I, то между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникнут электромагнитные силы, которые, складываясь, образую т результирующую силу F, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля. Электромагнитная сила F, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника :
.
Если проводник расположен под углом α к силовым магнитным, то сила, Н,
.
Направление действия силы F обычно определяют по правилу левой руки (рис.1.3).
В результате воздействия таких механических сил при одинаковом направлении тока лежащие рядом проводники будут притягиваться друг к другу (рис. 1.4, а), при разном направлении тока — отталкиваться (рис. 1.4, б). На явлении взаимодействия магнитного поля и проводника с током основано устройство различных электрических машин и приборов, например, измерительных приборов магнитоэлектрической системы. Особенно большие силы между проводниками возникают в электрических цепях при коротких замыканиях.
Рис. 1.4 Взаимодействие двух проводников с током: а) при одинаковом направлении тока; б) при разном направлении тока
· Характеристики магнитного поля
Магнитная индукция. Интенсивность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией В. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Направление действия электромагнитной силы F на проводник определяется правилом левой руки (рис. 1.3).
Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия электромагнитной силы.
По этой силе можно судить об интенсивности магнитного поля, т. е. о его магнитной индукции. Если на проводник длиной 1 м с током 1 А, расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в 1 Н, то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл (тесла).
Магнитная индукция — векторная величина: в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитным силовым линиям.
Магнитный поток. Величина, измеряемая произведением магнитной индукции В на площадь S, перпендикулярную вектору магнитной индукции, называется магнитным потоком Ф:
Магнитную индукцию выражают в теслах, а площадь — в квадратных метрах, поэтому единица магнитного потока — вебер:
1 Вб = 1 Тл ∙ 1
Магнитодвижущая сила. Способность тока возбуждать магнитное поле характеризуется магнитодвижущей силой (МДС), Действующей вдоль замкнутой магнитной силовой линии. Магнитодвижущая сила Равна току, создающему магнитное поле, и выражается в амперах.
Для проводника с током I МДС равна току I. В общем случае, когда замкнутый контур магнитной силовой линии охватывает несколько токов, суммарная МДС равна сумме токов.
Для катушки с числом витков w и током I (рис.1.5) МДС равна
Напряженность магнитного поля. Магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины магнитной силовой линии, называется напряженностью магнитного поля Н и выражается в амперах на метр (А/м).
Если физические условия вдоль всей длины I магнитной линии одинаковы, то
.
Например, вокруг прямолинейного проводника с током I линии магнитного поля представляют собой концентрические окружности переменного радиуса х, длина каждой из которых I = 2 х. В этом случае напряженность.
.
По мере удаления от проводника напряженность поля снижается.
Рис. 1.5. Тороидальная катушка
Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или индуктивной катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость . Она определяется отношением магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н и измеряется в генри на метр (Гн/м):
.
Абсолютная магнитная проницаемость вакуума = 4π ∙ 
Гн/м. Для воздуха и других неферромагнитных материалов она незначительно отличается от магнитной проницаемости вакуума и при технических расчетах принимается равной 4π ∙ Гн/м. Так как абсолютная магнитная проницаемость для вакуума и указанных ранее материалов практически одинакова, то называется магнитной постоянной 
. Абсолютная магнитная проницаемость ца ферромагнитных материалов непостоянна и во много раз превышает магнитную проницаемость вакуума. Число, показывающее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость ферромагнитного материала больше магнитной постоянной , называется относительной магнитной проницаемостью 
, или (сокращенно) магнитной проницаемостью:
.
· Магнитные свойства вещества
Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции 
при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции 
в вакууме.
Определение
Магнитная проницаемость вещества μ показывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе 
больше, чем вектор магнитной индукции 
в вакууме, то есть
=μ⋅ 
Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Вещества, у которых, подобно железу, μ≫1, называются ферромагнетиками.
Важнейшее свойство ферромагнетиков − существование у них остаточного магнетизма. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты.
Однако при нагревании до достаточно высокой температуры ферромагнитные свойства у тел исчезают (точка Кюри).
Температура, при которой вещество теряет ферромагнитные свойства, называется температурой или точкой Кюри.
| Железо (Fe) | 77  С |
| Никель (Ni) | 36  С |
| Кобальт (Co) | 100 С |
При нагревании постоянного магнита выше этой температуры он перестает притягивать железные предметы. Магнитная проницаемость ферромагнетиков непостоянна, она зависит от магнитной индукции внешнего поля.
Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т.е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называют парамагнитными. У них μ>1, но от единицы отличается на величину порядка .
Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков нет.
Диамагнетики — вещества, которые выталкиваются из магнитного поля. У диамагнетиков μ
Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.
Сверхпроводники − идеальные диамагнетики. Магнитное поле вообще не проникает внутрь сверхпроводника. Это означает, что сверхпроводник является идеальным диамагнетиком. Так как магнитная индукция внутри проводника равна нулю, то по формуле =μ⋅ магнитная проницаемость μ сверхпроводника также равна нулю.
· Намагничивание ферромагнетика. Этапы намагничивания.
Намагничивание ферромагнетиков представляет собой процесс, состоящий из нескольких этапов.
На первом этапе при увеличении напряжённости внешнего магнитного поля увеличиваются размеры тех доменов, у которых собственный магнитный момент образует с внешним полем острый угол. При этом уменьшается объём тех доменов, у которых этот угол тупой.
* Обычно размеры домена составляют 10 -4 …10 -5 м.
К концу первого этапа домены, у которых упомянутый угол острый, полностью поглощают те, у которых угол между собственным и внешним магнитным полем тупой.
Этот этап намагничивания называют этапом смещения границ.
На втором этапе дальнейшее увеличение напряжённости внешнего магнитного поля вызывает поворот магнитных моментов доменов в сторону внешнего магнитного поля.
Второй этап намагничивания называют этапом вращения.
К концу второго этапа магнитные моменты всех доменов направлены по внешнему магнит-ному полю. По окончании этого этапа наступает третий этап намагничивания – этап насыщения.
В ходе первого и второго этапов намагничивания поле внутри ферромагнетика растёт за счёт увеличения как внешнего магнитного поля, так и магнитного поля, созданного доменами.
На третьем этапе увеличение магнитного поля в ферромагнетике происходит только за счёт роста внешнего магнитного поля. Суммарное магнитное поле доменов не изменяется.
· Явление гистерезиса
Если уменьшать магнитное поле, которое вызвало намагничивание ферромагнетика, то окажется, что зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряжённости внешнего магнитного поля не совпадает с начальной кривой намагничивания.
При уменьшении напряжённости внешнего магнитного поля до нуля, магнитное поле в ферромагнетике не уменьшится до нуля. Индукция магнитного поля в ферромагнетике окажется равной В ост – остаточной индукции поля в ферромагнетике. Другими словами – образец ферромагнетика после выключения внешнего магнитного поля останется намагниченным.
Для того, чтобы уменьшить индукцию магнитного поля в ферромагнетике до нуля, необходимо изменить направление внешнего магнитного поля на противоположное и начать постепенное увеличение его напряжённости.
При некоторой напряжённости Н с индукция поля в ферромагнетике уменьшится до нуля. Эту напряжённость принято называть коэрцитивной силой.
Дальнейшее увеличение напряжённости вызывает намагничивание ферромагнетика. Направление намагничивания противоположно первоначальному.
Если после намагничивания до насыщения вновь уменьшать напряжённость внешнего магнитного поля, то процесс пойдёт так, как показано на рисунке.
График зависимости В (Н) замкнётся, образовав так называемую петлю гистерезиса. Само рассматриваемое явление называется явлением гистерезиса.
Явление гистерезиса заключается в том, что значение В при данном Н зависит от того, какое значение Н имела ранее. Например, если ферромагнетик не намагничен, то при Н = 0 В = 0.
Если ферромагнетик ранее находился в магнитном поле с Н >0, то при
Н = 0 В = В ост
Если же ранее напряжённость была отрицательной, то при Н = 0 В =- В ост
Ферромагнетики делят на две группы. Основанием для классификации является коэрцитивная сила.
Коэрцитивная сила показывает, насколько трудно размагнитить ферромагнетик. Если коэрцитивная сила велика, то ферромагнетик размагнитить трудно. Такие ферромагнетики называют магнитожёсткими. Из жёстких ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты.
Если коэрцитивная сила мала, ферромагнетик можно размагнитить, почти не затрачивая на это энергию. Такие ферромагнетики называют магнитомягкими. Из них изготавливают сердечники трансформаторов.
1. Может ли существовать магнитное поле независимо от электрического поля?
2. Каким правилом определяются направления силовых магнитных линий?
3. В каких единицах измеряется магнитная индукция?
4. От каких параметров зависит магнитная индукция
4. Что называется относительной магнитной проницаемостью ц?
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: