Кто открыл магнитное поле

Магнитное поле. Линии

кто открыл магнитное поле

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока.

Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма.

Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.

Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

Магнитное поле витка с током

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/magnitnoe-pole-linii/

Изменит ли магнитное поле Земли свою полярность? | Живой космос

кто открыл магнитное поле

Магнитное поле Земли имеет форму, подобную той, которую имеет игрушечный стержневой магнит. Но есть очень важное отличие. Поле игрушечного магнита прочно закреплено в его твердом теле. И не изменяется со временем. Магнитное поле Земли, однако, может поменять свою конфигурацию. Меняется не только его сила, но и направление, которое имеет воображаемая ось между его полюсами.

Создатели географических карт знают, что положение полюсов магнитного поля Земли все время меняется.

Магнитное поле Земли

Геологи также постоянно отмечают перемещение магнитных полюсов. И могут даже определить их местоположение в далеком прошлом. Эту информацию можно получить при изучении магнитных пород. В тот момент, когда они застывали, они навсегда фиксировали своей структурой конфигурацию магнитного поля тех времен.

И известные результаты подобных исследований просто удивительны. В наши дни северная точка компаса указывает на магнитный полюс в северном полушарии. Вот почему создатели компаса наносят букву «N» на кончик его намагниченной стрелки.

Но поскольку противоположное притягивается, это означает, что магнитный полюс в северном полушарии на самом деле является южным магнитным полюсом!

С 1800-х годов Южный магнитный полюс Земли, который, как мы теперь знаем, находится в Северном полушарии, переместился более чем на 1100 километров. К 2030 году он фактически окажется прямо над географическим Северным полюсом.

А в следующем столетии его можно будет обнаружить в северных районах Сибири! Ученые взволнованы этим фактом. И немного обеспокоены внезапным резким изменением местоположения магнитного полюса.

Они беспокоятся о том, что глубоко в недрах Земли происходят какие-то не очень хорошие для нас процессы. И у них есть информация, что подобное происходило и раньше.

Полюса меняются местами

Геологи обнаружили, что магнитные полюса Земли не просто немного перемещаются. Они, на самом деле, время от времени меняются местами. Около 800 000 лет назад магнитные полюса Земли были противоположны тем, которые мы имеем сегодня. В те далекие времена компас в Северном полушарии указывал бы на Антарктиду.

При изучении горных пород было установлено, что магнитное поле Земли меняло свою полярность сотни раз за последний миллиард лет. Еще более интересно то, что время между подобными магнитными инверсиями, а также их продолжительность сильно изменились. 70 миллионов лет назад, когда динозавры еще бродили по Земле, между магнитными переворотами проходило около миллиона лет. Каждое обращение длилось около 500 000 лет.

20 миллионов лет назад промежуток времени между инверсиями сократился до 330 000 лет. И каждое подобное событие длилось около 220 000 лет.

Сегодня время между инверсиями сократилось до всего лишь 200 000 лет. И каждая инверсия длится теперь около 100 000 лет. Но когда же произошло последнее изменение?

Ученые считают, с момента последнего переворота полюсов прошло 730 000 лет. Но ведь это намного дольше, чем 200 000 лет, скажете Вы!

И на самом деле это выглядит очень странно! По какой-то необъяснимой причине это процесс внезапно остановился.

Однако сейчас смещение полюсов вызывает у ученых тревогу. Есть ли доказательства того, что мы движемся к этому состоянию? Ученые считают, что внезапное и быстрое изменение местоположения магнитного полюса является одним из признаков значительных изменений, которые начинают происходить. Другим знаком является фактическая сила магнитного поля Земли. Но почему же все так боятся этого события?

Чем это грозит?

Итак, что же произойдет, когда магнитное поле Земли поменяет полярность?

Окаменелости и другие геологические записи говорят о том, что вроде бы ничего страшного не случится.

Последняя инверсия полюсов, как уже говорилось выше, произошла около 730 000 лет назад. Эти времена палеонтологи называют эпохой среднего плейстоцена (от 100 000 до 1 миллиона лет назад).

Ископаемые окаменелости говорят о том, что в эту эпоху не произошло никаких серьезных изменений в жизни растений и животных. Похоже, что гораздо большее влияние на жизнь растений и животных оказали плейстоценовые ледниковые периоды.

Именно в эту эпоху появились первые холодоустойчивые формы жизни. Такие, например, как шерстистые мамонты.

Поэтому все не так страшно. Даже если магнитное поле Земли претерпит инверсию, это вряд  ли будет угрожать жизни на нашей планете. Ее биосфера никуда не исчезнет. Страшные космические излучения не вызовут ужасных мутаций. Океанские приливы не опустошат прибрежные районы. И, конечно же, не будет никакой повышенной вулканической активности, которая приведет к глобальному потеплению.

Ничего страшного

А как же птицы, спросите Вы? Ведь они и некоторые другие животные используют магнитное поле Земли для навигации! Да, это так. Но у всех этих животных есть и резервные навигационные системы. Например, обыкновенное зрение. И умение ориентироваться по Солнцу, Луне и звездам.

Да, магнитное поле Земли хорошо защищает нас от космических лучей. Поэтому потеря этого щита может показаться большой проблемой. Но на самом деле его значение сильно переоценено. Космические лучи состоят в основном из быстро движущихся частиц вещества. Таких, как электроны, протоны и ядра некоторых атомов.

Наша атмосфера на самом деле является гораздо лучшим щитом от космического излучения, чем магнитное поле Земли. Потеря магнитного поля во время его переворота лишь немного увеличит естественное воздействие радиационного фона на Землю. Возможно, не более чем на 10%. В долгосрочной перспективе это, конечно, может отразится на здоровье землян.

Однако человечеству в целом ничего не угрожает.

Источник: https://alivespace.ru/magnitnoe-pole/

ТОП-10 увлекательных фактов о магнитных полях

кто открыл магнитное поле

Магнитные поля незаметно для нас покрывают все объекты вокруг, начиная от мельчайших частиц до всей планеты. Несмотря на то что человечество изучило это явление, магнитные поля таят в себе ещё много странного и удивительного. Недавние открытия находят магнитные явления там, где раньше их не видели.

Редакции TopCafe очень интересны подобные темы, поэтому мы решили разобраться в этом более подробно. С магнитными полями связано много явлений, науке известно множество фактов о магнитных полях. Можно управлять разумом человека и животных, создавать червоточины и даже перевернуть Землю.

Но от громких слов перейдём к фактам.

Представляем вам десять удивительных фактов о магнитных полях:

1

 Магнитные мотыльки

На фото: мотылёк Agrotis infusa. Автор фото: Donald Hobern.

Каждый год весной огромное число мотыльков вида Agrotis infusa, которых называют богонгами, отправляются в путешествие через Юго-Восточную Австралию к пещерам в Австралийских Альпах. Там они проводят лето, а потом вновь возвращаются к родным местам для размножения. Этот путь составляет больше одной тысячи километров.

Это явление исследовал шведский учёный Эрик Уоррант. Он установил, что в полётах мотыльки пользуются глобальным магнитным полем Земли для ориентирования наподобие птиц. Это первый выявленный факт использования магнитных полей у ночных насекомых. Ранее считалось, что для ориентира они используют звёзды и Луну.

Мозг этих насекомых не так развит, чтобы передавать знания о маршруте из поколения в поколение. Учёные в лаборатории выяснили, что кроме магнитных полей, они также используют простые визуальные ориентиры. Они летят по магнитным линиям и простым ориентирам на местности. Но учёные до сих пор в недоумении, как такие простые насекомые способны точно преодолевать такое огромное расстояние и улавливать магнитные поля.

2

 Магнитная смена полюсов Земли

На изображении вы видите магнитную аномалию, зафиксированную на высоте 560 км.

Магнитное поле окутывают нашу планету. Магнитное поле Земли также даёт нам защиту от космической радиации и солнечного ветра. Но этот невидимый щит быстро слабеет. Тенденция такова, что полюса планеты могут в скором времени поменяться.

Такое уже происходило не раз в истории Земли. Последний раз это было примерно 780 000 лет назад, а новая инверсия может случиться уже через 40 000 лет. По земным меркам это не так много.

Такие выводы учёным позволила сделать Южно-Атлантическая аномалия магнитного поля Земли (или Бразильская магнитная аномалия). Это огромная территория от Чили до Зимбабве в Африке. В этом месте магнитное поле настолько слабое, что пролетающие спутники, телескопы и другие околоземные объекты нередко перестают функционировать.

Учёные сравнивают это огромное пятно со вмятиной на кожуре апельсина. Разрушительные потоки радиации и ветра из космоса проходят через магнитный разлом, подвергая опасности космические аппараты и электронику.

В 2018 году была обнаружена ещё одна аномалия, на этот раз простирающаяся от ЮАР до Ботсваны. Вот только случалась она далеко в прошлом. Когда фермеры железного века жгли свои глиняные дома, огонь расплавлял магнитные минералы таким образом, что после их остывания можно увидеть направление магнитных линий того времени. В течение 1500 лет локальное электромагнитное пятно то расширялось, то сжималось, ослаблялось или полностью изменяло направление.

Эти сдвиги позволяют предположить, что южно-атлантическая аномалия уже случалась ранее в рамках подготовки к глобальному изменению поля. Если это так, то необычное магнитное пятно под мантией южной части Африки может стать той точкой, с которой начнётся смена полюсов.

3

 Отражённый удар солнечного ветра

Скорость Земли в космическом пространстве составляет 108 000 км/час. Наше магнитное поле, словно ножом, разрезает себе путь сквозь космическую радиацию и солнечный ветер. Солнечный ветер чрезвычайно горячий и турбулентный. Раньше учёные считали, что солнечный ветер слабеет до достижения поверхности Земли, но оказалось, всё немного по-другому.

Потоки солнечной радиации завихряются в верхних слоях атмосферы, попадая в магнитные ловушки, а затем отражаются обратно в космос. Если бы магнитное поле не защищало нас, то всё живое на планете давно бы поджарилось. Сильные всплески всё же проникают через атмосферу, вызывая магнитные бури.

Исследуя этот процесс, который называется магнитным пересоединением, учёные хотят разработать защиту для космонавтов, чтобы человек мог перенести дальние полёты в космос к другим планетам.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Почему сопротивление сплавов больше чем чистых металлов

4

 Новая магнитная среда

Астрономам удалось снять процесс противостояния магнитного поля Земли солнечному ветру. Для этого потребовались дополнительные спутники.

Впервые удалось понаблюдать за процессом формирования магнитной защиты Земли. Этот процесс назвали магнитным пересоединением. Процесс представляет собой соединение невидимых магнитных линий противоположных полюсов между собой. Заряженные частицы направляются по линиям вниз. Явление происходило за границей магнитосферы. Новый магнитный процесс назвали электронным магнитным пересоединением.

Астрономы утверждают, что глубокое изучение этого процесса позволит лучше понять устройство Вселенной и пространства и позволит улучшить защиту планеты от радиации.

5

 Магнитное поле Земли перемещается

Анимация движения магнитного полюса Землю с 1900 по 2020 годы.

По непонятным причинам магнитное поле Земли медленно перемещается. Это происходит из-за гигантских волн в жидком теле планеты.

На поверхности Земли также есть волны, которые называются волнами Россби. Это движение атмосферы и частиц, волн планеты в западном направлении. Большая часть волн в ядре планеты движется на восток в противопоставлении им. Так формируется общее магнитное поле Земли.

Чтобы проще понять этот эффект, можно представить стакан чая или кофе, который помешали вкруговую. На поверхности образуются неравномерные всплески. Эти всплески на поверхности Земли и есть волны Россби, которые искажают поток внутренних волн, смещая магнитное поле в западном направлении. Смещение происходило на расстояние до 15 километров ежегодно, но с 1990 годов мы учёные наблюдают ускорение движения магнитных полюсов до 55 километров в год.

В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов значительно увеличилась. Так в конце 2018 года Северный магнитный полюс Земли переместился в восточное полушарие и направляется от арктического канадского побережья в сторону российской Северной Земли.

6

 Второе магнитное поле Земли

Учёные обнаружили, что Земля имеет второе магнитное поле. Первое основное поле создаёт жидкое ядро нашей планеты. Второе поле нашли совершенно случайно, после запуска трёх спутников Европейского космического агентства.

Оказывается, что движение заряженных частиц (ионов) в гидросфере создаёт очень слабое магнитное поле, которое на высоте 300–500 км в 20 тысяч раз слабее основного магнитного поля.

Спутники составили карту приливов и отливов, которые создают второе магнитное поле планеты. И хоть сила его очень слаба, открытие позволит учёным точнее создавать модели перемещения водных масс на планете и эффективнее бороться с изменением климата.

7

 Магнитное поле Урана ежедневно меняет полюса

Самой необычной планетой солнечной системы по магнитному полю является Уран. Уникальность его в том, что линия экватора Урана наклонена по отношению к плоскости орбиты планеты на 98 градусов.

Если вращение других планет можно сравнить с юлой, то вращение Урана напоминает шар, который катится в пространстве. Технологический институт Джорджии провёл исследование, которое показало, что ось магнитного поля Урана наклонено на 59° по отношению к оси вращения. Это означает, что полюса на планете меняются ежедневно.

Необычность магнитного поля Урана помог выяснить беспилотный космический корабль «Вояджер-2», который в 1986 году пролетал мимо Урана.

Источник: https://topcafe.su/nauka-i-tehnika/nauka/10-faktov-o-magnitnyh-polyah.html

Электромагнетизм

Подробности Категория: Электричество и магнетизм 14.05.2015 17:30 9372

Явления, возникающие в результате взаимодействия электричества и магнетизма, называют электромагнетизмом.

Открытие электромагнетизма

Ханс Кристиан Эрстед

Первооткрывателем электромагнетизма считается датский физик Ханс Кристиан Э́рстед, обнаруживший воздействие электрического тока на магнит.

До начала XIX века никто не предполагал, что электричество и магнетизм что-то связывает. И даже разделы физики, в которых они рассматривались, были разными. Доказательство существования такой связи было получено Эрстедом в 1820 г.

во время проведения опыта на лекции в университете. На экспериментальном столе рядом с проводником тока находился магнитный компас. В момент замыкания электрической цепи магнитная стрелка компаса отклонилась от своего первоначального положения.

Повторив опыт, Эрстед получил такой же результат.

Опыт Эрстеда

В последующих опытах учёный натягивал металлическую проволоку между двумя стойками. Магнитная стрелка располагалась под ней. До того как по проволоке пропускался ток, стрелка была ориентирована с севера на юг. После замыкания электрической цепи она устанавливалась перпендикулярно проволоке. Эксперименты проводились в разных условиях. Магнитная стрелка помещалась под колпак, из которого выкачивался воздух.

Но независимо от среды, она упорно отклонялась от своего первоначального положения, как только по проводнику шёл ток. Это означало, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действовали силы, стремящиеся повернуть её. Эрстед нашёл объяснение этому. Он предположил, что электрический ток, протекающий по проводнику, создаёт магнитное поле.

Так экспериментально была открыта связь между электрическими и магнитными явлениями.

Магнитное поле прямого проводника с током

Силовые линии проводника с током

Как и магнитное поле, образованное постоянным магнитом, магнитное поле проводника с током характеризуется силовыми линиями.

Если прямой проводник, по которому идёт ток, пропустить через отверстие в листе картона, на котором рассыпаны мелкие железные или стальные опилки, то они образуют концентрические окружности, центр которых располагается на оси проводника. Эти окружности представляют собой силовые линии магнитного поля проводника с током.

Но если придать проводнику другую форму, картина будет иная.

Магнитное поле катушки с током 

Магнитное поле соленоида 

Изогнув спиралью проводник с током, мы получим соленоид (от греческого «трубка»). Силовые линии создаваемого им магнитного поля представляют собой замкнутые линии. Наиболее часто они расположены внутри витков.

Если намотать изолированную проволоку на каркас таким образом, чтобы витки располагались вплотную друг к другу, то получится катушка. При пропускании через неё тока создаётся магнитное поле, и катушка начинает притягивать металлические предметы.

Это притяжение значительно усиливается, если вставить в катушку стальной или железный стержень, который называют сердечником.  Ток создаёт магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Затем магнитное поле сердечника складывается с магнитным полем самого соленоида, тем самым увеличивая его.

Катушку с сердечником называют электромагнитом.

Простейший электромагнит

Магнитное поле электромагнита можно регулировать, увеличивая или уменьшая силу тока или количество витков в обмотке. Каждый виток создаёт своё магнитное поле. И чем больше витков в электромагните, тем сильнее его поле. Соответственно, если уменьшить количество витков, то магнитное поле ослабляется.

Первый электромагнит создал английский инженер Уильям Стёрджен в 1825 г. Его устройство представляло собой стержень изогнутой формы, сделанный из мягкого железа и покрытый лаком для изоляции от провода. На стержень был намотан толстый провод из меди. 

Рисунок электромагнита Стёрджена

В современных электромагнитах сердечники изготавливают из ферромагнетиков – веществ, которые обладают высокой намагниченностью при температуре ниже точки Кюри даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Для обмотки применяют изолированный алюминиевый или медный провод.

Применение электромагнитов

Электромагнитный кран

Обычно электромагнит – это катушка из проволоки, намотанной на ферромагнитный сердечник. Сердечник может иметь самую разную форму. Он является частью магнитопровода, через который проходит магнитный поток, возбуждаемый электрическим током. Другая, подвижная, часть магнитопровода – якорь, который передаёт усилие.

Применяются электромагниты в различных электротехнических устройствах, телефонах, автомобилях, телевизорах, электрических звонках и др.

С помощью электромагнита можно притягивать, удерживать и перемещать тяжёлые металлические детали и предметы, сортировать магнитные и немагнитные вещества На металлургических заводах используют электромагнитные подъёмные краны, станки с магнитными столами, на которых изделие закрепляют электромагнитами. В медицине с их помощью извлекают попавшие в глаз металлические опилки.

Параллельные проводники в магнитном поле

Проводники с током в магнитном поле

Продолжив исследования Эрстеда, Ампер подтвердил магнитное действие электрического тока, обнаружив, что проводники с током взаимодействуют друг с другом.

Причём, если токи в параллельных проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются. Если же направление токов в таких проводниках противоположно, то они отталкиваются.

Более того, Ампер вывел закон, названный впоследствии его именем (закон Ампера), и позволяющий определять величину силы, с которой взаимодействуют проводники с током.

Нужно заметить, что Ампер исследовал проводник в магнитном поле, созданном не постоянным магнитом, а другим проводником с током.

Два параллельных проводника с током взаимодействуют с силой, пропорциональной величинам токов в элементарных отрезках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Объединив электричество и магнетизм, Ампер назвал новую область физики электродинамикой.

Действие магнитного поля на проводник с током

Проводник с током в магнитном поле

Опыт Эрстеда демонстрирует действие электрического тока на магнит. Но может ли магнит оказывать действие на проводник с током? Оказывается, да.

Подвесим проводник между полюсами постоянного магнита. Как только по нему пойдёт ток, проводник будет втягиваться внутрь магнита или же выталкиваться за его пределы в зависимости от направления тока и расположения полюсов магнита.

Сила, действующая на проводник, называется силой Ампера.

Её величина зависит от величины тока I, длины участка проводника в магнитном поле l, величины магнитной индукции поля B и величины угла α между направлением тока и вектором магнитной индукции:

F =l·B·sinα

Как видим, наибольшее значение силы будет в том случае, если проводник расположен таким образом, что направление тока в нём перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции. В этом случае sinα= 1.

Если же направления тока и вектора магнитной индукции совпадают, то сила Ампера равна нулю, и магнитное поле на проводник с током в этом случае не действует.

Направление силы Ампера определяется с помощью правила левой руки: Если проводник с током расположить таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь левой руки, а направление тока совпадало с направлением 4 пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.

Действие магнитного поля на рамку с током

Рамка с током в магнитном поле 

Электрический ток всегда замкнут, поэтому прямолинейный проводник можно рассматривать как часть электрической цепи.

Как же ведёт себя в магнитном поле замкнутый контур?

Если вместо гибкого проводника между полюсами магнита поместить проволоку, изогнутую в виде жёсткой рамки, то в начальный момент такая рамка установится параллельно линии, соединяющей полюса магнита. В этот момент вектор магнитной индукции параллелен двум сторонам рамки и расположен в её плоскости. После включения тока рамка начнёт поворачиваться и установится таким образом, что линии магнитного поля будут пронизывать её плоскость.

Вращение рамки объясняется действием на неё сил Ампера.

Каждую из сторон рамки по отдельности можно рассматривать как проводник с током. Согласно закону Ампера на них действует сила Ампера. Её направление определяется с помощью правила левой руки.

Очевидно, что силы, действующие на противоположные стороны прямоугольной рамки, будут равны по величине и противоположны по направлению из-за разного направления токов в них.

На стороны рамки, расположенные параллельно линиям магнитной индукции, силы не действуют, так как угол α между вектором магнитной индукции и направлением тока равен 0, следовательно, sinα также равен нулю.

Угол между вектором индукции и направлением тока в вертикальных сторонах рамки равен 90о. Следовательно, sinα = 1, а модуль силы, действующей на каждую из них, равен

F = I·B·a, где а – длина стороны рамки.

Силы создают вращающий момент, скалярная величина которого равна

M = I·S·B

Под действием этого момента рамка начинает поворачиваться.

В любой промежуточный момент M = I·S·B·sinβ,гдеβ – угол между вектором магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки.

При повороте этот угол меняется, уменьшается величина   силы, и постепенно рамка занимает положение перпендикулярно вектору магнитной индукции. В этом случае вращающий момент становится равным нулю. (М = 0).

На принципе поворота рамки с током в магнитном поле основана работа простейшего электродвигателя. Если отключить ток в тот момент, когда рамка ещё не достигла устойчивого положения, она повернётся по инерции и остановится. При включении тока она снова начнёт вращаться. Включая и выключая ток в нужный момент, можно добиться непрерывного вращения рамки. На этом принципе основана работа простейшего электродвигателя постоянного тока.

Чтобы рамка вращалась непрерывно, необходимо, чтобы ток поступал каждые пол-оборота. В двигателе эту функцию выполняет устройство, которое называют коллектором. Он состоит из двух металлических полуколец. К ним припаяны концы рамки. Когда подключается ток, рамка совершает пол-оборота. Вместе с ней поворачиваются и полукольца коллектора. В результате контакты рамки переключаются, ток в ней меняет своё направление, и рамка продолжает вращаться безостановочно.

Двигатели постоянного тока используются в тяговых электроприводах электровозов, трамваев, тепловозов, теплоходов. Электрический стартер автомобиля – это тоже двигатель постоянного тока. Микродвигатели приводят в действие детские игрушки, электроинструменты, компьютерные устройства, швейные машинки, пылесосы, бормашины и др.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/442

Понятие магнитного поля: определение, источники и графическое отображение

Чтобы понять происхождение поля и его характеристики, необходимо иметь представление о многих природных явлениях. Если по-простому, то это явление — специальная форма материи, создаваемая магнитами. Причем источниками магнитного поля могут быть реле, генераторы тока, электродвигатели и др.

Прежде чем уходить вглубь истории, стоит узнать определение магнитного поля: МП — это силовое поле, которое воздействует на движущиеся электрические заряды и тела. Что касается явления магнетизма, то оно уходит корнями в глубокое прошлое, к временам расцвета цивилизаций Малой Азии. Именно на их территории, в Магнезии, были найдены горные породы, которые притягивались друг к другу. Их назвали в честь местности, откуда они произошли.

Однозначно сложно сказать, кто открыл понятие магнитного поля. Однако в начале XIX века Х. Эрстэд проводил эксперимент и выявил, что если магнитную стрелку расположить возле проводника и пустить по нему ток, то стрела начнет отклоняться. Если же берется рамка с током, то на ее поле воздействует внешнее поле.

Касательно современных вариантов, магниты, которые используют при производстве различных товаров, могут оказывать влияние на работу электронных сердечных стимуляторов и других устройств в кардиологии.

Стандартные железные и ферритовые магниты почти не вызывают проблем, так как характеризуются небольшой силой. Однако относительно недавно появились более сильные магниты — сплавы неодима, бора и железа. Они ярко-серебристые и их поле очень сильно. Их применяют в таких сферах промышленности:

  • Швейная.
  • Пищевая.
  • Станкостроительная.
  • Космическая и т. д.

Определение понятия и графическое отображение

Магниты, которые представлены в виде подковы, имеют два конца — два полюса. Именно в этих местах проявляются наиболее выраженные притягивающие свойства. Если магнит подвесить на веревочке, то один конец всегда будет тянуться к северу. На этом принципе основана работа компаса.

Магнитные полюса могут взаимодействовать друг с другом: одноименные отталкиваются, разноименные притягиваются. Вокруг этих магнитов возникает соответствующее поле, которое похоже на электрическое. Стоит упомянуть, что определить магнитное поле органами чувств человека невозможно.

Магнитное поле и его характеристики нередко отображают в виде графиков, при помощи индукционных линий. Термин означает, что существуют линии, касательные которых сходятся с вектором магнитной индукции. Этот параметр состоит в свойствах МП и служит определяющим фактором его мощности и направления.

Если поле сверхинтенсивное, то линий будет гораздо больше.

Понятие магнитного поля в виде изображения:

У прямых проводников с электрическим током существуют линии в виде концентрической окружности. Их центральная часть будет размещена на осевой линии проводника. Магнитные линии направляются согласно правилу буравчика: режущий элемент ввинчивают таким образом, чтобы он был указан в сторону тока, а ручка бы указывала на направление линий.

Поле, которое создается одним источником, может иметь разную мощность в различных средах. Все благодаря магнитным параметрам среды, а конкретнее, абсолютной магнитопроницаемости, которую измеряют в Генри на метр (г/м). Другие параметры полей — это магнитная постоянная — полная вакуумная проницаемость, и относительная постоянная.

Проницаемость, напряженность и индукция

Проницаемость — безразмерное значение. Среды, которые имеют проницаемость меньше единицы, именуются диамагнитными. В них поле не мощнее, чем в вакууме. К таким элементам относят воду, поваренную соль, висмут, водород. Вещества с проницаемостью выше единицы называют парамагнитными. К ним можно отнести:

  • Воздух.
  • Литий.
  • Магний.
  • Натрий.

Показатель магнитной проницаемости диамагнетиков и парамагнетиков не зависит от такого фактора, как напряжение наружного поля. Проще говоря, эта величина постоянна для конкретной среды.

К отдельной группе причисляют ферромагнетики. Их магнитопроницаемость может быть равна отметке в несколько тысяч. Такие вещества способны активно намагничиваться и увеличивать поле. Ферромагнетики широко распространены в электротехнике.

Специалисты изображают взаимосвязанность напряженности наружного поля и магнитной индукции ферромагнитов при помощи кривой намагничивания, т. е. графиков. Там, где изгибается график кривой, уменьшается скорость увеличения индукции.

После изгиба, при достижении определенного показателя, появляется насыщение и кривая немного приподнимается, приближаясь к значениям прямой. В этом месте происходит рост индукции, но довольно-таки небольшой.

Подводя итог, можно сказать, что график отношений напряженности с индукцией — предмет непостоянный, и что проницаемость элемента зависит от внешнего поля.

Напряженность полей

Еще одной немаловажной характеристикой МП называют напряженность, которая используется наряду с вектором индукции. Это определение — векторный параметр. Он определяет интенсивность внешнего поля. Объяснить мощные поля у ферромагнетиков можно наличием в них небольших элементов, которые представляются малыми магнитами.

Если ферромагнитный компонент не имеет магнитного поля, то у него могут отсутствовать магнитные свойства, потому что поля доменов будут иметь различную ориентацию. Рассматривая характеристики, можно поместить ферромагнетик во внешнее МП, например, в катушку с током, в это время домены изменят свое положение по направлению поля. А вот если наружное МП слишком слабое, то переворачивается лишь небольшое количество доменов, которое близко к нему.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое гэс расшифровка

По мере того как внешнее поле будет наращивать свои силы, все большее число доменов начнет поворачиваться по его направлению. Как только все домены повернутся, появится новое определение — магнитное насыщение.

Перемены поля

Кривая намагничивания не сходится с кривой размагничивания в тот момент, когда сила тока возрастает до своего насыщения в катушке с ферромагнетиком. Иное происходит с нулевой напряженностью, т. е. магнитная индукция будет содержать другие показатели, которые именуются остаточной индукцией. Если индукция отстает от намагничивающей силы, то это называют гистерезисом.

Чтобы добиться абсолютного размагничивания сердечника ферромагнетика в катушке, необходимо дать ток обратного направления, создавая тем самым нужную напряженность.

Различные ферромагнитные элементы нуждаются в разных отрезках. Чем он больше такой отрезок, тем больше энергии необходимо для размагничивания. Когда компонент полностью размагнитится, он достигнет состояния, которое называют коэрцитивной силой.

Если и дальше увеличивать ток в катушке, то в один момент индукция опять достигнет состояния насыщения, но уже с другим положением линий. При размагничивании в другую сторону появляется остаточная индукция. Это может пригодиться при производстве постоянного магнита. Детали, которые имеют хорошую способность к перемагничиванию, применяются в машиностроении.

Правила Ленца, левой и правой руки

По закону левой руки можно без проблем узнать направление тока. Так, при установке руки, когда в ладонь впускаются магнитные линии и 4 пальца показывают на направление тока в проводнике, большой палец покажет направленность силы. Такая сила будет направлена перпендикулярно току и вектору индукции.

Проводник, перемещающийся в МП, называется прообразом электрического двигателя, когда электроэнергия превращается в механическую. Когда проводник движется в МП, внутри него вызывается электродвижущая сила, имеющая показатели, пропорциональные индукции, используемой длине и скорости передвижения. Это соотношение именуется электромагнитной индукцией.

Для определения направления ЭДС используют правило правой руки: ее тоже располагают таким образом, чтобы в ладошку проникали линии, при этом пальцы покажут, куда направлена индуктированная ЭДС, а большой палец направит на перемещение проводника. Проводник, который двигается в МП под воздействием механической силы, считается упрощенным вариантом электрогенератора, где механическая энергия превращается в электрическую.

Когда магнит вводится в катушку, происходит повышение магнитного потока в контуре, а МП, которое создается индуцируемым током, направляется против увеличения роста магнитного потока. Чтобы определить направление, нужно смотреть на магнит со стороны северного поля.

Если проводник способен создавать сцепление потоков при прохождении через него электричества, то это называется индуктивностью проводника. Такая характеристика относится к основным, когда упоминают электрические цепи.

Поле Земли

Сама планета Земля представляет собой один большой магнит. Ее окружает сфера, где преобладают магнитные силы. Немалая часть научных исследователей утверждает, что магнитное поле Земли возникло из-за ядра. Оно имеет жидкостную оболочку и твердый внутренний состав.

Так как планета вращается, то в жидкой части появляются бесконечные течения, а движение электрозарядов создает вокруг планеты поле, которое служит защитным барьером от вредных космических частиц, например, от солнечного ветра.

Поле изменяет направление частиц, отправляя их вдоль линий.

Землю называют магнитным диполем. Южный полюс располагается на географическом Северном, а Северный МП, наоборот, на Южном географическом. В действительности полюса не совпадают не только по месторасположению.

Дело в том, что магнитная ось наклоняется по отношению к вращательной оси планеты на 11,6 градуса. Из-за такой небольшой разницы появляется возможность использовать компас. Стрелка прибора в точности укажет на Южный магнитный полюс и немного с искажением — на Северный географический.

Если бы компас существовал 730 тысяч лет назад, он бы направлял и на магнитный, и на обычный Северный полюс.

Источник: https://220v.guru/fizicheskie-ponyatiya-i-pribory/ponyatie-i-istochniki-magnitnogo-polya.html

Представление о магнитном поле

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем. Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.

То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении.

Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо. Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток. Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке. Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке. Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке. Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле. Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса. Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля. Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд: Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик). Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов. А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток. Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика. Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке: При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.  

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой.

Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда. Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда. Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх.

Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения. Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу. Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе». Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита. И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.  

Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться). Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома.

А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так: Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются.

Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга. Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ. Эта статья — отрывок из книги об азах химии.

Сама книга здесь:

sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Источник: https://habr.com/post/444790/

Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли

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

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.

Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.

Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).

Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.

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

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

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

За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.

К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля. А чтобы Вы могли это делать, существуют наши авторы, которым можно с уверенностью в успехе поручить часть учебных хлопот! Курсовая работа международное и национальное право и другие типы работ вы можете заказать по ссылке.

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/teoriya-magnitnogo-polya-i-interesnye-fakty-o-magnitnom-pole-zemli/

Как устроено электромагнитное поле Земли?

Практически все элементы Солнечной системы имеют электромагнитные поля. Если рассматривать дипольный магнитный эффект по убыванию, то сначала будет идти Юпитер, а за ним Сатурн, Земля, Меркурий Марс. Как устроено электромагнитное поле нашей планеты? Чтобы ответить на столь непростой вопрос, необходимо проанализировать целый комплекс различных факторов. Начнем с происхождения.

Происхождение электромагнитного поля Земли

Зафиксированные свойства магнитного поля нашей планеты полностью соответствуют теориям о его появления. Колоссальное значение во всем этом отводится принципу гидромагнитного динамо. Данный процесс предполагает, что первоначальная мощность поля постепенно возрастает. Катализатором являются движения электропроводящих веществ, которые находятся в ядре планеты.

Когда температура веществ значительно повышается, увеличивается также проводимость. В результате, даже среда с низким уровнем магнетической мощности способна спровоцировать всплеск электрического тока согласно канонам электромагнитной индукции. Собственно так и образуются новые поля.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как сделать магнит своими руками

В том случае, если поле затухает, то создается тепловая энергия или появляются новые магнитные поля. Результат напрямую зависит от специфики движения. Поэтому первоначальные поля постепенно ослабляются или наоборот усиливаются.

Катализатором усиления становятся ассиметричные движения. Поэтому, основой динамо можно считать движения в среде. Когда описанные условия соблюдены, то процесс увеличения мощности будет продолжаться до того момента, пока силы тока не будут эквивалентны энергетическому притоку, который образуется вследствие гидродинамического движения.

Таким образом, эффект динамо – это возбуждение и способствование сохранению постоянного магнитного поля вследствие перемещения жидкостей или плазменных субстанций. Алгоритм рассматриваемого эффекта чем-то напоминает создание энергетического тока в лабораторных условиях с самостоятельным возбуждением среды. Именно динамо-эффект имеет непосредственное отношение к появлению электромагнитного поля Земли и Солнца.

Структурные компоненты электромагнитного поля

Поле нашей планеты условно подразделяется на 3 структурных компонентах:

  1. Основа, которая испытывает незначительные преобразования во временном факторе (вековые конфигурации). Последние изменения происходили 8000 лет назад, дипольный момент увеличился практически вдвое.
  2. Масштабные аномалии – это погрешность от эквивалентного поля, которая не превышает отметку в 20% напряженности определенных участков до 10 000 километров. Такие аномалии также вызваны временными вариациями. Время постоянно изменяется, при этом данная тенденция сохраняется на протяжении многих столетий. Курская и Сибирская аномалии, наверняка знакомы абсолютно всем. Аномалии проходят стадии смещения, распада и повторного формирования.
  3. Магнитные поля некоторых областей протяжностью до 200-300 километров. Так называемые локальные поля появляются из-за намагниченности горных пород, которые находятся в верхнем шаре планеты Земля. Именно они образуют куры и располагаются необычайно близко к поверхности. Пожалуй, самой мощной аномалией можно считать Курскую.
  4. Переменное или внешнее электромагнитное поле, которое определяется источниками в виде систем тока. Данные конфигурации расположены за пределами коры, а также в атмосфере. Причиной появления внешних полей становятся корпускулярные потоки плазмы. Они выделяются Солнцем, собственно как и солнечный ветер.

Структура наглядно показывает устройство электромагнитного поля нашей планеты.

Характер воздействия магнитного поля на живые организмы

Доподлинно известно, что магнитное поле негативно отражается на жизнеспособности живых организмов. Исследователями проводились всевозможные опыты и эксперименты, которые показали, что электромагнитное поле становится причиной задержки развития, замедления регенерацию клеток. Кроме того, изменяется даже кровяной состав.

В связи с этим, когда начинаются резкие скачки магнитного поля, так называемые бури, значительно ухудшается тонус и состояние организма человека в целом. В особенности это касается людей, чье самочувствие пребывает в непосредственной зависимости с природой.

Физик из Дании Г. Эрстед первым открыл связь электрических и электромагнитных явлений. Именно в его честь названа единица измерения активности электромагнитного поля.

Человек подвергается электромагнитному воздействию, как на производстве, так и в быту. Поэтому учеными были разработаны определенные ограничения. По экспертным оценкам допустимой нормой электромагнитной активности считается мощность в размере 300-700 эрстед. Электромагнитное поле также подкрепляется работой всевозможных радиоприборов.

Реальная физическая взаимосвязь организма человека и электромагнитного поля остается практически неизвестной. Однако факт остается фактом, данные явления негативно воздействуют даже на растения. Таким образом, электромагнитное поле Земли, имеет не только природное происхождение, но и техногенное. Радиоприборы значительно увеличивают мощность полей.

Подведем итоги

Существуют теории, что на определенное время электромагнитное поле Земли и вовсе исчезает. Соответственно, планета на неопределенный срок лишается важнейшего защитного элемента. Впрочем, подобные точки зрения не находят реального подтверждения.

Некоторые ученые полагают, что ключевым элементом остается атмосфера, а важность электромагнитного поля чрезмерно преувеличена. В частности, такого мнения придерживается известный биолог Медников. В любом случае, данная тема требует дополнительного изучения и новых масштабных исследований.

Источник: http://KakUstroen.ru/raznoeraznoe/kak-ustroeno-elektromagnitnoe-pole-zemli

Конспект

Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля. Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.

Учение об электромагнетизме основано на двух положениях:

  • магнитное поле действует на движущиеся заряды и токи;
  • магнитное поле возникает вокруг токов и движущихся зарядов.

Опыт Эрстэда. Магнитное поле тока

В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты. Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему (рис. 4). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.

Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток (рис. 5). Направление линий определяется правилом правого винта:

Если винт вращать по направлению линий поля, он будет двигаться в направлении тока в проводнике.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. В каждой точке он направлен по касательной к линии поля. Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, а сила, действующая в этом поле на заряд, направлена по касательной к линии в каждой ее точке. В отличие от электрического, линии магнитного поля замкнуты, что связано с отсутствием в природе «магнитных зарядов».

Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид — катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис.

6, аналогична таковой для плоского магнита (рис. 3). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления — к наблюдателю — обозначены точками.

Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа (рис. 7 а, б).

Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:

Если смотреть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток создает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта (рис. 8)

Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6, северным полюсом служит правый его конец, а южным — левый.

Магнитное поле внутри соленоида является однородным — вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const). В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.

Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током

Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B.

Направление силы определяется правилом левой руки:

Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь — перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 9).

Следует отметить, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, направлена не по касательной к его силовым линиям, подобно электрической силе, а перпендикулярна им. На проводник, расположенный вдоль силовых линий, магнитная сила не действует.

Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.

Отношение  не зависит от свойств проводника и характеризует само магнитное поле.

Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.

В системе СИ единицей индукции магнитного поля служит тесла (Тл):

(Взаимодействие магнитов, опыт Эрстеда, вектор магнитной индукции, направление вектора, принцип суперпозиции. Графическое изображение магнитных полей, линии магнитной индукции. Магнитный поток, энергетическая характеристика поля. Магнитные силы, сила Ампера, сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Магнитные свойства вещества, гипотеза Ампера)

Дополнительные материалы по теме: Электромагнитные явления

Конспект по теме «Магнитное поле. Теория, формулы, схемы».

Следующая тема «Электромагнитная индукция»

Источник: https://uchitel.pro/%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5-%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5/

Магнитное поле Земли

Магнитный компас — прибор, основанный на взаимодействии магнитов компаса и магнитного поля Земли. В его корпусе есть лимб — магнитная шкала, разделенная на 120 делений, а в центре установлена магнитная стрелка, один конец которой указывает на северный магнитный полюс, а другой — на южный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли — это силовое поле, образующееся от внутреннего ядра Земли.

Магнитное поле Земли — своеобразный щит, оберегающий нашу планету. Не будь у Земли такой защиты от солнечной радиации, наша планета превратилась бы в выжженную пустыню, а все живые существа погибли бы. Магнитное поле простирается на 80—90 000 км от ее поверхности.

До высоты 44 000 км магнитное поле постоянное, его величина уменьшается с удалением от земной поверхности постепенно. На высоте от 44 000 до 90 000 км магнитное поле переменное.

Область околоземного пространства, в пределах которой обнаруживается земное магнитное поле, называется магнитосферой.

Многие перелетные птицы, спасаясь от наступающих холодов, перевираются зимовать в далекие южные страны, которые находятся порой за десятки тысяч километров от их привычных жилищ. А весной Благодаря отличному чувству магнитного поля Земли они спокойно находят свои родные гнезда и вновь обживаются в них.

Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,5°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, называются магнитными полюсами, причем они не совпадают с географическими полюсами нашей планеты. Более того, магнитные полюса очень медленно изменяют свое местоположение.

Магнитное поле Земли постоянно испытывает колебания, проходя полный цикл изменений за период 8000 лет. В наше время оно находится в стадии ослабления, и это будет продолжаться еще примерно 2000 лет. После этого магнитное поле вновь начнет усиливаться в течение 4000 лет, потом снова наступит спад. Предыдущий максимум пришелся на начало нашей эры.

Еще одна интересная особенность земного магнитного поля — периодический взаимообмен магнитных полюсов Земли местами. Северный полюс перемещается на место Южного, Южный — на место северного. Это явление назвали инверсией поля. Такие перемещения длятся от 5000 до 10 000 лет. В истории нашей планеты подобные «перескоки» полюсов происходили сотни раз. Последнее такое перемещение произошло 700 000 лет назад.

Самое сильное магнитное поле у Юпитера, оно превосходит магнитное поле Земли в 12 000 раз. Сатурн, как и Юпитер, имеет мощную магнитосферу. Это единственная планета, у которой ось вращения практически совпадает с осью магнитного поля. Мощными полями обладают также Уран и Нептун. Магнитное поле Меркурия в 100 раз меньше земного, а у Венеры оно незначительное. Магнитное поле Марса концентрируется в Южном полушарии планеты.

Магнитосфера Земли несимметрична: со стороны Солнца магнитное поле сильно сжато, а с противоположной, наоборот, оно очень вытянутое и образует протяженный, до 1 млн км, магнитосферный хвост. Это следствие обтекания магнитосферы солнечным ветром. В зависимости от давления солнечного ветра граница магнитосферы со стороны Солнца — магнитопауза — то приближается к Земле (при усилении солнечного ветра), то удаляется (при его ослаблении).

Форма магнитного поля Земли

Что такое магнитные бури?

На Земле нередко наблюдаются магнитные бури. Это кратковременные изменения магнитного поля планеты. А происходят они следующим образом: в период усиления солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц, электронов и протонов. Магнитное поле, образуемое этими движущимися частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю.

Что такое солнечный ветер?

Солнечным ветром называют поток заряженных частиц, которые движутся от Солнца к Земле с ускорением. К счастью, от солнечного ветра нас защищает магнитное поле Земли. Солнечный ветер как бы обтекает земную магнитосферу и несется дальше.

Солнечный ветер

Источник: https://SiteKid.ru/fizika/magnitnoe_pole_zemli.html

Открытие электромагнетизма

Электрическое и магнитное поля — это разные составляющие одного физического объекта. Две компоненты электромагнитного поля взаимосвязаны между собой. Соотношение между полями электрическим и магнитным в основном зависит от системы отсчета, в которой исследуются явления. Надо заметить, что поле, которое не изменяется в одной системе отсчета, в общем случае является переменным в другой системе.

Допустим, некоторый заряд перемещается в инерциальной системе отсчета с постоянной скоростью $v$. В данной системе отсчета мы обнаружим и электрическое и магнитное поля, эти поля будут изменяться со временем. Перейдем к другой инерциальной системе отсчета, которая движется вместе с нашим зарядом, в этой системе заряд будет находиться в покое. В новой системе отсчета мы сможем обнаружить только электрическое поле.

Глубокая связь между $\vec E$ и $\vec B$ полями проявляется в явлениях электромагнитной индукции.

Открытие Фарадея

В начале XIX века М. Фарадей сделал одно из самых значимых открытий электромагнетизма. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Суть этого явления в том, что электрический ток способен возникать в замкнутом проводящем контуре, если происходит изменение потока вектора магнитной индукции, охватываемого рассматриваемым контуром. Появляющийся в этом явлении ток называют током индукции или индукционным током.

Возникновение тока индукции значит, что изменение потока вектора магнитной индукции порождает электродвижущую силу (ЭДС) индукции ($Ɛ_i$).

Важен тот факт, что ЭДС индукции не зависит от способа изменения магнитного потока ($Ф$), ее определяет только скорость изменения этого потока, то есть величина $\frac{dФ}{dt}$.

Кроме того перемена знака у скорости изменения магнитного потока ($\frac{dФ}{dt}$) ведет к изменению знака (направления) ЭДС индукции.

В своих экспериментах Фарадей выяснил, что ток индукции можно получить двумя различными способами:

  • Движением рамки (или ее частей) в магнитном поле стационарной катушки.
  • Переменным магнитным полем в неподвижной рамке. Магнитное поле можно изменять, например, движением катушки или изменением силы тока в катушке.

Во всех случаях гальванометр ($G$) на рис.1 будет показывать наличие тока индукции в рамке.

Рисунок 1. Открытие Фарадея. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Правило Ленца

Направление тока индукции, следовательно, знак ЭДС индукции определяют, применяя правило Ленца. Которое говорит о том, что ток индукции всегда имеет такое направление, чтобы противостоять причине, которая его порождает.

Замечание 1

Иначе можно сказать, что ток индукции порождает поток магнитной индукции, который пытается препятствовать изменению магнитного потока, порождающего ЭДС индукции.

Так, если рамку на рис.1 пододвинуть к катушке $L$, то магнитный поток через рамку увеличится. В рамке появится ток индукции, который направлен по часовой стрелке (если смотреть на рамку справа). Данный ток создаст магнитный поток, который «направлен» влево. Этот поток препятствует увеличению магнитного потока, порождающего ток.

Аналогичный процесс состоится, если увеличивать силу тока в рамке, и не двигать рамку при этом.

Замечание 2

Правило Ленца отображает такое явление, как электромагнитная инерция, которое заключается в стремлении системы противодействовать изменению ее состояния.

Формулировка закона электромагнитной индукции

В соответствии с законом электромагнитной индукции (у этого закона есть название: закон Фарадея), ЭДС индукции, независимо от того, какова причина изменения магнитного потока, равна:

$Ɛ_i=-\frac{dФ}{dt} (1),$

где минус в уравнении (1) связан с правилом знака. Знак потока магнитной индукции $Ф$ связывают с выбором нормали к поверхности контура, при этом знак ЭДС индукции выбирают в зависимости от положительного направления обхода контура.

Направление нормали к поверхности контура связано направлением его обхода правилом буравчика (правого винта). Это значит, что избирая направление нормали, мы определим знак потока магнитной индукции и знак $Ɛ_i$.

Если замкнутый проводящий контур имеет несколько витков, ЭДС индукции равна, сумме ЭДС в каждом витке. Допустим, что магнитный поток через каждый виток одинаковый и составляет $Ф_1$, то суммарный поток $Ф$ через поверхность, которая натянута на рассматриваемый сложный контур, представим как:

$Ф=NФ_1 (2)$,

где $N$ — число витков. В данном случае $Ф$ — полное потокосцепление.

Закон электромагнитной индукции для рассматриваемого сложного контура запишем как:

$Ɛ_{i}=-N\frac{dФ_{1}}{dt}\left( 3 \right)$.

Природа электромагнитной индукции

Рассмотрим причины возникновения ЭДС индукции.

Закон электромагнитной индукции выполняется, если:

  • магнитный поток, проходящий сквозь контур, изменяется при движении контура;
  • изменение потока магнитной индукции осуществляется за счет изменения магнитного поля;
  • или за счет первого и второго.

Рассмотрим контур с движущейся перемычкой, длина перемычки $l$. Расположим наш контур в однородном магнитном поле, нормальном плоскости контура (рис.2). Пусть перемычка движется со скоростью $\vec v$. С этой же скоростью станут перемещаться электроны в перемычке.

Рисунок 2. Природа электромагнитной индукции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На каждый электрон в перемычке станет действовать вдоль перемычки сила Лоренца:

$\vec{F}=-q\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)\left( 4 \right)$,

при этом электроны движутся по перемычке вниз, ток, значит, будет течь вверх. Это ток и является индукционным.

Магнитная сила выполняет роль сторонней силы. Ей будет соответствовать поле:

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnetizm/otkrytie_elektromagnetizma/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ЭлектроМастер
Как рассчитать трансформатор для блока питания

Закрыть