Содержание
Магнитное поле — определение, виды
Покажем, как применять знание физики в жизни
Начать учиться
Северный полюс и южный полюс на самом деле не совсем северный и южный, а вовсе наоборот. Звучит, как странная фантазия сумасшедшего физика, но это имеет место быть. Разбираемся с полюсами в этой статье.
Магнитное поле
Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.
Магнитное поле — это особый вид материи, который существует вокруг магнитов или движущихся зарядов.
У нее есть несколько условий для существования:
- магнитное поле существует независимо от наших знаний о нем;
- порождается только движущимся электрическим зарядом;
- обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
- магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.
Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты? Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях. Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит. Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. |
У любого магнита есть два полюса — северный и южный.
Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:
Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный? Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже. |
Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).
Важный нюанс
Мы привыкли к тому, что на географическом севере находится северный магнитный полюс и на него указывает синяя стрелка компаса. Однако это не совсем так.
Из физики магнетизма нам известно, что силовые линии магнитного поля входят в южный полюс магнита, а выходят из северного. Если вы посмотрите на картину силовых линий магнитного поля Земли, то увидите, что они входят в Землю в районе северного географического полюса у канадских берегов Северного Ледовитого океана, а выходят в районе южного географического полюса в Антарктиде. Значит, с точки зрения физики у Земли на севере расположен южный магнитный полюс, а на юге — северный. Такие полюсы называются «истинными».
Однако, вопреки законам физики, люди договорились, что для простоты будут называть тот магнитный полюс, который находится на севере, северным, а тот магнитный полюс, что на юге, — южным. Такие магнитные полюсы Земли называются «мнимыми».
Полезные подарки для родителей
В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!
Опыт Эрстеда
Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эрстед опытным путём связал электричество и магнетизм с помощью эксперимента с отклонением стрелки компаса.
Это явление использовали, когда создавали первые амперметры, так как отклонение стрелки пропорционально величине тока. Оно лежит в основе любого электромагнита.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Карина Хачатурян
К предыдущей статье
114.3K
Электромагнитные волны
К следующей статье
129. 3K
Коэффициент полезного действия (КПД)
Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке
На вводном уроке с методистом
-
Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
-
Расскажем, как проходят занятия
-
Подберём курс
Магнитное поле – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Обрезкова Алиса Сергеевна
- Руководитель: Гурьянова Галина Александровна
Техника безопасности
- Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
- Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
- Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
- Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
- Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
- Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
- После выполнения измерений электронным секундомером выключите его, отсоединив разъём.
- Источник тока электрической цепи подключайте в последнюю очередь. Не включать собранную цепь без проверки и разрешения учителя.
- При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
- Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводников были наконечники.
- Не касайтесь руками мест соединений. Не использовать провода с нарушенной изоляцией. Все изменения в цепи производите после отключения источника тока.
- При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов.
После снятия показаний цепь разомкнуть. По указанию учителя разобрать цепь.
- При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
- Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом учителю.
- Берегите оборудование и используйте его по назначению.
- При получении травмы обратитесь к учителю.
Введение
В своей работе по теме «Магнитное поле» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8 класс.
Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.
Выдвигаемая гипотеза: проверить на опытах предположение, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле, которое возможно имеет закономерность в направлении и связано с направлением тока.
Магнитные явления были известны ещё в древнем мире: компас был изобретён более 4000 лет назад, и к XII веку он стал известен в Европе. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.
Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется связь, были опыты датского физика Х.Эрстеда (1777-1851). В своём знаменитом опыте, описываемом ныне во всех школьных учебниках физики и проведённом в 1820 году, он обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку (то есть подвижный магнит).
Эрстед не только провёл свой опыт, но и сделал правильный вывод: «электрический конфликт не ограничен проводящей проволокой, а имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Переводя на современный язык, это можно понимать так: «действие тока есть не только внутри провода (его нагревание), но и вокруг (магнитное поле)».
Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес его современников-физиков и послужило началом ряда исследований, показавших сходство магнитного действия тока и действия постоянного магнита. Для поиска ответа проделаем опыт.
Опыт № 1. Дугообразный электромагнит
Возьму дугообразный электромагнит и закреплю его в штативе. Соединю катушки электромагнита через ключ с источником тока. Поднесу якорь к сердечнику и замкну ключ. Якорь притянулся к сердечнику. На крючок якоря буду подвешивать грузы 0,5 кг, потом 1 кг. Якорь не отрывается. Разомкну ключ, и грузы упадут.
Вывод из опыта № 1
Вокруг катушки с током существует магнитное поле. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Намагничивается сердечник и притягивает якорь с подвешенным грузом. Катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный. Электромагниты обладают большой подъемной силой.
4 мая 1825 года Вильям Стерджен (английский ученый) на заседании Британского общества ремесел продемонстрировал работу своего электромагнита. Это был согнутый в виде подковы железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см. На нем в один слой была намотана медная проволока, подключенная к химическому источнику тока. Электромагнит Стерджена удерживал груз, весом в 1,5 раза превосходящим вес самого магнита. При весе в 2 кг он поднимал металлический груз в 3,6 кг. На тот момент он был намного мощнее природных магнитов того же размера. Еще в 1823 году ученый на основе электромагнита построил «вращающееся колесо Стерджена» — по сути первую модель электромотора.
Стерджена, Джеймс Джоуль, экспериментируя с электромагнитом учителя, в том же 1825 году смог увеличить подъемную силу до 20 кг. С этого момента начинается своеобразная гонка между учеными по совершенствованию электромагнита и наращиванию его подъемной силы. Через семь лет после своего изобретения Уильям Стерджен создает электромагнит с подъемной силой в 160 кг, а еще через восемь лет – электромагнит с подъемной силой в 550 кг.
Кстати подковообразная форма электромагнита, очень удачная как показали дальнейшие исследования, была выбрана Уильямом Стердженом чисто случайно. Эта форма используются и по сей день. Хотя конечно же в наше время изготавливаются электромагниты самых разнообразных форм.
Вскоре после того, как было построено еще несколько крупных магнитов и все убедились в их силе, надежности, компактности и удобстве, было предложено использовать электромагниты для подъема железных и стальных деталей на металлургических и металлообрабатывающих заводах.
В России вплоть до революции Общество конно-железных дорог и омнибусов использовало магниты для очистки овса от железных гвоздей. В Европе и Америке магниты широко применяли на мельницах по очистке зерна.
В 30-х годах нашего столетия был создан один из крупнейших электромагнитов, предназначенный для устройства, с помощью которого разрушали бракованное литье. Груз, выполняющий эту операцию, весил 200000 Н. Использование электромагнита в этом устройстве позволяло сбрасывать груз обычным поворотом выключателя.
Вскоре были созданы еще более крупные магниты, способные поднимать груз весом до 500000 Н.
Магнитная очистка зерна на мельницах стала прообразом одного из чрезвычайно важных в настоящее время применений магнитов. Речь идет о так называемых магнитах сепараторах. Принцип их действия состоит в том, что смесь полезного вещества и «пустой породы» подается по конвейеру и проходит мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, то она будет извлечена из смеси. Принцип сепаратора с использованием естественных магнитов был предложен еще в 1792 г., т.е. до изобретения электромагнита.
Электромагниты нашли широкое применение в промышленности, технике, медицине. Например, в батискафе французского профессора Пиккара, исследовавшего не так давно глубочайшие океанские впадины, мощный электромагнит удерживал железный балласт.
С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.
Генеральный директор компании Walker Magnetics, г-н Брайан Твейтс с гордостью представляет самый большой в мире подвесной электромагнит. Его вес (88 т) примерно на 22 т превышает вес действующего победителя Книги Рекордов Гиннеса из США. Его грузоподъемность составляет приблизительно 270 тонн.
Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах — электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи — телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.
Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.
Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность — от милливатт до десятков тысяч киловатт.
Опыт № 2. Магнитные линии катушки с током
Возьму катушку, смонтированную на подставке из оргстекла, соединю ее через ключ с источником тока. На подставку насыпаю ровным слоем металлические опилки. Замыкаю ключ и чуть-чуть постукиваю по платформе. Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму магнитных линий магнитного поля. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются замкнутыми линиями. Вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.
Вывод из опыта № 2
- Вокруг катушки с током есть магнитное поле
- Катушка с током похожа на полосовой магнит и у нее есть тоже два полюса – северный и южный
- Чем больше число витков в катушке, тем сильнее её магнитное поле.
- Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.
- Наличие сердечника усиливает магнитное поле.
Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно.
Опыт № 3. Магнитное поле прямого проводника с током
Беру прибор, в котором прямой проводник пропущен сквозь лист картона. На картон насыпаю тонкий и равномерный слой железных опилок, включаю ток, и опилки слегка встряхиваю. Под действием магнитного поля тока железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.
Вывод из опыта № 3
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой кривые, охватывающие проводник.
Вывод из проделанных опытов
Проведенные опыты подтверждают выдвинутую гипотезу. Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга. Ток следует рассматривать как источник магнитного поля.
Человека пронизывают мириады магнитных полей различного происхождения. Мы привыкли к магниту и относимся к нему снисходительно, как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. Я подсчитала – у меня в квартире их десятки: в электробритве, динамике, магнитофоне, в банке с гвоздями, наконец, я сама тоже магнит: биотоки, текущие во мне, рождаю вокруг причудливый пульсирующий узор магнитных линий. Земля, на которой мы живем, — гигантский голубой магнит. Солнце – желтый плазменный шар – еще более грандиозный магнит. Галактики и туманности, едва различимые радиотелескопами, — непостижимые по размерам магниты…
Ссылка на видеоролик: https://yadi.sk/i/fEaNL3z_3Jfbx3
12.3: Магнитное поле, создаваемое тонким прямым проводом
-
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 4422
- OpenStax
- OpenStax
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объяснить, как закон Био-Савара используется для определения магнитного поля, создаваемого тонким прямым проводом.
- Определить зависимость магнитного поля от тонкого прямого провода в зависимости от расстояния до него и тока, протекающего в проводе.
- Нарисуйте магнитное поле, создаваемое тонким прямым проводом, используя второе правило правой руки.
Какой ток необходим для создания значительного магнитного поля, возможно такого же сильного, как поле Земли? Геодезисты скажут вам, что воздушные линии электропередач создают магнитные поля, которые мешают показаниям их компаса. Действительно, когда в 1820 году Эрстед обнаружил, что ток в проводе влияет на стрелку компаса, он не имел дело с чрезвычайно большими токами. Как форма проводов, по которым течет ток, влияет на форму создаваемого магнитного поля? В главе 28 мы отмечали, что токовая петля создает магнитное поле, подобное магнитному стержню, но как насчет прямого провода? Мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы ответить на все эти вопросы, включая определение магнитного поля длинного прямого провода.
На рисунке \(\PageIndex{1}\) показан участок бесконечно длинного прямого провода, по которому течет ток I . Чему равно магнитное поле в точке P , расположенной на расстоянии R от провода?
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Участок тонкого прямого провода с током. Независимая переменная \(\theta\) имеет пределы \(\theta_1\) и \(\theta_2\).
Начнем с рассмотрения магнитного поля элемента тока \(I \, d\vec{x}\), расположенного в позиции х . Используя правило правой руки 1 из предыдущей главы, \(d\vec{x} \times \hat{r}\) указывает за пределы страницы для любого элемента вдоль проводника. Следовательно, в точке \(P\) магнитные поля всех элементов тока имеют одинаковое направление. Это означает, что мы можем вычислить там чистое поле, оценивая скалярную сумму вкладов элементов. С
\[|d\vec{x} \times \hat{r}| = (dx)(1) \, \sin \, \theta \]
имеем из закона Био-Савара 9{\infty}.\]
Подстановка пределов дает нам решение
\[\boxed{B = \dfrac{\mu_0 I}{2\pi R}. }\]
Силовые линии магнитного поля бесконечного провода имеют круглую форму с центром в проводе (рис. \(\PageIndex{2}\)), и они идентичны во всех плоскостях, перпендикулярных проводу. Поскольку поле уменьшается с расстоянием от провода, расстояние между линиями поля должно соответственно увеличиваться с расстоянием. Направление этого магнитного поля можно найти с помощью второй формы правило правой руки (Рисунок \(\PageIndex{2}\)). Если вы держите провод правой рукой так, чтобы большой палец был направлен вдоль тока, то ваши пальцы обхватывают провод в том же смысле, что и \(\vec{B}\).
Рисунок \(\PageIndex{2}\):. Некоторые линии магнитного поля бесконечной проволоки. Направление \(B\) можно найти с помощью правила правой руки.
Направление силовых линий можно наблюдать экспериментально, поместив несколько маленьких стрелок компаса на окружность рядом с проводом, как показано на рисунке \(\PageIndex{3a}\). Когда в проводе нет тока, иглы выравниваются с магнитным полем Земли. Однако, когда по проводу проходит большой ток, все стрелки компаса касаются окружности. Железные опилки, разбросанные по горизонтальной поверхности, также очерчивают линии поля, как показано на рисунке \(\PageIndex{3b}\).
Рисунок \(\PageIndex{3}\): Форму линий магнитного поля длинного провода можно увидеть с помощью (а) маленькой стрелки компаса и (б) железных опилок.
Пример \(\PageIndex{1}\): расчет магнитного поля, создаваемого тремя проводами
Три провода расположены по углам квадрата, по всем проводам на страницу поступает ток силой 2 ампера, как показано на рисунке \(\PageIndex{4 }\). Вычислите величину магнитного поля в другом углу квадрата, точке P , если длина каждой стороны квадрата равна 1 см.
Рисунок \(\PageIndex{4}\): по трем проводам на страницу поступает ток. Магнитное поле определяется в четвертом углу квадрата.
Стратегия
Рассчитывается магнитное поле каждого провода в нужной точке. Диагональное расстояние рассчитывается по теореме Пифагора. Затем направление вклада каждого магнитного поля определяется путем рисования круга с центром в точке провода и в направлении желаемой точки. Направление вклада магнитного поля от этого провода тангенциально к кривой. Наконец, работая с этими векторами, вычисляется результирующая. 9{-5} T. \end{align}\]
Значение
Геометрия в этой задаче приводит к тому, что вклады магнитного поля в направлениях x и y имеют одинаковую величину. Это не обязательно так, если бы токи были разных значений или если бы провода располагались в разных положениях. Независимо от численных результатов, работа с компонентами векторов даст результирующее магнитное поле в нужной точке.
Упражнение \(\PageIndex{1}\)
Используя пример \(\PageIndex{1}\), сохраняя одинаковые токи в проводах 1 и 3, какой ток должен быть в проводе 2 противодействовать магнитным полям проводов 1 и 3 так, чтобы в точке \(P\) не было результирующего магнитного поля?
Решение
4 ампера, вытекающих из страницы
Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойолы Мэримаунт) и Билл Моебс с многими соавторами. Эта работа находится под лицензией OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).
Эта страница под названием 12.3: Магнитное поле из-за тонкого прямого провода распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts. ; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
-
- Была ли эта статья полезной?
-
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- ОпенСтакс
- Лицензия
- СС BY
- Версия лицензии
- 4,0
- Программа OER или Publisher
- ОпенСтакс
- Показать оглавление
- нет
-
- Теги
-
- Магнитное поле
- источник@https://openstax.
org/details/books/university-physics-volume-2
- Тонкая прямая проволока
Закон Гаусса для магнитных полей. Электромагнитная геофизика
Рис. 34 Если стержневой магнит разрезать пополам, получится два стержневых магнита.
Закон Гаусса для магнетизма гласит, что магнитных монополей не существует и что
полный поток через замкнутую поверхность должен быть равен нулю. На этой странице описывается
интеграл во временной области и дифференциальные формы закона Гаусса для магнетизма и
как можно вывести закон. Также дано уравнение в частотной области. В
В конце страницы краткая история закона Гаусса для магнетизма.
предоставил.
Интегральное уравнение
Закон Гаусса для магнитных полей в интегральной форме имеет вид:
(48)\[\oint_S \mathbf{b} \cdot \mathbf{da} = 0,\]
где:
Уравнение утверждает, что нет чистого магнитного потока \(\mathbf{b}\)
(что можно рассматривать как количество силовых линий магнитного поля, проходящих через
площадь), проходящая через произвольную замкнутую поверхность \(S\). Это означает
количество силовых линий магнитного поля, которые входят и выходят через этот закрытый
поверхность \(S\) одинакова. Это объясняется концепцией магнита.
у которого есть северный и южный полюс, где сила северного полюса
равна силе южного полюса (рис. 34). Это
эквивалентно утверждению, что магнитный монополь, означающий одинокий север или
южного полюса не существует, потому что для каждого положительного магнитного полюса существует
должно быть равное количество отрицательных магнитных полюсов.
Дифференциальное уравнение
Закон Гаусса для магнитных полей в дифференциальной форме можно вывести, используя
теорема о расходимости. Теорема о расходимости утверждает:
\[\int_V (\mathbf{\nabla} \cdot \mathbf{f}) dv = \oint_S \mathbf{f} \cdot \mathbf{da},\]
, где \(\mathbf{f}\) — вектор. Правая сторона очень похожа
к уравнению (48). Используя теорему о расходимости,
Уравнение (48) переписывается следующим образом:
(49)\[0 = \oint_S \mathbf{b} \cdot d\mathbf{a} = \int_V ( \nabla \cdot \mathbf{b} ) dv. 2}.\] 92}\) равно нулю. Вторая часть уравнения
(53) становится равным нулю, поскольку \(\mathbf{j}\) зависит от
\(r’\) и \(\nabla\) зависят только от \(r\). Подключаю это обратно
в (52) правая часть выражения обращается в нуль.
Таким образом, мы видим, что:
\[\nabla \cdot \mathbf{b}(\mathbf{r}) = 0,\]
, что является законом Гаусса для магнетизма в дифференциальной форме.
Дифференциальное уравнение в частотной области
Уравнение также может быть записано в частотной области как: 9{-6} \frac{\text{T}\cdot \text{m}}{\text{A}}\)
Первооткрыватели закона
Закон Гаусса для магнетизма является физическим применением теоремы Гаусса (также
известная как теорема о дивергенции) в исчислении, которая была независимо
открыт Лагранжем в 1762 г., Гауссом в 1813 г., Остроградским в 1826 г. и Грином
в 1828 году. Закон Гаусса для магнетизма просто описывает одно физическое явление
что магнитного монополя в действительности не существует.
Добавить комментарий