Как измерить магнитное поле

Принципы измерения магнитных полей, приборы для измерения параметров магнитного поля

Первые магнитные компасы, указывающие направления на магнитные полюса Земли, появились еще в третьем веке до Нашей эры на территории Китая. Это были приборы в форме круглых разливательных ложек с короткими ручками, изготовленные из магнитного железняка.

Ложку ставили выпуклой частью на гладкую медную или деревянную поверхность, по которой вокруг были нанесены деления с изображениями знаков зодиака, обозначающие стороны света. Чтобы привести компас в действие, ложку слегка подталкивали, и она начинала вращаться. В конце концов, когда ложка останавливалась, ее ручка указывала точно на южный магнитный полюс Земли.

Начиная с двенадцатого века компасы активно начали применяться путешественниками в Европе. Их устанавливали как на сухопутном транспорте, так и на морских судах, с целью определения магнитного склонения.

С конца восемнадцатого века магнитные явления стали объектом пристального внимания и изучения для ученых того времени. Кулон в 1785 году предложил метод количественной оценки напряженности магнитного поля Земли. В 1832 году Гаусс показал возможность определения абсолютного значения напряженности магнитного поля путем более точных измерений.

Связь между магнитными явлениями и силовыми эффектами, наблюдаемыми во время движения электрических зарядов, впервые в 1820 году установил Эрстед. Позже Максвелл запишет эту связь в рациональной форме — в форме математических уравнений (1873 год):

На сегодняшний день для измерения параметров магнитного поля применяется следующая техника:

• тесламетры — приборы для измерения величин напряженности Н или индукции магнитного поля В;
• веберметры — приборы для измерения величины магнитного потока Ф;
• градиентометры — приборы для измерения неоднородностей магнитного поля.

• приборы для измерения магнитного момента М;
• приборы для измерения направления вектора В;
• приборы для измерения магнитных постоянных различных материалов.

Вектор магнитной индукции B характеризует интенсивность силового действия со стороны магнитного поля (на полюс или на ток) и поэтому является его главной характеристикой в данной точке пространства.

Таким образом, исследуемое магнитное поле может взаимодействовать силовым образом либо с магнитом, либо с элементом тока, а также способно наводить ЭДС индукции в контуре, если магнитное поле, пронизывающее контур, изменяется с течением времени, либо если контур изменяет сове положение относительно магнитного поля.

На элемент проводника с током длиной dl в магнитном поле с индукцией B будет действовать сила F, величина которой может быть найдена с помощью следующей формулы:

Значит индукция B исследуемого магнитного поля может быть найдена по силе F, которая действует на проводник заданной длины l, с постоянным током известной величины I, помещенный в это магнитное поле.

Практически магнитные измерения удобно проводить, используя величину, называемую магнитным моментом. Магнитный момент Pm характеризует контур площади S с током I, а величина магнитного момента определяется так:

Если используется катушка из N витков, то ее магнитный момент будет равен:

Механический момент M силового магнитного взаимодействия может быть найден исходя из значений магнитного момента Pm и индукции магнитного поля B следующим образом:

Однако для измерения магнитного поля не всегда удобно пользоваться его механическими силовыми проявлениями. Благо, есть еще одно явление, на которое можно опереться. Это явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции в математической форме записывается так:

Итак, магнитное поле проявляет себя силами либо наводимой ЭДС. При этом источником самого магнитного поля, как известно, является электрический ток.

Если ток порождающий магнитное поле в данной точке пространства известен, то напряженность магнитного поля в этой точке (на расстоянии r от элемента тока) можно найти с помощью закона Био-Савара-Лапласа:

Стоит отметить, что магнитная индукция B в вакууме связана с напряженностью магнитного поля H (порожденного соответствующим током) следующим соотношением:

Магнитная постоянная вакуума в системе СИ определяется через ампер. Для произвольной же среды данная константа есть отношение магнитной индукции в данной среде к магнитной индукции в вакууме, и называется эта константа магнитной проницаемостью среды:

Магнитная проницаемость воздуха практически совпадает с магнитной проницаемостью вакуума, поэтому для воздуха магнитная индукция B практически тождественна напряженности магнитного поля H.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — тесла [Тл], в системе СГС — Гаусс [Гс], причем 1 Тл = 10000 Гс. Измерительные приборы для определения индукции магнитного поля, называются тесламетрами.

Напряженность H магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), причем 1 ампер/метр задается как напряженность магнитного поля соленоида бесконечной длины с единичной плотностью витков, при протекании по данному соленоиду тока в 1 ампер. Один ампер на метр можно определить и иначе: это напряженность магнитного поля в центре круглого витка с током в 1 ампер при диаметре витка в 1 метр.

Здесь же стоить отметить такую величину как магнитный поток индукции — Ф. Это — скалярная величина, в системе СИ она измеряемая в веберах, а в системе СГС — в максвеллах, причем 1 мкс = 0,00000001 Вб. 1 Вебер — это магнитный поток такой величины, что при убывании его до нуля, по сцепленной с ним проводящей цепи сопротивлением 1 Ом, пройдет заряд в 1 Кулон.

Если принять за исходную величину магнитный поток Ф, то индукция магнитного поля B – это будет не что иное, как плотность магнитного потока. Приборы для измерения магнитного потока называются веберметрами.

Выше мы отметили, что магнитная индукция может быть определена либо через силу (или через механический момент), либо через наводимую в контуре ЭДС. Это так называемые прямые измерительные преобразования, при которых магнитный поток или магнитная индукция выражаются через другую физическую величину, (силу, заряд, момент, разность потенциалов) которая однозначно связана с магнитной величиной посредством фундаментального физического закона.

Преобразования же, где магнитная индукция B или магнитный поток Ф находятся через ток I либо длину l или радиус r, называются обратными преобразованиями. Такие преобразования выполняются с опорой на закон Био-Савара-Лапласа, с использованием известного соотношения между магнитной индукцией B и напряженностью магнитного поля H.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Измерение магнитных полей. Виды и применение. Особенности

Значимые характеристики магнитного поля – это не только скалярные или векторные, но и тензорные величины, полностью характеризующие полевую структуру и не привязанные к определенной системе координат. К основным параметрам, определяемым различными методами измерений, относят векторы магнитной индукции и напряженности поля, а также силу потока и градиенты этих величин. Измерение магнитных полей – сложная техническая процедура, нуждающаяся в самом современном инструментарии.

Направления науки и техники, в которых востребовано измерение магнитных полей

Оценка параметров полевых образований – основа изучения структуры материалов, обладающих ярко выраженными магнитными свойствами. На этих данных базируются многие другие методы изучения вещества и решаются важнейшие народнохозяйственные задачи.

В качестве примеров подобного подхода к работе с материалами могут рассматриваться:

• Измерение магнитных полей в ходе исследования строения вещества, а также поведения отдельных микрочастиц.
• Обоснование положений теории магнетизма и физики твердых тел.
• Изучение проблем, связанных с проявлениями магнитных эффектов в ближнем и дальнем космосе.
• Создание современных источников энергии, ускорителей, криогенных генераторов и транспортных средств на магнитной подушке.
• Поиск залежей полезных ископаемых.
• Создание новых материалов, обладающих ферромагнитными свойствами.
• Измерение магнитных полей востребовано в ходе диагностических обследований, регулярно проводимых в лечебной медицине и т.п.

Измеряемые величины и требования к точности снятия показаний

Современная измерительная практика – составная часть уникальных научных исследований, нуждающихся в высокой точности снимаемых показаний. Контролируемые и оцениваемые параметры характеризуются следующим диапазоном значений:

• Постоянные величины индукции – в пределах от 10-16 Тл (магнитный вакуум) и до 30 Тл.
• Переменные значения того же показателя, измеряемые в диапазоне от 10-15 Тл до единиц Тесла (при частотах от долей герца до десятков МГц).
• Импульсные переменные с величиной индукции от 10-15 до сотен Тесла.
• Магнитные потоки, как правило, измеряются в величинах от тысячных долей до нескольких десятков Веберов.

В ряде случаев измерение магнитных полей производится при сложных окружающих условиях. По требованиям эксперимента это могут быть как сверхнизкие, так и сверхвысокие температуры, а также открытое космическое пространство или сильно разряженная среда.

К точности измеряемых величин также предъявляются довольно жесткие требования. Так, допустимая погрешность при измерении индукции магнитного поля составляет порядка 10 в минус восьмой степени (максимум – 10 в минус 6-ой степени). При исследовании магнитных ускорителей и систем, в состав которых входят постоянные магниты, требования к погрешности не такие жесткие (10 в минус 3-й степени).

Допустимые отклонения при измерении магнитных потоков в полевых образованиях оцениваются величинами в пределах от 10 в минус 5-ой до 10 в минус первой степени. Особо жесткие требования по точности снятия показаний предъявляются при исследованиях в области навигации, а также при поиске месторождений полезных ископаемых.

Существующие методы измерений

Измерение магнитных полей с высокой точностью возможно только в тех случаях, когда оцениваемое вещество обладает двумя важными характеристиками. Первое – это его способность взаимодействовать с направленными потоками заряженных частиц, а второе – наличие у вещества собственных электромагнитных свойств.

Магниторезонансные методы

Квантовые способы измерения базируются на использовании эффекта, называемого «магнитным резонансом». Его суть заключается в способности атомных частиц поглощать и излучать энергию магнитных переходов между электронными подуровнями вещества. Так, взаимодействие собственных спинов электронов и магнитного поля ядер нередко приводит к расщеплению энергетических уровней в атоме. Переходы между атомными уровнями часто используются при разработке квантовых генераторов, лазеров и другой современной аппаратуры.

Магнитный резонанс возможен и на молекулярном уровне, когда отдельные частички вещества (ионы), имеющие собственный спин, перемещаются в постоянном магнитном поле. Применение термина «резонанс» к данной ситуации означает, что при измерениях исследователь подстраивает электронную аппаратуру на частоты, излучаемые квантовой системой.

В зависимости от разновидности резонирующих частиц различают следующие подвиды измерительных методов:

• Ядерный резонанс.
• Его электронный аналог.
• Ферромагнитный.
• Парамагнитный.
• Антиферромагнитный метод и т. д.

Ядерный резонанс основывается на эффектах, наблюдаемых с диполями протонов (все остальные методы резонансных измерений возможны благодаря энергетическим переходам на электронных уровнях). Эта разновидность измерений с аббревиатурой «ЯМР», относится к самым точным методикам, применяемым при проведении специальных исследований.

Устройство преобразователей ЯМР

Измерительная система в этом случае состоит из контрольной катушки и рабочего вещества с ярко выраженными магнитными свойствами. Оно помещается во внутреннюю часть кольцеобразной обмотки (в некоторых случаях при проведении измерений делается наоборот – катушка размещается в теле вещества). Во втором случае коэффициент заполнения измерителя увеличивается пропорционально объему обследуемого тела.

Перед началом работ преобразователь ЯМР помещается в экранированный корпус, что исключает возможность внешних помех и повышает точность проводимых измерений. В качестве реагента в контрольных устройствах традиционно используется жидкое диамагнитное вещество, атомные ядра которого имеют отличный от нуля спин.

Электрофизические методы измерения

Измерение магнитных полей этими методами, как правило, используются при необходимости измерения линейных и угловых размеров контролируемого объекта. Они основаны на заметном различии характеристик двух сред, которые определяют границы обследуемого вещества. При наличии разницы, например, по плотности, измерительный прибор фиксирует ее как линейный размер исследуемого предмета.

Помимо этого для заявленных целей нередко применяются устройства, реагирующие на градиент электрических, магнитных, тепловых или механических характеристик. Возможны варианты, когда при измерении используются и другие свойства тел или сочетания из уже перечисленных ранее подходов.

Тепловой метод

Измерение магнитных полей этим методом основано на различии тепловых характеристик различных сред на границе их контакта. Его чаще всего применяют для контроля уровня жидкостей, а также для обнаружения и уточнения местонахождения объектов по характерному для них излучению. Принцип работы измерительных приборов этого класса основан на неодинаковости коэффициентов теплоотдачи различных тел (например, твердого и жидкого вещества).

Устройство под названием «тепловой уровнемер» изготавливается на основе проволочного терморезистора из меди, платины или нержавейки. Длина чувствительного элемента соответствует максимальному значению измеряемого уровня по высоте прибора. Терморезистор изготавливается в виде тонкой проволочки, вытянутой вдоль трубки с отверстиями. Их наличие обеспечивает свободный доступ жидкости к термочувствительному элементу и позволяет сгладить колебания температуры. Для снижения погрешностей измерений терморезистор располагается ближе к днищу резервуара с жидкостью, где он имеет с ней более надежный контакт.

Временная постоянная измерителей этого типа зависит от следующих характеристик чувствительного датчика:

• Теплоемкость элемента.
• Интенсивность отрыва капель жидкости от терморезистора и скорость их испарения.
• Разница температур датчика и жидкой среды.

В уровнемерах со встроенными в них преобразователями с терморезистором, как правило, используются измерительные цепи мостового типа. Погрешности этих приборов не превышают показателя в 0,5-1,5%. За счет применения цепочек обратной связи абсолютную погрешность измерения размеров и уровней удается снизить до 5 мм. Подобная точность достигается путем поддержания параметров терморезистора в допустимых пределах и ограничения колебаний протекающего через него тока.

Емкостный и магнитный методы

Емкостное измерение магнитных полей вещества возможно лишь в ситуациях, когда обследуемые среды имеют сильно различающиеся показатели диэлектрической проницаемости. В данном случае именно по этой характеристике прибор регистрирует границу того или иного предмета.

Этот метод широко применяется в следующих целях:

• При необходимости измерения уровней жидких сред и сыпучих материалов.
• Для определения границы раздела двух жидкостей.
• При измерении толщины однослойных диэлектрических пленок и листовых материалов прямо при производстве (на конвейере).

Магнитный метод измерения характеристик объектов в основном востребован при оценке геометрических показателей ферромагнетиков при затрудненном (одностороннем) доступе к искомому размеру. Кроме того, он широко применяется в дефектоскопии, где с его помощью удается обнаружить и локализовать возникшие повреждения в структуре материала.

Похожие темы:

• Эффект Холла. Виды и применения. Работа и особенности
• Правило буравчика. Применение и особенности. Отличия
• Электромагнитное излучение. Виды и применение. Влияние
• Измерение напряжения. Виды и принцип измерений. Особенности
• Измерение тока. Виды и приборы. Принцип измерений и особенности
• Измерение сопротивления изоляции. Методика и приборы. Порядок
• Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
• Электромагнитная совместимость (ЭМС). Особенности
• Защита от электромагнитного излучения. ЭМИ и особенности

Собираем переносной магнитометр

Магнитометр, который иногда ещё называют гауссометром, измеряет силу магнитного поля [в данном случае магнитную индукцию / прим. перев.]. Это прибор, необходимый при измерении силы постоянных магнитов и электромагнитов, а также для установления формы поля нетривиальных комбинаций из магнитов. Он достаточно чувствительный для того, чтобы определить намагниченность металлических предметов. В случае, если зонд будет работать достаточно быстро, он сможет определять изменяющиеся во времени поля от моторов и трансформаторов.

В мобильных телефонах обычно есть трёхосевой магнитометр, однако он оптимизирован для слабого магнитного поля Земли силой в 1 Гаусс = 0,1 мТл [миллитесла] и насыщается в полях с индукцией в несколько мТл. Где именно в телефоне расположен этот датчик, обычно непонятно, и расположить его внутри узкого места типа разреза магнита часто невозможно. Более того, лучше вообще не подносить смартфон к сильным магнитам.

В данной статье я опишу, как сделать простейший переносной магнитометр из распространённых комплектующих: нам потребуются линейный датчик Холла, Arduino, дисплей и кнопка. Общая стоимость прибора не выходит за пределы €5, а измерять он будет индукцию от -100 до +100 мТл с погрешностью в 0,01 мТл – гораздо лучше, чем можно было ожидать. Для получения точных абсолютных показателей его понадобится откалибровать: я опишу, как это делается при помощи длинного самодельного соленоида.

Шаг 1: датчик Холла

Эффект Холла часто применяется для измерения магнитных полей. Когда электроны проходят через проводник, помещённый в магнитное поле, их относит в сторону, в результате чего в проводнике появляется поперечная разность потенциалов. Правильно выбрав материал и геометрию полупроводника, можно получить измеряемый сигнал, который затем можно будет усилить и выдать измерение одной компоненты магнитного поля.

Я использую SS49E, поскольку он дешёвый и доступный. Что стоит отметить из его документации:

• Питание: 2.7 — 6.5 В, что прекрасно совместимо с 5 В для Arduino.
• Нулевой сигнал: 2.25-2.75 В, примерно посередине между 0 и 5 В.
• Чувствительность: 1.0-1.75 мВ/Гс, поэтому для получения точных результатов потребуется калибровка.
• Выходное напряжение: 1,0 – 4,0 В (при работе от 5 В): диапазон покрывается АЦП Arduino.
• Диапазон: минимум ± 650 Гс, обычно +/1 1000 Гс.
• Время отклика: 3 мкс, то есть можно проводить измерения с частотой в десятки кГц.
• Рабочий ток: 6-10 мА, достаточно немного для батарейки.
• Температурная ошибка: 0,1% на градус Цельсия. Вроде немного, однако отклонение на 0,1% даёт ошибку в 3 мТл.

Шаг 2: Требуемые материалы

• Линейный датчик Холла SS49E. €1 за 10 штук.
• Arduino Uno с доской для прототипирования или Arduino Nano без штырьков для портативного варианта.
• Монохромный OLED дисплей SSD1306 0.96” с интерфейсом I2C.
• Кнопка.

• Шариковая ручка или другая прочная трубка.
• 3 тонких провода чуть длиннее трубки.
• 12 см термоусадки диаметром 1,5 мм.

• Большая коробка Tic-Tac (18x46x83) или нечто похожее.
• Контакты для батарейки на 9 В.
• Выключатель.

Шаг 3: Первая версия – с использованием доски для прототипирования

Сначала всегда собирайте прототип, чтобы проверить работу всех компонентов и софта! Подключение видно на картинке: датчик Холла соединяется с контактами Arduino +5V, GND, A1 (слева направо). Дисплей соединяется с GND, +5V, A5, A4 (слева направо). Кнопка при нажатии должна замыкать землю и A0.

Код написан в Arduino IDE v. 1.8.10. Требуется установка библиотек Adafruit_SSD1306 и Adafruit_GFX.

Если всё сделано правильно, то дисплей должен выдавать значения DC и AC.

Шаг 4: Немного о коде

Если вам неинтересен код, эту часть можно пропустить.

Ключевая особенность кода состоит в том, что магнитное поле измеряется 2000 раз подряд. На это уходит 0,2 – 0,3 сек. Отслеживая сумму и квадрат суммы измерений, можно вычислять среднее и стандартное отклонения, которые выдаются как DC и AC. Усредняя по большому количеству измерений мы увеличиваем точность, теоретически на √2000 ≈ 45. Получается, что используя 10-битное АЦП, мы получаем точность 15-битного АЦП! И это имеет значение: 1 шаг АЦП – 4 мВ, то есть, ~ 0,3 мТл. Благодаря усреднению, мы уменьшаем ошибку от 0,3 мТл до 0,01 мТл.

В качестве бонуса мы получаем стандартное отклонение, определяя таким образом изменяющееся поле. Поле, колеблющееся с частотой 50 Гц проходит порядка 10 циклов за время измерения, поэтому можно измерить величину AC.

У меня после компиляции получилась следующая статистика: Sketch uses 16852 bytes (54%) of program storage space. Maximum is 30720 bytes. Global variables use 352 bytes (17%) of dynamic memory, leaving 1696 bytes for local variables. Maximum is 2048 bytes.

Большую часть места занимают библиотеки Adafruit, однако ещё полно места для добавления функциональности.

Шаг 5: Готовим зонд

Зонд лучше всего закреплять на конце узкой трубки: так его просто будет помещать и удерживать в узких местах. Подойдёт любая трубка из немагнитного материала. Мне идеально подошла старая шариковая ручка.

Подготовьте три тонких гибких провода чуть длиннее трубки. В моём кабеле логики в цветах проводов нет (оранжевый +5 В, красный 0 В, серый – сигнал), просто так мне их проще запомнить.

Чтобы использовать зонд с прототипом, припаяйте кусочки проводов на конец кабеля и заизолируйте их термоусадкой. Позже их можно отрезать и припаять провода прямо к Arduino.

Шаг 6: Собираем переносной прибор

Батарейка на 9В, OLED-экран и Arduino Nano с комфортом умещаются внутри большой коробки Tic-Tac. Её преимущество в прозрачности – экран легко читается, даже находясь внутри. Все фиксированные компоненты (зонд, выключатель и кнопка) ставятся на крышку, чтобы всё можно было вынимать из коробки для замены батареи или обновления кода.

Я никогда не любил батарейки на 9В – у них высокая цена и малая ёмкость. Но в моём супермаркете внезапно стали продавать их перезаряжаемую версию NiMH по €1, и я обнаружил, что их легко зарядить, если подать 11 В через резистор на 100 Ом и оставить на ночь. Я заказал себе дешёвые разъёмы для батареек, но мне их так и не прислали, поэтому я разобрал старую батарейку на 9 В, чтобы сделать из неё коннектор. Плюс батарейки на 9В в её компактности, и в том, что на ней хорошо работает Arduino при подключении её к Vin. На +5 В будет регулируемое напряжение в 5 В, которое понадобится для OLED и датчика Холла.

Датчик Холла, экран и кнопка подсоединяются так же, как было на прототипе. Добавляется только кнопка выключения, между батарейкой и Arduino.

Шаг 7: Калибровка

Калибровочная константа в коде соответствует числу, прописанному в документации (1,4 мВ/Гс), однако в документации разрешён диапазон этого значения (1.0-1.75 мВ/Гс). Чтобы получать точные результаты, нужно откалибровать зонд.

Самый простой способ получить магнитное поле хорошо определённой силы – использовать соленоид. Магнитная индукция поля соленоида равняется B = μ₀ * n * I. Магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума) – это природная константа: μ₀ = 1,2566 x 10 -6 Тл/м/А. Поле однородно и зависит только от плотности намотки n и тока I, которые можно измерить с погрешностью около 1%. Формула работает для соленоида бесконечной длины, однако служит очень хорошим приближением для поля в его центре, если соотношение его длины к диаметру превышает 10.

Чтобы собрать подходящий соленоид, возьмите полую цилиндрическую трубу, длина которой в 10 раз больше диаметра, и сделайте намотку из изолированного провода. Я использовал ПВХ-трубку с внешним диаметром 23 мм и сделал 566 витков, протянувшихся на 20,2 см, что даёт нам n = 28/см = 2800 / м. Длина провода 42 м, сопротивление – 10 Ом.

Подайте питание на катушку и измерьте ток мультиметром. Используйте либо регулируемый источник тока, либо переменный резистор, чтобы управлять током. Измерьте магнитное поле для разных значений тока и сравните показания.

Перед калибровкой я получил 6,04 мТл/A, хотя по теории должно было быть 3,50 мТл/A. Поэтому я умножил константу калибровки в 18-й строчке кода на 0,58. Готово – магнитометр откалиброван!

• Разработка под Arduino
• DIY или Сделай сам

Как измерить магнитное поле

Магнитные поля: что это такое и как их определить в домашних условиях

Плотников А.А. 1
1 МБОУ «СОШ №91 им. Надежды Курченко»
Семакина Т.В. 1
1 МБОУ «СОШ №91 им. Надежды Курченко»

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Природа вокруг нас удивительна и многогранна. Многие ученые пытаются разгадать ее тайны, некоторые из них уже открыты, другие до сих пор изучаются. Недавно мне подарили большую книгу экспериментов, в которой я нашел большой раздел про магнитные поля. Мне захотелось подробнее изучить, что это такое, какова их роль в нашей жизни и как их определить самостоятельно.

К тому же в интернете, на радио и телевидении очень часто говорят об огромном влиянии и роли магнитных полей в нашей жизни, поэтому я решил, что эта тема актуальна и захотел ее подробно изучить.

Существует множество источников, благодаря которым можно узнать много интересного о магнитных полях, в большинстве случаев это статьи в интернете. Много полезной информации я нашел в «Большой книге экспериментов» под ред. Антонеллы Мейяни.

Цель моей работы: узнать, что такое магнитные поля и научиться определять их самостоятельно.

Задачи моей работы:

— узнать, что такое магнитные поля;

— изучить историю открытия магнитных полей;

— изучить роль магнитных полей в нашей жизни;

— научится определять магнитные поля в домашних условиях.

Методы работы:

1. Просмотр книг на интересующую тему.

2.Обратиться к компьютеру, посмотреть в глобальной компьютерной сети Интернет.

3.Провести несколько экспериментов и сделать выводы.

История появления магнита

Первые залежи магнетита были обнаружены на территории современной Греции, в области Магнисия. Так и получилось название «магнит»: сокращение от «камень из Магнисии». Кстати, сама область называется по племени магнетов, а те, в свои очередь, берут своё имя у мифического героя Магнета, сына бога Зевса и Фии.

Существует легенда о пастухе по имени Магнус. Рассказывали, что он странствовал со своими овцами и вдруг обнаружил, что железный наконечник его посоха и гвозди в его башмаках прилипают к странному чёрному камню. Так был открыт магнит.

Использовать магнит как указатель сторон света догадались в Китае, но никто не проводил теоретических исследований на эту тему.

А вот научные труды европейских средневековых учёных не обошли магнит стороной. В 1260 году Марко Поло привёз магнит из Китая в Европу, с тех пор его стали тщательно изучать. Пётр Перегрин в 1296 году издал «Книгу о магните», где было описано такое свойство магнита, как полярность. Пётр установил, что полюса магнита могут притягиваться и отталкиваться.

В 1300 году Иоанн Жира создал первый компас, облегчив жизнь путешественникам и мореплавателям. Впрочем, за честь считаться изобретателям компаса борется несколько учёных. Например, итальянцы уверены, что первым изобрёл компас их соотечественник Флавио Джойя.

В 1600 труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов» английского врача Уильяма Гильберта расширил границы знаний об этом предмете. Стало известно, что нагревание способно ослабить магнит, а железная арматура может усилить полюса. Так же оказалось, что сама Земля является огромным магнитом.

В 1701 астроном Э.Галлей опубликовал свои труды по изучению геомагнитных полей. Вскоре была доказана связь между полярным сиянием и магнитными бурями.

Оказывается, бывают дни, когда стрелка компаса перестаёт указывать на север, а начинает беспорядочно кружиться. Это может продолжаться несколько часов или даже несколько суток. Поскольку первыми данный феномен обнаружили моряки, то и назвали явление – магнитной бурей.

Магнитное поле: что это такое и каковы его свойства

М агнитное поле — это результат действия магнита в пространстве, которое его окружает и где он проявляет своё действие. У магнитов есть два полюса: северный (отрицательный) и южный (положительный).

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле (см. рис 1).

Рисунок 1

Концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии замкнуты и непрерывны (см. рис 2).

Рисунок 2: магнитные силовые линии

Рисунок 3: взаимодействие разноименных магнитных полей

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов (см. рис 3).

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание (см. рис 4).

Рисунок 4: взаимодействие одноименных полюсов магнита

Важные свойства магнитных силовых линий:

• Магнитные линии не поддаются гравитации.
• Никогда не пересекаются между собой.
• Всегда образуют замкнутые петли.
• Имеют определенное направление с севера на юг.
• Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
• Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.
• Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Роль магнитного поля в нашей жизни

Самый большой магнит — это наша планета Земля. Магнитное поле, окружающее Землю, играет очень важную роль. Оно хранит нас от губительной радиации, управляет погодой, жизнедеятельностью населяющих ее организмов. Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена.

Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются воздействию невидимых силовых линий этого поля. Но, в то же время, в теле человека имеется свое магнитное поле, возникающее вследствие протекания крови по сосудам. В разных органах оно может быть различно. В здоровом организме и в нормальных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитного полей.

Магнетизм столь же необходим всему живому, как вода, воздух, пища или солнечный свет. Свое воздействие на земной магнетизм оказывает Солнце.

Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Магнитные поля играют важную роль в медицине. Они используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ), которая является одним из самых точных методов диагностики заболеваний. МРТ создает изображения мягких тканей, органов и костей с помощью магнитных полей и радиоволн. Этот метод неинвазивен и безопасен для пациента.

Также магнитные поля используются при лечении некоторых заболеваний, например, болезни Паркинсона. Исследования показывают, что магнитные поля могут помочь уменьшить симптомы болезни и улучшить качество жизни пациентов.

Практическая часть

Методы определения магнитных полей

Определить магнитные поля можно при помощи выполнения несложных экспериментов

В первом эксперименте я решил определить силовые линии магнита, которые формируют магнитное поле. Для проведения эксперимента понадобится: два листа белого картона, металлическая крошка и магнит двух форм (в виде подковы и прямоугольника) (см. рис 5).

Ход эксперимента: на два листа картона высыпаем небольшое количество металлической крошки, затем под один из листов подкладываем магнит подковообразной формы, под другой прямоугольный. Необходимо немного потрясти лист картона (см рис 6).

Вывод: на обоих листах мы наблюдаем, что крошка выстраивается вокруг магнитов в виде линий – это и есть силовые линии магнита, которые образуют магнитное поле. На полюсах магнитов скапливается большее количество крошки, следовательно, в этой области магнитная сила больше всего.

ля проведения второго эксперимента нам понадобится бутыль с маслом, металлическая крошка и магниты (обычный и неодимовый) (см. рис 7).

В бутыль с маслом всыпаем металлический порошок и встряхиваем. Металлическая крошка равномерно распределяется внутри бутылки (см. рис 8).

Затем к стенке бутылки подносим магниты (обычный и неодимовый) (см. рис 9).

Вывод: металлическая стружка притягивается к магнитам в определённом порядке, по силовым линиям, который составляют магнитное поле. Неодимовый магнит обладает большей силой, поэтому притянул большее количество металлического порошка и держится самостоятельно.

Земля – это большой магнит и все свободные магниты выстраиваются по его магнитным линиям. Это и позволяет стрелке компаса всегда правильно указывать направление север-юг. В ходе третьего эксперимента мы попытаемся определить магнитное поле Земли. Для этого нам понадобиться чаша с водой, небольшая пластиковая емкость, прямоугольный магнит, маркер, компас (для подтверждения результатов) (см. рис 10).

Рисунок 1 0

Аккуратно помещаем пластиковую емкость с магнитом в чашу с водой. Ждем когда магнит перестанет крутиться и отмечаем на чаше маркером области, которые совпадают с полюсами магнита (см. рис 11).

Попробуем раскрутить емкость с магнитом, при этом он все равно вернется к поставленным ранее отметкам. Проверим, совпадают ли указанные точки с показателями компаса (см. рис 12).

Вывод: Земля ведет себя как большой магнит и ориентирует по линиям своего поля любой свободно движущийся магнит.

В ходе изучения темы магнитных полей, я понял, что они имеют большое значение в нашей жизни. Магнитное поле, окружающее Землю, играет очень важную роль. Оно хранит нас от губительной радиации, управляет погодой, жизнедеятельностью населяющих ее организмов. Ученые всего мира ведут наблюдения за магнитным полем Земли. Им стало известно, что в последнее время магнитное поле начинает существенно меняться.

Понимание происходящих процессов очень важно для всего живого на Земле, а значит и для всего человечества.

Магнитные поля играют важную роль в науке и медицине, помогая в диагностике и лечении заболеваний, а также в исследовании фундаментальных законов природы и понимании мира вокруг нас.

Цель моей работы достигнута, задачи решены. Сначала я думал, что магнитное поле — это сложный феномен, который невозможно определить самостоятельно. Но благодаря проведению несложных опытов, я убедился, что магнитные поля можно обнаружить. А магнитное поле земли каждый может определить при помощи компаса.

Мое исследование имеет прикладной характер. Его результаты могут быть использованы в урочной и внеурочной деятельности при изучении физики. А я в дальнейшем хочу глубже изучить тему магнетизма и сферы ее применения.

Список использованной литературы

4. Большая книга экспериментов для школьников. Энциклопедия для детей | Мейяни Антонелла