Магнітне поле - малюнок

Магнітне поле — визначення, характеристика і властивості



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.

Провідник, навколо якого існує магнітне поле
Провідник, навколо якого існує магнітне поле

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.

Андре-Марі Ампер
Андре-Марі Ампер

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.

Гіпотеза Ампера

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.

Які об'єкти створюють магнітне поле

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.

Властивості магнітного поля

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.

Лінії магнітної індукції

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.

Правило правої руки
Правило правої руки

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.

Магнітне поле H, створене двома магнітними зарядами
Магнітне поле H, створене двома магнітними зарядами

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.

Схематичне зображення силових ліній магнітного поля навколо постійного магніту
Схематичне зображення силових ліній магнітного поля навколо постійного магніту

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.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *