Co je podstatou magnetického pole? Co je zdrojem magnetického pole

Magnetické pole Země

Magnetické pole je silové pole, které působí na pohybující se elektrické náboje a na tělesa, která mají magnetický moment, bez ohledu na jejich stav pohybu.

Zdroje makroskopické magnetické pole jsou zmagnetizovaná tělesa, vodiče s proudem a pohybující se elektricky nabitá tělesa. Povaha těchto zdrojů je stejná: magnetické pole vzniká v důsledku pohybu nabitých mikročástic (elektronů, protonů, iontů) a také v důsledku přítomnosti vlastního (spinového) magnetického momentu mikročástic.

Střídavé magnetické pole také vzniká, když se elektrické pole v čase mění. Na druhé straně, když se magnetické pole v průběhu času mění, a elektrické pole. Plný popis elektrická a magnetická pole v jejich vztahu dávají Maxwellovy rovnice. Pro charakterizaci magnetického pole se často zavádí pojem siločáry (magnetické indukční čáry).

Pro měření charakteristik magnetického pole a magnetické vlastnosti se používají látky různé typy magnetometry. Jednotkou indukce magnetického pole v soustavě jednotek CGS je Gauss (G), v mezinárodní soustavě jednotek (SI) - Tesla (T), 1 T = 104 G. Intenzita se měří v oerstedech (Oe) a ampérech na metr (A/m, 1 A/m = 0,01256 Oe; energie magnetického pole - v Erg/cm2 nebo J/m2, 1 J/m2 = 10 erg/ cm2.

Kompas reaguje
k magnetickému poli Země

Magnetická pole v přírodě jsou extrémně různorodá jak ve svém rozsahu, tak v účincích, které způsobují. Magnetické pole Země, které tvoří zemskou magnetosféru, sahá do vzdálenosti 70-80 tisíc km ve směru ke Slunci a mnoho milionů km v opačném směru. Na povrchu Země je magnetické pole v průměru 50 μT, na hranici magnetosféry ~ 10 -3 G. Geomagnetické pole chrání zemský povrch a biosféru před prouděním nabitých částic slunečního větru a částečně kosmického záření. Magnetobiologie studuje vliv samotného geomagnetického pole na životní aktivitu organismů. V blízkozemském prostoru vytváří magnetické pole magnetickou past pro nabité částice o vysoké energii – radiační pás Země. Částice obsažené v radiačním pásu představují značné nebezpečí při letu do vesmíru. Vznik magnetického pole Země je spojen s konvektivními pohyby vodivé kapalné hmoty v zemském jádru.

Použití přímého měření kosmická loď ukázaly, že vesmírná tělesa nejblíže Zemi – Měsíc, planety Venuše a Mars – nemají vlastní magnetické pole podobné tomu pozemskému. Z jiných planet Sluneční Soustava pouze Jupiter a zřejmě i Saturn mají svá vlastní magnetická pole dostatečná k vytvoření planetárních magnetických pastí. Na Jupiteru byla objevena magnetická pole až 10 Gaussů a řada charakteristických jevů ( magnetické bouře, synchrotronové rádiové emise a další), což ukazuje na významnou roli magnetického pole v planetárních procesech.

© Foto: http://www.tesis.lebedev.ru
Fotografie Slunce
v úzkém spektru

Meziplanetární magnetické pole je především pole slunečního větru (kontinuálně se rozpínající plazma sluneční koróny). V blízkosti oběžné dráhy Země je meziplanetární pole ~ 10 -4 -10 -5 Gs. Pravidelnost meziplanetárního magnetického pole může být vlivem vývoje narušena různé typy nestabilita plazmatu, průchod rázových vln a šíření proudů rychlých částic generovaných slunečními erupcemi.

Ve všech procesech na Slunci - vzplanutí, výskyt skvrn a výčnělků, zrození slunečního kosmického záření, hraje magnetické pole zásadní roli. Měření založená na Zeemanově jevu ukázala, že magnetické pole slunečních skvrn dosahuje několika tisíc Gaussů, prominence drží pole ~ 10-100 Gauss (s průměrnou hodnotou celkového magnetického pole Slunce ~ 1 Gauss).

Magnetické bouře

Magnetické bouře jsou silné poruchy v magnetickém poli Země, které prudce narušují plynulý denní cyklus prvků zemského magnetismu. Magnetické bouře trvají několik hodin až několik dní a jsou pozorovány současně po celé Zemi.

Magnetické bouře se zpravidla skládají z předběžné, počáteční a hlavní fáze a také z fáze obnovy. V přípravné fázi jsou pozorovány drobné změny v geomagnetickém poli (hlavně ve vysokých zeměpisných šířkách) a také buzení charakteristických krátkoperiodických oscilací pole. Počáteční fáze je charakterizována náhlou změnou jednotlivých složek pole po celé Zemi a hlavní fáze je charakterizována velkými výkyvy pole a silným poklesem horizontální složky. Během fáze zotavení magnetické bouře se pole vrátí na svou normální hodnotu.

Vliv slunečního větru
do zemské magnetosféry

Magnetické bouře jsou způsobeny proudy sluneční plazmy z aktivních oblastí Slunce superponovanými na klidném slunečním větru. Magnetické bouře jsou proto častěji pozorovány v blízkosti maxim 11letého cyklu sluneční aktivity. Sluneční proudy plazmatu, které dosáhnou Země, zvyšují kompresi magnetosféry, způsobují počáteční fázi magnetické bouře a částečně pronikají do zemské magnetosféry. Vstup vysokoenergetických částic do horní atmosféry Země a jejich dopad na magnetosféru vede ke vzniku a zesílení elektrických proudů v ní, přičemž největší intenzity dosahují v polárních oblastech ionosféry, což je spojeno s přítomností oblasti vysoké zeměpisné šířky magnetické aktivity. Změny v magnetosféricko-ionosférických proudových systémech se na povrchu Země projevují v podobě nepravidelných magnetických poruch.

V jevech mikrosvěta je role magnetického pole stejně významná jako v kosmickém měřítku. To je vysvětleno existencí magnetického momentu ve všech částicích - strukturních prvcích hmoty (elektrony, protony, neutrony) a také vlivem magnetického pole na pohybující se elektrické náboje.

Aplikace magnetických polí ve vědě a technice. Magnetická pole se obvykle dělí na slabá (do 500 Gs), střední (500 Gs - 40 kGs), silná (40 kGs - 1 MG) a ultrasilná (nad 1 MG). Téměř veškerá elektrotechnika, radiotechnika a elektronika jsou založeny na využití slabých a středních magnetických polí. Slabá a střední magnetická pole jsou získávána pomocí permanentních magnetů, elektromagnetů, nechlazených solenoidů a supravodivých magnetů.

Zdroje magnetického pole

Všechny zdroje magnetických polí lze rozdělit na umělé a přírodní. Hlavními přirozenými zdroji magnetického pole jsou vlastní magnetické pole planety Země a sluneční vítr. Umělé zdroje zahrnují všechna elektromagnetická pole, kterými je náš svět tak bohatý. moderní svět a naše domovy zvláště. Přečtěte si více o našem a přečtěte si o něm.

Elektricky poháněná vozidla jsou silným zdrojem magnetického pole v rozsahu od 0 do 1000 Hz. Železniční doprava používá střídavý proud. Městská doprava je stálá. Maximální hodnoty indukce magnetického pole v příměstské elektrické dopravě dosahují 75 μT, průměrné hodnoty jsou asi 20 μT. Průměrné hodnoty pro vozidla poháněná stejnosměrným proudem jsou zaznamenány při 29 µT. V tramvajích, kde jsou vratným drátem kolejnice, se magnetická pole navzájem ruší na mnohem větší vzdálenost než v trolejbusových drátech a uvnitř trolejbusu jsou výkyvy magnetického pole malé i při zrychlení. Ale největší výkyvy magnetického pole jsou v metru. Když vlak odjíždí, magnetické pole na nástupišti je 50-100 µT nebo více, převyšuje geomagnetické pole. I když vlak dávno zmizel v tunelu, magnetické pole se nevrátí na svou předchozí hodnotu. Teprve poté, co vlak projede dalším bodem připojení k troleji, se magnetické pole vrátí na svou starou hodnotu. Pravda, někdy nemá čas: další vlak se již blíží k nástupišti a když zpomalí, magnetické pole se znovu změní. V samotném vagónu je magnetické pole ještě silnější - 150-200 µT, tedy desetkrát více než v běžném vlaku.

Indukční hodnoty magnetických polí, se kterými se v každodenním životě nejčastěji setkáváme, jsou znázorněny na níže uvedeném diagramu. Při pohledu na tento diagram je jasné, že jsme vystaveni magnetickým polím neustále a všude. Podle některých vědců jsou magnetická pole s indukcí nad 0,2 µT považována za škodlivá. Je přirozené, že bychom měli přijmout určitá opatření, abychom se chránili před škodlivými vlivy polí kolem nás. Jednoduše dodržením několika jednoduchých pravidel můžete výrazně snížit dopad magnetických polí na vaše tělo.

Aktuální SanPiN 2.1.2.2801-10 „Změny a doplňky č. 1 k SanPiN 2.1.2.2645-10 „Hygienické a epidemiologické požadavky na životní podmínky v obytných budovách a areálech“ říká následující: „Maximální přípustná úroveň útlumu geomagnet. pole v prostorách bytových domů se zřizuje o velikosti 1,5“. Rovněž byly stanoveny maximální přípustné hodnoty intenzity a síly magnetického pole o frekvenci 50 Hz:

• v obytných prostorách - 5 µT nebo 4 ráno;
• PROTI nebytových prostor obytné budovy, v obytných oblastech, včetně zahradních pozemků - 10 uT nebo 8 hodin ráno.

Na základě těchto norem si každý může spočítat, kolik elektrických spotřebičů může být v každé konkrétní místnosti zapnuto a v pohotovostním stavu, nebo na základě kterých budou vydána doporučení pro normalizaci obytného prostoru.

Související videa

Reference

1. Velká sovětská encyklopedie.

Téma: Magnetické pole

Připravil: Baygarashev D.M.

Zkontroloval: Gabdullina A.T.

Magnetické pole

Pokud jsou dva paralelní vodiče připojeny ke zdroji proudu tak, že jimi prochází elektrický proud, pak se vodiče v závislosti na směru proudu v nich buď odpuzují, nebo přitahují.

Vysvětlení tohoto jevu je možné z pozice vzniku zvláštního druhu hmoty kolem vodičů - magnetického pole.

Síly, se kterými vodiče s proudem interagují, se nazývají magnetický.

Magnetické pole- jedná se o speciální druh hmoty, jejímž specifikem je působení na pohybující se elektrický náboj, vodiče s proudem, tělesa s magnetickým momentem, se silou závislou na vektoru rychlosti náboje, směru proudu v vodič a směr magnetického momentu tělesa.

Historie magnetismu sahá do starověku, do starověkých civilizací v Malé Asii. Právě na území Malé Asie, v Magnesii, byly nalezeny horniny, jejichž vzorky se k sobě přitahovaly. Podle názvu oblasti se takovým vzorkům začalo říkat „magnety“. Jakýkoli magnet ve tvaru tyče nebo podkovy má dva konce nazývané póly; Právě v tomto místě se nejvýrazněji projevují jeho magnetické vlastnosti. Pokud zavěsíte magnet na provázek, bude vždy jeden pól směřovat na sever. Na tomto principu je založen kompas. Severně orientovaný pól volně visícího magnetu se nazývá severní pól magnetu (N). Opačný pól se nazývá jižní pól (S).

Magnetické póly se vzájemně ovlivňují: jako póly se odpuzují a na rozdíl od pólů se přitahují. Podobně jako u konceptu elektrického pole obklopujícího elektrický náboj je zaveden koncept magnetického pole kolem magnetu.

V roce 1820 Oersted (1777-1851) zjistil, že magnetická střelka umístěná vedle elektrického vodiče je vychýlena, když vodičem prochází proud, tj. kolem vodiče s proudem se vytváří magnetické pole. Pokud vezmeme rám s proudem, pak vnější magnetické pole interaguje s magnetickým polem rámu a působí na něj orientačně, tj. existuje poloha rámu, ve které na něj vnější magnetické pole působí maximálně rotačně. a existuje poloha, kdy je momentová síla nulová.

Magnetické pole v libovolném bodě lze charakterizovat vektorem B, který je tzv vektor magnetické indukce nebo magnetická indukce na místě.

Magnetická indukce B je vektorová Fyzické množství, což je pevnostní charakteristika magnetického pole v bodě. Je rovna poměru maximálního mechanického momentu sil působících na rám s proudem umístěným v rovnoměrném poli k součinu síly proudu v rámu a jeho plochy:

Směr vektoru magnetické indukce B se považuje za směr kladné normály k rámu, který je vztažen k proudu v rámu podle pravidla pravého šroubu, s mechanickým kroutícím momentem rovným nule.

Stejným způsobem, jako byly znázorněny siločáry elektrického pole, jsou znázorněny indukční čáry magnetického pole. Magnetická siločára je imaginární čára, jejíž tečna se shoduje se směrem B v bodě.

Směry magnetického pole v daném bodě lze také definovat jako směr, který ukazuje

severní pól střelky kompasu umístěné v tomto bodě. Předpokládá se, že magnetické siločáry směřují od severního pólu k jihu.

Směr magnetických indukčních čar magnetického pole vytvořeného elektrickým proudem, který protéká přímým vodičem, je určen pravidlem gimletu nebo pravého šroubu. Za směr magnetických indukčních čar se považuje směr otáčení hlavy šroubu, který by zajistil jeho translační pohyb ve směru elektrického proudu (obr. 59).

kde n01 = 4 Pi 10-7 V s/(Am). - magnetická konstanta, R - vzdálenost, I - síla proudu ve vodiči.

Na rozdíl od elektrostatických siločar, které začínají kladným nábojem a končí záporným nábojem, jsou magnetické siločáry vždy uzavřené. Nebyl detekován žádný magnetický náboj podobný elektrickému náboji.

Jedna tesla (1 T) je brána jako jednotka indukce - indukce takového rovnoměrného magnetického pole, ve kterém působí maximální mechanický točivý moment 1 Nm na rám o ploše 1 m2, kterým prochází proud o 1 A proudí.

Indukci magnetického pole lze také určit silou působící na vodič s proudem v magnetickém poli.

Na vodič s proudem umístěný v magnetickém poli působí ampérová síla, jejíž velikost je určena následujícím výrazem:

kde I je síla proudu ve vodiči, l - délka vodiče, B je velikost vektoru magnetické indukce a je úhel mezi vektorem a směrem proudu.

Směr síly Ampér lze určit pravidlem levé ruky: dlaň levé ruky položíme tak, aby čáry magnetické indukce vstupovaly do dlaně, čtyři prsty přiložíme ve směru proudu ve vodiči, poté ohnutý palec ukazuje směr ampérové ​​síly.

Vezmeme-li v úvahu, že I = q 0 nSv a dosadíme tento výraz do (3.21), dostaneme F = q 0 nSh/B sin A. Počet částic (N) v daném objemu vodiče je N = nSl, pak F = q 0 NvB sin A.

Stanovme sílu, kterou působí magnetické pole na jednotlivou nabitou částici pohybující se v magnetickém poli:

Tato síla se nazývá Lorentzova síla (1853-1928). Směr Lorentzovy síly lze určit pravidlem levé ruky: dlaň levé ruky položíme tak, aby čáry magnetické indukce vstupovaly do dlaně, čtyři prsty ukazují směr pohybu kladného náboje, velký ohnutý prst ukazuje směr Lorentzovy síly.

Interakční síla mezi dvěma paralelními vodiči přenášejícími proudy I 1 a I 2 je rovna:

Kde l -část vodiče umístěná v magnetickém poli. Jsou-li proudy ve stejném směru, pak se vodiče přitahují (obr. 60), jsou-li v opačném směru, odpuzují se. Síly působící na každý vodič jsou stejné velikosti a opačného směru. Vzorec (3.22) je základní pro určení jednotky proudu 1 ampér (1 A).

Magnetické vlastnosti látky jsou charakterizovány skalární fyzikální veličinou - magnetickou permeabilitou, která ukazuje, kolikrát se indukce B magnetického pole v látce, která zcela vyplňuje pole, liší velikostí od indukce B 0 magnetického pole v vakuum:

Podle magnetických vlastností se všechny látky dělí na diamagnetické, paramagnetické A feromagnetický.

Uvažujme o povaze magnetických vlastností látek.

Elektrony v obalu atomů látky se pohybují po různých drahách. Pro zjednodušení považujeme tyto dráhy za kruhové a každý elektron obíhající kolem atomového jádra lze považovat za kruhový elektrický proud. Každý elektron jako kruhový proud vytváří magnetické pole, které nazýváme orbitální. Kromě toho má elektron v atomu své vlastní magnetické pole, které se nazývá spinové pole.

Jestliže při zavedení do vnějšího magnetického pole s indukcí B 0 vznikne uvnitř látky indukce B< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).

V diamagnetické V materiálech bez vnějšího magnetického pole jsou magnetická pole elektronů kompenzována, a když jsou zavedeny do magnetického pole, je indukce magnetického pole atomu namířena proti vnějšímu poli. Diamagnetický materiál je vytlačen z vnějšího magnetického pole.

U paramagnetické materiálů, není magnetická indukce elektronů v atomech zcela kompenzována a atom jako celek se jeví jako malý permanentní magnet. Obvykle jsou v látce všechny tyto malé magnety orientovány náhodně a celková magnetická indukce všech jejich polí je nulová. Pokud umístíte paramagnet do vnějšího magnetického pole, pak se všechny malé magnety - atomy otočí ve vnějším magnetickém poli jako střelky kompasu a magnetické pole v látce se zvýší ( n >= 1).

Feromagnetické jsou ty materiály, ve kterých n" 1. Ve feromagnetických materiálech se vytvářejí tzv. domény, makroskopické oblasti spontánní magnetizace.

V různých doménách mají indukce magnetického pole různé směry (obr. 61) a ve velkém krystalu

vzájemně se kompenzují. Při zavedení feromagnetického vzorku do vnějšího magnetického pole se hranice jednotlivých domén posunou tak, že se zvětší objem domén orientovaných podél vnějšího pole.

S nárůstem indukce vnějšího pole B 0 roste magnetická indukce magnetizované látky. Při některých hodnotách B 0 se indukce přestává prudce zvyšovat. Tento jev se nazývá magnetická saturace.

Charakteristickým znakem feromagnetických materiálů je fenomén hystereze, který spočívá v nejednoznačné závislosti indukce v materiálu na indukci vnějšího magnetického pole při jeho změně.

Magnetická hysterezní smyčka je uzavřená křivka (cdc`d`c), vyjadřující závislost indukce v materiálu na amplitudě indukce vnějšího pole s periodickou poměrně pomalou změnou vnějšího pole (obr. 62).

Hysterezní smyčka je charakterizována následujícími hodnotami: B s, Br, Bc. B s - maximální hodnota indukce materiálu při B 0s; V r je zbytková indukce, rovna hodnotě indukce v materiálu, když indukce vnějšího magnetického pole klesá z B 0s na nulu; -B c a B c - koercitivní síla - hodnota rovna indukci vnějšího magnetického pole nutné ke změně indukce v materiálu ze zbytkové na nulovou.

Pro každé feromagnetikum existuje teplota (Curieho bod (J. Curie, 1859-1906), nad kterou feromagnetikum ztrácí své feromagnetické vlastnosti.

Existují dva způsoby, jak uvést zmagnetizované feromagnetikum do demagnetizovaného stavu: a) zahřát nad Curieův bod a ochladit; b) zmagnetizujte materiál střídavým magnetickým polem s pomalu klesající amplitudou.

Feromagnetika s nízkou zbytkovou indukcí a koercitivní silou se nazývají měkká magnetická. Uplatnění nacházejí v zařízeních, kde je často nutné feromagnetika přemagnetizovat (jádra transformátorů, generátorů atd.).

K výrobě permanentních magnetů se používají magneticky tvrdé feromagnety, které mají vysokou koercitivní sílu.

Stejně jako stacionární elektrický náboj působí na jiný náboj prostřednictvím elektrického pole, elektrický proud působí na jiný proud skrz magnetické pole. Vliv magnetického pole na permanentní magnety je redukován na jeho vliv na náboje pohybující se v atomech látky a vytvářející mikroskopické kruhové proudy.

Doktrína o elektromagnetismus na základě dvou ustanovení:

• magnetické pole působí na pohybující se náboje a proudy;
• kolem proudů a pohybujících se nábojů vzniká magnetické pole.

Magnetická interakce

Stálý magnet(neboli magnetická střelka) je orientována podél zemského magnetického poledníku. Konec, který ukazuje na sever, se nazývá Severní pól(N) a opačný konec je Jižní pól(S). Přiblížením dvou magnetů k sobě si všimneme, že jejich podobné póly se odpuzují a odlišné póly se přitahují ( rýže. 1 ).

Pokud oddělíme póly rozříznutím permanentního magnetu na dvě části, zjistíme, že každá z nich bude mít také dva póly, tj. bude permanentní magnet ( rýže. 2 ). Oba póly – severní i jižní – jsou od sebe neoddělitelné a mají stejná práva.

Magnetické pole vytvořené Zemí nebo permanentními magnety je reprezentováno, stejně jako elektrické pole, magnetickými siločárami. Obraz magnetických siločar magnetu lze získat položením listu papíru, na který jsou v rovnoměrné vrstvě nasypány železné piliny. Při vystavení magnetickému poli se piliny zmagnetizují – každá z nich má severní a jižní pól. Opačné póly mají tendenci se k sobě přibližovat, tomu však brání tření pilin o papír. Pokud na papír poklepete prstem, tření se sníží a piliny se budou k sobě přitahovat, čímž se vytvoří řetězce představující magnetické siločáry.

Na rýže. 3 ukazuje umístění pilin a malých magnetických šipek v poli přímého magnetu, udávající směr siločar magnetického pole. Tento směr je považován za směr severního pólu magnetické střelky.

Oerstedova zkušenost. Magnetické pole proudu

V začátek XIX PROTI. dánský vědec Ørsted dělal důležitý objev, když objevil působení elektrického proudu na permanentní magnety . Položil dlouhý drát blízko magnetické jehly. Když drátem procházel proud, šipka se otočila a snažila se umístit kolmo k ní ( rýže. 4 ). To by se dalo vysvětlit vznikem magnetického pole kolem vodiče.

Magnetické siločáry vytvořené přímým vodičem procházejícím proudem jsou soustředné kružnice umístěné v rovině k němu kolmé se středy v bodě, kterým proud prochází ( rýže. 5 ). Směr čar je určen správným šroubovým pravidlem:

Pokud se šroub otáčí ve směru siločar, bude se pohybovat ve směru proudu ve vodiči .

Pevnostní charakteristika magnetického pole je vektor magnetické indukce B . V každém bodě směřuje tangenciálně k siločar. Elektrické siločáry začínají na kladných nábojích a končí na záporných a síla působící na náboj v tomto poli směřuje tečně k čáře v každém bodě. Na rozdíl od elektrického pole jsou siločáry magnetického pole uzavřené, což je způsobeno nepřítomností „magnetických nábojů“ v přírodě.

Magnetické pole proudu se zásadně neliší od pole vytvořeného permanentním magnetem. V tomto smyslu je analogem plochého magnetu dlouhý solenoid - cívka drátu, jejíž délka je výrazně větší než její průměr. Diagram čar magnetického pole, které vytvořil, zobrazený v rýže. 6 , je podobný jako u plochého magnetu ( rýže. 3 ). Kroužky označují průřezy drátu tvořícího vinutí solenoidu. Proudy protékající drátem od pozorovatele jsou označeny křížky a proudy v opačném směru - směrem k pozorovateli - jsou označeny tečkami. Stejná označení jsou akceptována také pro magnetické siločáry, pokud jsou kolmé k rovině výkresu ( rýže. 7 a, b).

Směr proudu ve vinutí elektromagnetu a směr magnetických siločar v něm souvisí také pravidlem pravého šroubu, které je v tomto případě formulováno následovně:

Pokud se podíváte podél osy solenoidu, proud tekoucí ve směru hodinových ručiček v něm vytváří magnetické pole, jehož směr se shoduje se směrem pohybu pravého šroubu ( rýže. 8 )

Na základě tohoto pravidla je snadné pochopit, že solenoid zobrazený v rýže. 6 , severní pól je jeho pravý konec a jižní pól je jeho levý.

Magnetické pole uvnitř solenoidu je rovnoměrné - vektor magnetické indukce tam má konstantní hodnotu (B = konst). V tomto ohledu je solenoid podobný kondenzátoru s paralelními deskami, ve kterém se vytváří rovnoměrné elektrické pole.

Síla působící v magnetickém poli na vodič s proudem

Experimentálně bylo zjištěno, že síla působí na vodič s proudem v magnetickém poli. V rovnoměrném poli působí přímý vodič délky l, kterým protéká proud I, umístěný kolmo na vektor pole B, sílu: F = I l B .

Směr síly je určen pravidlo levé ruky:

Pokud jsou čtyři natažené prsty levé ruky umístěny ve směru proudu ve vodiči a dlaň je kolmá k vektoru B, pak natažený palec udává směr síly působící na vodič (rýže. 9 ).

Je třeba poznamenat, že síla působící na vodič s proudem v magnetickém poli nesměřuje tangenciálně k jeho siločarám, jako elektrická síla, ale kolmo k nim. Vodič umístěný podél siločar není ovlivněn magnetickou silou.

Rovnice F = ILB umožňuje poskytnout kvantitativní charakteristiku indukce magnetického pole.

přístup nezávisí na vlastnostech vodiče a charakterizuje samotné magnetické pole.

Velikost vektoru magnetické indukce B je číselně rovna síle působící na vodič jednotkové délky umístěný kolmo k němu, kterým protéká proud o velikosti jednoho ampéru.

V soustavě SI je jednotkou indukce magnetického pole tesla (T):

Magnetické pole. Tabulky, diagramy, vzorce

(Interakce magnetů, Oerstedův experiment, vektor magnetické indukce, směr vektoru, princip superpozice. Grafické znázornění magnetických polí, magnetické indukční čáry. Magnetický tok, energetická charakteristika pole. Magnetické síly, Ampérová síla, Lorentzova síla. Pohyb nabitých částic v magnetickém poli, Ampérova hypotéza.

V minulém století předložili různí vědci několik předpokladů o magnetickém poli Země. Podle jednoho z nich se pole objevuje jako výsledek rotace planety kolem své osy.

Je založen na kuriózním Barnett-Einsteinově jevu, který spočívá v tom, že když se jakékoli těleso otáčí, vzniká magnetické pole. Atomy v tomto efektu mají svůj vlastní magnetický moment, když se otáčejí kolem své osy. Takto se jeví magnetické pole Země. Tato hypotéza však neobstála v experimentálním testování. Ukázalo se, že takto netriviálním způsobem získané magnetické pole je několikamilionkrát slabší než to skutečné.

Další hypotéza je založena na vzniku magnetického pole v důsledku kruhového pohybu nabitých částic (elektronů) na povrchu planety. Také se ukázalo, že je v insolvenci. Pohyb elektronů může způsobit vznik velmi slabého pole a tato hypotéza nevysvětluje inverzi magnetického pole Země. Je známo, že severní magnetický pól neshoduje se se severní geografickou.

Sluneční vítr a plášťové proudy

Mechanismus vzniku magnetického pole Země a dalších planet sluneční soustavy nebyl plně prozkoumán a stále zůstává pro vědce záhadou. Jedna navrhovaná hypotéza však vysvětluje inverzi a velikost skutečné indukce pole docela dobře. Je založen na práci vnitřních proudů Země a slunečního větru.

Vnitřní proudy Země proudí v plášti, který se skládá z látek s velmi dobrou vodivostí. Zdrojem proudu je jádro. Energie z jádra na zemský povrch se přenáší konvekcí. V plášti tedy probíhá neustálý pohyb hmoty, která tvoří magnetické pole podle známého zákona o pohybu nabitých částic. Pokud spojíme jeho vzhled pouze s vnitřními proudy, ukáže se, že všechny planety, jejichž směr rotace se shoduje se směrem rotace Země, by měly mít shodné magnetické pole. Nicméně není. Severní geografický pól Jupitera se shoduje s jeho severním magnetickým pólem.

Na vzniku magnetického pole Země se podílejí nejen vnitřní proudy. Již dlouho je známo, že reaguje na sluneční vítr, proud vysokoenergetických částic přicházejících ze Slunce v důsledku reakcí probíhajících na jeho povrchu.

Sluneční vítr je ze své podstaty elektrický proud (pohyb nabitých částic). Unášený rotací Země vytváří kruhový proud, který vede ke vzniku magnetického pole Země.

Magnetické pole může být vytvořeno proudem nabitých částic a/nebo magnetickými momenty elektronů v atomech (a magnetickými momenty jiných částic, i když ve výrazně menší míře) (permanentní magnety).

Navíc se objevuje v přítomnosti časově proměnlivého elektrického pole.

Hlavní pevnostní charakteristikou magnetického pole je vektor magnetické indukce (vektor indukce magnetického pole). Z matematického hlediska se jedná o vektorové pole, které definuje a upřesňuje fyzikální pojem magnetického pole. Často se pro stručnost vektor magnetické indukce nazývá jednoduše magnetické pole (ačkoli to pravděpodobně není nejpřísnější použití tohoto termínu).

Další základní charakteristikou magnetického pole (alternativní k magnetické indukci as ní úzce související, fyzikální hodnotou téměř rovnocenné) je vektorový potenciál .

Magnetické pole lze nazvat zvláštní druh hmota, jejímž prostřednictvím dochází k interakci mezi pohybujícími se nabitými částicemi nebo tělesy s magnetickým momentem.

Magnetická pole jsou nezbytným (v kontextu) důsledkem existence elektrických polí.

• Z hlediska kvantové teorie pole je magnetická interakce - jako speciální případ elektromagnetické interakce - nesena fundamentálním bezhmotným bosonem - fotonem (částicí, kterou lze reprezentovat jako kvantové vybuzení elektromagnetického pole), často ( například ve všech případech statických polí) - virtuální.

Zdroje magnetického pole

Magnetické pole je vytvářeno (generováno) proudem nabitých částic, nebo časově proměnným elektrickým polem nebo vlastními magnetickými momenty částic (druhé lze v zájmu jednotnosti obrazu formálně redukovat na elektrické proudy ).

Výpočet

V jednoduchých případech lze magnetické pole vodiče s proudem (včetně případu proudu libovolně rozloženého po objemu nebo prostoru) zjistit z Biot-Savart-Laplaceova zákona nebo cirkulačního teorému (také známého jako Amperův zákon). V principu je tato metoda omezena na případ (aproximaci) magnetostatiky - tedy případ konstantních (pokud mluvíme o striktní použitelnosti) nebo spíše pomalu se měnících (pokud mluvíme o přibližné aplikaci) magnetických a elektrických polí.

Ve více obtížné situace se hledá jako řešení Maxwellových rovnic.

Projev magnetického pole

Magnetické pole se projevuje působením na magnetické momenty částic a těles, na pohybující se nabité částice (neboli vodiče s proudem). Síla působící na elektricky nabitou částici pohybující se v magnetickém poli se nazývá Lorentzova síla, která směřuje vždy kolmo k vektorům proti A B. Je úměrná náboji částice q, rychlostní složka proti, kolmo ke směru vektoru magnetického pole B a velikost indukce magnetického pole B. V soustavě jednotek SI je Lorentzova síla vyjádřena takto:

v systému jednotek GHS:

kde hranaté závorky označují vektorový součin.

Také (v důsledku působení Lorentzovy síly na nabité částice pohybující se po vodiči) působí na vodič proudem magnetické pole. Síla působící na vodič s proudem se nazývá ampérová síla. Tato síla se skládá ze sil působících na jednotlivé náboje pohybující se uvnitř vodiče.

Interakce dvou magnetů

Jedním z nejčastějších projevů magnetického pole v každodenním životě je interakce dvou magnetů: jako se póly odpuzují, opačné póly se přitahují. Je lákavé popsat interakci mezi magnety jako interakci mezi dvěma monopóly a z formálního hlediska je tato myšlenka celkem proveditelná a často velmi pohodlná, a tedy prakticky užitečná (při výpočtech); podrobná analýza však ukazuje, že se ve skutečnosti nejedná o zcela správný popis jevu (nejzřejmější otázkou, kterou nelze v rámci takového modelu vysvětlit, je otázka, proč nelze monopoly nikdy oddělit, tedy proč experiment ukazuje, že izolované těleso ve skutečnosti nemá magnetický náboj, navíc slabinou modelu je, že není aplikovatelný na magnetické pole vytvářené makroskopickým proudem, a proto, pokud není považován za čistě formální techniku, pouze vede; ke komplikaci teorie v základním smyslu).

Správnější by bylo říci, že na magnetický dipól umístěný v nestejnoměrném poli působí síla, která má tendenci jej otáčet tak, že magnetický moment dipólu je vyrovnán s magnetickým polem. Ale žádný magnet nezažije (celkovou) sílu vyvíjenou rovnoměrným magnetickým polem. Síla působící na magnetický dipól s magnetickým momentem m vyjádřeno vzorcem:

Sílu působící na magnet (který není jednobodovým dipólem) z nerovnoměrného magnetického pole lze určit sečtením všech sil (určených tímto vzorcem) působících na elementární dipóly tvořící magnet.

Je však možný přístup, který redukuje interakci magnetů na ampérovou sílu a výše uvedený vzorec pro sílu působící na magnetický dipól lze také získat na základě ampérové ​​síly.

Fenomén elektromagnetické indukce

Vektorové pole H měřeno v ampérech na metr (A/m) v soustavě SI a v oerstedech v GHS. Oersteds a Gaussians jsou totožné veličiny, jejich rozdělení je čistě terminologické.

Energie magnetického pole

Přírůstek hustoty energie magnetického pole se rovná:

V lineární tenzorové aproximaci je magnetická permeabilita tenzorem (označujeme ho) a násobení vektoru jím je násobení tenzorem (maticí):

Hustota energie v této aproximaci je rovna:

Při výběru souřadnicových os, které se shodují s hlavními osami tenzoru magnetické permeability, jsou vzorce v komponentách zjednodušeny:

V izotropním lineárním magnetu:

Ve vakuu a:

Energii magnetického pole v induktoru lze zjistit pomocí vzorce:

Magnetické vlastnosti látek

Ze zásadního hlediska, jak je uvedeno výše, může být magnetické pole vytvářeno (a tedy - v kontextu tohoto odstavce - zeslabováno či zesilováno) střídavým elektrickým polem, elektrickými proudy ve formě proudů nabitých částic, popř. magnetické momenty částic.

Specifická mikroskopická struktura a vlastnosti různých látek (ale i jejich směsí, slitin, stavů agregace, krystalických modifikací atd.) vedou k tomu, že na makroskopické úrovni se mohou vlivem vnějšího magnetického pole chovat zcela odlišně. (zejména její oslabení nebo posílení v různé míře).

V tomto ohledu jsou látky (a prostředí obecně) s ohledem na jejich magnetické vlastnosti rozděleny do následujících hlavních skupin:

• Antiferomagnetika jsou látky, ve kterých bylo stanoveno antiferomagnetické pořadí magnetických momentů atomů nebo iontů: magnetické momenty látek směřují opačně a mají stejnou sílu.
• Diamagnety jsou látky, které jsou magnetizovány proti směru vnějšího magnetického pole.
• Paramagnetické látky jsou látky, které jsou magnetizovány ve vnějším magnetickém poli ve směru vnějšího magnetického pole.
• Feromagnetika jsou látky, ve kterých se pod určitou kritickou teplotou (Curieho bod) ustaví feromagnetické pořadí magnetických momentů s velkým dosahem.
• Ferimagnetika jsou materiály, ve kterých magnetické momenty látky směřují v opačných směrech a nemají stejnou sílu.
• Mezi výše uvedené skupiny látek patří především běžné pevné nebo (některé) kapalné látky a také plyny. Interakce s magnetickým polem supravodičů a plazmatu je výrazně odlišná.

Toki Fuko

Foucaultovy proudy (vířivé proudy) jsou uzavřené elektrické proudy v masivním vodiči, které vznikají při změně magnetického toku, který jím proniká. Jsou to indukované proudy vznikající ve vodivém tělese buď jako důsledek změny času magnetického pole, ve kterém se nachází, nebo v důsledku pohybu tělesa v magnetickém poli, vedoucí ke změně magnetického pole. proudění tělem nebo jakoukoli jeho částí. Podle Lenzova pravidla je magnetické pole Foucaultových proudů nasměrováno tak, aby působilo proti změně magnetického toku, která tyto proudy indukuje.

Historie vývoje představ o magnetickém poli

Přestože magnety a magnetismus byly známy mnohem dříve, studium magnetického pole začalo v roce 1269, kdy Francouzi vědec Petr Peregrine (rytíř Pierre z Mericourtu) označil magnetické pole na povrchu kulového magnetu pomocí ocelových jehel a určil, že výsledné magnetické siločáry se protínají ve dvou bodech, které nazval „póly“ analogicky s póly Země. Téměř o tři století později použil William Gilbert Colchester dílo Petera Peregrina a poprvé definitivně prohlásil, že Země samotná je magnet. Vydáno v roce 1600, Gilbertova práce "De Magnete", položil základy magnetismu jako vědy.

Tři objevy v řadě zpochybnily tento „základ magnetismu“. Nejprve v roce 1819 Hans Christian Oersted zjistil, že elektrický proud kolem sebe vytváří magnetické pole. Poté, v roce 1820, André-Marie Ampère ukázal, že paralelní dráty vedoucí proud ve stejném směru se navzájem přitahují. Nakonec Jean-Baptiste Biot a Félix Savart objevili v roce 1820 zákon nazvaný Biot-Savart-Laplaceův zákon, který správně předpovídal magnetické pole kolem jakéhokoli vodiče pod napětím.

Rozšířením těchto experimentů publikoval Ampère v roce 1825 svůj vlastní úspěšný model magnetismu. V něm ukázal ekvivalenci elektrického proudu v magnetech a místo dipólů magnetických nábojů Poissonova modelu navrhl myšlenku, že magnetismus je spojen s neustále protékajícími proudovými smyčkami. Tato myšlenka vysvětlovala, proč nelze magnetický náboj izolovat. Ampère navíc odvodil po něm pojmenovaný zákon, který stejně jako Biot-Savart-Laplaceův zákon správně popisoval vytvořené magnetické pole DC a také byla zavedena věta o cirkulaci magnetického pole. Také v této práci Ampère razil termín „elektrodynamika“, aby popsal vztah mezi elektřinou a magnetismem.

Ačkoli síla magnetického pole pohybujícího se vozidla implikovala v Amperově zákoně elektrický náboj nebylo výslovně uvedeno, v roce 1892 jej Hendrik Lorentz odvodil z Maxwellových rovnic. Zároveň byla v podstatě dokončena klasická teorie elektrodynamiky.

Dvacáté století rozšířilo názory na elektrodynamiku díky vzniku teorie relativity a kvantové mechaniky. Albert Einstein ve svém článku z roku 1905, kterým založil svou teorii relativity, ukázal, že elektrická a magnetická pole jsou součástí stejného jevu, který byl uvažován v různé systémy odpočítávání. (Viz Pohybující se magnet a problém vodiče – myšlenkový experiment, který nakonec pomohl Einsteinovi vyvinout speciální teorii relativity). Nakonec byla kvantová mechanika kombinována s elektrodynamikou za vzniku kvantové elektrodynamiky (QED).

viz také

• Vizualizátor magnetického filmu

Poznámky

1. TSB. 1973, "Sovětská encyklopedie".
2. V určitých případech může magnetické pole existovat i bez elektrického pole, ale obecně řečeno, magnetické pole je hluboce propojeno s elektrickým, a to jak dynamicky (vzájemné generování proměnných vzájemným elektrickým a magnetickým polem) , a v tom smyslu, že při přechodu na nový systém magnetická a elektrická pole jsou vyjádřena prostřednictvím sebe navzájem, to znamená, že je obecně nelze bezpodmínečně oddělit.
3. Yavorsky B. M., Detlaf A. A. Handbook of Physics: 2. vyd., revidováno. - M.: Nauka, Hlavní redakce fyzikální a matematické literatury, 1985, - 512 s.
4. V SI se magnetická indukce měří v tesle (T), v systému CGS v gaussech.
5. V soustavě jednotek ČGS se přesně shodují, v SI se liší konstantním koeficientem, což ovšem nemění fakt jejich praktické fyzické identity.
6. Nejdůležitější a zřejmý rozdíl je v tom, že síla působící na pohybující se částici (nebo na magnetický dipól) se počítá přesně přes a ne přes . Jakákoli jiná fyzikálně správná a smysluplná metoda měření také umožní měřit přesně, i když pro formální výpočty se to někdy ukazuje jako pohodlnější - což je ve skutečnosti smyslem zavedení této pomocné veličiny (jinak by se bez ní obešel celkově, pouze pomocí
7. Musíme však dobře chápat, že řada základních vlastností této „hmoty“ se zásadně liší od vlastností onoho běžného typu „hmoty“, které bychom mohli označit pojmem „látka“.
8. Viz Amperova věta.
9. Pro rovnoměrné pole dává tento výraz nulovou sílu, protože všechny derivace jsou rovny nule B podle souřadnic.
10. Sivukhin D.V. Kurz obecné fyziky. - Ed. 4., stereotypní. - M.: Fizmatlit; Nakladatelství MIPT, 2004. - T. III. Elektřina. - 656 s - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.