Магнитное поле. источники и свойства. правила и применение

Введение

Нужна ли нам электроэнергия? Странный вопрос, скажете вы – конечно, без неё нельзя представить жизнь современного человека. Но, как это ни парадоксально, сама по себе электроэнергия нам не нужна. От лампочки нам нужен свет, от спирали электрочайника – тепло и т.д. Однако электрический ток удобен тем, что позволяет передавать энергию на большие расстояние с относительно небольшими потерями, и уже «на месте» преобразовывать её в нужный нам вид энергии (световая, тепловая, механическая и т.д.).

Электрическая энергия к нашим домам доставляется от электростанций. Как они работают? Производят энергию – подойдет ли такой ответ? Нет, энергию нельзя произвести или создать, ее можно преобразовать из одного вида в другой, об этом говорит закон сохранения энергии. По-другому и быть не могло, потому что мы так и задумали понятие энергии: выделили нечто, что сохраняется.

Хорошо, разберем для примера гидроэлектростанцию – ГЭС. Вода падает, вращается турбина, она что-то дальше приводит в движение, а на выходе по проводам течет электрический ток. Если не знать, что там за механизм, уже понятно: механическая энергия преобразуется в электрическую.

Магнитное поле Земли

Нам уже известно, что магнитное поле образуется только вокруг магнитов и электрических токов. Как же нам определить магнитное поле Земли? Любая стрелка, любой компас в магнитном поле Земли строго ориентированы. Раз магнитная стрелка строго ориентируется в пространстве, следовательно, на нее действует магнитное поле, и это магнитное поле Земли. Можно сделать вывод о том, что наша Земля – это большой магнит (Рис. 7) и, соответственно, этот магнит создает в пространстве достаточно мощное магнитное поле. Когда мы смотрим на стрелку магнитного компаса, мы знаем, что красная стрелочка показывает на юг, а синяя на север. Как же располагаются магнитные полюсы Земли? В этом случае необходимо помнить о том, что на северном географическом полюсе Земли располагается южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе располагается северный магнитный полюс Земли. Если рассмотреть Землю как тело, находящееся в пространстве, то можно говорить о том, что, когда мы идем по компасу на север, мы придем на южный магнитный полюс, а когда идем на юг – мы попадем на северный магнитный полюс. На экваторе стрелочка компаса будет располагаться практически горизонтально относительно поверхности Земли, и чем ближе мы будем находиться к полюсам, тем вертикальнее будет расположение стрелки. Магнитное поле Земли могло изменяться, были времена, когда полюсы менялись относительно друг друга, то есть южный был там, где северный, и наоборот. По предположению ученых, это было предвестником больших катастроф на Земле. Последние несколько десятков тысячелетий этого не наблюдалось.

Рис. 7. Магнитное поле Земли (Источник)

Магнитные и географические полюса не совпадают. Внутри самой Земли тоже существует магнитное поле, и, как в постоянном магните, оно направлено от южного магнитного полюса к северному.

Откуда же берется магнитное поле в постоянных магнитах? Ответ на этот вопрос дал французский ученый Андре-Мари Ампер. Он высказал идею о том, что магнитное поле постоянных магнитов объясняется элементарными, простейшими токами, протекающими внутри постоянных магнитов. Эти простейшие элементарные токи определенным образом усиливают друг друга и создают магнитное поле. Отрицательно заряженная частица – электрон – движется вокруг ядра атома, это движение можно считать направленным, и, соответственно, вокруг такого движущегося заряда создается магнитное поле. Внутри любого тела количество атомов и электронов просто огромно, соответственно, все эти элементарные токи принимают упорядоченное направление, и мы получаем достаточно значительное магнитное поле. То же самое мы можем сказать о Земле, то есть магнитное поле Земли очень напоминает магнитное поле постоянного магнита. А постоянный магнит – это достаточно яркая характеристика любого проявления магнитного поля.

Математическое представление

Магнитное поле в макроскопическом описании представлено двумя различными векторными полями, обозначаемыми как H и B.

H называется напряжённостью магнитного поля; B называется магнитной индукцией. Термин магнитное поле применяется к обоим этим векторным полям (хотя исторически относился в первую очередь к H).

Магнитная индукция B является основной характеристикой магнитного поля, так как, во-первых, именно она определяет действующую на заряды силу, а во-вторых, векторы B и E на самом деле являются компонентами единого тензора электромагнитного поля. Аналогично, в единый тензор объединяются величины H и электрическая индукция D. В свою очередь, разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное является совершенно условным и зависящим от выбора системы отсчёта, поэтому вектора B и E должны рассматриваться совместно.

Впрочем, в вакууме (при отсутствии магнетиков), а значит и на фундаментальном микроскопическом уровне, H и B совпадают (в системе СИ с точностью до условного постоянного множителя, а в СГС — полностью), что позволяет в принципе авторам, особенно тем, кто не использует СИ, выбирать для фундаментального описания магнитного поля H или B произвольно, чем они нередко и пользуются (к тому же, следуя в этом традиции). Авторы же, пользующиеся системой СИ, систематически отдают и здесь в этом отношении предпочтение вектору B, хотя бы потому, что именно через него прямо выражается сила Лоренца.

Единицы измерения

Величина B в системе единиц СИ измеряется в теслах (русское обозначение: Тл; международное: T), в системе СГС — в гауссах (русское обозначение: Гс; международное: G). Связь между ними выражается соотношениями: 1 Гс = 1·10−4 Тл и 1 Тл = 1·104 Гс.

Векторное поле H измеряется в амперах на метр (А/м) в системе СИ и в эрстедах (русское обозначение: Э; международное: Oe) в СГС. Связь между ними выражается соотношением: 1 эрстед = 1000/(4π) A/м ≈ 79,5774715459 А/м.

Магнитные свойства веществ

С фундаментальной точки зрения, как это было указано выше, магнитное поле может создаваться (а значит — в контексте этого параграфа — и ослабляться или усиливаться) переменным электрическим полем, электрическими токами в виде потоков заряженных частиц или магнитными моментами частиц.

Конкретные микроскопические структуры и свойства различных веществ (а также их смесей, сплавов, агрегатных состояний, кристаллических модификаций и т. д.) приводят к тому, что на макроскопическом уровне они могут вести себя достаточно разнообразно под действием внешнего магнитного поля (в частности, ослабляя или усиливая его в разной степени).

В связи с этим вещества (и вообще среды) в отношении их магнитных свойств делятся на такие основные группы:

  • Антиферромагнетики — вещества, в которых установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов: магнитные моменты веществ направлены противоположно и равны по силе.
  • Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.
  • Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля.
  • Ферромагнетики — вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов.
  • Ферримагнетики — материалы, у которых магнитные моменты вещества направлены противоположно и не равны по силе.
  • К перечисленным выше группам веществ в основном относятся обычные твёрдые или (к некоторым) жидкие вещества, а также газы. Существенно отличается взаимодействие с магнитным полем сверхпроводников и плазмы.

Магнитное поле и его графическое изображение

На прошлых уроках мы выяснили, что причиной возникновения магнитной силы является наличие магнитного поля. Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами и, в частности, электрическим током, поскольку это упорядоченный поток заряженных частиц. Например, магнитное поле образуется вокруг проводника с током. Каким же образом можно пояснить наличие магнитного поля у постоянных магнитов, у которых никаких видимых токов нет? Согласно гипотезе великого французского физика Ампера, в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах такие кольцевые токи ориентируются одинаково. Магнитные поля, которые они образуют, направлены одинаково и усиливают друг друга. В результате образуется магнитное поле внутри и вблизи постоянного магнита. Когда мы ранее сталкивались с понятием «поле», то возникала проблема понимания, что же это такое. Если сравнивать с понятием «вещество», этой проблемы, очевидно, нет, так как из вещества созданы все окружающие нас тела, мы их можем потрогать, мы их можем увидеть. Что же касается магнитного поля, то это особый вид материи, который проявляется через взаимодействие с определенными телами. Вспомним, что гравитационное поле взаимодействует с телами, имеющими массу, то есть со всеми телами. При этом электрическое поле взаимодействует с телами, имеющими заряд, что же касается поля магнитного, то оно будет взаимодействовать с телами, в которых есть подвижные заряды. Из этого возникает вопрос: если поле нельзя увидеть, можно ли его как-то изобразить? Проведем эксперимент, возьмем обыкновенный полосовой магнит, положим его на стол и накроем обыкновенной прозрачной пластиковой накладкой. Сверху на поверхность накладки над магнитом аккуратно посыпаем железные опилки, в процессе посыпания мы можем увидеть интересный эффект: опилки будут распределяться неравномерным образом, образуя так называемые дорожки, и картина этих дорожек получается упорядоченной. Что же мы увидели и почему так происходит?

Рис. 4. Силовые линии магнитного поля в опыте  железными опилками

Наш опыт позволяет наглядно продемонстрировать так называемые силовые линии магнитного поля (или, как их еще именуют, просто магнитные линии). Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. В нашем эксперименте в роли магнитных стрелок выступают железные опилки. Они имеют очень простое свойство намагничиваться во внешнем магнитном поле и выстраиваться вдоль магнитных линий, причем по правилу взаимодействия магнитов, то есть противоположными полюсами друг к другу. Стоит отметить, что магнитные линии могут быть как прямолинейными, так и криволинейными, при этом правило их построения очень простое: в любой точке нахождения магнитной стрелки касательная, проведенная через нее должна быть и касательной к магнитной линии.

Для того чтобы правильно изображать магнитное поле, не проводя постоянных экспериментов с железными опилками и магнитами, необходимо знать правило его построени.

Во-первых, силовые линии магнитного поля являются замкнутыми либо уходят на бесконечность. Кроме этого, следует помнить, что они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Во-вторых, наиболее сильное магнитное поле является у полюсов магнитов, что изображается как более плотное расположение магнитных линий, в областях же с менее сильным магнитным полем магнитные линии изображают на большем расстоянии друг от друга.

Какие же выводы мы можем сделать из этих правил?

Магнитные линии позволяют изображать направление поля в данной точке. Магнитные линии позволяют определять силу действия этого поля.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Проявление магнитного поля

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 векторам v и B. Она пропорциональна заряду частицы q, составляющей скорости v, перпендикулярной направлению вектора магнитного поля B, и величине индукции магнитного поля B.
В Международной системе единиц (СИ) сила Лоренца выражается так:

F=qv,B,{\displaystyle \mathbf {F} =q,}

в системе единиц СГС:

F=qcv,B,{\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {q}{c}},}

где квадратными скобками обозначено векторное произведение.

Также (вследствие действия силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы) магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник с током называется силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

Взаимодействие двух магнитов

Одно из наиболее часто встречающихся в обычной жизни проявлений магнитного поля — взаимодействие двух магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами как взаимодействие между двумя монополями, и с формальной точки зрения эта идея вполне реализуема и часто весьма удобна, а значит практически полезна (в расчётах); однако детальный анализ показывает, что на самом деле это не полностью правильное описание явления (наиболее очевидным вопросом, не получающим объяснения в рамках такой модели, является вопрос о том, почему монополи никогда не могут быть разделены, то есть почему эксперимент показывает, что никакое изолированное тело на самом деле не обладает магнитным зарядом; кроме того, слабостью модели является то, что она неприменима к магнитному полю, создаваемому макроскопическим током, а значит, если не рассматривать её как чисто формальный приём, приводит лишь к усложнению теории в фундаментальном смысле).

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. Но никакой магнит не испытывает действия (суммарной) силы со стороны однородного магнитного поля. Сила, действующая на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается по формуле:

F=(m⋅∇)B.{\displaystyle \mathbf {F} =\left(\mathbf {m} \cdot \nabla \right)\mathbf {B} .}

Сила, действующая на магнит (не являющийся одиночным точечным диполем) со стороны неоднородного магнитного поля, может быть определена суммированием всех сил (определяемых данной формулой), действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.

Впрочем, возможен подход, сводящий взаимодействие магнитов к силе Ампера, а сама формула выше для силы, действующей на магнитный диполь, тоже может быть получена, исходя из силы Ампера.

Явление электромагнитной индукции

Основная статья: Электромагнитная индукция

Если поток вектора магнитной индукции через замкнутый контур меняется во времени, в этом контуре возникает ЭДС электромагнитной индукции, порождаемая (в случае неподвижного контура) вихревым электрическим полем, возникающим вследствие изменения магнитного поля со временем (в случае неизменного со временем магнитного поля и изменения потока из-за движения контура-проводника такая ЭДС возникает посредством действия силы Лоренца).

Геомагнитные вариации.

Изменение магнитного поля Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями. Разность между наблюдаемой величиной напряженности магнитного поля и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией. Согласно наблюдениям, геомагнитные вариации непрерывно изменяются во времени, причем такие изменения часто носят периодический характер.

Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечноговетра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные вариации. Сезонные вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.

11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Вековые вариации – медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек – центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.

Токи Фуко

Основная статья: Токи Фуко

Токи Фуко́ (вихревые токи) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магнитного потока. Они являются индукционными токами, образующимися в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором оно находится, либо в результате движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или любую его часть. Согласно правилу Ленца, магнитное поле токов Фуко направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему эти токи.

Магнитное поле постоянных магнитов

Исследование постоянных магнитов связано исключительно с их взаимодействием. Магнитное поле может создаваться электрическим током и постоянным магнитом, поэтому первое, что было проведено, – это исследования с магнитными стрелками. Если поднести магнит к стрелке, то мы увидим взаимодействие – одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные будут притягиваться. Такое взаимодействие наблюдается со всеми магнитами.

Расположим вдоль полосового магнита маленькие магнитные стрелки (Рис. 4), южный полюс будет взаимодействовать с северным, а северный будет притягивать южный. Магнитные стрелки будут располагаться вдоль линии магнитного поля. Принято считать, что магнитные линии направлены вне постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного полюса к северному. Таким образом, магнитные линии замкнуты точно так же, как и у электрического тока, это концентрические окружности, они замыкаются внутри самого магнита. Получается, что вне магнита магнитное поле направлено от севера к югу, а внутри магнита от юга к северу.

Рис. 4. Лини магнитного поля полосового магнита (Источник)

Для того чтобы пронаблюдать форму магнитного поля полосового магнита, форму магнитного поля дугообразного магнита, воспользуемся следующими приборами или деталями. Возьмем прозрачную пластину, железные опилки и проведем эксперимент. Посыплем железными опилками пластину, находящуюся на полосовом магните (рис. 5):

Рис. 5. Форма магнитного поля полосового магнита (Источник)                                                   

Мы видим, что линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, по густоте линий можно судить о полюсах магнита, где линии гуще – там находятся полюса магнита (рис. 6).

Рис. 6. Форма магнитного поля дугообразного магнита (Источник)

Аналогичный опыт проведем с дугообразным магнитом. Мы видим, что  магнитные линии начинаются на северном и заканчиваются на южном полюсе по всему магниту.

Ссылка на основную публикацию