что служит источником магнитного поля
Что такое магнитное поле, его свойства и источники
Магнитное поле: Freepick
Что такое магнитное поле? Физика легко объясняет все явления природы, в том числе и невидимые, а потому дает ответ и на этот вопрос. Оказывается, в некоторых веществах есть свободные электроны, движение которых и создает особенные поля. Обсудим их секреты подробнее.
Что такое магнитное поле, его свойства
Многие видели и держали в руках магниты. Легко заметить ту силу, которая возникает между ними.
Каждый магнит обладает двумя полюсами: противоположные притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Кроме того, магниты всегда окружены областью, где эта сила возникает. Магнитные поля как раз и описывают такую силу.
Таким образом, магнитное поле — это концепция, которую используют, чтобы описать то, как сила распределяется в пространстве вокруг магнита и в нем самом. Впервые на это явление обратил внимание французский ученый Перегрин, а затем исследовали Ампер и Фарадей.
Явление магнетизма и магнитных полей — одна из составляющих электромагнитных сил, которые для природы базовые. Появляется магнитное поле там, где происходит движение зарядов. Когда большие заряды двигаются с высокими скоростями, то сила магнитного поля возрастает.
Магнитное поле вокруг магнита: Freepick
Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:
Каждый кусочек любого материала состоит из миллиардов атомов. Когда они ориентируются в пространстве произвольно, то их поле угасает, даже при наличии непарных электронов. Только в стабильных веществах можно получить постоянную ориентацию электронов, то есть постоянный магнит или ферромагнетик.
Некоторым материалам для этой цели необходим внешний источник магнитного поля. Оно способно сориентировать вращение электронов и задать им нужное направление, но стоит исчезнуть внешнему полю, и общая ориентация тоже пропадет. Такие материалы получили название парамагнетиков.
Хороший пример парамагнетика — металлическая дверца холодильников. Сама по себе она не магнит, но может притягивать приложенные к ней магниты. Это свойство многие используют, когда с помощью магнита крепят к дверце холодильника список покупок или записку.
Экспериментально подтвержденные свойства магнитного поля таковы:
Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.
Магнитное поле: источники, измерение
Источниками магнитных полей считаются:
Магниты разного размера: Freepick
С детства сталкиваемся с постоянными магнитами:
Движущиеся электрические заряды, если сравнивать их с постоянными магнитами, обладают большей магнитной энергией.
Если магнитное поле нельзя увидеть, то как его изобразить? Физики предложили следующие способы:
Во втором виде изображения есть такие преимущества:
Чтобы указать направление поля, применяют стрелочки, расставленные вдоль силовых линий. Иногда применяют и другие обозначения. Традиционно полюса магнита обозначают как «север» и «юг», а силовые линии изображают по направлению от одного полюса ко второму.
По этой причине их обычным направлением считается направление с севера на юг. Концы источника магнитного поля часто подписывают английскими буквами N (север) и S (юг).
Полюбоваться силовыми линиями может каждый. Для этого:
Так обычно выглядит основная картина, а свойства материала опилок определяют положение и плотность линий.
Магнит, притягивающий скрепки: Freepick
Наконец, магнитное поле как векторную величину можно описать и измерить. Для этого понадобится сила и направление:
Точные измерения слабых магнитных полей начались после открытия в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления. Им обладают материалы, которые составлены из особенных тонких пленок.
Интересно, что это открытие фундаментальной физики стало применяться для хранения информации на жестких дисках компьютеров. В итоге плотность записи на магнитном носителе выросла в тысячи раз буквально в течение нескольких лет. В 2007 году ученые Ферт и Грюнберг за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.
Согласно международной системе единиц, силу (индукцию) магнитных полей измеряют в тесла (обозначают Тл, назвали в честь Николы Теслы). Тесла — это такая величина силы, которая действует на движущийся заряд от магнитного поля. Так, маленький магнит, который повесили на холодильник, создаст индукцию примерно 0,001 Тл, в то время как индукция магнитного поля нашей планеты составляет 5×10⁻⁵ Тл.
Иногда ученые пользуются альтернативной единицей измерения под названием гаусс (обозначают Гс). Преобразовываются эти единицы измерений достаточно легко: 1 Тл = 10⁴ Гс. Причиной применения единицы Гс стало то, что 1 тесла — это слишком высокая величина для индукции.
В формулах величину магнитной индукции обозначают символом BBB. Иногда встречается термин «напряженность магнитного поля» с обозначением символом HHH. Обе эти величины измеряют в одних и тех же единицах, но в напряженности учитывается магнитное поле, которое есть внутри магнита. В решении простых задач, где действие происходит в воздухе, этой разницей можно пренебречь.
О том, что такое магнитное поле, больше знаем из практики, но не всегда разбираемся в теории. Оказывается, что невидимые магнитные поля вполне реальны и создаются движением электронов. Их направление указывают стрелки компасов, а силу измеряют специальные приборы.
Уникальная подборка новостей от нашего шеф-редактора
Магнитное поле: что это такое, определение, виды, силовые линии
Магнитное поле — это поле, которое можно определить как пространство вокруг магнита, в котором действуют магнитные силы.
Как известно, электрический ток может оказывать различные действия, например, тепловые, химические и магнитные. Магнитное действие проявляется, например, в том, что между проводниками с электрическим током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами.
Магнитное взаимодействие
Еще в древности было замечено, что одни тела притягивают другие тела. Янтарь следует натирать, чтобы он притягивал к себе волосы или обрывки ткани, но магниты всегда притягивают, но только железные предметы. Древние люди также обнаружили, что магнит может заставить другое тело, сделанное из железа, приобрести магнитные свойства, если держать его достаточно близко к магниту. Они также заметили, что две стороны магнита имеют разные свойства — обращенные друг к другу магниты могут притягивать или отталкивать друг друга.
Уже в настоящее время мы знаем, что магнитное поле возникает между полюсами магнитного материала. Полюса бывают северными и южными. Вы, наверное, сами сталкивались с тем, что когда вы сводите два магнита вместе, они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга. Это происходит потому, что магнитные полюса с разными названиями (север-юг) притягиваются, а полюса с одинаковыми названиями (север-север, юг-юг) отталкиваются.
Магнитное поле тела часто представляют в виде диаграммы линий поля. Если внести ферромагнитное тело в магнитное поле, оно выровняется вдоль линий поля. Ферромагниты — самые известные магниты, создающие постоянное магнитное поле.
Если мы поднесем некоторое количество железных скрепок к магниту, то заметим, что большинство скрепок скопятся на концах магнита (называемых полюсами), потому что магнитная сила там наибольшая. Однако в середине магнита она имеет наименьшее значение. Магнитные силы действуют в пространстве вокруг магнита и создают то самое магнитное поле.
Магнитное поле невидимо, но, используя железные опилки, вы можете наблюдать его эффекты (см. рисунок 1).
Рис. 1. Железные опилки расположены характерным образом — они образуют линии вокруг магнита.
Эти линии показывают форму магнитного поля, которое возникло вокруг стержневого магнита.
Большая часть железных опилок скапливается возле полюсов, а остальные располагаются вдоль линий поля. Они представляют собой линии магнитного поля, которые окружают магнит. Железные опилки намагничиваются, т.е. приобретают магнитные свойства и становятся маленькими магнитами, которые притягивают друг друга.
Изображение линий магнитного поля для некоторых видов магнитов
Начнем с изображения силовых линий магнитного поля. Они используются для визуализации магнитного поля. Вне магнита линии поля всегда идут от северного полюса к южному. Поскольку магнитное поле является замкнутым полем, они должны двигаться с юга на север внутри магнита. Плотность линий поля дает информацию о силе магнитного поля; чем плотнее линии поля, тем больше напряженность магнитного поля.
Магнитное поле стержневого магнита
На рисунке 2 ниже показано магнитное поле стержневого магнита. Стержневой магнит является постоянным, и имеет северный и южный полюсы.
Рис. 2. Магнитное поле стержневого магнита
Если сравнить магнитное поле с электрическим, то вместо плюсового и минусового полюса есть северный и южный. На этом рисунке показан ход линий поля от северного до южного полюса. Здесь также видно, что плотность линий поля не является постоянной для стержневого магнита. На полюсах она выше, чем между полюсами. Это говорит о том, что магнитное поле сильнее непосредственно у полюсов, чем между полюсами.
Магнитное поле подковообразного магнита
Кроме стержневого магнита, существуют и другие формы постоянных магнитов. Одной из важных форм является подковообразный магнит, который может быть круглым или квадратным.
Рис. 3. Магнитное поле подковообразного магнита
Как видите, магнитное поле внутри подковы однородно (см. рисунок 3). Однородность означает, что магнитное поле постоянно и не зависит от местоположения. Однородное магнитное поле на диаграмме линий поля можно распознать по параллельным линиям поля, расположенным на одинаковом расстоянии. Поэтому напряженность магнитного поля в однородном магнитном поле одинакова в каждой точке.
Магнитное поле двух стержневых магнитов
Давайте посмотрим на другой пример магнитного поля (см. рисунок 4 ниже):
Рис. 4. Магнитное поле двух стержневых магнитов
Эти линии поля показывают, что два магнита с одинаковой полярностью отталкиваются друг от друга. Из этого можно сделать вывод, что одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются.
Магнитное поле планеты Земля
Но какое отношение имеют полюса магнита к северу и югу Земли? Вы можете приблизиться к ответу, если спросите себя, как работает компас.
Рис. 5. Компас выравнивается по магнитному полю
Земля также имеет магнитное поле (см. рисунок 5), начало которого лежит на полюсах, т.е. на северном и южном полюсах. Стрелка компаса представляет собой постоянный стержневой магнит и выравнивается по этому полю. При этом северная часть стрелки компаса притягивается к южному полюсу магнитного поля Земли. Поэтому географический юг лежит на магнитном севере.
Магнитное поле проводника с электрическим током
Когда вы рассыпаете мелкие металлические опилки вокруг магнита и проводника, по которому течет электрический ток, они образуют определенные геометрические фигуры. Вы уже знаете, что это явление вызвано магнитным полем, создаваемым магнитом. Будет ли то же самое с проводником?
Наличие магнитного поля можно проверить с помощью магнитной стрелки, которая, как известно, является частью компаса. Как мы знаем, магнитная стрелка имеет два полюса: северный и южный. Линию, которая соединяет полюсы магнитной стрелки называют осью. я осью. Кроме того, мы знаем, что северный полюс магнитной стрелки указывает на южный магнитный полюс, а южный полюс стрелки указывает на северный магнитный полюс.
Рядом с магнитом он выравнивается по силовым линиям магнитного поля и указывает на южный полюс. С помощью магнитной стрелки определяются положения магнитных полюсов Земли и географические направления. Возникает ли магнитное поле только вокруг магнитов и Земли? Чтобы выяснить это, нужно провести эксперимент, которые отражает взаимодействие проводника с электрическим током и магнитной стрелки.
Опыт Эрстеда.
Для того, чтобы провести опыт, расположим проводник, который включён в электрическую цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно её оси (см. рисунок 6).
Рис. 6. Взаимодействие проводника с электрическим током и магнитной стрелки
Отклонение магнитной стрелки возле проводника, по которому протекает электрический ток, указывает на наличие магнитного поля. Направление отклонения магнитной стрелки зависит от того, в каком направлении течет электрический ток. Эта связь была открыта Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. Его опыт имел большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.
Таким образом можно вывести 3 следующих вывода:
Поэтому вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, а вокруг движущихся зарядов, т.е. электрического тока, существуют и электрическое, и магнитное поля. Магнитное поле возникает вокруг проводника, когда в нем возникает электрический ток, поэтому электрический ток следует рассматривать как источник магнитного поля. Выражения «магнитное поле электрического тока» или «магнитное поле, создаваемое электрическим током» следует понимать в этом смысле.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010. [2]
Изменит ли изменение формы проводника форму магнитного поля?
Силовые линии магнитного поля вокруг проводника, скрученного в петлю, уплотняются внутри него. Если проволоку намотать много раз, мы получим катушку, и железные опилки будут располагаться так же, как и вокруг магнита (см. рисунок 7).
Рисунок 7. Железные опилки отражают линии магнитного поля
Электромагниты и их применение
Существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током широко используется в технике и промышленности. Часто используются устройства, называемые электромагнитами. Электромагнит состоит из катушки, сердечника и источника напряжения (см. рисунок 8).
Рис. 8. Структура электромагнита
Ферромагнитный сердечник электромагнита играет важную роль. Внутри него создаются магнитные поля, которые усиливают магнитное поле катушки.
Мелкие изделия из ферромагнитных материалов сильнее всего притягиваются полюсами электромагнита. Таким образом, можно сделать вывод, что магнитное поле вокруг электромагнита похоже на магнитное поле стержневого магнита.
Применение электромагнитов.
Электромагниты имеют различные применения. Например, на складах металлолома электромагнитные краны перемещают разбитые автомобили.
Также электромагниты используются в электрических замках. Когда электрический ток проходит через электромагнит, создается магнитное поле, которое сильно воздействует на металлическую (стальную) часть замка (ригеля). Это приводит к перемещению заслонки и открыванию двери. Когда дверь закрыта, соответствующим образом расположенная пружина перемещает ригель и блокирует замок. Замок можно открыть после повторного подключения электропитания.
Самые сильные электромагниты используются, в том числе, в ускорителях для управления движением частиц с высокой энергией. До недавнего времени магнитное поле, создаваемое токоведущими проводниками, управляло движением электронов в телевизионных кинескопах и компьютерных мониторах.
Представление о магнитном поле
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.
Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.
Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.
Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.
Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.
Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.
Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.
Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.
Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.
Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:
Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).
Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.
А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.
Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.
Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:
При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.
Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).
Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:
Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.
Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.
Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.