Що називається магнітним полем. Магнітне поле та його параметри, магнітні ланцюги

Магнітні поля виникають у природі та можуть створюватися штучно. Людина помітила їх корисні характеристики, які навчився застосовувати в повсякденному житті. Що ж є джерелом магнітного поля?

Як розвивалося вчення про магнітне поле

Магнітні властивості деяких речовин були помічені ще в давнину, але по-справжньому їхнє вивчення почалося в середньовічної Європи. Використовуючи дрібні сталеві голки, вчений із Франції Перегрін виявив перетин силових магнітних ліній у певних пунктах – полюсах. Тільки через три століття, керуючись цим відкриттям, Гілберт продовжив його вивчення і згодом захищав свою гіпотезу, що Земля має власне магнітне поле.

Бурхливий розвиток теорії магнетизму почався з початку 19-го століття, коли Ампер виявив і описав вплив електричного поля на виникнення магнітного, а відкриття Фарадеєм електромагнітної індукції встановило зворотний взаємозв'язок.

Що таке магнітне поле

Магнітне поле проявляється в силовому впливі на електрозаряди, що знаходяться в русі, або на тіла, які мають магнітний момент.

1. Провідники, якими проходить електричний струм;
2. Постійні магніти;
3. Електричне поле, що змінюється.

Причина виникнення магнітного поля ідентична всім джерел: електричні мікрозаряди – електрони, іони чи протони мають власним магнітним моментом чи перебувають у спрямованому русі.

Важливо!Взаємно породжують одне одного електричні та магнітні поля, що змінюються з часом. Цей взаємозв'язок визначається рівняннями Максвелла.

Характеристики магнітного поля

Характеристиками магнітного поля є:

1. Магнітний потік скалярна величина, Що визначає, скільки силових ліній магнітного поля проходить через заданий переріз Позначається літерою F. Розраховується за формулою:

F = B x S x cos α,

де В – вектор магнітної індукції, S – переріз, α – кут нахилу вектора до перпендикуляра, проведеного до площини перерізу. Одиниця виміру - вебер (Вб);

1. Вектор магнітної індукції (В) показує силу, що діє на зарядні носії. Він спрямований у бік північного полюса, куди вказує стандартна магнітна стрілка. Кількісно магнітну індукцію вимірюють у теслах (Тл);
2. Напруженість МП (Н). Визначається магнітною проникністю різних середовищ. У вакуумі проникність приймається за одиницю. Напрямок вектора напруженості збігається із напрямком магнітної індукції. Одиниця виміру – А/м.

Як уявити магнітне поле

Легко бачити прояви магнітного поля з прикладу постійного магніту. Він має два полюси, і в залежності від орієнтації два магніти притягуються або відштовхуються. Магнітне поле характеризує процеси, що відбуваються при цьому:

1. МП математично описується як векторне поле. Воно може бути побудовано за допомогою багатьох векторів магнітної індукції, кожен з яких спрямований у бік північного полюса стрілки компаса і має довжину, що залежить від магнітної сили;
2. Альтернативний спосіб подання полягає у використанні силових ліній. Ці лінії ніколи не перетинаються, ніде не починаються і не зупиняються утворюючи замкнуті петлі. Лінії МП поєднуються в області з більш частим розташуванням, де магнітне поле є найсильнішим.

Важливо!Щільність силових ліній свідчить про міцність магнітного поля.

Хоча насправді МП бачити не можна, силові лінії легко візуалізувати в реальному світі, розташувавши залізну тирсу в МП. Кожна частка поводиться як крихітний магніт з північним і південним полюсом. Результатом є шаблон схожий на силові лінії. Відчути вплив МП людина не здатна.

Вимірювання магнітного поля

Так як це векторна величина, для вимірювання МП існує два параметри: сила і напрямок. Напрямок легко виміряти компасом, з'єднаним з полем. Приклад компас, поміщений в магнітне поле Землі.

Вимірювання інших характеристик значно складніше. Практичні магнітометри з'явилися лише у 19-му столітті. Більшість із них працюють, використовуючи силу, яку електрон відчуває під час руху МП.

Дуже точний вимір малих магнітних полів став практично здійсненний з моменту відкриття в 1988 році гігантського магнітоопору в шаруватих матеріалах. Це відкриття у фундаментальній фізиці було швидко застосовано до магнітної технології. жорсткого дискадля зберігання даних на комп'ютерах, що призвело до тисячоразового збільшення ємності сховища лише за кілька років.

У загальноприйнятих системах вимірювання МП вимірюється в тестах (Тл) або в гаусах (Гс). 1 Тл = 10 000 Гс. Гаус часто використовується, тому що Тесла - занадто велике поле.

Цікаво.Невеликий магніт на холодильнику створює МП, що дорівнює 0,001 Тл, а магнітне поле Землі в середньому - 0,00005 Тл.

Природа виникнення магнітного поля

Магнетизм та магнітні поля є проявами електромагнітної сили. Є два можливі способи, як організувати енергозаряд у русі і, отже, магнітне поле.

Перший - це приєднати провід до джерела струму, навколо нього утворюється МП.

Важливо!У міру збільшення струму (кількості зарядів у русі) пропорційно збільшується МП. При віддаленні дроту поле знижується залежно від відстані. Це описується законом Ампера.

Деякі матеріали, що мають більш високу магнітопроникність, здатні концентрувати магнітні поля.

Оскільки магнітне поле – це вектор, необхідно визначити його напрямок. Для звичайного струму, що протікає через прямий провід, напрямок можна знайти за правилом правої руки.

Щоб використати правило, треба уявити, що провід обхоплений правою рукою, а великий палецьвказує напрямок струму. Тоді чотири інші пальці покажуть напрямок вектора магнітної індукції навколо провідника.

Другий спосіб створення МП - використання факту, що в деяких речовинах з'являються електрони, що мають власний магнітний момент. Так працюють постійні магніти:

1. Хоча атоми часто мають багато електронів, вони з'єднуються в основному так, що повне магнітне поле пари компенсується. Кажуть, що два електрони, спарені таким чином, мають протилежний спин. Тому щоб щось намагнітити, потрібні атоми, які мають один або кілька електронів з однаковим спином. Наприклад, залізо має чотири таких електрони і підходить для виготовлення магнітів;
2. Мільярди електронів, що знаходяться в атомах, можуть бути випадково орієнтовані, і загального МП не буде незалежно від того, скільки неспарених електронів має матеріал. Він має бути стабільним за невисокої температури, щоб забезпечити загальну кращу орієнтацію електронів. Висока магнітопроникність обумовлює намагнічування таких речовин за певних умов поза впливом МП. Це феромагнетики;
3. Інші матеріали можуть проявляти магнітні властивості за наявності зовнішнього МП. Зовнішнє поле служить вирівнювання всіх електронних спинів, що зникає після видалення МП. Це речовини – парамагнетики. Метал двері холодильника є прикладом парамагнетика.

Землю можна як конденсаторних обкладок, заряд яких має протилежний знак: «мінус» – біля земної поверхні і «плюс» – в іоносфері. Між ними знаходиться атмосферне повітря як ізоляційна прокладка. Гігантський конденсатор зберігає постійний заряд завдяки впливу земного МП. Користуючись цими знаннями, можна створити схему отримання електрики з магнітного поля Землі. Щоправда, у результаті будуть невисокі значення напруги.

Потрібно взяти:

• заземлюючий пристрій;
• дріт;
• трансформатор Тесла, здатний генерувати високочастотні коливання та створювати коронний розряд, іонізуючи повітря.

Котушка Тесла виступатиме в ролі емітера електронів. Вся конструкція з'єднується разом, причому для забезпечення достатньої різниці потенціалів трансформатор має бути піднятий на значну висоту. Таким чином, буде створено електричний ланцюг, яким буде протікати маленький струм. Отримати велику кількість електроенергії, користуючись цим пристроєм, неможливо.

Електрика і магнетизм домінують у багатьох світах, що оточують людину: від фундаментальних процесів у природі до ультрасучасних електронних пристроїв.

Відео

Тема: Магнітне поле

Підготував: Байгарашев Д.М.

Перевірила: Габдулліна А.Т.

Магнітне поле

Якщо два паралельно розташованих провідника під'єднати до джерела струму так, щоб по них пройшов електричний струм, то залежно від напрямку струму в них провідники або відштовхуються або притягуються.

Пояснення цього явища можливе з позиції виникнення навколо провідників особливого виду матерії – магнітного поля.

Сили, з якими взаємодіють провідники зі струмом, називаються магнітними.

Магнітне поле- це особливий вид матерії, специфічною особливістю якої є вплив на електричний заряд, що рухається, провідники зі струмом, тіла, що володіють магнітним моментом, з силою, яка залежить від вектора швидкості заряду, напрямки сили струму в провіднику і від напрямку магнітного моменту тіла.

Історія магнетизму сягає корінням у глибоку давнину, до античних цивілізацій Малої Азії. Саме на території Малої Азії в Магнезії знаходили гірську породу, зразки якої притягувалися один до одного. За назвою місцевості такі зразки стали називати "магнетиками". Будь-який магніт у формі стрижня чи підкови має два торці, які називаються полюсами; саме в цьому місці найсильніше і виявляються його магнітні властивості. Якщо підвісити магніт на нитці, один полюс завжди вказуватиме на північ. На цьому принципі засновано компас. Повернений на північ полюс вільно висить магніту називається північним полюсом магніту (N). Протилежний полюс називається південним полюсом (S).

Магнітні полюси взаємодіють один з одним: однойменні полюси відштовхуються, а різноіменні – притягуються. Аналогічно концепції електричного поля, що оточує електричний заряд, вводять уявлення про магнітне поле навколо магніту.

У 1820 р. Ерстед (1777-1851) виявив, що магнітна стрілка, розташована поряд з електричним провідником, відхиляється, коли по провіднику тече струм, тобто навколо провідника зі струмом створюється магнітне поле. Якщо взяти рамку зі струмом, то зовнішнє магнітне поле взаємодіє з магнітним полем рамки і виявляє на неї орієнтуючу дію, тобто існує таке положення рамки, при якому зовнішнє магнітне поле надає на неї максимальну обертальну дію, і існує положення, коли момент, що обертає сил дорівнює нулю.

Магнітне поле в будь-якій точці можна охарактеризувати вектором, який називається вектор магнітної індукціїабо магнітною індукцієюу точці.

Магнітна індукція - це векторна фізична величина, що є силовою характеристикою магнітного поля в точці. Вона дорівнює відношенню максимального механічного моменту сил, що діють на рамку зі струмом, поміщену в однорідне поле, до твору сили струму в рамці на її площу.

За напрямок вектора магнітної індукції приймається напрям позитивної нормалі до рамки, яке пов'язане зі струмом в рамці правилом правого гвинта, при механічному моменті, що дорівнює нулю.

Так само, як зображували лінії напруженості електричного поля, зображують лінії індукції магнітного поля. Лінія індукції магнітного поля - уявна лінія, дотична до якої збігається з напрямком у точці.

Напрями магнітного поля в даній точці можна визначити ще як напрямок, який вказує

північний полюс стрілки компаса, поміщений у цю точку. Вважають, лінії індукції магнітного поля спрямовані від північного полюса до південного.

Напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного електричним струмом, що тече прямолінійним провідником, визначається правилом свердла або правого гвинта. За напрямок ліній магнітної індукції приймається напрямок обертання головки гвинта, який би забезпечував поступальний його рух у напрямку електричного струму (рис. 59).

де n 01 = 4 Пі 10 -7 с/(А м). - магнітна стала, R - відстань, I - сила струму в провіднику.

На відміну від ліній напруженості електростатичного поля, що починаються на позитивному заряді та закінчуються на негативному, лінії індукції магнітного поля завжди замкнуті. Магнітного заряду аналогічно електричного заряду не виявлено.

За одиницю індукції приймається одна тесла (1 Тл) - індукція такого однорідного магнітного поля, в якому на рамку площею 1 м 2 по якій тече струм в 1 А, діє максимальний обертовий механічний момент сил, рівний 1 Н м.

Індукцію магнітного поля можна визначити і за силою, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі.

На провідник із струмом, поміщений у магнітне поле, діє сила Ампера, величина якої визначається наступним виразом:

де I - сила струму у провіднику, l -довжина провідника, В - модуль вектора магнітної індукції, а - кут між вектором та напрямом струму.

Напрямок сили Ампера можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці розташовуємо у напрямку струму в провіднику, то відігнутий великий палець показує напрямок сили Ампера.

Враховуючи, що I = q 0 nSv, і підставляючи цей вираз (3.21), отримаємо F = q 0 nSh/B sin a. Число частинок (N) у заданому обсязі провідника дорівнює N = nSl, тоді F = q 0 NvB sin a.

Визначимо силу, що діє з боку магнітного поля на окрему заряджену частинку, що рухається в магнітному полі:

Цю силу називають силою Лоренца (1853–1928). Напрямок сили Лоренца можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці показували напрямок руху позитивного заряду, великий відігнутий палець покаже напрямок сили Лоренца.

Сила взаємодії між двома паралельними провідниками, якими течуть струми I 1 і I 2 дорівнює:

де l -частина провідника, що у магнітному полі. Якщо струми одного напрямку, то провідники притягуються (рис. 60), якщо протилежного напряму відштовхуються. Сили, які діють кожен провідник, рівні по модулю, протилежні за напрямом. Формула (3.22) є основною визначення одиниці сили струму 1 ампер (1 А).

Магнітні властивості речовини характеризує скалярна фізична величина - магнітна проникність, що показує у скільки разів індукція магнітного поля в речовині, що повністю заповнює поле, відрізняється за модулем від індукції 0 магнітного поля у вакуумі:

За своїми магнітними властивостями всі речовини діляться на діамагнітні, парамагнітніі феромагнітні.

Розглянемо природу магнітних властивостей речовин.

Електрони в оболонці атомів речовини рухаються різними орбітами. Для спрощення вважаємо ці орбіти круговими, і кожен електрон, що обертається навколо атомного ядра, можна як круговий електричний струм. Кожен електрон, як круговий струм, створює магнітне поле, яке назвемо орбітальним. Крім того, електрон в атомі має власне магнітне поле, зване спиновим.

Якщо при внесенні в зовнішнє магнітне поле з індукцією 0 всередині речовини створюється індукція< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).

У діамагнітнихматеріалах за відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні поля електронів скомпенсовані, і за внесенні в магнітне поле індукція магнітного поля атома стає спрямованої проти зовнішнього поля. Діамагнетик виштовхується із зовнішнього магнітного поля.

У парамагнітнихматеріалів магнітна індукція електронів в атомах повністю не скомпенсована, і атом в цілому виявляється подібним до маленького постійного магніту. Зазвичай у речовині всі ці дрібні магніти орієнтовані довільно, і сумарна магнітна індукція всіх полів дорівнює нулю. Якщо помістити парамагнетик у зовнішнє магнітне поле, то всі маленькі магніти - атоми повернуться у зовнішньому магнітному полі подібно до стрілок компаса і магнітне поле в речовині посилюється ( n >= 1).

Феромагнітниминазиваються такі матеріали, в яких n 1. У феромагнітних матеріалах створюються так звані домени, макроскопічні області мимовільного намагнічування.

У різних доменах індукції магнітних полів мають різні напрями (рис. 61) та у великому кристалі

взаємно компенсують одне одного. При внесенні феромагнітного зразка у зовнішнє магнітне поле відбувається зміщення кордонів окремих доменів так, що обсяг доменів, орієнтованих на зовнішнє поле, збільшується.

Зі збільшенням індукції зовнішнього поля 0 зростає магнітна індукція намагніченої речовини. При деяких значеннях 0 індукція припиняє різке зростання. Це називається магнітним насиченням.

Характерна особливість феромагнітних матеріалів - явище гістерези, яке полягає у неоднозначній залежності індукції у матеріалі від індукції зовнішнього магнітного поля при його зміні.

Петля магнітної гістерези - замкнута крива (cdc`d`c), що виражає залежність індукції в матеріалі від амплітуди індукції зовнішнього поля при періодичній досить повільній зміні останнього (рис. 62).

Петля гістерезису характеризується наступними величинами Bs, Br, Bc. B s - максимальне значення індукції матеріалу при 0s; r - залишкова індукція, що дорівнює значенню індукції в матеріалі при зменшенні індукції зовнішнього магнітного поля від B 0s до нуля; -В с і В с - коерцитивна сила - величина, що дорівнює індукції зовнішнього магнітного поля, необхідного для зміни індукції в матеріалі від залишкової до нуля.

Для кожного феромагнетика існує така температура (точка Кюрі (Ж. Кюрі, 1859-1906), вище за яку феромагнетик втрачає свої феромагнітні властивості.

Існує два способи приведення намагніченого феромагнетика в розмагнічений стан: а) нагріти вище точки Кюрі та охолодити; б) намагнічувати матеріал змінним магнітним полем з амплітудою, що повільно спадає.

Феромагнетики, що мають малу залишкову індукцію і коерцитивну силу, називаються магнітом'якими. Вони знаходять застосування в пристроях, де феромагнетику доводиться часто перемагнічуватись (сердечники трансформаторів, генераторів та ін.).

Магнітожорсткі феромагнетики, що мають велику коерцитивну силу, застосовуються для виготовлення постійних магнітів.

Магнітне поле– це матеріальне середовище, через яке здійснюється взаємодія між провідниками зі струмом або зарядами, що рухаються.

Властивості магнітного поля:

Характеристики магнітного поля:

Для дослідження магнітного поля використовують пробний контур із струмом. Він має малі розміри, і струм в ньому набагато менше струму в провіднику, що створює магнітне поле. На протилежні сторони контуру зі струмом з боку магнітного поля діють сили, рівні за величиною, але направлені в протилежні сторони, оскільки напрямок сили залежить від напрямку струму. Точки застосування цих сил не лежать на одній прямій. Такі сили називають парою сил. Внаслідок дії пари сил контур не може рухатися поступально, він повертається навколо своєї осі. Обертальна дія характеризується моментом сил.

, де l–плече пари сил(відстань між точками докладання сил).

У разі збільшення струму в пробному контурі або площі контуру пропорційно збільшиться момент пари сил. Відношення максимального моменту сил, що діє на контур зі струмом, до величини сили струму в контурі та площі контуру є величина постійна для цієї точки поля. Називається вона магнітною індукцією.

, де
-магнітний моментконтур зі струмом.

Одиниця вимірумагнітної індукції - Тесла [Тл].

Магнітний момент контуру- Векторна величина, напрям якої залежить від напрямку струму в контурі і визначається по правилу правого гвинта: праву руку стиснути в кулак, чотири пальці направити у напрямку струму в контурі, тоді великий палець вкаже напрямок вектора магнітного моменту. Вектор магнітного моменту завжди перпендикулярний площині контуру.

За напрямок вектора магнітної індукціїприймають напрямок вектора магнітного моменту контуру, орієнтованого магнітному полі.

Лінія магнітної індукції- Лінія, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямом вектора магнітної індукції. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті, ніколи не перетинаються. Лінії магнітної індукції прямого провідниказі струмом мають вигляд кіл, розташованих у площині, перпендикулярній провіднику. Напрямок ліній магнітної індукції визначають за правилом правого гвинта. Лінії магнітної індукції кругового струму(витка зі струмом) також мають вигляд кіл. Кожен елемент витка завдовжки
можна як прямолінійний провідник, який створює своє магнітне поле. Для магнітних полів виконується принцип суперпозиції (незалежного додавання). Сумарний вектор магнітної індукції кругового струму окреслюється результат складання цих полів у центрі витка за правилом правого гвинта.

Якщо величина та напрям вектора магнітної індукції однакові в кожній точці простору, то магнітне поле називають однорідним. Якщо величина та напрямок вектора магнітної індукції в кожній точці не змінюються з часом, то таке поле називають постійним.

Величина магнітної індукціїу будь-якій точці поля прямо пропорційна силі струму в провіднику, що створює поле, обернено пропорційна відстані від провідника до цієї точки поля, залежить від властивостей середовища проживання і форми провідника, що створює поле.

, де
НА 2 ; Гн/м - магнітна постійна вакууму,

-відносна магнітна проникність середовища,

-абсолютна магнітна проникність середовища.

Залежно від величини магнітної проникності всі речовини поділяють на три класи:

При збільшенні абсолютної проникності середовища збільшується і магнітна індукція у цій точці поля. Відношення магнітної індукції до абсолютної магнітної проникності середовища – величина постійна для даної точки полі напруженістю.

.

Вектори напруженості та магнітної індукції збігаються у напрямку. Напруженість магнітного поля залежить від властивостей середовища.

Сила Ампера- Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

Де l- Довжина провідника, - Кут між вектором магнітної індукції та напрямом струму.

Напрямок сили Ампера визначають за правилу лівої руки: ліву руку мають так, щоб складова вектора магнітної індукції, перпендикулярна провіднику, входила в долоню, чотири витягнутих пальця направити по струму, тоді відігнутий на 90 0 великий палець вкаже напрям сили Ампера.

Результат дії сили Ампера – рух провідника у цьому напрямі.

Е слі = 90 0 то F = max, якщо = 0 0 F = 0.

Сила Лоренца– сила дії магнітного поля на заряд, що рухається.

, де q - заряд, v - швидкість його руху, - Кут між векторами напруженості та швидкості.

Сила Лоренца завжди перпендикулярна векторам магнітної індукції та швидкості. Напрямок визначають за правилу лівої руки(пальці - за рухом позитивного заряду). Якщо напрям швидкості частки перпендикулярно лініям магнітної індукції однорідного магнітного поля, то частка рухається по колу без зміни кінетичної енергії.

Оскільки напрям сили Лоренца залежить від знака заряду, її використовують для поділу зарядів.

Магнітний потік– величина, що дорівнює числу ліній магнітної індукції, які проходять через будь-який майданчик, розташований перпендикулярно до ліній магнітної індукції.

, де - кут між магнітною індукцією та нормаллю (перпендикуляром) до площі S.

Одиниця виміру- Вебер [Вб].

Способи вимірювання магнітного потоку:

Зміна орієнтації майданчика в магнітному полі (зміна кута)

Зміна площі контуру, поміщеного в магнітне поле

Зміна сили струму, що створює магнітне поле

Зміна відстані контуру від джерела магнітного поля

Зміна магнітних властивостей середовища.

Ф арадей реєстрував електричний струм у контурі, що не містить джерела, але знаходився поряд з іншим контуром, що містить джерело. Причому струм у першому контурі виникав у таких випадках: при будь-якій зміні струму в контурі А, при відносному переміщенні контурів, при внесенні до контуру А залізного стрижня, при русі щодо контуру Б постійного магніту. Спрямований рух вільних зарядів (струм) виникає лише в електричному полі. Отже, магнітне поле, що змінюється, породжує електричне поле, яке і приводить в рух вільні заряди провідника. Це електричне поле називають індукованимабо вихровим.

Відмінності вихрового електричного поля від електростатичного:

Джерело вихрового поля - магнітне поле, що змінюється.

Лінії напруженості вихрового поля замкнуті.

Робота, що здійснюється цим полем з переміщення заряду по замкнутому контуру не дорівнює нулю.

Енергетичною характеристикою вихрового поля є не потенціал, а ЕРС індукції– величина, що дорівнює роботі сторонніх сил (сил не електростатичного походження) щодо переміщення одиниці заряду по замкнутому контуру.

.Вимірюється у Вольтах[В].

Вихрове електричне поле виникає при будь-якій зміні магнітного поля, незалежно від того, чи є замкнутий контур, що проводить, чи його немає. Контур дозволяє виявити вихрове електричне поле.

Електромагнітна індукція- це виникнення ЕРС індукції в замкнутому контурі за будь-якої зміни магнітного потоку через його поверхню.

ЕРС індукції у замкнутому контурі породжує індукційний струм.

.

Напрямок індукційного струмувизначають за правилу Ленца: індукційний струм має такий напрям, що створене ним магнітне поле протидіє будь-якій зміні магнітного потоку, що породив цей струм.

Закон Фарадея для електромагнітної індукції: ЕРС індукції в замкнутому контурі прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню обмежену контуром.

Т оки Фуко- Вихрові індукційні струми, що виникають у провідниках великих розмірів, поміщених в магнітне поле, що змінюється. Опір такого провідника мало, оскільки він має велике перетин S, тому струми Фуко може бути великими за величиною, у результаті провідник нагрівається.

Самоіндукція- Це виникнення ЕРС індукції в провіднику при зміні сили струму в ньому.

Провідник із струмом створює магнітне поле. Магнітна індукція залежить від сили струму, отже, власний магнітний потік теж залежить від сили струму.

, де L-коефіцієнт пропорційності, індуктивність.

Одиниця виміруіндуктивності - Генрі [Гн].

Індуктивністьпровідника залежить від його розмірів, форми та магнітної проникності середовища.

Індуктивністьзбільшується при збільшенні довжини провідника, індуктивність витка більша за індуктивність прямого провідника такої ж довжини, індуктивність котушки (провідника з великим числом витків) більше індуктивності одного витка, індуктивність котушки збільшується, якщо в неї вставити залізний стрижень.

Закон Фарадея для самоіндукції:
.

ЕРС самоіндукціїпрямо пропорційна швидкості зміни струму.

ЕРС самоіндукціїпороджує струм самоіндукції, який завжди перешкоджає будь-якій зміні струму в ланцюзі, тобто, якщо струм збільшується, струм самоіндукції спрямований у протилежний бік, при зменшенні струму в ланцюзі, струм самоіндукції спрямований у ту саму сторону. Чим більша індуктивність котушки, тим більше ЕРС самоіндукції виникає в ній.

Енергія магнітного полядорівнює роботі, яку здійснює струм для подолання ЕРС самоіндукції за час, поки струм зростає від нуля до максимального значення.

.

Електромагнітні коливання– це періодичні зміни заряду, сили струму та всіх характеристик електричного та магнітного полів.

Електрична коливальна система(Коливальний контур) складається з конденсатора і котушки індуктивності.

Умови виникнення коливань:

Систему треба вивести із стану рівноваги, для цього повідомляють заряд конденсатору. Енергія електричного поля зарядженого конденсатора:

.

Система має повертатися у стан рівноваги. Під дією електричного поля заряд переходить з однієї пластини конденсатора на іншу, тобто в ланцюзі виникає електричний струм, що йде по котушці. При збільшенні струму в котушці індуктивності виникає ЕРС самоіндукції, струм самоіндукції спрямований у протилежний бік. Коли струм у котушці зменшується, струм самоіндукції спрямований у той самий бік. Отже, струм самоіндукції прагнути повернути систему до стану рівноваги.

Електричний опір ланцюга має бути малим.

Ідеальний коливальний контурнемає опору. Коливання в ньому називають вільними.

Для будь-якого електричного ланцюга виконується закон Ома, згідно з яким ЕРС, що діє в контурі, дорівнює сумі напруги на всіх ділянках ланцюга. У коливальному контурі джерела струму немає, але в котушці індуктивності виникає ЕРС самоіндукції, яка дорівнює напрузі на конденсаторі.

Висновок: заряд конденсатора змінюється за гармонічним законом.

Напруга на конденсаторі:
.

Сила струму в контурі:
.

Величина
- Амплітуда сили струму.

Відмінність від заряду на
.

Період вільних коливань у контурі:

Енергія електричного поля конденсатора:

Енергія магнітного поля котушки:

Енергії електричного та магнітного полів змінюються за гармонічним законом, але фази їх коливань різні: коли енергія електричного поля максимальна, енергія магнітного поля дорівнює нулю.

Повна енергія коливальної системи:
.

У ідеальному контуріповна енергія не змінюється.

У процесі коливань енергія електричного поля повністю перетворюється на енергію магнітного поля і навпаки. Значить енергія у будь-який час дорівнює або максимальної енергії електричного поля, або максимальної енергії магнітного поля.

Реальний коливальний контурмістить опір. Коливання в ньому називають загасаючими.

Закон Ома набуде вигляду:

За умови, що загасання мало (квадрат власної частоти коливань набагато більше квадрата коефіцієнта загасання) логарифмічний декремент загасання:

При сильному згасанні (квадрат власної частоти коливань менше квадрата коефіцієнта коливань):

Це рівняння визначає процес розрядки конденсатора на резистор. За відсутності індуктивності коливань не виникне. За таким законом змінюється напруга на обкладках конденсатора.

Повна енергіяв реальному контурі зменшується, тому що на опір при проходженні струму виділяється теплота.

Перехідний процес– процес, що виникає в електричних ланцюгах під час переходу від одного режиму роботи до іншого. Оцінюється часом ( ), протягом якого параметр, що характеризує перехідний процес зміниться в раз.

Для контура з конденсатором та резистором:
.

Теорія Максвелла про електромагнітне поле:

1 положення:

Будь-яке змінне електричне поле породжує вихрове магнітне. Змінне електричне поле було названо Максвеллом струмом зміщення, так як воно подібно до звичайного струму викликає магнітне поле.

Для виявлення струму зміщення розглядають проходження струму системою, в яку включений конденсатор з діелектриком.

Щільність струму усунення:
. Щільність струму спрямована у бік зміни напруженості.

Перше рівняння Максвелла:
- Вихрове магнітне поле породжується як струмами провідності (які рухаються електричними зарядами) так і струмами зміщення (змінним електричним полем Е).

2 положення:

Будь-яке змінне магнітне поле породжує вихрове електричне поле – основний закон електромагнітної індукції.

Друге рівняння Максвелла:
- пов'язує швидкість зміни магнітного потоку крізь будь-яку поверхню та циркуляцію вектора напруженості електричного поля, що виникає при цьому.

Будь-який провідник зі струмом створює у просторі магнітне поле. Якщо постійний струм (не змінюється з часом), то і пов'язане з ним магнітне поле теж постійне. Струм, що змінюється створює змінне магнітне поле. Усередині провідника із струмом існує електричне поле. Отже, електричне поле, що змінюється, створює магнітне поле, що змінюється.

Магнітне поле вихрове, тому що лінії магнітної індукції завжди замкнуті. Величина напруженості магнітного поля Н пропорційна швидкості зміни напруженості електричного поля . Напрямок вектору напруженості магнітного поля пов'язано із зміною напруженості електричного поля правилом правого гвинта: праву руку стиснути в кулак, великий палець направити у бік зміни напруженості електричного поля, тоді зігнуті 4 пальці вкажуть напрямок ліній напруженості магнітного поля.

Будь-яке магнітне поле, що змінюється, створює вихрове електричне поле., лінії напруженості якого замкнуті і розташовані в площині перпендикулярної напруженості магнітного поля.

Величина напруженості Е вихрового електричного поля залежить від швидкості зміни магнітного поля . Напрямок вектора пов'язаний із напрямом зміни магнітного підлогу Н правилом лівого гвинта: ліву руку стиснути в кулак, великий палець направити у бік зміни магнітного поля, зігнуті чотири пальці вкажуть напрямок ліній напруженості вихрового електричного поля.

Сукупність пов'язаних один з одним вихрових електричного та магнітного полів представляють електромагнітне поле. Електромагнітне поле залишається у місці зародження, а поширюється у просторі як поперечної електромагнітної хвилі.

Електромагнітна хвиля– це поширення у просторі пов'язаних друг з одним вихрових електричного і магнітного полів.

Умови виникнення електромагнітної хвилі- Рух заряду з прискоренням.

Рівняння електромагнітної хвилі:

- циклічна частота електромагнітних коливань

t- час від початку коливань

l-відстань від джерела хвилі до цієї точки простору

- швидкість поширення хвилі

Час руху хвилі від джерела до цієї точки.

Вектори Е і Н електромагнітної хвилі перпендикулярні один одному і швидкості поширення хвилі.

Джерело електромагнітних хвиль– провідники, якими протікають швидкозмінні струми (макроизлучатели), і навіть збуджені атоми і молекули (микроизлучатели). Чим більша частота коливань, тим краще випромінюються у просторі електромагнітні хвилі.

Властивості електромагнітних хвиль:

Усі електромагнітні хвилі – поперечні

В однорідному середовищі електромагнітні хвилі поширюються із постійною швидкістю, яка залежить від властивостей середовища:

- відносна діелектрична проникність середовища

- діелектрична постійна вакууму,
Ф/м, Кл 2/нм 2

- відносна магнітна проникність середовища

- магнітна постійна вакууму,
НА 2 ; Гн/м

Електромагнітні хвилі відбиваються від перешкод, поглинаються, розсіюються, заломлюються, поляризуються, дифрагують, інтерферують.

Об'ємна щільність енергіїелектромагнітного поля складається з об'ємних щільностей енергії електричного та магнітного полів:

Щільність потоку енергії хвиль – інтенсивність хвилі:

-вектор Умова-Пойнтінга.

Всі електромагнітні хвилі розташовані в ряд за частотами або довжинами хвиль (
). Цей ряд – шкала електромагнітних хвиль.

Низькочастотні коливання. 0 - 10 4 Гц. Отримують у генераторах. Вони погано випромінюються

Радіохвилі. 10 4 - 10 13 Гц. Випромінюються твердими провідниками, якими проходять швидкозмінні струми.

Інфрачервоне випромінювання– хвилі, що випромінюються всіма тілами при температурі понад 0 К, завдяки внутрішньоатомним та всередині молекулярним процесам.

Видиме світло - хвилі, що впливають на око, викликаючи зорове відчуття. 380-760 нм

Ультрафіолетове випромінювання. 10 – 380 нм. Видимий світло і УФ виникають при зміні руху електронів зовнішніх оболонок атома.

Рентгенівське випромінювання. 80 - 10-5 нм. Виникає за зміни руху електронів внутрішніх оболонок атома.

Гамма-випромінювання. Виникає під час розпаду ядер атомів.

Вже давно магнітне поле викликає багато запитань у людини, але й зараз залишається маловідомим явищем. Його характеристики та властивості намагалися дослідити багато вчених, адже користь та потенціал від застосування поля були незаперечними фактами.

Давайте розбиратимемо все по порядку. Отже, як діє та утворюється будь-яке магнітне поле? Правильно від електричного струму. А струм, якщо вірити підручникам з фізики, – це потік заряджених частинок, що має напрям, чи не так? Так от, коли струм проходить по будь-якому провіднику, біля нього починає діяти якийсь різновид матерії - магнітне поле. Магнітне поле може створюватись струмом заряджених частинок або магнітними моментами електронів в атомах. Тепер це поле та матерія мають енергію, її ми бачимо в електромагнітних силах, які можуть впливати на струм та його заряди. Магнітне поле починає впливати на потік заряджених частинок, і вони змінюють початковий напрямок руху перпендикулярно самому полю.

Ще магнітне поле можна назвати електродинамічним, адже воно утворюється біля рухомих і впливає тільки на частинки, що рухаються. Ну а динамічним воно є через те, що має особливу будову в бионах, що обертаються, на області простору. Змусити їх обертатися і рухатися може звичайний електричний заряд, що рухається. Біони передають будь-які можливі взаємодії у цій галузі простору. Тому заряд, що рухається, притягує один полюс усіх біонів і змушує їх обертатися. Тільки він може вивести їх зі стану спокою, більше нічого, адже інші сили не зможуть на них впливати.

В електричному полі знаходяться заряджені частинки, які дуже швидко рухаються і можуть подолати 300 000 км. всього за секунду. Таку ж швидкість має світло. Магнітне поле немає без електричного заряду. Це означає, що частки неймовірно близько пов'язані один з одним і існують у загальному електромагнітному полі. Тобто якщо будуть будь-які зміни в магнітному полі, то зміни будуть і в електричному. Цей закон також обернений.

Ми тут багато говоримо про магнітне поле, але як його можна уявити? Ми не можемо побачити його нашим людським неозброєним оком. Мало того, через неймовірно швидке поширення поля, ми не встигаємо його зафіксувати за допомогою різних пристроїв. Але щоб щось вивчати, треба мати хоч якесь уявлення про нього. Часто доводиться зображати магнітне поле на схемах. Для того, щоб було простіше зрозуміти його, проводять умовні силові лінії поля. Звідки їх взяли? Їх вигадали неспроста.

Спробуємо побачити магнітне поле за допомогою дрібної металевої тирси і звичайного магніту. Насипаємо на рівну поверхню цю тирсу і введемо її в дію магнітного поля. Потім побачимо, що вони рухатимуться, обертатимуться і вишиковуватимуться в малюнок чи схему. Отримане зображення показуватиме зразкову дію сил у магнітному полі. Всі сили і, відповідно, силові лінії безперервні та замкнуті у цьому місці.

Магнітна стрілка має подібні характеристики та властивості з компасом, і її застосовують, щоб визначити напрямок силових ліній. Якщо вона потрапить у зону дії магнітного поля, її північним полюсом ми бачимо напрямок дії сил. Тоді виділимо звідси кілька висновків: верх звичайного постійного магніту, з якого виходять силові лінії, позначають північним полюсом магніту. Тоді як південним полюсом позначають ту точку, де сили замикаються. А силові лінії всередині магніту на схемі не виділяються.

Магнітне поле, його властивості та характеристики мають досить велике застосування, тому що у багатьох завданнях його доводиться враховувати та досліджувати. Це найважливіше явище у науці фізики. З ним нерозривно пов'язані складніші речі, такі як магнітна проникність та індукція. Щоб пояснити причини появи магнітного поля, треба спиратися на реальні наукові фактита підтвердження. Інакше у складніших завданнях неправильний підхід може порушити цілісність теорії.

А зараз наведемо приклади. Усі ми знаємо нашу планету. Ви скажете, що вона не має магнітного поля? Може, ви й маєте рацію, але вчені кажуть, що процеси та взаємодії всередині ядра Землі народжують величезне магнітне поле, яке тягнеться на тисячі кілометрів. Але в будь-якому магнітному полі мають бути його полюси. І вони існують, просто розташовані трохи осторонь географічного полюса. Як ми його відчуваємо? Наприклад, у птахів розвинені можливості навігації, і вони орієнтуються, зокрема, по магнітному полю. Так, за його допомогою гуси благополучно прибувають до Лапландії. Спеціальні навігаційні пристрої також використовують це явище.

Під терміном "магнітне поле" прийнято мати на увазі певний енергетичний простір, в якому проявляються сили магнітної взаємодії. Вони впливають на:

окремі речовини: феримагнетики (метали - переважно чавуни, залізо та сплави з них) та їх клас феритів незалежно від стану;

заряди електрики, що рухаються.

Фізичні тіла, які мають сумарний магнітний момент електронів або інших частинок, називають постійними магнітами. Їхня взаємодія представлена ​​на картинці силовими магнітними лініями.

Вони утворилися після піднесення постійного магніту до зворотного боку картонного листа з рівним шаром залізної тирси. Картинка демонструє чітке маркування північного (N) та південного (S) полюсів із напрямом силових ліній щодо їхньої орієнтації: вихід із північного полюса та вхід до південного.

Як створюється магнітне поле

Джерелами магнітного поля є:

постійні магніти;

рухомі заряди;

електричне поле, що змінюється в часі.

З дією постійних магнітів знайома кожна дитина дитсадкового віку. Адже йому вже доводилося ліпити на холодильник картинки-магнітики, які витягують з упаковок з усілякими ласощами.

Електричні заряди, що знаходяться в русі, зазвичай мають значно більшу енергію магнітного поля, ніж . Його також позначають силовими лініями. Розберемо правила їхнього накреслення для прямолінійного провідника зі струмом I.

Магнітна силова лінія проводиться в площині, перпендикулярній до руху струму так, щоб у кожній її точці сила, що діє на північний полюс магнітної стрілки, прямувала по дотичній до цієї лінії. Таким чином створюються концентричні кола навколо заряду, що рухається.

Напрямок цих сил визначається відомим правилом гвинта або свердла з правосторонньою навивкою різьблення.

Правило буравчика

Необхідно розташувати свердловин співвісно з вектором струму і обертати рукоятку так, щоб поступальний рух свердловика збігався з його напрямком. Тоді орієнтація силових магнітних ліній буде показана обертанням рукоятки.

У кільцевому провіднику обертальний рух рукоятки збігається із напрямом струму, а поступальний - свідчить про орієнтацію індукції.

Магнітні силові лінії завжди виходять із північного полюса та входять до південного. Вони продовжуються всередині магніту і ніколи не бувають розімкненими.

Правила взаємодії магнітних полів

Магнітні поля від різних джерелскладаються один з одним, утворюючи результуюче поле.

При цьому магніти з різноіменними полюсами (N - S) притягуються один до одного, а з однойменними (N - N, S - S) відштовхуються. Сили взаємодії між полюсами залежить від відстані між ними. Чим ближче зрушені полюси, тим більше зусилля з'являється.

Основні характеристики магнітного поля

До них відносять:

вектор магнітної індукції (В);

магнітний потік (Ф);

потокозчеплення (Ψ).

Інтенсивність чи силу впливу поля оцінюють величиною вектор магнітної індукції. Вона визначається значенням сили «F», створюваної струмом, що проходить «I» по провіднику довжиною «l». =F/(I∙l)

Одиниця виміру магнітної індукції в системі СІ - Тесла (на знак пам'яті про вченого фізику, який досліджував ці явища та описав їх математичними методами). У російській технічної літературі вона позначається "Тл", а в міжнародній документації прийнято символ "Т".

1 Тл - це індукція такого однорідного магнітного потоку, який впливає з силою в 1 ньютон на кожен метр довжини прямолінійного провідника, розташованого перпендикулярно напрямку поля, коли по цьому провіднику проходить струм 1 ампер.

1Тл=1∙Н/(А∙м)

Напрямок вектора визначається за правила лівої руки.

Якщо розташувати долоню лівої руки в магнітному полі так, щоб силові лінії з північного полюса входили в долоню під прямим кутом, а чотири пальці розташувати у напрямку струму в провіднику, то відстовбурчений великий палець вкаже напрям дії сили на цей провідник.

У разі, коли провідник з електричним струмом розташований не під прямим кутом до магнітних силових ліній, то сила, що впливає на нього, буде пропорційна величині струму, що протікає, і складової частини проекції довжини провідника зі струмом на площину, розташовану в перпендикулярному напрямку.

Сила, що впливає електричний струм, залежить від матеріалів, у тому числі створений провідник і його перерізу. Навіть якщо цього провідника взагалі не буде, а заряди, що рухаються, переміщатимуться в іншому середовищі між магнітними полюсами, то ця сила ніяк не зміниться.

Якщо всередині магнітного поля у всіх точках вектор має однаковий напрямок і величину, то таке поле вважають рівномірним.

Будь-яке середовище, що володіє, впливає на значення вектора індукції В.

Магнітний потік (Ф)

Якщо розглядати проходження магнітної індукції через певну площу S, то обмежена її межами індукція називатиметься магнітним потоком.

Коли площа нахилена під якимось кутом до напрямку магнітної індукції, то магнітний потік зменшується на величину косинуса кута нахилу площі. Максимальне його значення створюється при перпендикулярному розташуванні площі до її пронизливої ​​індукції. Ф = В · S

Одиницею вимірювання магнітного потоку є 1 вебер, який визначається проходженням індукції в 1 плоті через площу 1 метр квадратний.

Потокосчеплення

Цей термін використовується для отримання сумарної величини магнітного потоку, що створюється від певної кількості провідників зі струмом, що розташовані між полюсами магніту.

Для випадку, коли той самий струм I проходить по обмотці котушки з числом витків n, то повний (зчеплений) магнітний потік від усіх витків називають потоком зчеплення Ψ.

Ψ=n·Ф . Одиницею вимірювання потокозчеплення є один вебер.

Як утворюється магнітне поле від змінного електричного

Електромагнітне поле, що взаємодіє з електричними зарядами і тілами, що володіють магнітними моментами, є сукупністю двох полів:

електричного;

магнітного.

Вони взаємопов'язані, являють собою сукупність один одного і при зміні протягом одного часу відбуваються певні відхилення в іншому. Наприклад, при створенні змінного синусоїдального електричного поля в трифазному генераторі одночасно утворюється таке ж магнітне поле з характеристиками аналогічних гармонік, що чергуються.

Магнітні властивості речовин

По відношенню до взаємодії із зовнішнім магнітним полем речовини поділяють на:

антиферомагнетикиз урівноваженими магнітними моментами, завдяки чому створюється дуже мала ступінь намагніченості тіла;

діамагнетики із властивістю намагнічування внутрішнього поля проти дії зовнішнього. Коли ж зовнішнє поле відсутнє, то вони магнітні властивості не проявляються;

парамагнетики з властивостями намагнічування внутрішнього поля за напрямом дії зовнішнього, які мають малий ступінь;

феромагнетики, що володіють магнітними властивостямибез прикладеного зовнішнього поля при температурах, менших за значення точки Кюрі;

феримагнетики з неврівноваженими за величиною та напрямом магнітними моментами.

Всі ці властивості речовин знайшли різноманітне застосування у сучасній техніці.

Магнітні ланцюги

На основі працюють усі трансформатори, індуктивності, електричні машини та багато інших пристроїв.

Наприклад, у працюючого електромагніта магнітний потік проходить по магнітопроводу з феромагнітних сталей і повітря з вираженими феромагнітними властивостями. Сукупність цих елементів і становить магнітний ланцюг.

Більшість електричних апаратів у своїй конструкції мають магнітні кола. Докладніше про це читайте у цій статті -