Магнітне поле — визначення, характеристика і властивості

Магнітне поле - малюнок Фізика

Слово “магніт” раніше було невідомим, але на сьогодні у кожної дитини є іграшка, яка так чи інакше використовує магніту. Також з магнітів створюються прикраси і різне обладнання в області медицини.

У XIX столітті данський фізик Естер провів експеримент з дією магнітного поля. Після нього роботу магнітного поля вивчив француз Андре-Марі Ампер. І, на сьогодні, це поняття вивчається в школі і має широку популярність практично у всіх сферах життя людини.

Основні характеристики магнітного поля

Магнітне поле (далі позначається: МП) — це така матерія, яка знаходиться і рухається навколо струмів (електричних зарядів).

Магнітне поле виникає з:

  • Струму заряджених частинок.
  • Електричного поля, яке змінюється в часовому проміжку.
  • Магнітних моментів.

Для дослідження МП застосовують рамку зі струмом.

Рамка зі струмом – безперервний рівний контур зі струмом.

Властивості магнітного поля:

  • МП має матеріальну основу;
  • електричний струм – це індикатор для магнітного поля, і без нього МП не може існувати;
  • Магнітні поля кругові, тобто його силові лінії (лінії магнітної індукції) безперервні;
  • чим далі джерело поля, тим слабкіше і меншим стає магнітне поле.

Графічно зобразити МП можна у вигляді ліній або ліній індукції.

Історія відкриття магнітного поля

Вивчення МП почалося в XIII столітті. Петро Перегрін помітив на площині магніте МП за допомогою сталевих голок. Він встановив, що лінії МП перехрещуються і утворюють дві точки, які він назвав полюсами.

Вчений Естерд в 1819 році побачив рухому стрілку компаса поруч з провідником струму. У зв’язку з цим він зробив висновок, що є якийсь зв’язок між магнітним полем і електричним полем.

І тільки через п’ять років Ампер зміг описати взаємозв’язок магніту з провідником (їх діючу один на одного силу). Так з’явився закон Ампера.

Ще через сім років Фарадей провів дослід і виявив явище електромагнітної індукції, тобто він встановив, що зміна магнітного поля впливає на провідник.

І після 33 років Максвел об’єднав і математично описав всі отримані раніше знання.

Магнітна індукція

Магнітна індукція — (МІ) – силове визначення магнітного поля. Це векторна величина.

Однією з головних характеристик МП є векторний потенціал.

Формула індукції магнітного поля вимірюється через вектор магнітної індукції (В).

В = Fmax/i *l

де

  • Fmax – найбільша сила, що впливає від магнітного поля на провіднику;
  • і – сила струму в провіднику;
  • l — довжина.

Вектор МІ має одиниці виміру – Тесли (Тл).

Напрямок вектора магнітної індукції – це напрямок від Південного полюса до Північної магнітної стрілки, встановленої в магнітному полюсі.

Лінія магнітної індукції – це неіснуюча пряма, де в будь-якому місці вектор МІ спрямований до неї по дотичній.

Властивості магнітної лінії:

  • постійність;
  • замкнутість;
  • орієнтованість.

Чим більше магнітних ліній, тим сильніше магнітне поле.

Якщо розглядати МП у вільному просторі (без навколишнього його середовища), то використовують поняття не вектор МІ, а вектор напруженості (Н), що рівний різниці вектора МІ і вектор намагніченості (М).

Н = В-М

Якщо полів більше одного, то вектор МІ визначається за принципом суперпозиції: МІ основного поля, яке складається з багатьох джерел, можна знайти через суму МІ всіх полів, що входять до складу МП.

Електричне поле

Електричне поле (ЕП) — матерія, створена зарядженими частинками, що взаємодіють між собою.

Кількісно електричне поле можна характеризувати поняттям напруженість електричного поля. Оскільки сила має спрямованість, то і напруженість має напрямок, тому це векторна величина. Дану напруженість можна визначити за формулою:

E = F/q

де

  • Е – напруженість ЕП;
  • F – сила, яка впливає на заряд;
  • q – величина заряду.

Так само як і МІ, напруженість декількох електричних полів можна обчислити за принципом суперпозиції.

Види електричного поля:

  • Статичне (має нерухомі заряди).
  • Магнітне (заряди проходять по провіднику).
  • Стаціонарне (якщо провідник зі струмом не рухається і не змінюється).
  • Електромагнітне.

Магнітна взаємодія

Магнітна взаємодія – це з’єднання або роз’єднання електрично незаряджених провідників при пропущенні через них струму.

Магнітну взаємодію можна трактувати так: кожен електричний заряд, що переміщається, утворює магнітне поле, що впливає на заряджені частинки, які переміщаються.

Взаємозв’язок провідників, по яких рухається струм: якщо струми рухаються в одну сторону, то провідники притягуються, якщо струми рухаються в різні боки, то провідники відштовхуються.

Магнітне поле – це наслідок появи поняття електричного поля. МП спільно з електричним утворюють електромагнітне поле.

Прямий струм

Магнітне поле провідника зі струмом проходить по прямій, біля якої виникає МП. МП близько провідника зі струмом проходить по круговій спіралі. Напрямок магнітного поля і струму проходить в одну сторону. А от в який бік, можна знайти за правилом буравчика: якщо буравчик рухається в ту ж сторону, що і електричні заряди в провіднику, то напрямок повороту ручки буравчика відповідає напрямку вектора Мі.

Магнітне поле прямого струму – це МП, струм якого йде по прямому кабелю великої довжини.

Магнітні лінії МП прямого струму – це криві лінії, що мають форму кола, які оточують провідник. У цьому випадку для того, щоб знайти напрямки силових ліній МП, застосовують правило правої руки: якщо провідник тримати в правій руці, великий палець буде направлений в бік струму, а інші чотири пальці будуть показувати напрямок силових ліній МП.

Поняття однорідності

Однорідне магнітне поле – це поле, вектор магнітної індукції якого постійний.

Параметри однорідності МП:

  • магнітні лінії паралельні і рівні;
  • між лініями однаковий інтервал;
  • енергія, яка впливає на провідник, однакова у всіх точках.

Неоднорідне МП – це поле, у якого лінії викривлені, відстань між ними неоднорідні і напруга змінюється від точки до точки.

Сила Ампера

Сила Ампера – це сила, що впливає на провідник з електричними зарядами, який розташований в МП.

Закон Ампера: на провідник зі струмом, який розташований в МП, впливає певна сила. Дану силу можна розрахувати за формулою:

Сила (закон) Ампера
де

  • I – сила струму в провіднику;
  • L – довжина провідника;
  • В – Магнітна індукція магнітного поля ;
  • а – кут між провідником і вектором.

Для того, щоб дізнатися напрямок сили Ампера, засновник даної сили відкрив правило лівої руки: якщо перпендикуляр вектора МІ впирається в долоню, а чотири пальці вказують в сторону струму, то великий палець, розташований під прямим кутом до інших, спрямований у бік сили Ампера.

Магніт

Магніт – це тіло, яке має власне магнітне поле.

Головна якість магнітів – це здатність притягувати предмети з заліза або його сплавів (сталь, чавун).

Магніти діляться на 2 види:

  • природні (з магнітного залізняка);
  • штучні (намагнічені залізні друзи).

Постійні магніти – це тіла, які довгий час створюють МП.

Змінні магнітні і електричні поля існують тільки спільно, оскільки МП породжує електричне, а електричне поле породжує МП.

Область, де якості магніту демонструються з найбільшою силою, називаються полюсами. Магніт має два полюси:

  • північний (N);
  • південний (S).

Два однакових поля (N – N) відштовхуються, а протилежні (N – S) — притягуються.

Якщо постійний магніт розділити навпіл, то у цих частин буде також два полюси.

Алгоритм розв’язання задачі

Для вирішення завдання про дію магнітного поля на провідники зі струмом можна використовувати наступний алгоритм:

  • Створити креслення провідника і позначити на ньому лінії індукції з їх напрямком.
  • Позначити кути між напрямком поля і елементами контуру.
  • Визначити напрямок сили Ампера і вказати дані параметри на кресленні.
  • Також відзначити на схемі інші сили, які діють на провідник.
  • Вивчити всі потрібні формули.
  • Використовувати другий закон Ньютона у векторному вигляді і проєкції.
  • Знайти невідому величину через рівняння і вирішити приклад.
  • Зробити перевірку.
Оцініть статтю
Додати коментар