Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля . Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.
Учение об электромагнетизме основано на двух положениях:
- магнитное поле действует на движущиеся заряды и токи;
- магнитное поле возникает вокруг токов и движущихся зарядов.
Взаимодействие магнитов
Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который указывает на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец - южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются (рис. 1 ).
Если разделить полюса, разрезав постоянный магнит на две части, то мы обнаружим, что каждая из них тоже будет иметь два полюса , т. е. будет постоянным магнитом (рис. 2 ). Оба полюса - северный и южный, - неотделимые друг от друга, равноправны.
Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-либо магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются - у каждой из них появляется северный и южный полюсы. Противоположные полюсы стремятся сблизиться друг с другом, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие линии магнитного поля.
На рис. 3 показано расположение в поле прямого магнита опилок и маленьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.
Опыт Эрстэда. Магнитное поле тока
В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты . Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему (рис. 4 ). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.
Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток (рис. 5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:
Если винт вращать по направлению линий поля, он будет двигаться в направлении тока в проводнике .
Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B . В каждой точке он направлен по касательной к линии поля. Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, а сила, действующая в этом поле на заряд, направлена по касательной к линии в каждой ее точке. В отличие от электрического, линии магнитного поля замкнуты, что связано с отсутствием в природе «магнитных зарядов».
Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид - катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , аналогична таковой для плоского магнита (рис. 3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления - к наблюдателю - обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа (рис. 7 а, б).
Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:
Если смотреть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток создает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта (рис. 8 )
Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным - левый.
Магнитное поле внутри соленоида является однородным - вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const). В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.
Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током
Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B .
Направление силы определяется правилом левой руки :
Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь - перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 9 ).
Следует отметить, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, направлена не по касательной к его силовым линиям, подобно электрической силе, а перпендикулярна им. На проводник, расположенный вдоль силовых линий, магнитная сила не действует.
Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.
Отношение 
не зависит от свойств проводника и характеризует само магнитное поле.
Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.
В системе СИ единицей индукции магнитного поля служит тесла (Тл):
Магнитное поле. Таблицы, схемы, формулы
(Взаимодействие магнитов, опыт Эрстеда, вектор магнитной индукции, направление вектора, принцип суперпозиции. Графическое изображение магнитных полей, линии магнитной индукции. Магнитный поток, энергетическая характеристика поля. Магнитные силы, сила Ампера, сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Магнитные свойства вещества, гипотеза Ампера)
Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!
Магнитное поле
Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).
Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!
Тело, обладающее собственным магнитным полем.
У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения "северный" и "южный" даны лишь для удобства (как "плюс" и "минус" в электричестве).
Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий . Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля - силовые линии.
Характеристики магнитного поля
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция , магнитный поток и магнитная проницаемость . Но давайте обо всем по порядку.
Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ .
Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B . Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл ).
Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца .
Здесь q - заряд, v - его скорость в магнитном поле, B - индукция, F - сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.
Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток - скалярная характеристика магнитного поля.
Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб) .
Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.
Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете - Курская и Бразильская магнитные аномалии .
Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо ) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.
Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов - в среднем скорость растет на 3 километра в год.
Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.
За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.
К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля. А чтобы Вы могли это делать, существуют наши авторы, которым можно с уверенностью в успехе поручить часть учебных хлопот! и другие типы работ вы можете заказать по ссылке.
Магнитное поле Земли
Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.
Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.
Переменное магнитное поле возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени магнитного поля возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики магнитного поля часто вводят понятие силовых линий поля (линий магнитной индукции).
Для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции магнитного поля в системе единиц СГС является Гаусс (Гс), в Международной системе единиц (СИ) - Тесла (Тл), 1 Тл = 104 Гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (Э) и амперах на метр (А/м, 1 А/м = 0,01256 Э; энергия магнитного поля - в Эрг/см 2 или Дж/м 2 , 1 Дж/м 2 = 10 эрг/см 2 .
Компас реагирует
на магнитное поле Земли
Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70-80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы км в противоположном направлении. У поверхности Земли магнитное поле равно в среднем 50 мкТл, на границе магнитосферы ~ 10 -3 Гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий - радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре.
Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела - Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного магнитного поля, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными магнитными полями, достаточными для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены магнитные поля до 10 Гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль магнитного поля в планетарных процессах.
© Фото: http://www.tesis.lebedev.ru
Фотография Солнца
в узком спектре
Межпланетное магнитное поле - это главным образом поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле ~ 10 -4 -10 -5 Гс. Регулярность межпланетного магнитного поля может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками.
Во всех процессах на Солнце - вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей магнитное поле играет важнейшую роль. Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что магнитное поле солнечных пятен достигает нескольких тысяч Гс, протуберанцы удерживаются полями ~ 10-100 Гс (при среднем значении общего магнитного поля Солнца ~ 1 Гс).
Магнитные бури
Магнитные бури — сильные возмущения магнитного поля Земли, резко нарушающие плавный суточный ход элементов земного магнетизма. Магнитные бури длятся от нескольких часов до нескольких суток и наблюдаются одновременно на всей Земле.
Как правило, магнитные бури состоят из предварительной, начальной и главной фаз, а также фазы восстановления. В предварительной фазе наблюдаются незначительные изменения геомагнитного поля (в основном в высоких широтах), а также возбуждение характерных короткопериодических колебаний поля. Начальная фаза характеризуется внезапным изменением отдельных составляющих поля на всей Земле, а главная - большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей. В фазе восстановления магнитной бури поле возвращается к своему нормальному значению.
Влияние солнечного ветра
на магнитосферу Земли
Магнитные бури вызываются потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца, накладывающимися на спокойный солнечный ветер. Поэтому магнитные бури чаще наблюдаются вблизи максимумов 11-летнего цикла солнечной активности. Достигая Земли, потоки солнечной плазмы увеличивают сжатие магнитосферы, вызывая начальную фазу магнитной бури, и частично проникают внутрь магнитосферы Земли. Попадание частиц высоких энергий в верхнюю атмосферу Земли и их воздействие на магнитосферу приводят к генерации и усилению в ней электрических токов, достигающих наибольшей интенсивности в полярных областях ионосферы, с чем связано наличие высокоширотной зоны магнитной активности. Изменения магнитосферно-ионосферных токовых систем проявляются на поверхности Земли в виде иррегулярных магнитных возмущений.
В явлениях микромира роль магнитного поля столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц - структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов), магнитного момента, а также действием магнитного поля на движущиеся электрические заряды.
Применение магнитных полей в науке и технике. Магнитные поля обычно подразделяют на слабые (до 500 Гс), средние (500 Гс - 40 кГс), сильные (40 кГс - 1 МГс) и сверхсильные (свыше 1 МГс). На использовании слабых и средних магнитных полей основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. Слабые и средние магнитные поля получают при помощи постоянных магнитов, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, сверхпроводящих магнитов.
Источники магнитного поля
Все источники магнитных полей можно разделить на искусственные и естественные. Основными естественными источниками магнитного поля являются собственное магнитное поле планеты Земля и солнечный ветер. К искусственным источникам можно отнести все электромагнитные поля, которыми так изобилует наш современный мир, и наши дома в частности. Более подробно об , и читайте на нашем .
Транспорт на электроприводе является мощным источником магнитного поля в диапазоне от 0 до 1000 Гц. Железнодорожный транспорт использует переменный ток. Городской транспорт - постоянный. Максимальные значения индукции магнитного поля в пригородном электротранспорте достигают 75 мкТл, средние значения - около 20 мкТл. Средние значения на транспорте с приводом от постоянного тока зафиксированы на уровне 29 мкТл. У трамваев, где обратный провод - рельсы, магнитные поля компенсируют друг друга на гораздо большем расстоянии, чем у проводов троллейбуса, а внутри троллейбуса колебания магнитного поля невелики даже при разгоне. Но самые большие колебания магнитного поля - в метро. При отправлении состава величина магнитного поля на платформе составляет 50-100 мкТл и больше, превышая геомагнитное поле. Даже когда поезд давно исчез в туннеле, магнитное поле не возвращается к прежнему значению. Лишь после того, как состав минует следующую точку подключения к контактному рельсу, магнитное поле вернется к старому значению. Правда, иногда не успевает: к платформе уже приближается следующий поезд и при его торможении магнитное поле снова меняется. В самом вагоне магнитное поле еще сильнее - 150-200 мкТл, то есть в десять раз больше, чем в обычной электричке.
Значения индукции магнитных полей, наиболее часто встречаемых нами в повседневной жизни приведены на диаграмме ниже. Глядя на эту диаграмму становится ясно, что мы подвергаемся воздействию магнитных полей постоянно и повсеместно. По мнению некоторых ученых, вредными считаются магнитные поля с индукцией свыше 0,2 мкТл. Ествественно, что следует предпринимать определенные меры предосторожности, чтобы обезопасить себя от пагубного воздействия окружающих нас полей. Просто выполняя несколько несложных правил Вы можете в значительной мере снизить воздействие магнитных полей на свой организм.
В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» сказано следующее: "Предельно допустимый уровень ослабления геомагнитного поля в помещениях жилых зданий устанавливается равным 1,5". Также установлены предельно допустимые значения интенсивности и напряжённости магнитного поля частотой 50 Гц:
- в жилых помещениях — 5 мкТл или 4 А/м ;
- в нежилых помещениях жилых зданий, на селитебной территории, в том числе на территории садовых участков — 10 мкТл или 8 А/м .
Исходя из указанных нормативов каждый может рассчитать какое количество электрических приборов может находиться во включённом состоянии и в состоянии ожидания в каждом конкретном помещении или же , на основании которого будут выданы рекомендации по нормализации жилого пространства.
Видеоматериалы по теме
Небольшой научный фильм о магнитном поле Земли
Использованная литература
1. Большая Советская Энциклопедия.
Хорошо известно широкое применение магнитного поля в быту, на производстве и в научных исследованиях. Достаточно назвать такие устройства, как генераторы переменного тока, электродвигатели, реле, ускорители элементарных частиц и различные датчики. Рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле и как оно образуется.
Что такое магнитное поле - определение
Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы. Размер магнитного поля завит от скорости его изменения. Согласно этому признаку выделяют два типа магнитного поля: динамическое и гравитационное.
Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей их строения. Источниками динамического магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или заряженные тела, проводники с током, а также намагниченные вещества.
Свойства магнитного поля
Великому французскому ученому Андре Амперу удалось выяснить два основополагающих свойства магнитного поля:
- Основное отличие магнитного поля от электрического и его основное свойство состоит в том, что оно носит относительный характер. Если вы возьмете заряженное тело, оставите его неподвижным в какой-либо системе отсчета и поместите рядом магнитную стрелку, то она будет, как обычно, указывать на север. То есть она не обнаружит никакого поля, кроме земного. Если же вы начнете перемещать это заряженное тело относительно стрелки, то она начнет поворачиваться - это говорит о том, что при движении заряженного тела возникает еще и магнитное поле, кроме электрического. Таким образом, магнитное поле появляется тогда и только тогда, когда есть движущийся заряд.
- Магнитное поле действует на другой электрический ток. Так, обнаружить его можно, проследив движение заряженных частиц, - в магнитном поле они будут отклоняться, проводники с током будут двигаться, рамка с током поворачиваться, намагниченные вещества смещаться. Здесь следует вспомнить магнитную стрелку компаса, обычно окрашенную в синий цвет, - ведь это просто кусочек намагниченного железа. Он всегда ориентируется на север, потому что Земля обладает магнитным полем. Вся наша планета является огромным магнитом: на Северном полюсе находится южный магнитный пояс, а на Южном географическом полюсе находится северный магнитный полюс.
Кроме этого, к свойствам магнитного поля относят следующие характеристики:
- Сила магнитного поля описывается магнитной индукцией - это векторная величина, определяющая, с какой силой магнитное поле влияет на движущиеся заряды.
- Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа. Первое порождается не изменяющимся во времени электрическим полем, индукция такого поля также неизменна. Второе чаще всего генерируется при помощи индукторов, питающихся переменным током.
- Магнитное поле не может быть воспринято органами чувств человека и фиксируется только специальными датчиками.
В прошлом веке разными учеными было выдвинуто несколько предположений о том, магнитное поле Земли. Согласно одному из них, поле появляется в результате вращения планеты вокруг своей оси.
Она основана на любопытном эффекте Барнета-Энштейна, который заключается в том, что при вращении любого тела возникает магнитное поле. Атомы в этом эффекте имеют свой магнитный момент, так как вращаются вокруг своей оси. Так появляется магнитное поле Земли. Однако эта гипотеза не выдержала экспериментальных проверок. Оказалось, что магнитное поле, полученное таким нетривиальным образом, в несколько миллионов раз слабее реального.
Другая гипотеза основана на появлении магнитного поля вследствие кругового движения заряженных частиц (электронов) на поверхности планеты. Она тоже оказалась несостоятельной. Движение электронов способно вызвать появление очень слабого поля, к тому же эта гипотеза не объясняет инверсии магнитного поля Земли. Известно, что северный магнитный полюс не совпадает с северным географическим.
Солнечный ветер и токи мантии
Механизм образования магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы до конца не изучен и пока что остается загадкой для ученых. Тем не менее, одна предложенная гипотеза довольно хорошо объясняет инверсию и величину индукции реального поля. Она основана на работе внутренних токов Земли и солнечного ветра.
Внутренние токи Земли протекают в мантии, которая состоит из веществ, обладающих очень хорошей проводимостью. Источником тока выступает ядро. Энергия от ядра к поверхности земли передается с помощью конвекции. Таким образом, в мантии наблюдается постоянное движение вещества, которое и образует магнитное поле по известному закону движения заряженных частиц. Если связывать его появление только с внутренними токами, получается, что все планеты, у которых направление вращения совпадает с направлением вращения Земли, должны иметь идентичное магнитное поле. Однако это не так. У Юпитера северный географический полюс совпадает с северным магнитным.
В образовании магнитного поля Земли участвуют не только внутренние токи. Давно известно, что оно реагирует на солнечный ветер, поток высокоэнергетических частиц, идущих от Солнца в результате реакций, происходящих на его поверхности.
Солнечный ветер по своей природе представляет собой электрический ток (движение заряженных частиц). Увлекаемый вращением Земли, он создает круговой ток, который приводит к появлению магнитного поля Земли.
