В чём отличие однородного магнитного поля от неоднородного?
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
Однородное и неоднородное магнитное поле
Эмпирически показано, что перемещающиеся заряды действуют друг на друга иначе, чем стационарные. Помимо взаимодействия при помощи электрического поля, движущиеся заряды оказывают действия друг на друга магнитным полем.
Прежде чем говорить об однородности или неоднородности магнитного поля следует определить с помощью каких основных физических величин можно количественно описывать магнитное поле. Рассмотрим такие характеристики магнитного поля как:
- Вектор магнитной индукции поля.
- Вектор напряженности магнитного поля.
- Индукция магнитного поля
Магнитная сила ($\vec
$\vec
где $\vec
Уравнение (1) указывает нам на то, что магнитная сила всегда нормальна к вектору скорости и вектору магнитной индукции $\vec $ Если движется положительный заряд, то векторы $\vec
Вектор магнитной индукции ($\vec$) является характеристикой силового действия магнитного поля. Величина магнитной индукции численно равна максимальной магнитной силе, которая действует на частицу с зарядом 1 Кл, которая движется со скоростью 1 м/с в вакууме, нормально вектору магнитной индукции.
Для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции: магнитное поле, которое создается системой перемещающихся зарядов или рядом токов, находят как векторную сумму магнитных полей, которые созданы каждым отдельным источником поля.
Величина магнитной индукции поля зависит от магнитных свойств вещества, в котором поле локализовано. В веществе магнитное поле является суперпозицией внешнего магнитного поля и магнитных полей, создаваемых молекулярными токами.
Готовые работы на аналогичную тему
Магнитное поле называют постоянным, если оно неизменно во времени.
Магнитные поля можно классифицировать, разделяя поля на:
- однородные;
- неоднородные.
Магнитное поле называют однородным, если векторы магнитной индукции во всех точках этого поля одинаковы:
Если $\vec$≠const, то такое магнитное поле называется неоднородным.
Магнитное поле, как и электрическое можно изобразить графически при помощи силовых линий. Это делают для наглядности.
Линии магнитной индукции
Силовые линии магнитного поля называются линиями магнитной индукции. Касательные к этим линиям в любых точках имеют направления аналогичные направлениям векторов магнитной индукции в этих же точках.
Например, силовые линии прямого тока – это окружности с центрами на оси тока (рис.1).
Рисунок 1. Силовые линии прямого тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
У всех постоянных магнитных полей силовые линии замкнутые (или начинаются и заканчиваются в бесконечности). Это свойство качественного отличия постоянного электрического поля от магнитного.
Направление силовых линий магнитного поля связано с правилом буравчика.
Силовые линии постоянных магнитов начинаются на его северных полюсах и приходят к южным полюсам. Внутри постоянных магнитов силовые линии замыкаются.
Представление магнитных полей при помощи линий индукции говорит не только о направлении $\vec$, но и модуле магнитной индукции. Линии магнитной индукции магнитного поля наносят на чертеж, изображая поле, такой густоты, что количество их, пронизывающих единичную площадку, нормальную к этим линиям, было пропорционально модулю магнитной индукции. На таких чертежах там, где магнитная индукция увеличивается по модулю, силовые линии сгущаются. Там, где модуль магнитной индукции уменьшается, силовые линии разрежаются.
Количество силовых линий, которые пересекают поверхность, называют магнитным потоком:
$Ф=\int\limits_S <\vecd\vec\left( 3 \right).>$
В однородном магнитном поле силовые линии изображаются как система параллельных прямых, находящихся на равных расстояниях (рис.2).
Рисунок 2. Однородное магнитное поле. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Отличительные черты однородного магнитного поля:
- Силовые линии магнитного поля — это параллельные прямые.
- Плотность линий магнитной индукции везде одна.
- Сила воздействия поля на магнитную стрелку в любой точке поля одинакова по модулю и направлению.
Неоднородное магнитное поле изображено на рис.3.
Рисунок 3. Неоднородное магнитное поле. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Отличительные черты неоднородного магнитного поля:
- Искривленность линий магнитной индукции.
- В различных точках поля густота силовых линий различны.
- Сила воздействия магнитного поля на магнитную стрелку является разной в разных точках поля по модулю и направлению.
Напряженность магнитного поля
Если магнитное поле находится в веществе (магнитная проницаемость $\mu \ne 1)$;), то в таком веществе происходит процесс намагничивания. В этом случае во всем объеме вещества возникают молекулярные токи, порождающие свое магнитное поле. Магнитное поле в веществе получается равным сумме внешнего поля (или поля в вакууме) $\vec_<0>$ и поля молекулярных токов $\vec_
Магнитные свойства вещества характеризует такая физическая величина, как магнитная проницаемость $\mu$:
Вектор напряженности магнитного поля ($\vec
где $\vec
_
Связь между $\vec$ и $\vec
Для магнитного поля в однородном изотропном магнетике напряженность магнитного поля не зависит от магнитной проницаемости вещества и равна напряженности в избранной точке поля для вакуума, если поле создают те же источники.
Для однородного магнитного поля имеем:
Относительно неоднородного магнитного поля можно сказать, что:
Примеры однородных магнитных полей
Однородных магнитных полей встречается совсем немного. К однородным магнитным полям относят:
- магнитное поле внутри полосового магнита,
- внутри длинного соленоида, если его длину можно считать намного большей, чем его диаметр.
Примеры неоднородных магнитных полей
К неоднородным магнитным полям относится большинство магнитных полей, например:
Чем однородное поле отличается от неоднородного
1. Какое магнитное поле называется однородным? и где оно существует?
Однородное магнитное поле — это магнитное поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
Магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Однородное магнитное поле существует:
а) внутри соленоида, т. е. проволочной цилиндрической катушки с током, если длина соленоида значительно больше его диаметра.
б) внутри постоянного полосового магнита в центральной его части.
2. Какое магнитное поле называется неоднородным? и где оно существует?
Неоднородное магнитное поле — это магнитное поле, в котором сила, действующая на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.
Линии неоднородного магнитного поля искривлены, их густота меняется от точки к точке.
Неоднородное магнитное поле существует:
а) снаружи полосового магнита,
б) снаружи соленоида (катушки с током),
в) вокруг прямого проводника с током.
3. Что вы знаете о направлении и форме линий поля полосового магнита?
Магнитное поле постоянного полосового магнита:
Магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный.
Внутри магнита они направлены от южного полюса к северному.
Магнитные линии не имеют ни начала, ни конца: они либо замкнуты, либо, как средняя линия на рисунке, идут из бесконечности в бесконечность.
Вне магнита магнитные линии расположены наиболее густо у его полюсов.
Это значит, что возле полюсов поле самое сильное, а по мере удаления от полюсов оно ослабевает.
Чем ближе к полюсу магнита расположена магнитная стрелка, тем с большей по модулю силой действует на нее поле магнита.
Поскольку магнитные линии искривлены, то направление силы, с которой поле действует на стрелку, тоже меняется от точки к точке.
Сила, с которой поле полосового магнита действует на помещенную в это поле магнитную стрелку. в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.
Поле постоянного полосового магнита является неоднородным снаружи магнита и однородным внутри его центральной части..
4. Что вы знаете о магнитном поле прямого проводника с током?
Магнитное поле может прямолинейного проводника с током:
Проводник с током расположен перпендикулярно к плоскости чертежа.
Кружочком обозначено сечение проводника.
Точка означает, что ток направлен из-за чертежа к нам.
Магнитные линии поля, созданного прямолинейным проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от проводника.
Магнитное поле прямого проводника с током неоднородно.
5. Что вы знаете о магнитном поле соленоида (катушки с током)?
Магнитное поле соленоида (катушки с током):
Магнитное поле соленоида (катушки с током) аналогично магнитному полю полосового магнита, если длина катушки больше ее диаметра.
Катушка с током представляет собой магнит.
Тот конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, является северным полюсом, а тот, в который входят, — южным.
Однородное магнитное поле, возникает внутри соленоида, т. е. проволочной цилиндрической катушки с током.
Поле внутри соленоида можно считать однородным, если длина соленоида значительно больше его диаметра.
Вне соленоида поле неоднородно, его магнитные линии расположены примерно так же, как у полосового магнита.
6. Какое магнитное поле — однородное или неоднородное — образуется вокруг полосового магнита? вокруг прямолинейного проводника с током? внутри соленоида, длина которого значительно больше его диаметра?
Вокруг полосового магнита образуется неоднородное магнитное поле.
Вокруг прямолинейного проводника с током образуется неоднородное магнитное поле.
Внутри соленоида, если длина его больше его диаметра, образуется однородное магнитное поле.
7. Что можно сказать о модуле и направлении силы, действующей на магнитную стрелку в разных точках неоднородного магнитного поля? однородного магнитного поля?
Сила, с которой манитное поле полосового магнита действует на помещенную в его неоднородное поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.
Сила, с которой манитное поле катушки с током действует на помещенную внутри катушки (в однородное поле) магнитную стрелку, в разных точках поля должна быть одинаковой как по модулю, так и по направлению.
8. Сравните картины расположения линий в неоднородном и однородном магнитных полях.
Магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Линии неоднородного магнитного поля искривлены, их густота меняется от точки к точке.
9. Как изображают линии магнитного поля, направленные перпендикулярно к плоскости чертежа?
Если линии однородного магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа и направлены от нас за чертеж, то их изображают крестиками.
Если линии однородного магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа и направлены из-за чертежа к нам, то их изображают точками.
Как и в случае с током, каждый крестик — это как бы видимое нами хвостовое оперение летящей от нас стрелы, а точка — острие стрелы, летящей к нам (на обоих рисунках направление стрел совпадает с н45аправлением магнитных линий).
Что такое электрическое поле, его классификация и характеристики
Нас окружает материальный мир. Материю мы воспринимаем с помощью зрения и других органов чувств. Отдельным видом материи является электрическое поле, которое можно выявить только через его влияние на заряженные тела или с помощью приборов. Оно порождает магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.
Определение
Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.
Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако его силовое воздействие стремится к нулю, при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [1].
Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное перемещение носителей зарядов.
Рис. 1. Определение понятия “электрическое поле”
Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.
Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.
Характерные физические свойства:
- реагирует на присутствие заряженных частиц;
- взаимодействует с магнитными полями;
- является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
- поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.
Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.
Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.
Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.
Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.
Классификация
Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.
Однородное электрическое поле
Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжённости. Если векторы напряжённости идентичны по модулю и они при этом сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле – однородно. В нём линии напряжённости расположены параллельно.
В качестве примера является электрическое поле, образованное разноимёнными зарядами на участке плоских металлических пластин (см. рис. 2).
Рис. 2. Пример однородности
Неоднородное электрическое поле
Чаще встречаются поля, напряжённости которых в разных точках отличаются. Линии напряжённости у них имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, то есть система из двух разноимённых зарядов, влияющих друг на друга (см. рис. 3). Несмотря на то, что векторы напряжённости электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, то такое поле неоднородно. Более сложную конфигурацию имеют вихревые поля (рис 4). Их неоднородность очевидна.
Рис. 3. Электрический диполь 
Рис. 4. Вихревые поля
Характеристики
Основными характеристиками являются:
- потенциал;
- напряжённость;
- напряжение.
Потенциал
Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ =W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.
Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.
Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ∞=0.
Напряжённость поля
Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.
Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.
Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.
Рис. 5. Электрическое поле положительного и отрицательного вектора напряжённости
Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.
Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.
Рис. 6. Направление линий напряжённости положительных и отрицательных зарядов
Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.
Для общего случая распределения зарядов имеем:
Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:
- электростатического;
- дипольного;
- системы и одноимённых зарядов;
- однородного поля.
Напряжение
Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.
Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.
Методы обнаружения
Органы чувств человека не воспринимают электрических полей. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или определить по запаху. Единственное, что может ощутить человек – это выпрямление волос вдоль линий напряжённости. Наличие слабых воздействий мы просто не замечаем.
Обнаружить их можно через воздействие на мелкие кусочки бумаги, бузиновые шарики и т.п. Электрическое поле воздействует на электроскоп – его лепестки реагируют на такие воздействия.
Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Она всегда располагается вдоль линий напряжённости.
Существуют очень чувствительные электронные приборы, с лёгкостью определяющие наличие электростатических полей.
Методы расчета электрического поля
Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:
- метод сеток или конечных разностей;
- метод эквивалентных зарядов;
- вариационные методы;
- расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.
Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.
Использование
Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.
На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.
Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.
К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.