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.
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.
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
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.
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.
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.
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:
- 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).
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.