Откуда берётся магнитное поле и чем обусловлено его существование? / Справочник :: Бингоскул

Откуда берётся магнитное поле и чем обусловлено его существование? добавить в закладки удалить из закладок

Содержание:

Магнитное поле образуется вокруг проводников, через которые проходит электрический ток и возле материалов с магнитным моментом: естественных или искусственных. Является составляющей электромагнитного поля. Изначально предполагалось, что поле генерируют магнитные заряды, однако причина его существования кроется в ином. Рассмотрим, чем порождается магнитное поле, условия его появления.

Пространство вокруг постоянного магнита или проводника с электрическим током находится в состоянии, которое называют магнитным полем, оказывающим влияние на окружающую материю. Проявляется в прикладывании механической силы, изменении проводимости и даже габаритов. В последнем случае наблюдается явление магнитострикции – изменение размеров тела вследствие изменения его намагниченности. Например, жужжание трансформаторов порождается деформацией их сердечников.

Явление начали изучать в 1820 году. Французский физик Ампер заметил притягивание и отталкивание расположенных параллельно проводников, по которым протекают разно и одинаково направленные токи соответственно. Его датский коллега Эрстед установил изменение направления стрелки компаса, расположенной возле проводника с током.

Кроме проводников магнитные свойства проявляют естественные материалы, входящие в состав ряда руд – притягивают к себе крохотные предметы с большим содержанием железа – опилки, стружку, мелкие гвозди. Подвешенная на нитку пластина или брусок из такого материала ориентируется по направлению север-юг.

После удаления источника магнитного поля от железного предмета его магнитные свойства резко ослабевают, но часть намагниченности остаётся – железо превращается в слабый естественный магнит. Почему? По какой причине сталь притягивается магнитом, а алюминий – нет?

Перемещающиеся заряды образуют так называемый тоннель вокруг себя, слабеющий при отдалении от источника. Этот тоннель напоминает по форме тор, он наблюдается, если проводник свернуть в бублик.

У перемещающегося заряда он направляется вдоль оси вращения. Представлено вихревой деформацией пространства, поэтому всегда имеет два полюса, даже если образовывается вокруг единой частицы.

Чем же обусловлено существование магнитного поля? Почему одни материалы (железо) магнитятся хорошо, а другие (алюминий) – нет. Причина – расположение магнитных доменов в веществе. Домен – группа атомов с однородной однонаправленной намагниченностью. У железа эти домены под действием магнитных сил поворачиваются в одну сторону (б), на алюминий они не оказывают влияния (а).

​В зависимости от свойств материалы в природе разделяют на:

• Ферромагнетики – обладают магнитными свойствами вне поля.


• Парамагнетики – магнитятся в направлении поля.


• Диамагнетики – магнитятся против направления поля.


• Антиферромагнетики – вещества с равными противоположно направленными магнитными моментами.  


• Ферримагнетики – антиферромагнетики с разными по величине магнитными моментами.

Сверхпроводники и плазма взаимодействуют с рассматриваемой субстанцией особым образом.

Поделитесь в социальных сетях:

31 октября 2021, 16:06

Физика

Could not load xLike class!

Магнитное поле — Самое простое объяснение для чайников

Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Без магнитного поля не функционировали бы герконы, электромагнитные реле, соленоиды, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, двигатели, динамики, генераторы электрической энергии да и вообще много чего.

Природа магнетизма

Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.

Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой  — на ЮГ.

Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.

Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.

Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).

 

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

• Магнитные линии не поддаются гравитации.
• Никогда не пересекаются между собой.
• Всегда образуют замкнутые петли.
• Имеют определенное направление с севера на юг.
• Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
• Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м²

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м² расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

Напряженность магнитного поля

Формула напряженности

Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой

где

H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр

B — плотность магнитного потока, Тесла

μ₀   — магнитная постоянная = 4π × 10^-7 Генри/метр или если написать по человечески 1,2566 × 10^-6 Генри/метр.

PS.

Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.

где

μ — это относительная магнитная проницаемость.

У разных веществ она разная

Напряженность магнитного поля проводника с током

Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.

Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой

где

H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр

I — сила тока, текущая через проводник, Ампер

r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр

Магнитное поле проводника с током

Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.

Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.

Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.

Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.

 

Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?

Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.

Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.

Соленоид

А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину.  У нас должно получится что-то типа этого.

Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.

Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.

Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.

Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.

Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог  — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.

где

I — это сила тока в катушке, Амперы

N — количество витков катушки, штуки)

Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.

 

Похожие статьи по теме «магнитное поле»

Катушка индуктивности

Трансформатор

Электромагнитное реле

 

домашних заданий и упражнений — Как образовалось магнитное поле вокруг Земли?

спросил 7 лет, 8 месяцев назад

Изменено 7 лет, 8 месяцев назад

Просмотрено 1к раз

$\begingroup$

Какие факторы помогают Земле формировать вокруг себя магнитное поле и почему оно распространяется с юга на север?

• домашние задания и упражнения
• электромагнетизм
• магнитные поля

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Внешнее ядро ​​Земли представляет собой жидкость, состоящую из расплавленного железа, никеля, кобальта и других ферромагнитных металлов. Эти находятся в постоянном движении. Их движение и высокая температура вместе вызывают создание магнитного поля Земли. Поскольку источник поля сам по себе динамичен, магнитное поле Земли также динамично и постоянно меняется в космологическом масштабе времени (тысячи лет). Это основная идея гидродинамической модели динамо, как указано в комментарии под вашим вопросом.

$\endgroup$

$\begingroup$

Внешнее ядро ​​Земли в основном состоит из расплавленного железа, никеля, кобальта и других ферромагнитных металлов, находящихся в постоянном движении. С этими элементами внутри внешнего ядра и в движении они помогают создавать магнитное поле Земли. Это основная идея модели гидромагнитного динамо:

Конвекционные потоки магмы во внешнем ядре Земли, движимые тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в рулоны силой Кориолиса, создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле.

Источник цитаты: https://en.

wikipedia.org/wiki/Dynamo_theory

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.

Как образовалось первое магнитное поле во Вселенной

Согласно новому анализу, первые в истории магнитные поля во Вселенной возникли в течение 370 000 лет после Большого взрыва. Работа опирается на стандартную физику, в отличие от некоторых предыдущих теорий, и может пролить свет на то, как росли самые первые звезды.

Относительно замкнутые магнитные поля, подобные полям Земли и Солнца, генерируются турбулентным перемешиванием проводящих жидкостей в их ядрах. Но крупномасштабные поля, запутанные внутри галактик и скоплений галактик, труднее объяснить одним лишь смешением флюидов. Это потому, что большинство галактик с момента своего образования совершили оборот всего несколько десятков раз.

«Галактики не совершали много оборотов за все время своего существования, поэтому неясно, какое усиление можно получить», — говорит Дам Тхань Сон из Вашингтонского университета в Сиэтле, США, не участвовавший в новом исследовании. . «Нужно какое-то начальное, небольшое магнитное поле».

Некоторые исследователи пытались объяснить происхождение этого так называемого «зародышевого» поля, привлекая новые физические механизмы, такие как связь электромагнитных полей с экзотическими частицами или гравитацией в первые мгновения после Большого взрыва.

Реклама

«В этом направлении существовало много моделей, большинство из которых основаны на новой физике и поэтому неубедительны», — комментирует Джордж Филд из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс, США.

Горячий суп

Теперь исследователи во главе с Киётомо Итики из Национальной астрономической обсерватории Японии в Токио использовали стандартную физику для объяснения семенного поля. Они говорят, что поле возникло до того, как сформировались первые атомы, когда Вселенная представляла собой горячий суп из протонов, электронов и фотонов — состояние, которое длилось первые 370 000 лет после Большого взрыва.

Фотоны оказывают на электроны иное давление, чем протоны, а также чаще рассеивают электроны. Исследователи обнаружили, что различия в движениях электронов и протонов генерируют вращающийся электрический ток, который создает магнитные поля.

Филд говорит, что зависимость механизма от стандартной физики была бы интересной, если бы подтвердилась. Но он предупреждает, что другие модели, такие как те, которые создают затравочное поле в дисках материи, окружающих колоссальные черные дыры, пока нельзя исключать.

Всепроникающее влияние

Если японский анализ верен, он может пролить свет на природу ранней Вселенной, которая была сформирована самым первым поколением звезд. Считается, что они были чрезвычайно массивными и недолговечными, а после смерти засеяли пространство вокруг себя тяжелыми элементами.

Но, согласно новой статье, зародышевое поле должно было стать достаточно сильным в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, чтобы влиять на вращение дисков материи вокруг этих первых звезд. Это повлияло бы на то, насколько массивными они могли вырасти и повлиять на химический состав и структуру ранней Вселенной.

«Магнитные поля, помимо гравитации, играют решающую роль в процессах формирования различных объектов и их динамической эволюции во Вселенной», — сказал Ичики New Scientist .