Что является основной характеристикой магнитного поля
Перейти к содержимому

Что является основной характеристикой магнитного поля

  • автор:

Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли

физические характеристики магнитного поля

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!

Магнит

Магнит — 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.

Картина магнитного поля

Картина магнитного поля

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.

Характеристики магнитного поля

Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

Магнитный поток 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).

Магнитный поток

Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

Магнитное поле Земли

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.

Магнитное поле земли

Магнитное поле земли

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.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли

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.

Магнитное поле

Магни́тное по́ле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции B → \vec<\mathbf> (вектор индукции магнитного поля) [1] . В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл).

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Можно также рассматривать магнитное поле, как релятивистскую составляющую электрического поля. Точнее, магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей и специальной теории относительности. Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются свет и прочие электромагнитные волны.

Содержание

Чем создаётся [ править | править код ]

Магнитное поле формируется изменяющимся во времени электрическим полем либо собственными магнитными моментами частиц. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц.

Соленоид [ править | править код ]

Основная статья: Соленоид

Солено́ид — разновидность катушки индуктивности. Название происходит от гр. solen — канал, труба и eidos — подобный. Обычно под термином «соленоид» подразумевается цилиндрическая обмотка из провода, причём длина такой обмотки многократно превышает её диаметр.

Вычисление [ править | править код ]

В простых случаях магнитное поле может быть найдено из закона Био — Савара — Лапласа или теоремы о циркуляции (она же — закон Ампера). В более сложных ситуациях ищется как решение уравнений Максвелла.

Магнитные свойства веществ [ править | править код ]

    — магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе. — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. — вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов — материалы, у которых магнитные моменты вещества направлены противоположно но не равны по силе.

Проявление магнитного поля [ править | править код ]

Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к вектору v \mathbf [1] . Она пропорциональна заряду частицы q q\! , составляющей скорости v \mathbf , перпендикулярной направлению вектора магнитного поля B \mathbf , и величине индукции магнитного поля B B\! . В системе единиц СИ (система единиц) сила Лоренца выражается так: F = q [ v , B ] \mathbf=q[\mathbf,\mathbf]

Также магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник будет называться силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

Взаимодействие двух магнитов [ править | править код ]

Наиболее часто встречаемое проявление магнитного поля — взаимодействие двух магнитов: подобные полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами, как взаимодействие между двумя монополями, но эта идея не приводит к правильному описанию явления.

Правильнее будет сказать, что на магнитный диполь помещённый в неоднородное поле действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем.

Сила, действующая на магнит со стороны неоднородного магнитного поля, может быть также определена суммированием всех сил, действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.

Явление электромагнитной индукции [ править | править код ]

Основная статья: Электромагнитная индукция

Если поток вектора магнитной индукции через замкнутый контур меняется во времени, в этом контуре возникает ЭДС электромагнитной индукции.

Математическое представление [ править | править код ]

Единицы измерения [ править | править код ]

Векторное поле H \mathbf измеряется в амперах на метр (А/м) в системе СИ и в эрстедах в СГС. Эрстеды и гауссы являются тождественными величинами, их разделение является чисто терминологическим.

Энергия магнитного поля [ править | править код ]

Энергию магнитного поля можно найти по формуле: W = Φ I 2 = L I 2 2 W = \frac<\Phi I> <2>= \frac

Магнитное поле и его параметры, магнитные цепи

Магнитное поле и его параметры, магнитные цепи

Они образовались после поднесения постоянного магнита к обратной стороне картонного листа с ровным слоем железных опилок. Картинка демонстрирует четкую маркировку северного (N) и южного (S) полюсов с направлением силовых линий относительно их ориентации: выход из северного полюса и вход в южный.

Как создается магнитное поле

Источниками магнитного поля являются:

изменяющееся во времени электрическое поле.

Источники магнитного поля

С действием постоянных магнитов знаком каждый ребенок детсадовского возраста. Ведь ему уже приходилось лепить на холодильник картинки-магнитики, извлекаемые из упаковок с всякими лакомствами.

Находящиеся в движении электрические заряды обычно обладают значительно большей энергией магнитного поля, чем постоянные магниты. Его тоже обозначают силовыми линиями. Разберем правила их начертания для прямолинейного проводника с током I.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током

Магнитная силовая линия проводится в плоскости, перпендикулярной движению тока так, чтобы в каждой ее точке сила, действующая на северный полюс магнитной стрелки, направлялась по касательной к этой линии. Таким образом создаются концентрические окружности вокруг движущегося заряда.

Направление этих сил определяется известным правилом винта или буравчика с правосторонней навивкой резьбы.

Правило буравчика для прямолинейного проводника

Необходимо расположить буравчик соосно с вектором тока и вращать рукоятку так, чтобы поступательное движение буравчика совпадало с его направлением. Тогда ориентация силовых магнитных линий будет показана вращением рукоятки.

В кольцевом проводнике вращательное движение рукоятки совпадает с направлением тока, а поступательное — указывает на ориентацию индукции.

Правило буравчика для кольцевого проводника

Магнитные силовые линии всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Они продолжаются внутри магнита и никогда не бывают разомкнутыми.

Правила взаимодействия магнитных полей

Магнитные поля от разных источников складываются друг с другом, образуя результирующее поле.

Напрвление сил взаимодействия магнитов

При этом магниты с разноименными полюсами (N — S) притягиваются друг к другу, а с одноименными (N – N, S — S) — отталкиваются. Силы взаимодействия между полюсами зависят от расстояния между ними. Чем ближе сдвинуты полюса, тем большее усилие возникает.

Основные характеристики магнитного поля

вектор магнитной индукции ( В );

магнитный поток (Ф);

Интенсивность или силу воздействия поля оценивают величиной вектора магнитной индукции . Она определяется значением силы «F», создаваемой проходящим током «I» по проводнику длиной «l». В =F/(I∙l)

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — Тесла (в знак памяти об ученом физике, который исследовал эти явления и описал их математическими методами). В русской технической литературе она обозначается «Тл», а в международной документации принят символ «Т».

1 Тл — это индукция такого однородного магнитного потока, который воздействует с силой в 1 ньютон на каждый метр длины прямолинейного проводника, перпендикулярно расположенного направлению поля, когда по этому проводнику проходит ток 1 ампер.

Направление вектора В определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки

Если расположить ладонь левой руки в магнитном поле так, чтобы силовые линии из северного полюса входили в ладонь под прямым углом, а четыре пальца расположить по направлению тока в проводнике, то оттопыренный большой палец укажет направление действия силы на этот проводник.

В случае, когда проводник с электрическим током расположен не под прямым углом к магнитным силовым линиям, то сила, воздействующая на него, будет пропорциональна величине протекающего тока и составляющей части проекции длины проводника с током на плоскость, расположенную в перпендикулярном направлении.

Сила, воздействующая на электрический ток, не зависит от материалов, из которых создан проводник и площади его сечения. Даже если этого проводника вообще не будет, а движущиеся заряды станут перемещаться в другой среде между магнитными полюсами, то эта сила никак не изменится.

Если внутри магнитного поля во всех точках вектор В имеет одинаковое направление и величину, то такое поле считают равномерным.

Любая среда, обладающая магнитными свойствами, оказывает влияние на значение вектора индукции В .

Магнитный поток (Ф)

Если рассматривать прохождение магнитной индукции через определенную площадь S, то ограниченная ее пределами индукция будет называться магнитным потоком.

Определением магнитного потока

Когда площадь наклонена под каким-то углом α к направлению магнитной индукции, то магнитный поток уменьшается на величину косинуса угла наклона площади. Максимальное же его значение создается при перпендикулярном расположении площади к ее пронизывающей индукции. Ф=В·S

Единицей измерения магнитного потока является 1 вебер, определяемый прохождением индукции в 1 теслу через площадь в 1 метр квадратный.

Этот термин используется для получения суммарной величины магнитного потока, создаваемого от определенного количества проводников с током, расположенных между полюсами магнита.

Для случая, когда один и тот же ток I проходит по обмотке катушки с числом витков n, то полный (сцепленный) магнитный поток от всех витков называют потокосцеплением Ψ.

Определение потокосцепления

Ψ=n·Ф . Единицей измерения потокосцепления является 1 вебер.

Как образуется магнитное поле от переменного электрического

Электромагнитное поле, взаимодействующее с электрическими зарядами и телами, обладающими магнитными моментами, представляет собой совокупность двух полей:

Они взаимосвязаны, представляют собой совокупность друг друга и при изменении в течение времени одного происходят определенные отклонения в другом. К примеру, при создании переменного синусоидального электрического поля в трехфазном генераторе одновременно образуется такое же магнитное поле с характеристиками аналогичных чередующихся гармоник.

Магнитные свойства веществ

По отношению к взаимодействию с внешним магнитным полем вещества подразделяют на:

антиферромагнетики с уравновешенными магнитными моментами, благодаря чему создается очень малая степень намагниченности тела;

диамагнетики со свойством намагничивания внутреннего поля против действия внешнего. Когда же внешнее поле отсутствует, то у них магнитные свойства не проявляются;

парамагнетики со свойствами намагничивания внутреннего поля по направлению действия внешнего, которые обладают малой степенью магнетизма;

ферромагнетики , обладающие магнитными свойствами без приложенного внешнего поля при температурах, меньших значения точки Кюри;

ферримагнетики с неуравновешенными по величине и направлению магнитными моментами.

Все эти свойства веществ нашли разнообразное применение в современной технике.

Этим термином называют совокупность различных магнитных материалов, по которым пропускают магнитный поток. Они являются аналогом электрических цепей и описываются соответствующими математическими законами (полного тока, Ома, Кирхгофа и др). Смотрите — Основные законы электротехники.

На основе расчетов магнитных цепей работают все трансформаторы, индуктивности, электрические машины и многие другие устройства.

Например, у работающего электромагнита магнитный поток проходит по магнитопроводу из ферромагнитных сталей и воздуху с выраженными не ферромагнитными свойствами. Совокупность этих элементов и составляет магнитную цепь.

Большинство электрических аппаратов в своей конструкции имеют магнитные цепи. Подробнее про это читайте в этой статье — Магнитные цепи электрических аппаратов

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

Магнитное поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Магнитное поле изображается силовыми линиями, касательные к которым совпадают с ориентацией магнитных стрелок, внесенных в поле (рис. 2.1). Таким образом, магнитные стрелки как бы являются пробными элементами для магнитного поля. За положительное направление магнитного поля услов- но принимают направление северного полюса магнитной стрелки. Можно утверждать, что магнитное поле и электрический ток – взаимосвязанные явления. Вокруг проводника, в котором существует ток, всегда имеется магнитное поле, и, наоборот, в замкнутом проводнике, движущемся в маг- нитном поле, возникает ток.

Рассмотрим количественные характеристики магнитного поля.

Магнитной индукции В – векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заря- женную частицу со стороны магнитного поля. Эта характеристика является основной характеристикой магнитного поля, так как определяет электромаг- нитную силу, а также ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в маг- нитном поле. Единицей измерения магнитной индукции является вебер на квадратный метр, или тесла [Вб/м 2 ]= [Тл]

Абсолютная магнитная проницаемость среды μа – вели- чина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды, единица измерения – генри деленный метр [Гн / м].

где μ0 = 4π⋅10 -7 Гн / м – магнитная постоянная, характеризующая магнит- ные свойства (проницаемость) вакуума. Величину μr называю относи-тельной магнитной проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз магнитная проницаемость среды больше чем вакуума, и является безразмерной величиной.

Вещества, в зависимости от величины μr , делятся на:

– парамагнетики ( μr • 1), (алюминий);

– ферромагнетики ( μr •• 1), (железо, кобальт, никель).

Для большинства материалов проницаемость μr постоянна и близка к единице. Для ферромагнитных материалов μr является функцией тока, создающего магнитное поле, и достигает больших значений.

Напряженность магнитного поля Н- векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в про- водниках, создающими магнитное поле. Направление вектора Н (рис. 2.1) для изотропных сред совпадает с вектором В и определяется касательной, проведенной в данной точке поля (точка А ) к силовой линии.

.

Рис. 2.1. Рис. 2.2. Рис. 2.3.

Напряженность связана с магнитной индукцией соотношением

Единица напряженности магнитного поля – ампер на метр [А/м].

Приведенные характеристики магнитного поля являются основными. Теперь рассмотрим производные характеристики

Магнитный поток Ф — поток магнитной индукции. На рис. 2.2 пока-зано однородное магнитное поле, пересекающее площадку S. Магнитный поток Ф через площадку S в однородном магнитном поле равен произве- дению нормальной составляющей вектора индукции Вп на площадь S:

Ф = Вп S = B S cos β (2.3)

Магнитное напряжение Uм на участке АВ (рис. 2.3, а) в однородном магнитном поле определяется как произведение проекции Hl вектора Н на отрезок АВ и длину этого отрезка l, единица магнитного напряжения -ампер (А)

В том случае, когда поле неоднородное или участок, вдоль которого определяется Uм не прямолинейный (рис. 2.3,б) то полное магнитное напряжение на участке AD:

Магнитное напряжение вычисленное вдоль замкнутого контура, называют магнитодвижущей силой (МДС) или намагничи-вающей силой F. Опытным путем установлено, что

F = Σ Hl Δl = Σ I (2.6)

Намагничивающая сила вдоль контура равна полному току Σ I, прохо- дящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. В этом заклю- чается смысл закона полного тока.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *