III. Основы электродинамики
Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать железные предметы. Куски таких руд были найдены возле города Магнесии в Малой Азии, поэтому они получили название магнитов.
Посредством чего взаимодействуют магнит и железные предметы? Вспомним, почему притягиваются наэлектризованные тела? Потому что около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем.
Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (линии магнитной индукции). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).
Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок.
Магнитное поле проводника с током
А теперь о том, что обнаружили Ханс Кристиан Эрстед и Андре Мари Ампер в 1820 г. Оказывается, магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Любой провод, например, шнур от лампы, по которому протекает электрический ток, является магнитом! Провод с током взаимодействует с магнитом (попробуйте поднести к нему компас), два провода с током взаимодействуют друг с другом.
Силовые линии магнитного поля прямого тока — это окружности вокруг проводника.
Направление вектора магнитной индукции
Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенного в эту точку.
Направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.
Определяется направление вектора индукции по правилу буравчика или правилу правой руки.
Вектор магнитной индукции
Это векторная величина, характеризующая силовое действие поля.
Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током на расстоянии r от него:
Индукция магнитного поля в центре тонкого кругового витка радиуса r:
Индукция магнитного поля соленоида (катушка, витки которой последовательно обходятся током в одном направлении):
Принцип суперпозиции
Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности
Сравнительная таблица магнитного и электрического полей
Магнитное поле Земли
Земля является не только большим отрицательным зарядом и источником электрического поля, но в то же время магнитное поле нашей планеты подобно полю прямого магнита гигантских размеров.
Географический юг находится недалеко от магнитного севера, а географический север приближен к магнитному югу. Если компас разместить в магнитном поле Земли, то его северная стрелка ориентируется вдоль линий магнитной индукции в направлении южного магнитного полюса, то есть укажет нам, где располагается географический север.
Характерные элементы земного магнетизма весьма медленно изменяются с течением времени — вековые изменения. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к прежним значениям. Такое резкое изменение влияет на самочувствие людей.
Магнитное поле Земли является «щитом», прикрывающего нашу планету от частиц, проникающих из космоса («солнечного ветра»). Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.
Внутренняя структура магнита
Применение магнитного поля
Частицы диоксида железа на магнитной пленке хорошо намагничиваются в процессе записи.
Поезда на магнитной подушке скользят над поверхностью совершенно без трения. Поезд способен развивать скорость до 650 км/ч.
Работа головного мозга, пульсация сердца сопровождается электрическими импульсами. При этом в органах возникает слабое магнитное поле.
Магнитное поле
Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Без магнитного поля не функционировали бы герконы, электромагнитные реле, соленоиды, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, двигатели, динамики, генераторы электрической энергии да и вообще много чего.
Природа магнетизма
Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.
Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой — на ЮГ.
Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.
Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.
Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).
Магнитные линии и магнитный поток
Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.
Как вы могли заметить на рисунке, 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 — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.
Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов
Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание
Итак, ниже 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.
Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?
Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».
В физике формула магнитного потока записывается как
Ф — магнитный поток, Вебер
В — плотность магнитного потока, Тесла
а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах
S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м 2
Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м 2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.
Напряженность магнитного поля
Формула напряженности
Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
B — плотность магнитного потока, Тесла
μ0 — магнитная постоянная = 4π × 10 -7 Генри/метр или если написать по человечески 1,2566 × 10 -6 Генри/метр.
Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.
μ — это относительная магнитная проницаемость.
У разных веществ она разная
Напряженность магнитного поля проводника с током
Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.
Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
I — сила тока, текущая через проводник, Ампер
r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр
Магнитное поле проводника с током
Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.
Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.
Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.
Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.
Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?
Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.
Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.
Соленоид
А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину. У нас должно получится что-то типа этого.
Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.
Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.
Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.
Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.
Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.
I — это сила тока в катушке, Амперы
N — количество витков катушки, штуки)
Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.
Свойства и особенности силовых линий магнитного поля. Как направлены магнитные линии
Рисунок 2.2. В магнитном поле магнитные стрелки ориентированы определенным образом. Северный полюс стрелки указывает направление вектора магнитной индукции в этой точке.
Правило Буравчика в физике — правило правой и левой руки кратко и понятно с формулами и примерами
С древности было замечено, что некоторые железные вакансии тянут за собой железные тела. Древние греки называли эти шахты магнитного камня частями, вероятно, по названию города Магнезия, из которого привозили руду. Сегодня их называют природными магнитами. Существуют также искусственные магниты. Сегодня вы познакомитесь с некоторыми свойствами магнитов и узнаете о магнитных взаимодействиях и взаимосвязи между магнитными и электрическими явлениями.
Свойства постоянных магнитов:.
На уроке естествознания в 5 классе вы узнаете о магнитных явлениях и обнаружите, что некоторые тела обладают способностью притягивать черные предметы и притягиваться к ним.
Тела, которые сохраняют свои магнитные свойства в течение длительного времени, называются постоянными магнитами.
Первая попытка научного подхода к изучению магнетизма была предпринята в 13 веке Пьером Перелином де Марикотом из французской природы (точная дата его появления неизвестна) с помощью «магнитного послания». Свойства постоянных магнитов были исследованы более систематически, чем Вильгельмом Гильбертом (1544-1603). Это был английский физик и врач, один из основателей электротехнической науки. Некоторые из основных свойств показаны ниже.
Полюса магнита отталкиваются от полюсов, а полюса магнита притягиваются к противоположным полюсам.
noord — север; zuiden (нем.
Эксперимент с эрстедом и ампером:.
Уже древнегреческие ученые предполагали, что магнитные и электрические явления связаны между собой, но эта связь была установлена только в начале 19 века.
15 февраля 1820 года датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) провел эксперимент по нагреванию электрического трубопровода. Он отметил, что во время протекания электричества магнитные стрелки возле трубопровода были перпендикулярны проводнику, удалены от станции север-юг (перпендикулярно проводнику).Рисунок 1.1.). Если в трубопроводе не было электричества, стрелка возвращалась в исходное положение. Таким образом, было установлено, что электричество обладает магнитным эффектом.
Рисунок 1.1: Схема эксперимента ERSTED (символ I внизу означает, что через проводник течет ток — стрелка указывает направление тока).
Французский математик и физик Андре Мари Ампер (1775-1836) впервые услышал об эксперименте X 4 сентября 1820 года; через неделю он уже доказал взаимодействие двух параллельных проводников (Рисунок 1.2.). Ампер также продемонстрировал, что катушка, в которой течет ток, подобна постоянному магниту (Рисунок 1.3.). Он пришел к выводу, что если трубы электрически нейтральны (не заряжены), то их притяжение или отталкивание не может быть объяснено электрической силой. Он пришел к выводу, что поведение проводников является результатом действия магнитных сил.
Определение магнитного поля
При изучении электрических явлений в 8 классе он узнал, что вблизи заряженного тела существует поле, которое называется электрическим полем, и что это поле осуществляется за счет электрического взаимодействия между заряженными телами и частицами.
Вблизи намагниченного тела, вблизи канала с электрическим током, также существует поле, называемое магнетизмом. Магнитные взаимодействия протекают с некоторой скоростью от магнитного поля (к такому выводу пришел английский физик Майкл Фарадей (1791-1867)).
Рисунок 1.3. Силовые катушки действуют как постоянные магниты
Рассмотрим взаимодействие между постоянным магнитом и катушкой с током (Рис. 1.3, б). Катушка с током создает магнитное поле. Магнитное поле распространяется в пространстве и начинает действовать на постоянный магнит (намагниченный объект) — магнит отклоняется. Магнит также создает собственное магнитное поле, которое, в свою очередь, воздействует на катушку с током — и катушка также отклоняется.
Обратите внимание, что магнитные поля также существуют вблизи движущихся заряженных частиц и вблизи движущихся заряженных тел и действуют с некоторой силой на заряженные тела и частицы, движущиеся в пределах этого магнитного поля.
Примечание: Мы не можем видеть магнитное поле, но оно, как и электрическое поле, абсолютно реально — это форма материи.
Магнитное поле — это форма материи, которая существует вблизи намагниченных объектов, проводников тока, движущихся заряженных объектов и частиц и воздействует на другие намагниченные объекты, проводники тока, движущиеся заряженные объекты и частицы в этом магнитном поле.
Объекты, которые сохраняют свои магнитные свойства в течение длительного периода времени, называются постоянными магнитами. Основные свойства постоянного магнита: 1) магнитное действие магнита сильнее вблизи его полюсов — 2) полюса магнита с одинаковой магнитной силой отталкиваются, а полюса с противоположной магнитной силой притягиваются — невозможно изготовить магнит, если есть только один полюс — 3) нагревание постоянного магнита до определенной температуры (точка Кюри) тогда его магнитные свойства теряются.
Магнитные взаимодействия происходят через магнитные поля. Магнитное поле — это форма материи, которая существует вблизи намагниченных объектов, проводников с током, движущихся заряженных объектов и частиц в этом магнитном поле.
Индукция магнитного поля, линии магнитной индукции
Хотя магнитные поля невидимы, важно научиться визуализировать их, чтобы лучше понимать магнитные явления. В этом могут помочь магнитные стрелки. Каждая стрелка представляет собой небольшой постоянный магнит, который легко поворачивается в горизонтальной плоскости (Рисунок 2.1.). В этом разделе вы узнаете, как магнитное поле изображается графически и какие физические размеры его характеризуют.
Правило Буравчика
Несколько магнитных стрелок помещаются рядом с проводником, и через проводник пропускается ток. Стрелки направлены в сторону магнитного поля проводника (Рис. 3.1,.). Северный полюс каждой стрелки указывает направление вектора индукции магнитного поля в этой точке и, следовательно, направление линий магнитного поля в этом поле.
При изменении направления тока в проводнике изменяется и направление магнитных стрелок (Рис. 3.1, б). Это означает, что направление линий магнитного поля зависит от направления тока в проводнике.
Рис. 3.1.Использование магнитных стрелок для определения направления линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током
Поскольку не всегда легко найти направление линий магнитной индукции с помощью магнитных стрелок, используется правило градиента.
Когда соломинка поворачивается в направлении тока в проводнике, направление вращения ручки соломинки указывает направление линий магнитного поля тока (см.Рисунок. 3.2, рис.);
Когда большой палец правой руки повернут в направлении тока в проводнике, четыре изогнутых пальца указывают направление линий магнитного поля (Рис. 3.2, б).
Рисунок 3.2; определение направления линий магнитного поля силовой линии с помощью закона Драйвера
От чего зависит модуль индукции магнитного поля проводника с током
Помните: магнитное действие проводников тока было впервые открыто X. Орстедом в 1820 году. Но почему это открытие не было сделано раньше? Причина в том, что магнитная индукция магнитного поля, создаваемого проводником, быстро уменьшается с увеличением расстояния от проводника. Поэтому, если магнитная стрелка не находится вблизи проводника с током, магнитное действие тока практически незаметно.
Рис. 3.3. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током. Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка; крестик
Магнитная индукция также зависит от силы тока. Чем больше ток в проводнике, тем больше магнитная индукция магнитного поля, создаваемого проводником.
Магнитное поле катушки с током
Намотаем изолированный кабель и пропустим через него ток. Если мы теперь поместим магнитные стрелки вокруг катушки, они будут направлены от N-полюса к одному концу катушки и от S-полюса к другому концу (Рисунок 3.4.). Это означает, что вокруг катушки с током существует магнитное поле.
Рис. 3.4; исследование магнитного поля катушки с током с помощью магнитных стрелок.
Подобно магнитной ленте, силовая катушка имеет два полюса — южный и северный. Полюса катушки расположены на концах катушки, и их легко определить по правой стороне.
Магнитные поля существуют вокруг постоянных магнитов (например, конических, круглых и т.д.) и вокруг металлических проводов, по которым течет ток.
Свойства магнитного поля
Магнитные поля содержат элементы, которые взаимодействуют и взаимодействуют друг с другом, тем самым изменяя свойства этих элементов. Свойства магнитных полей:.
- Образуется в результате воздействия перемещающихся зарядов электрического тока.
- Характеристикой магнитного поля в любой его точке является вектор физической величины, который называют магнитной индукцией. Данная характеристика является силовым параметром магнитного поля.
- Оказывает воздействие исключительно на магниты, проводники, по которым проходит ток, перемещающиеся заряды.
- Классифицируется на постоянный и переменный тип.
- Может быть измерено с помощью специальных приборов, не воспринимается человеческими органами чувств.
- Обладает электродинамическим характером, поскольку образовано в процессе перемещения зарядов и влияет на заряженные частицы, когда они перемещаются.
- Частицы, обладающие зарядом, перемещаются перпендикулярно.
Величина магнитного поля определяется скоростью его изменения. На основе этого свойства можно выделить два типа магнитных полей.
Гравитационные магнитные поля наблюдаются вокруг элементарных частиц. Они создаются в соответствии с особой структурой элементарных частиц.
Что такое силовые линии магнитного поля
Магнитные силовые линии — это линии, касательные которых совместимы с направлением вектора индукции магнитного поля.
Силовые линии можно использовать для отображения магнитных полей. Например, поведение железной стружки на листе бумаги демонстрирует магнитное поле, источником которого является постоянный магнит в виде бруска.
Другим примером является картина силовых линий, возникающих при наблюдении за длинной индукционной катушкой и постоянным магнитом.
Силовые линии магнитного поля имеют следующие характеристики
- данные линии не имеют пересечений и прерываний;
- частота расположения линий пропорциональна индукции магнитного поля;
- линии всегда замыкаются, следовательно, магнитное поле является вихревым.
Как определить силовые линии магнитного поля
Когда магнитное поле прикладывается к негерметичной рамке, возникает магнитный момент. Эта величина представляет собой вектор линий, перпендикулярных рамке. Магнитные поля изображаются графически с помощью силовых линий. Они ориентированы так, чтобы вектор напряженности поля совпадал с направлением линий электропередач. Эти линии замкнуты и непрерывны.
Магнитные стрелки можно использовать для определения направления магнитного поля. Полярность магнита также можно определить по магнитному полю силовых линий. Конец, где динамическая линия выходит, соответствует северному полюсу, а точка входа линии соответствует южному полюсу.
Для визуальной оценки магнитного поля рекомендуется использовать железные опилки и лист бумаги. Он покрыт постоянным магнитом. Поверхность бумаги покрыта частицами железа. Металлические частицы приобретают порядок, соответствующий расположению силовых линий.
Для проводников направление силовых линий определяется с помощью правила большого пальца или правила правой руки. Например, если вы обхватите проводник рукой так, чтобы большой палец был направлен в сторону тока от положительного к отрицательному, остальные четыре пальца будут направлены в ту же сторону, что и динамические линии магнитного поля.
Магнитные поля влияют на токи утечки зарядов или проводников под действием сил Лоренца. Его направление определяется с помощью правила левой руки. Если левая рука расположена так, что четыре пальца направлены в ту же сторону, что и ток в проводнике, а силовые линии проходят через ладонь, то большой палец указывает на вектор силы Лоренца, через который магнитное поле действует на внутренний проводник. Магнитное поле.
Для характеристики поля используется понятие индукции. Графически особенности представлены в виде линий магнитного поля. Они замкнуты, бесконечны, простираются от северного полюса и возвращаются к южному полюсу.
Основные признаки и свойства магнитных линий
Магнитные поля существуют вокруг постоянных магнитов (например, конических, круглых и т.д.) и вокруг металлических проводов, по которым течет ток.
Магнитные поля представлены в виде магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции — это геометрические кривые, вектор (направление) магнитной индукции которых направлен тангенциально в любой точке.
Основные свойства линий магнитного поля можно выделить следующим образом
- Магнитные линии непрерывны;
- Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
- Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
- Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.
Магнитные линии полосового магнита
С помощью простых экспериментов можно продемонстрировать свойства линий магнитного поля. Полосовой магнит помещают на горизонтальную поверхность, сверху на прозрачную (неметаллическую) пластину, на которую бросают небольшой кусочек железа. Под действием магнита опилки намагничиваются и превращаются в магнитную стрелку. Установлено, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, выходящих из северного полюса B и входящих в южный полюс N. Линии более плотные в районе полюсов магнита.
Рисунок 1: Линии магнитного поля полосатого магнита
Магнитные линии дугообразного магнита
Аналогичные эксперименты можно провести с использованием дугового магнита.
Рис. 2. Линии магнитного поля дугового магнита.
Видно, что во всем магните линии магнитного поля начинаются на N-полюсе и заканчиваются на S-полюсе.
На рисунке 7 показано, как можно использовать правило буры. По отношению к лидеру ток течет вниз. Бура, расположенная, как показано на рисунке, вращается по часовой стрелке и движется вниз. Тогда, согласно правилам, направление линий магнитного поля вокруг проводника будет «по часовой стрелке».
Силовые линии магнитного поля: определение направления
Каждый, кто изучал физику в школе, знаком с этим понятием, т.е. с направлением линий магнитной индукции. Направление магнитных силовых линий может быть рассчитано различными способами, наиболее распространенным из которых является «правило большого пальца». Этот и другие методы определения направления индукции более подробно описаны в данной статье.
Определение магнитных силовых линий
С точки зрения физики, линия магнитного поля (МП) — это прямая линия с касательной, проведенной к той же величине, что и путь ориентации магнитной индукции. Линия спроектирована так, что ее частота пропорциональна скорости магнитной индукции.
Чем выше частота в конкретной точке, тем выше частота линии электропередачи.
Это делает свойства динамических линий похожими на свойства статических проводов. Однако различия могут заключаться в некоторых особенностях.
Во-первых, необходимо исследовать магнитное поле магнита, создаваемое линией постоянного тока. Проводящие волокна проходят перпендикулярно основной плоскости. В различных точках, равноудаленных от трубопровода, значения индуктивности будут одинаковыми. Прямые линии, касательные которых по всей длине соответствуют индуктивному процессу магнита, образуют круг или эллипс.
Согласно вышесказанному, эти прямые линии представляют собой круги или овалы, обернутые вокруг самого трубопровода. Все центры линий электропередач накапливают. Они значительно отличаются от статических линий электропередач. Это связано с тем, что последние не сокращаются, а запускаются и загружаются.
Эти линии поля не имеют ни конца, ни начала. Сегодня полюса магнитов севера и юга еще не определены по отдельности. Это можно рассматривать как источник поля определенной полярности. Это также не начало и не конец поля полей. Однако все источники магнитных полей характеризуются наличием северного и южного полюсов.
Как определить линейно-магнитную направленность
Существует несколько способов определения направления этих линий. Более подробную информацию об определении направления магнитных линий см. ниже.
Правило буравчика
Наиболее распространенным методом определения маршрута этих линий является правило винта. Впервые о нем заговорили в 19 веке, когда ученые обнаружили магнитные поля вокруг трубопроводов, связанные с напряжением.
Сформированные силовые линии ведут себя так же, как природные магниты. Кроме того, взаимосвязь между электрическим полем и током МП в трубопроводе была первоначальным источником электромагнитной динамики.
Также при определении положения могут быть найдены такие показатели вектора оси.
Магнитные линии
Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся частицы, обладающие электрическим зарядом. Для наглядности магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Какой вид имеют эти линии, где они начинаются и где кончаются – ответы на эти вопросы читайте ниже.
Немного из истории магнетизма
Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.
Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.
В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.
Основные признаки и свойства магнитных линий
Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов (полосовых, дугообразных или иной формы) и вокруг металлического провода, по которому течет электрический ток.
Магнитное поле изображается в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукция — это некая геометрическая кривая, в любой точке которой вектор (направление) магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Можно выделить основные свойства магнитных линий:
- Магнитные линии непрерывны;
- Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
- Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
- Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.
Магнитные линии полосового магнита
С помощью простого эксперимент можно продемонстрировать свойства магнитных линий. Полосовой магнит кладется на горизонтальную поверхность, на него сверху — прозрачная (неметаллическая) пластинка, на которую насыпают мелкие железные опилки. Под действием магнита опилки намагничиваются и становятся как бы магнитными стрелочками. Видно, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, которые выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S. Гуще всего линии расположены в районе полюсов магнита.
Рис. 1. Магнитные линии полосового магнита
Магнитные линии дугообразного магнита
По аналогичной схеме можно поставить эксперимент с дугообразным магнитом.
Рис. 2. Магнитные линии дугообразного магнита.
Видно, что по всему магниту магнитные линии начинаются на северном полюсе и оканчиваются на южном.
Магнитные линии прямого провода с током
Используем такую же схему эксперимента для прямого провода, по которому течет электрический ток. В данном случае можно заменить прозрачную пластину на кусок картона или фанеры.
Рис. 3. Магнитные линии прямого провода с током.
Видно, что опилки выстраиваются по концентрическим окружностям, показывая форму магнитных линий. При изменении направления тока опилки поворачиваются на 180 0 . Следовательно, направление магнитных линий в данном случае связано с направлением тока в проводнике.
Известно, что Земля — это огромный “полосовой” магнит. Благодаря этому, с помощью магнитной стрелки компаса мы можем ориентироваться в пространстве. Но надо иметь ввиду, что есть места с крупными залежами магнетитов (железных руд), которые создают сильное “фоновое” магнитное поле, которое поворачивает стрелку компаса вдоль своих магнитных линий. Одно из таких мест — Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области нашей страны.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что магнитное поле изображают в виде магнитных линий, которые: непрерывны, замкнуты, в постоянных магнитах магнитные линии выходят из северного полюса и заканчиваются в южном полюсе, направление магнитных линий прямого провода с электрическим током зависит от направления тока.