Надо Знать

добавить знаний



Магнитное поле



План:


Введение

На рисунке проводник, вокруг которого существует магнитное поле
Магнитные силовые линии, образованные железной стружкой на бумаге, к которому поднесенный магнит

Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, с помощью которой осуществляется взаимодействие между подвижными электрически заряженными частицами.

Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, которое создается переменным во времени электрическим полем, подвижными электрическими зарядами или спинами заряженных частиц. Магнитное поле вызывает силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Неподвижные электрические заряды с магнитным полем не взаимодействуют, но элементарные частицы с ненулевым спином, которые имеют собственный магнитный момент, является источником магнитного поля и магнитное поле вызывает на них силовое воздействие, даже если они находятся в состоянии покоя.

Магнитное поле создается, например, в пространстве вокруг проводника, по которому течет ток или вокруг постоянного магнита.

Магнитное поле векторным полем, т.е. с каждой точкой пространства связан вектор магнитной индукции \ Mathbf {B} \ характеризующий величину и направление магнитом поля в этой точке и может меняться с течением времени. Наряду с вектором магнитной индукции \ Mathbf {B} \ , Магнитное поле также описывается вектором напряженности \ Mathbf {H} \ .

В вакууме эти векторы пропорциональны между собой: \ Mathbf {B} = k \ mathbf {H} , Где k - константа, зависящая от выбора системы единиц. В СИ, k = \ mu_0 - Так называемой магнитной проницаемости вакуума. Некоторые системы единиц, например СГС Г, построены так, чтобы векторы индукции и напряженности магнитного поля тождественно равны друг другу: k = 1 \ .

Однако в среде эти векторы различны: вектор напряженности \ Mathbf {H} \ описывает только магнитное поле созданное движущимися зарядами (токами) игнорируя поле создано средой, тогда как вектор индукции \ Mathbf {B} \ учитывает еще и влияние среды:

\ Mathbf {B} = \ mathbf {H} + 4 \ pi \ mathbf {M} [1]

где \ Mathbf {M} - Вектор намагниченности среды.


1. Образование магнитного поля

В отличие от электрических зарядов, магнитных зарядов, которые создавали бы магнитное поле аналогичным образом, не наблюдается. Теоретически такие заряды, которые получили название магнитных монополей, могли бы существовать. В таком случае электрическое и магнитное поле были бы полностью симметричными.

Таким образом, наименьшей единицей, которая может создавать магнитное поле, является магнитный диполь. Магнитный диполь отличается тем, что у него всегда есть два полюса, в которых начинаются и кончаются силовые линии поля. Микроскопические магнитные диполи связаны с спинами элементарных частиц. Магнитный диполь имеют как заряженные элементарные частицы, например, электроны, так и нейтральные, например, нейтроны. Элементарные частицы с отличным от нуля спином можно представить себе как маленькие магнитики. Обычно частицы с противоположными значениями спинов спариваются, что приводит к компенсации созданных ими магнитных полей, но в отдельных случаях возможно выравнивание спинов многих частиц в одном направлении, что приводит к образованию постоянных магнитов.

Магнитное поле - также создается движущимися электрическими зарядами, т.е. электрическим током.

Создание электрическим зарядом поле зависит от системы отсчета. Относительно наблюдателя, движущегося с одинаковой с зарядом скоростью, заряд неподвижен, и такой наблюдатель будет фиксировать только создано ним электрическое поле. Другой наблюдатель, движущийся с иной скоростью, фиксировать как электрическое, так и магнитное поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, и являются составными частями общего электромагнитного поля.

При протекании электрического тока через проводник он остается электрически нейтральным, однако носители заряда в нем движутся, поэтому вокруг проводника возникает только магнитное поле. Величина этого поля определяется законом Био-Савара, а направление можно определить с помощью правила Ампера или правила правой руки. Такое поле является вихревым, т.е. его силовые линии замкнуты.

Магнитное поле создается также переменным электрическим полем. По закону электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, что также является вихревым. Взаимное создания электрического и магнитного поля переменным магнитным и электрическим полем приводит к возможности распространения в пространстве электромагнитных волн.


2. Действие магнитного поля

Действие магнитного поля на движущиеся заряды определяется силой Лоренца.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле называется силой Ампера. Силы взаимодействия проводников с током определяются законом Ампера.

Нейтральные вещества без электричества могут втягиваться в магнитное поле ( парамагнетиков) или выталкиваться из него ( диамагнетиков). Выталкивание диамагнетиков из магнитного поля можно использовать для левитации.

Ферромагнетики намагничиваются в магнитном поле и хранят магнитный момент при снятии приложенного поля.


3. Энергия магнитного поля

Энергия магнитного поля в пространстве задается формулой

W = \ frac {1} {8 \ pi} \ int \ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {H} dV .

Соответственно, плотность энергии магнитного поля равна

w = \ frac {1} {8 \ pi} \ mathbf {B} \ cdot \ mathbf {H} .

Энергия магнитного поля проводника с током равна:

W = \ frac {1} {2} L I ^ 2 ,

где I - сила тока, а L - индуктивность, зависит от формы проводника.


4. Термодинамика

Во внешнем магнитном поле, которое задается вектором магнитной индукции \ Mathbf {B} изменяются значения термодинамических потенциалов термодинамических систем. Так, например, прирост внутренней энергии единичного объема термодинамической системы при изменении величины индукции магнитного поля на d \ mathbf {B} равно

dU = TdS + \ frac {1} {4 \ pi} \ mathbf {H} \ cdot d \ mathbf {B} ,

где S - энтропия, T - температура.

Соответственно, для свободной энергии

dF =-SdT + \ frac {1} {4 \ pi} \ mathbf {H} \ cdot d \ mathbf {B}

Таким образом, напряженность магнитного поля в термодинамической системе определяется через частную производную от свободной энергии при постоянной температуре

H = 4 \ pi \ left (\ frac {\ partial F} {\ partial B} \ right) _T

5. Единицы

Магнитная индукция B измеряется в Теслах в системе СИ, и в Гаусса в системе СГС. Напряженность магнитного поля H измеряется в А / м в системе CI и в Эрстедах в системе СГС.

6. Измерение

Магнитное поле измеряется магнитометрами. Механические магнитометры определяют величину поля по отклонению катушки с током. Слабые магнитные поля измеряются магнитометрами на основе эффекта Джозефсона - СКВИД. Магнитное поле можно измерять на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, эффекта Холла и другими методами.


7. Создание

Магнитное поле широко используется в технике и для научных целей. Для его создания используются постоянные магниты и электромагниты. Однородное магнитное поле можно получить с помощью катушек Гельмгольца. Для создания мощных магнитных полей, необходимых для работы ускорителей или для содержания плазмы в установках с ядерного синтеза используются электромагниты на сверхпроводниках.


8. Неоформленный приложение

В 1820 г. Х.Ерстед открыл магнитное поле электрического тока. При этом появление магнитного поля сопровождала любое движение заряженных точек: магнитное поле возникает вокруг металлического проводника с током (движение электронов в твердом теле), возле ванны с электролитом, в которой протекает ток (движение ионов) и даже в вакууме у пучка катодных лучей (движение электронов под действием термоэлектронной эмиссии испускаются катодом. При этом магнитная стрелка (вспомним: "пробный заряд" в электричестве) всегда располагается перпендикулярно току.

Тогда же А.Ампер установил основные законы магнитного взаимодействия токов. Он применил в физике новый термин - "молекулярные токи", протекающие в твердых веществах. Наличием таких токов Ампер объяснил магнитные свойства веществ. Позже было установлено, что роль молекулярных токов в твердых телах выполняют электроны, которые постоянно движутся по круговым орбитам вокруг ядер.

Магнитное поле - составная часть "электромагнитного поля", что является отдельным видом материи. Особенность магнитного поля проявляется в его механическом действии только на движущиеся электрические заряды или на тела, имеющие магнитный момент, независимо от того, движутся они или нет. Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды, например, ток в проводниках. Магнитное поле связано с электрическим полем. Эта связь проявляется в том, что при изменении одного из них возникает второе. Магнитные поля, которые существуют вокруг магничених тел, в том числе и магнитов, причиной движением электрических частиц, из которых состоят тела (электронов, нуклонов). Основными характеристиками магнитного поля вектор напряженности Н в заданной точке поля (в вакууме) и вектор магнитной индукции В (при наличии среды). Эти величины являются силовыми характеристиками деяния магнитного поля на определенные магнитики или на контуры электрическим током. Напряженность магнитного поля вычисляют в эрстедах (в СГСМ системные единицы) и в ("ампер на метр") в МКСА системе единиц). Направление вектора Н магнитного поля, создаваемого электрическим током в проводнике или контуре, можно определить по правилу винта. Для наглядной характеристики магнитного поля введено понятие о линии напряженности магнитного поля или линии магнитной индукции, являются кривыми линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают соответственно с направлениями векторов Н или В. сами величины этих векторов выражают плотностью линий напряженности или индукции, т.е. количеством соответствующих линий, пересекающих перпендикулярную к ним плоскость в 1 см или в 1 м . Основным законом магнитных явлений считают Био-Савара закон.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В, который можно определить с помощью пробной прямоугольной рамки КLNР с током I 1 (рис.1). Проведем через точку А (центр рамки) положительную нормаль п к плоскости, в которой лежит контур рамки. Положительный направление нормали совпадает с поступательным движением буравчика, если рукоятку вращать в направлении тока I1 в рамке. Пусть на участке КL ток 1о совпадает по направлению с током I, на участке NP - противоположный.

Магнитные поля обоих токов I и 1о взаимодействуют, и, если дать возможность рамке поворачиваться относительно вертикальной оси, то она установится так, что плоскость контура КLNР сумиститься с плоскостью, в которой лежит прямолинейный проводник с током И.

Магнитным моментом Рт замкнутого тока называется векторная физическая величина в направлении положительной нормали, которая измеряется произведением величины тока в контуре на площадь, которую охватывает этот контур, то Рт = И1 S месте, где S-площадь контура рамки. На рамку с током действует также механический крутящий момент М пары сил. Вектор М имеет направление вертикальной оси рамки и будет максимальный Мmax, если радиус-вектор r перпендикулярен плоскости контура рамки. Все опыты показывают, что при r = const отношение - остается неизменным.

Магнитная индукция определяется отношением максимальной величины крутящего механического момента рамки с током в его магнитного момента:.

Магнитная индукция является величина векторная. Вектор и Рт имеют направление положительной нормали п, если рамка находится в состоянии равновесия М = 0.

Линиями магнитной индукции называют кривые, касательные к которым в каждой точке совпадает с направлением вектора В в этих точках поля. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводник с током. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом буравчика:

если буравчик поворачивать так, чтобы поступательное движение совпадало с направлением тока и, то вращательное движение рукоятки покажет направление линий магнитной индукции (рис. 2). Удобное также и правило охвата правой рукой: если большой палец правой руки направить в направлении тока, а остальными пальцами обхватить проводник с током, то они укажут направление линий магнитной индукции (и вектора В). Для наглядного изображения магнитного поля используют магнитные стрелки или железные опилки (рис. 3).


См.. также

Источники

  • И.М.Кучерук, И.Т.Горбачук, П.П.Луцик Общий курс физики: Учебное пособие в 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. - Киев: Техника, 2006.
  • Сивухин Д.В. Общий курс физики. т III. Электричество. - Москва: Наука, 1977.
  • Jackson, John David (1999). Classical Electrodynamics (3rd ed.). New York: Wiley. ISBN 0-471-30932-X

Примечания

  1. Формулы на этой странице записаны в системе СГС Г. Для превращения в систему СИ смотри Правила перевода формул системы СГС в систему СИ.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам