Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле 9 класс онлайн-подготовка на

Магнитное взаимодействие. Постоянный магнит

 

Что многим из нас приходит в голову, когда мы слышим слово «магнит»? Скорее всего, это магнитная стрелка компаса. Вспомнив уроки географии и природоведения, подумаем, как же устроен компас. Основной его деталью является так называемая магнитная стрелка, обычно она двухцветная: синим покрыт её северный полюс, а красным южный.

 

Рис. 1. Компас

Стрелка ориентируется в пространстве таким образом, что своей синей частью показывает на северный полюс Земли, красной же своей частью – на южный полюс. Именно из-за такого свойства магнитной стрелки и пошли названия полюсов магнита. Северный полюс магнита принято обозначать большой буквой N от голландского слова «норд», которое в переводе обозначает «север», южный полюс магнита принято обозначать буквой S, от немецкого слова «сьюден», которое в переводе обозначает «юг». Теперь давайте обратим внимание на основное свойство магнитной стрелки – притягиваться к определенным участкам нашей планеты. Таким образом, возникает сила, которая ориентирует стрелку в пространстве. Эту силу принято называть магнитной. Давайте вспомним другие примеры магнитного взаимодействия: практически ежедневно мы сталкиваемся с таким устройством, как электромагнитный замок, они установлены на множестве дверей с домофонами, в них массивная пластина притягивается к мощному магниту, установленному на дверной раме.

Рис. 2. Устройство домофона

Пока вы не используете магнитный ключ – дверь не откроется.

Еще одно устройство, которое любят демонстрировать в зарубежных фильмах и научно-популярных передачах: это огромный электромагнит, установленный на манипуляторе, который притягивает к себе и переносит старые разбитые автомобили на свалке мусора.

Рис. 3. Магнит для притягивания автомобилей

В данном случае речь идет также о магнитной силе, причем настолько значительной, что она свободно преодолевает силу тяжести в десятки тысяч ньютон. Все описанные устройства объединяет то, что они работают на так называемом магнитном взаимодействии (или, как это принято называть, электромагнитном взаимодействии). В случае с магнитной стрелкой мы имеем дело с постоянным магнитом, в двух других случаях речь идет об электромагнитах. Давайте дадим определение постоянному магниту: Постоянный магнит – это тело, обладающее собственным магнитным полем.

 

Магнитное поле и его графическое изображение

 

 

На прошлых уроках мы выяснили, что причиной возникновения магнитной силы является наличие магнитного поля. Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами и, в частности, электрическим током, поскольку это упорядоченный поток заряженных частиц. Например, магнитное поле образуется вокруг проводника с током. Каким же образом можно пояснить наличие магнитного поля у постоянных магнитов, у которых никаких видимых токов нет? Согласно гипотезе великого французского физика Ампера, в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах такие кольцевые токи ориентируются одинаково. Магнитные поля, которые они образуют, направлены одинаково и усиливают друг друга. В результате образуется магнитное поле внутри и вблизи постоянного магнита. Когда мы ранее сталкивались с понятием «поле», то возникала проблема понимания, что же это такое. Если сравнивать с понятием «вещество», этой проблемы, очевидно, нет, так как из вещества созданы все окружающие нас тела, мы их можем потрогать, мы их можем увидеть. Что же касается магнитного поля, то это особый вид материи, который проявляется через взаимодействие с определенными телами. Вспомним, что гравитационное поле взаимодействует с телами, имеющими массу, то есть со всеми телами. При этом электрическое поле взаимодействует с телами, имеющими заряд, что же касается поля магнитного, то оно будет взаимодействовать с телами, в которых есть подвижные заряды. Из этого возникает вопрос: если поле нельзя увидеть, можно ли его как-то изобразить? Проведем эксперимент, возьмем обыкновенный полосовой магнит, положим его на стол и накроем обыкновенной прозрачной пластиковой накладкой. Сверху на поверхность накладки над магнитом аккуратно посыпаем железные опилки, в процессе посыпания мы можем увидеть интересный эффект: опилки будут распределяться неравномерным образом, образуя так называемые дорожки, и картина этих дорожек получается упорядоченной. Что же мы увидели и почему так происходит?

 

Рис. 4. Силовые линии магнитного поля в опыте  железными опилками

Наш опыт позволяет наглядно продемонстрировать так называемые силовые линии магнитного поля (или, как их еще именуют, просто магнитные линии). Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. В нашем эксперименте в роли магнитных стрелок выступают железные опилки. Они имеют очень простое свойство намагничиваться во внешнем магнитном поле и выстраиваться вдоль магнитных линий, причем по правилу взаимодействия магнитов, то есть противоположными полюсами друг к другу. Стоит отметить, что магнитные линии могут быть как прямолинейными, так и криволинейными, при этом правило их построения очень простое: в любой точке нахождения магнитной стрелки касательная, проведенная через нее должна быть и касательной к магнитной линии.

Для того чтобы правильно изображать магнитное поле, не проводя постоянных экспериментов с железными опилками и магнитами, необходимо знать правило его построени.

Во-первых, силовые линии магнитного поля являются замкнутыми либо уходят на бесконечность. Кроме этого, следует помнить, что они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Во-вторых, наиболее сильное магнитное поле является у полюсов магнитов, что изображается как более плотное расположение магнитных линий, в областях же с менее сильным магнитным полем магнитные линии изображают на большем расстоянии друг от друга.

Какие же выводы мы можем сделать из этих правил?

Магнитные линии позволяют изображать направление поля в данной точке. Магнитные линии позволяют определять силу действия этого поля.

 

Неоднородное и однородное магнитное поле

 

 

Рассмотрим картину поля полосового магнита. Вблизи полюсов его магнитные линии расположены более плотно, чем вдали них. Кроме того, линии искривлены, это означает, что в различных точках пространства вблизи магнита, его поле будет действовать на магнитную стрелку с различной силой и по-разному ее поворачивать.

 

               

Рис. 5. Силовые линии неоднородного  магнитного  поля

Таким образом, сила, с которой поле полосового магнита действует на магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различна как по модулю, так и по направлению. Такое поле называется неоднородным. Линии неоднородного магнитного поля искривлены, и их густота меняется от точки к точке. Другим примером неоднородного магнитного поля является поле проводника с током.

Рис. 6. Неоднородное магнитное поле проводника с током

На рисунке точкой обозначено направление тока на нас от рисунка, если бы там был крестик, то направление было бы от нас к  рисунку. Эти обозначения именуют правилом стрелы. Точка обозначает острие, летящей в нашу сторону стрелы, а крестик ее хвостовое оперение, которое можно было бы увидеть, если бы стрела улетела от нас. Магнитные линии проводника представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от  проводника, что означает, что поле тем слабее, чем дальше от проводника. Поскольку линии такого поля искривлены и в различных точках расположены на разном расстоянии, то такое поле неоднородно. Кроме этого, необходимо отметить, что магнитное поле нашей планеты Земля также является неоднородным. Его сила очень зависит от географического расположения: на экваторе оно слабее, а на полюсах соответственно сильнее.

Что касается однородного магнитного поля, то его можно рассматривать только в некотором приближении, связано это с тем, что однородное магнитное поле – это поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинаково по модулю и по направлению.

Рис. 7. Магнитные линии однородного магнитного поля

Поскольку линии магнитного поля в реальной ситуации всегда искривлены, то об однородности можно говорить только приблизительно.  Во-первых, однородным можно считать поле внутри, вблизи середины полосового магнита, о котором мы уже многократно говорили.

Во-вторых, примером практически однородного магнитного поля является поле внутри цилиндрической катушки с током, которую принято называть соленоидом, причем ее длина должна быть больше диаметра. Магнитные линии однородного магнитного поля параллельны и находятся на одинаковом расстоянии.

 

Заключение

 

 

Итак, сегодня мы вспомнили такое понятие, как магнитное поле, перечислили случаи, когда оно образуется, ввели инструмент его графического изображения, то есть силовые магнитные линии.

 

На следующем уроке мы рассмотрим магнитное поле тока.

 

Список литературы

1. Перышкин А. В., Гутник Е. М. Физика 9, Дрофа, 2009.
2. Громов С. В., Родина Н. А. Физика 9. — М.: Просвещение.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «uchifiziku.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «ivanpobeda.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Дать определение магнитной силе.
2. В какой точке магнитное поле тока, протекающего по проводнику, действует на магнитную стрелку с наименьшей силой?
3. В чем состоит различие между однородным и неоднородным магнитными полями?

 

Ученые создали самое мощное на Земле магнитное поле

Ученые из МИФИ вместе с коллегами из Японии и Франции в лабораторных условиях получили плазму, идентичную плазме из окрестностей черной дыры. А заодно создали самое мощное на Земле магнитное поле. В перспективе такие исследования помогут в создании сверхмощных источников излучения для решения прикладных задач физики, медицины и промышленности.

Представьте черную дыру: воображение рисует расплывчатое темное пятно со свечением вокруг. Вероятно, картинка навеяна научно-популярными фильмами и богатой (или, наоборот, недостаточно богатой) фантазией писателей-фантастов. Но черные дыры невозможно увидеть: гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть черную дыру не может даже свет. Согласно современным представлениям, черная дыра — сложный объект со множеством вращающихся вокруг него дисков из газа и плазмы, фотонными кольцами. Возможно, вы помните, что в апреле 2019 года интернет облетело фото черной дыры, сделанное телескопом Event Horizon. Это было важное событие в мировой астрофизике. Но на том снимке мы видим аккреционный диск из вещества, затягиваемого в черную дыру, — оно вращается и опоясывает область икс. Аккреционный диск может простираться на триллионы километров. Например, диск сверхмассивной черной дыры M87* растягивается на 0,4 светового года. Из диска почти со скоростью света могут вырываться струи плазмы — джеты. Кстати, тот факт, что джеты образуются именно в аккреционном диске, доказала в 2018 году группа ученых, в числе которых были специалисты из МГУ, ФИАНа и МФТИ.

Еще один успех российских ученых в изучении черных дыр — в августе 2019 года телескоп ART-XC орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» зафиксировал вспышку сверхмассивной черной дыры Стрелец А*. До этого ближайшая к Земле черная дыра более 20 лет не проявляла активности. Недавно американские астрономы при помощи комплекса радиотелескопов ALMA получили изображение аккреционного диска Стрельца А* — они-то и доказали, что диск вращается.

Аккреционные диски — источники сильного рентгеновского излучения, которое образуется из-за магнитного поля с индукцией несколько тысяч тесла. Это очень много. Для сравнения: индукция магнитного поля в ИТЭРе — 13 Тл, а в медицинском томографе — 1–3 Тл. Изучение лазерной плазмы с такими параметрами, как в аккреционных дисках, будет полезно как для фундаментальной науки, так и для прикладных областей. Например, можно будет усовершенствовать технику для создания направленных пучков частиц, использующуюся в лечении рака или стерилизации медицинских изделий.

Группа ученых из МИФИ, Университета Осаки и Университета Бордо воссоздали в лаборатории небольшой объем плазмы с характеристиками, идентичными характеристикам плазмы аккреционного диска черной дыры.

«В астрофизике часто приходится масштабировать — переносить результаты, полученные в лаборатории, на реальные космические объекты. Такие допущения могут обернуться ошибками, неточностями. Уникальность нашего эксперимента в том, что параметры плазмы масштабировать не нужно. Да, мы получили очень маленькое количество вещества, десятки микронов. Но его характеристики соответствуют характеристикам плазмы в окрестности черной дыры тесных двойных систем типа Лебедь Х-1», 

— отметил один из участников исследования, доцент Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Филипп Корнеев.

Метод основан на многократном отражении мощного лазерного луча внутри мишени — тонкой, диаметром несколько сот микронов, медной фольги, скрученной в улитку. Медь часто используют в лазерных экспериментах из-за ее способности производить рентгеновское излучение определенной частоты в результате обстрела быстрыми электронами, присутствующими в лазерной плазме.

В эксперименте использовали два лазерных импульса. Первый, с энергией около 330 Дж и длительностью 1 пикосекунду, отправился внутрь мишени. На несколько десятков пикосекунд там образовалась плазма, а благодаря геометрии облучения и закрученной форме мишени магнитные поля были направлены навстречу друг другу так, что в области их соприкосновения происходила аннигиляция (взаимное уничтожение), приводящая к возникновению потоков частиц со скоростями, близкими к скорости света. Второй лазерный импульс был сфокусирован на расположенной рядом алюминиевой фольге и выбивал из нее пучки протонов, которые, отклоняясь в магнитном поле медной улитки, попадали на детектор. Так, методом протонной дефлектометрии, ученые измеряли характеристики магнитного поля.

Эксперимент проводили в Японии, в Институте лазерной инженерии Университета Осаки.

«В мире немного установок такой мощности и энергии — наверное, можно насчитать штук десять. Одна из них, LFEX, как раз в Осаке. Университет выделяет три месяца в году, когда пользоваться лазером могут любые исследовательские группы, на конкурсной основе. В нашем проекте мы планировали получить самое сильное магнитное поле, которое до сих пор удавалось создать в лабораториях», — отмечает Филипп Корнеев.

И получилось! В результате эксперимента зафиксировали магнитное поле более 2 тыс. Тл. Предыдущий рекорд тоже поставили в Японии, в 2018 году. Ученые из Института физики твердого тела Токийского университета получили магнитное поле с индукцией 1,2 тыс. Тл. Правда, авторы эксперимента разгромили лабораторию: после достижения пиковой мощности силовые линии магнитных полей замкнулись, оборудование взорвалось, с петель сорвало стальную дверь. Хорошо, что в этот раз все обошлось.

Магнитные поля планет | НПК «Магниты и системы»

 Уважаемые клиенты!

Про магнитное поле Земли давно известно, и все про это знают. Но есть ли магнитные поля на других планетах? Попробуем разобраться…

Магни́тное по́ле Земли́ или геомагни́тное по́ле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад. На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».

 

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Это область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Магнитное поле Земли генерируется токами в жидком металлическом ядре. Т. Каулингом еще в 1934 году показано, что механизм генерации поля (геодинамо) не обеспечивает устойчивости (теорема «анти-динамо»). Проблема происхождения и сохранения поля не решена по сей день.

Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах.

Есть ли магнитное поле у Марса?

На планете Марс не существует планетарного магнитного поля. Планета имеет магнитные полюса, которые являются остатками древнего планетарного поля. Так как магнитное поле Марса фактически отсутствует, то он постоянно подвергается бомбардировке солнечным излучением, а также воздействием солнечного ветра, что делает его бесплодным миром, который мы и видим сегодня.

Большинство планет, создают магнитное поле с помощью динамо-эффекта. Металлы в ядре планеты расплавлены и постоянно движутся. Движущиеся металлы создают электрический ток, который в конечном итоге проявляется в виде магнитного поля.

Общие сведения

На Марсе есть магнитное поле, которое представляет собой остатки древних магнитных полей. Оно похоже на поля, найденные на дне океанов Земли. Ученые считают, что их присутствие является возможным признаком того, что у Марса была тектоника плит. Но другие данные свидетельствуют о том, что эти движения литосферных плит прекратились около 4 миллиардов лет назад.

Полосы поля достаточно сильны, почти так же, как у Земли, и могут распространяться на сотни километров в атмосферу. Они взаимодействуют с солнечным ветром и создают полярные сияния так же, как и на Земле. Ученые наблюдали более 13 000 этих сияний.

 

Отсутствие планетарного поля означает что ее поверхность получает в 2,5 раза больше излучения, чем Земля. Если люди собираются исследовать планету, необходим способ оградить человека от вредного воздействия.

Одно из последствий отсутствия, у планеты Марс магнитного поля — невозможность присутствия жидкой воды на поверхности. Марсоходы обнаружили большое количество водяного льда под поверхностью, и ученые считают, что там может быть жидкая вода. Недостаток воды добавляет препятствий, которые инженеры должны преодолеть для того, чтобы изучить, и впоследствии колонизировать, Красную планету.

 

У Меркурия, как и у нашей планеты, есть магнитное поле. До полета космического корабля Маринер-10 в 1974 году, никто из ученых не знал о его наличии.

Магнитное поле Меркурия

Оно составляет около 1,1% от Земного. Многие астрономы в то время предполагали, что это поле реликтовое, то есть оставшееся от ранней истории. Информация с космического корабля MESSENGER полностью опровергла эту догадку и теперь астрономы знают, что динамо-эффект в ядре Меркурия несет ответственность за возникновение.

Оно образуется динамо-эффектом движущегося в ядре расплавленного железа. Магнитное поле является дипольным, как на и Земле. Это означает, что у него есть северный и южный магнитные полюса. MESSENGER не нашел доказательств существования аномалий в виде пятен, это свидетельствует о том, что оно создается в ядре планеты. Ученые до недавнего времени думали, что ядро Меркурия остыло до такой степени, что она больше не может вращаться.

Об этом говорили трещины по всей поверхности, которые были вызваны охлаждением ядра планеты и последующим его воздействием на кору. Поле достаточно сильное, чтобы отклонять солнечный ветер, создавая магнитосферу.

Магнитосфера

Она захватывает плазму солнечного ветра, что способствует выветриванию поверхности планеты. Маринер-10 обнаружил низкую энергию плазмы и всплески энергичных частиц в хвосте, указывающие на динамические эффекты.

MESSENGER обнаружил много новых деталей, таких как таинственные утечки магнитного поля и магнитные торнадо. Эти торнадо представляют собой витые пучки, которые идут от планетарного поля и соединяются в межпланетном пространстве. Некоторые из этих торнадо могут иметь размер от 800 км в ширину до трети радиуса планеты. Магнитное поле  отличается асимметрией. Космический аппарат MESSENGER обнаружил, что центр поля смещен почти на 500 км севернее от оси вращения Меркурия.

Из-за этой асимметрии, южный полюс Меркурия меньше защищен и подвержен гораздо большему облучению агрессивными солнечными частицами, нежели северный полюс.

Венера имеет магнитное поле, которое, как известно, невероятно слабо. Ученые до сих пор не уверены почему это так. Планета известна в астрономии как двойник Земли.

Она имеет такой же размер и примерно аналогичное расстояние от Солнца. Она также является единственной из других планет внутренней Солнечной системы, которая имеет значительную атмосферу. Однако отсутствие сильной магнитосферы указывает на существенные различия между Землей и Венерой.

 

Общее строение планеты

Венера как и все остальные внутренние планеты Солнечной системы — скалистая.

Ученые не очень много знают о формировании этих планет, но основываясь на данных, полученных с космических зондов, они сделали некоторые догадки. Мы знаем, что внутри Солнечной системы были столкновения планетазималей богатых железом и силикатами. Эти столкновения создали молодые планеты, с жидкими ядрами и хрупкой молодой корой состоящей из силикатов. Однако большая загадка заключается в развитии железного ядра.

Мы знаем, что одной из причин образования сильного магнитного поля Земли является то, что железное ядро работает как динамо машина.

Почему у Венеры нет магнитного поля?

Это магнитное поле защищает нашу планету от сильного солнечного излучения. Однако это не происходит на Венере и есть несколько гипотез объясняющих это. Во-первых, ядро ее  полностью затвердело. Ядро Земли по-прежнему частично расплавлено и это позволяет ему производить магнитное поле. Другая теория гласит, что это связано с тем, что планета не имеет тектоники плит, как Земля.

Когда космические аппараты ее исследовали, они обнаружили, что магнитное поле Венеры существует и в несколько раз слабее чем у Земли, однако, солнечное излучение оно отклоняет.

Ученые теперь полагают, что поле, на самом деле, является результатом работы ионосферы Венеры, взаимодействующей с солнечным ветром. Это означает, что планета имеет индуцированное магнитное поле. Однако подтвердить это дело будущих миссий.

 

В статье взяты материалы с сайта: http://spacegid.com

 

 

 

следите за новостями!

 

Объяснение урока: Магнитные поля, создаваемые электрическими токами

В этом объяснении мы научимся описывать магнитное поле, которое производится проводом, по которому течет электрический ток.

Если по проводу протекает поток заряда, то в проводе есть ток. На приведенной ниже схеме показан длинный прямой провод, по которому течет ток.

Ток создает вокруг себя магнитное поле. Линии поля, показанные внизу сформируйте круги вокруг проволоки.

Магнитное поле, образованное током, существует повсюду вокруг провода. Вокруг него формируются круговые силовые линии, простирающиеся на любое расстояние от провод.

Если мы изменим перспективу, чтобы посмотреть на провод с одного конца, ток может указывать прямо на нас, как показано ниже. С этой точки зрения мы говорим, текущие точки «за пределами экрана» или «за пределами экрана».

На этом рисунке показан символ, указывающий ток за пределы экрана: круг. с точкой в ​​центре. Он также показывает, что силовые линии магнитного поля при разных расстояния от проволоки образуют концентрические окружности.

По мере увеличения расстояния от провода круги отдаляются друг от друга. Этот указывает на уменьшение напряженности магнитного поля.

Вместо просмотра тока, указывающего на нас с экрана, это можно смотреть в противоположном направлении: «в экран». ток в это направление обозначено кружком вокруг буквы X, как показано ниже.

Обратите внимание, что магнитное поле на этом рисунке направлено вокруг провода по часовой стрелке. а поле на рисунке с направленным током из экрана указывает против часовой стрелки.

Для определения направления магнитного поля вокруг проводящего ток проволоки, мы используем так называемое «правило правой руки». Это правило гласит, что если мы указываем большим пальцем правой руки в направлении тока в прямой провод, направление, в котором сгибаются наши пальцы (скажем, чтобы схватить что-то) является направление магнитного поля вокруг этого провода.

Этот метод применяется для проводов, по которым ток поступает на экран и выходит из него, как показано ниже.

В обоих случаях, когда мы указываем большим пальцем правой руки в направлении текущей в проводе наши пальцы сгибаются в направлении создаваемого магнитного поля по течению.

Пример 1: Понимание магнитного поля, создаваемого проводом с током

На какой из четырех диаграмм правильно показаны силовые линии магнитного поля, создаваемого вокруг провода с током?

Ответ

Чтобы ответить на этот вопрос, воспользуемся так называемым «правым хватом». правило». Это правило гласит, что направление магнитного поля, образованного электрический ток задается направлением, в котором сгибаются наши пальцы, когда большой палец нашей правой руки указывает в том же направлении, что и ток.

Мы можем применить это правило к четырем случаям (A), (B), (C) и (D) по порядку.

Для сценария (А) мы указываем большим пальцем правой руки на экран с момента текущие точки в этом направлении. Сгибая пальцы, мы обнаруживаем, что они двигаются по дуге по часовой стрелке. Это идет против указанного против часовой стрелки направление магнитного поля. Следовательно, диаграмма (А) неправильно показывает силовые линии магнитного поля вокруг проводника с током.

В сценарии (B) ток указывает за пределы экрана. Когда большой палец наша правая рука указывает туда, наши пальцы сгибаются против часовой стрелки направление. Это идет против указанного магнитного поля по часовой стрелке. направление на схеме. Диаграмма (B) также неправильно показывает магнитное поле, создаваемое вокруг провода с током.

Сценарий (C) имеет ток, направленный на экран, и магнитный поток по часовой стрелке. направление поля. Проверяя это с помощью нашего правила хвата правой рукой, мы обнаруживаем, что действительно, наши пальцы сгибаются по часовой стрелке, когда большой палец правой руки указывает на экран. Схема (С) верна!

Рассматривая сценарий (D), мы видим, что часть магнитного поля указывает против часовой стрелки и часть по часовой стрелке. Это физически невозможно, поэтому мы знаем, что диаграмма (D) не является правильным изображением магнитного поля вокруг провод с током.

Наш последний вариант — диаграмма (С).

Мы отметили, что напряженность магнитного поля, создаваемого проводник с током становится слабее по мере увеличения расстояния от провода.

Другим фактором, влияющим на напряженность поля, является величина текущее его создание. Чем сильнее течение (больше его величина), тем сильнее магнитное поле.

Пример 2: понимание магнитных полей, создаваемых электрическими токами

Для магнитного поля, создаваемого вокруг провода с током, ток, магнитное поле.

1. больше, слабее
2. меньше, сильнее
3. больше, сильнее

Ответ

Существует прямая зависимость между величиной электрического ток, создающий магнитное поле, и величина самого поля.

Таким образом, мы можем сказать, что чем больше ток, тем сильнее поля, и чем меньше ток, тем слабее поле.

Оба этих описания правильно заполняют пробелы в предложение, но только одно из них предлагается в качестве опции. Вариант (С), «больше, сильнее» приведет к предложению, которое гласит: «Для магнитное поле, создаваемое вокруг провода с током, тем больше ток, тем сильнее магнитное поле». Это правильно завершает предложение, поэтому наш последний вариант — вариант (C).

Провод, по которому течет ток, может быть прямым, как мы рассматривали до сих пор, но он также может быть расположен в виде катушки, как показано на следующем рисунке.

Такая катушка проволоки называется соленоидом. Как и любая другая форма провод, когда соленоид пропускает ток, он создает магнитное поле вокруг себя.

Интересно, что магнитное поле соленоида очень похоже на магнитное поле, создаваемое стержневым магнитом.

Когда по соленоиду течет ток, магнитное поле внутри его катушек равно достаточно сильное, а внешнее поле относительно слабое.

Можно усилить магнитное поле внутри соленоида путем поместить материал, который может намагничиваться, в сердечник соленоида.

Намагничиваемый материал – это такой материал, который при помещении в магнитное поле сам становится магнитом и создает собственное магнитное поле.

Примером такого материала является железо. Если поставить железный цилиндр внутри соленоида, как показано ниже, поле соленоида намагничивает железо, которое затем создает собственное магнитное поле, которое в очередь усиливает поле соленоида.

Пример 3. Идентификация соленоида

На каждой из следующих диаграмм изображен объект, сделанный из меди. Какой объект является соленоидом?

Ответ

Соленоид сделан из проволоки, которая может проводить ток. Важно отметить, что провод в соленоиде непрерывен, то есть заряд может течь с одного конца соленоида к другому.

Провод в соленоиде также скрученный, образуя множество витков, которые параллельно друг другу.

Варианты (A) и (B) показывают отсоединенные петли проводов. Так как они не непрерывный, ни один из этих вариантов не показывает соленоид.

Вариант (C) показывает петли, соединенные вместе. Петли не расположены параллельно друг другу, поэтому мы не будем выбирать вариант (C) либо.

Вариант (Е) изображает полый цилиндр. Поскольку это не построено из одного отрезка провода, это не соленоид.

Зная, что соленоид сделан из непрерывной проволоки расположенные в параллельных петлях, исключают все варианты, кроме варианта (D).

Пример 4. Знание основных терминов, связанных с электромагнетизмом

Что из следующего является правильным описанием соленоида?

1. Соленоид представляет собой один прямой кусок провода. Пропуская по ней электрический ток, вокруг нее создается магнитное поле.
2. Соленоид представляет собой одиночный контур изолированного провода. Пропуская через него электрический ток, создается магнитное поле похоже на стержневой магнит.
3. Соленоид представляет собой длинную катушку изолированного провода. Прохождение электрического ток через него создает магнитное поле, подобное стержню магнит.

Ответ

Рассматривая эти три варианта описания, мы видим, что они различаются в первую очередь из-за формы провода, из которого состоит соленоид.

Соленоид — это не прямой кусок проволоки; состоит из ряда петель называется катушкой. Чем больше петель в катушке, тем сильнее магнитное поле. это создает.

Когда электрический заряд проходит через соленоид, он создает очень сильное поле. подобно магнитному полю из-за стержневого магнита.

Это описание соответствует опции (C).

Пример 5: Знакомство с соленоидами

Какие два из следующих способов позволяют повысить прочность магнитное поле, создаваемое соленоидом?

1. Увеличение ширины соленоида
2. Уменьшение длины соленоида
3. Увеличение тока через соленоид
4. Уменьшение числа витков соленоида
5. Добавление железного сердечника к соленоиду

Ответ

Напомним, что соленоид представляет собой катушку с множеством витков.

Магнитное поле, создаваемое соленоидом, фактически является суммой магнитные поля, создаваемые каждой отдельной петлей. Чем больше там петель равны, тем больше будет эта сумма и тем сильнее будет общее поле.

Следовательно, вариант (D) «Уменьшение числа витков в соленоид», не может быть правильным. Уменьшение количества витков соленоида фактически ослабит общее магнитное поле.

Аналогично вариант (B) «Уменьшение длины соленоида» не не описывает способ усиления магнитного поля соленоида. Уменьшение длины соленоида эффективно удаляет витки из катушки, снова ослабляя общее поле.

Вариант (A) утверждает, что увеличение ширины соленоида увеличивает его напряженность магнитного поля. Однако именно количество петель, а не их диаметр, что влияет на напряженность магнитного поля в соленоид.

Что касается способов увеличения напряженности поля соленоида, один подход который работает для токонесущих проводов любой формы, заключается в увеличении ток в проводе. Это соответствует варианту (С).

Наконец, вставка магнитного материала, такого как железо, в соленоид ядро добавит к полю в ядре, увеличивая его величину.

Варианты (C) и (E) представляют собой два способа увеличения магнитного поля соленоида. напряженность поля.

Ключевые моменты

• Провод с током создает магнитное поле.
• В таком поле силовые линии магнитного поля образуют окружности с центром на проводе.
• Направление магнитного поля, создаваемого током, определяется по «правилу правой руки».
• Соленоид представляет собой катушку с проволокой.
• При прохождении тока соленоид создает магнитное поле, аналогичное к полю стержневого магнита.
• Сила магнитного поля соленоида может быть увеличена с помощью вставка магнитного материала, такого как железо, в сердечник соленоида.

Магнитное поле состоит из фотонов | Физика Фургон

Категория Выберите категориюО фургоне физикиЭлектричество и магнитыВсе остальноеСвет и звукДвижение вещейНовая и захватывающая физикаСостояния материи и энергииКосмосПод водой и в воздухе

Подкатегория

Поиск

Задайте вопрос

Последний ответ: 22. 10.2007

Вопрос:

Мой вопрос: из чего состоит магнитное поле? Я много читал о магнитах и ​​полях, которые они создают, и даже о том, что вокруг самих электронов есть магнитные поля, но я пока не встречал ничего, что говорило бы о том, из чего состоит само поле. Это материя, поэтому она должна быть сделана из чего-то. Есть ли название для этих «частиц»? Или они сами просто электроны?
— Дуглас (35 лет)
Луизиана США

A:

Привет, Дуглас!

Электромагнитное взаимодействие опосредовано константой обмен фотонами от одного заряженного объекта к другому. Магнитный поле на самом деле просто классическое приближение к фотонному обмену картина. В движущейся системе отсчета вместо нее появляется магнитное поле как комбинация магнитного поля и электрического поля, поэтому электрическое а магнитные поля состоят из одного и того же «вещества» (фотонов).

В некоторых электромагнитных взаимодействиях участвуют «настоящие» фотоны с определенные частоты, энергии и импульсы. Электростатические и магнитные вместо этого поля включают обмен «виртуальными» фотонами. Очень близко к электрон представляет собой плотное облако виртуальных фотонов, которые постоянно испускается и вновь поглощается электроном. Некоторые из этих фотонов расщепляются на электрон-позитронные пары (или пары еще более тяжелых веществ), которые рекомбинируют в фотоны, которые повторно поглощаются исходным электрон. Эти виртуальные петли частиц экранируют заряд электрон так, что вдали от электрона кажется, что он имеет меньше зарядить чем рядом. 92 (в системе отсчета, в которой электрон не имеет импульс).

Том

(опубликовано 22.10.2007)

Дополнение №1: представление о магнетизме

Вопрос:

Можно ли четко ответить на вопрос, используя более элементарные термины для обозначения элементарных частиц? Или, может быть, схема частиц как каскада в различных энергетических состояниях, производящих взаимные силы или действия на другую материю?
— Дж. С. БЭРД (67 лет)
Davao City,Philippines

A:

Похоже, вы просите диаграмму Фейнмана для представления электромагнитных взаимодействий. Вы можете получить это в обсуждении в Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_electrodynamics.

А пока я воспользуюсь случаем, чтобы немного изменить презентацию Тома. Мы обычно говорим что-то вроде «виртуальные фотоны… постоянно испускаются и повторно поглощаются электроном», но на самом деле мы имеем в виду не это. Две частицы, взаимодействующие электромагнитным образом, действительно окружены виртуальным фотонным облаком. Однако в известных случаях (например, атом водорода) это облако совершенно неизменно во времени. Вообще ничего не происходит. Слова о колеблющихся вокруг вещах — грубый способ передать одно из специфических свойств квантовых полей. Электрические и магнитные поля имеют не только средние значения, но и диапазоны возможных значений вокруг среднего. Вот что так отличается от классических полей. (Это похоже на положения квантовых частиц, которые имеют диапазоны около среднего положения, в отличие от классических частиц. ) Вы можете передать образ этого диапазона, притворившись, что поля прыгают между различными возможными значениями, точно так же, как вы можете представить что частица прыгает между различными положениями в своем облаке. Однако поля (включая их разброс значений) должны прыгать не больше, чем частицы в пространстве. Например, в хорошем стабильном атомном состоянии ничего не меняется во времени. Статический диапазон возможностей превращается в действительный диапазон результатов только тогда, когда система определенным образом взаимодействует с большим внешним миром.

Майк В.

(опубликовано 27.04.2011)

Дополнение №2: вернемся к механическим полям Максвелла

Вопрос:

Я действительно хочу знать, из чего состоит магнитное поле ? Пожалуйста, не используйте фотоны в своем ответе, поскольку все мы знаем, что магнитные поля не состоят из фотонов. На вопрос Дугласа так и не ответили. Дуглас не спрашивал об электромагнитном поле, которое наиболее тесно связано с фотоном. Предоставленные ответы были неполными и не относились к вопросу Дугласа. Из чего состоит магнитное поле? Вот что современная наука знает о магнитных полях. Честный ответ: мы не знаем, что такое магнитное поле. Что мы знаем, так это то, что поле Магнита генерируется движением электростатических зарядов внутри самого магнита. Электрические заряды — это электроны. Электроны движутся когерентно и синхронно, что вызывает выброс сильного магнитного поля из магнита. Чего мы не знаем, так это того, из чего состоит это поле. Некоторые люди говорили, что он состоит из магнитных монополей. Магнитные монополи никогда не открывались, так что есть большая вероятность, очень большая вероятность того, что теория неверна. Я считаю, что магнитное поле вообще не состоит из поля какой-либо частицы. Дуглас, думайте о магнитном поле как о прямой деформации физического пространства. Так должны работать все чистые поля. Это должны быть механические деформации пространства. Вы можете думать о пространстве как о твердой упругой ткани с низкой плотностью и высоким натяжением. Магнитное поле есть механическая деформация самого пространства. Я бы хотел, чтобы вы напечатали этот вопрос и ответили, но мы оба знаем, что вы этого не сделаете.
— Марк (58 лет)
Флорида

A:

Когда Максвелл впервые придумал свои знаменитые уравнения электромагнетизма, он попытался сделать механическую модель с маленькими шестернями, колесами и прочим. От него быстро отказались, поскольку он не добавлял ничего, кроме усложнения уравнений поля.

У вас есть различные словесные утверждения о том, что такое поле «на самом деле». Вы говорите, что он сделан не из монополей, но я никогда не слышал, чтобы кто-то предполагал, что это так. Вы говорите, что это не имеет ничего общего с фотонами, то есть с квантовой механикой. Ваша картина звучит так, будто не соответствует специальной теории относительности.

Сочетание специальной теории относительности и квантовой механики позволяет производить расчеты вещей, которые можно измерить. Например, он дает предсказание гиромагнитного отношения электронов. Экспериментально значение равно 2,00231930462 с небольшой погрешностью в последнем десятичном разряде. «Предсказание КЭД согласуется с экспериментально измеренным значением более чем на 10 значащих цифр…»   

Какое значение дает ваша модель?

Майк В.

шт. Я не могу удержаться от того, чтобы не привести первые две строчки из примерно 100-страничного интервью, которое Фонд химического наследия провел с ученым (мой отец), который работал с магнитами в течение ~ 9 лет.0 лет. «Ребенком я обнаружил, что могу заставить булавки в коробке стоять, и, перемещая магнит, я могу заставить их двигаться. Я понятия не имел, что такое магнитное поле, и подозреваю, что до сих пор понятия не имею, что такое магнитное поле. магнитное поле есть, за исключением некоторых вещей, которые оно делает».

(опубликовано 04.09.2013)

Дополнение №3: электрические поля как виртуальные фотонные облака

Вопрос:

Кажется, что виртуальное фотонное облако существует только очень близко к статическому заряду. Как мы примирим это с (а) тем фактом, что силовые линии электрического поля тянутся вечно и (б) тем фактом, что виртуальные фотоны обмениваются на расстояниях, превышающих расстояние виртуального фотонного облака? Я представляю себе виртуальное фотонное облако, окружающее изолированный электрон. сдача. Внезапно протон оказывается рядом с электроном. Прежде чем протон прибудет на сцену, виртуальное фотонное облако плотно упаковывается вокруг электрона. (Виртуальное фотонное облако представляет собой статическое квантовое состояние, но это не означает, что виртуальные фотоны не движутся — подобно электронному облаку вокруг атома водорода). виртуальное фотонное облако меняет форму? Например, «растягивается ли» виртуальное фотонное облако, чтобы достичь протона, представляя повышенное присутствие виртуальных фотонов на пути, где они обмениваются между двумя заряженными частицами?
— JD (29 лет)
Луисвилл, Кентукки, США

A:

Классическое выражение поля говорит вам, как распространяется виртуальное фотонное облако. Таким образом, эти виртуальные фотоны не более и не менее сконцентрированы на заряде, чем классические поля. Изменения формы, когда присутствуют два заряда, определяются суммированием классических векторных полей. Так что да, между зарядами существует особенно сильное поле, но далеко от них поля имеют тенденцию гаситься.

Майк В.

(опубликовано 11.04.2015)

Дополнение №4: фотоны и магнитные поля

Вопрос:

Магнитные поля нельзя объяснить, просто сказав, что они состоят из «фотонов». Какая дата их физического макияжа?
— Роберт Понсе (69 лет)
Port Hueneme

A:

В одном смысле вы правы, что не должны думать, что магнитные поля состоят из фотонов. Если у вас есть определенное количество фотонов каждого типа, ожидаемое магнитное поле равно нулю. Чтобы получить что-то вроде классического четко определенного магнитного поля, вам нужен большой разброс возможных чисел фотонов.

С другой стороны, возможно, вы думаете, что помимо фотонов есть еще какой-то ингредиент. Нет.

Майк В.

*Если вы посмотрите, например, на уравнение 21 в этой статье (https://www.phys.ksu.edu/personal/wysin/notes/quantumEM.pdf), вы найдете выражение для магнитное поле в терминах операторов рождения и уничтожения фотонов.

(опубликовано 13.12.2015)

Дополнение № 5: фотоны и магнетизм поле равно нулю. Чтобы получить что-то вроде классического четко определенного магнитного поля, вам нужен большой разброс возможных чисел фотонов». механика. Эта тема сбивает меня с толку, потому что я думаю, что у меня есть базовое понимание «обычных» фотонов (например, видимого света), но такие фотоны имеют определенные энергии и длины волн, и они не движутся по замкнутому контуру, как магнитное поле. к. «Магнитный» фотон кажется другим, чем «обычный» фотон, и я хотел бы понять, почему, если это возможно без понимания математики. Спасибо!

— Джеймс (30 лет)

A:

Я не смогу это объяснить, но могу прояснить некоторые моменты.

Фотоны, вносящие вклад в магнитные поля , ничем не отличаются от фотонов, вносящих вклад в электрические поля. Конкретный образец того, какие фазы присутствуют для разного количества фотонов, определяет, какие классические поля присутствуют.

Что касается отношения количества фотонов к классическим полям, я могу предложить аналогию, которую вы могли бы изучить, и которую было бы легче изобразить. Посмотрите на волновые функции, которые представляют состояния простого гармонического осциллятора (масса на пружине). (https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_harmonic_oscillator) Те, у кого определенная энергия, подобны состояниям фотонов с определенными числами и, следовательно, определенными энергиями. Одноэнергетические состояния SHO всегда равномерно распределены вокруг средней точки без среднего смещения и средней скорости. По точной аналогии, фотонные состояния с определенным числом не имеют среднего магнитного поля или электрического поля. Чтобы заставить SHO вращаться классически, вам нужно создать состояния, в которых интерференция между частями с разными энергиями вызывает отмену в одних частях и усиление в других. По мере того, как волна изменяется во времени, положения этих точек с низкой и высокой плотностью колеблются взад и вперед, что означает изменение положения и скорости. Аналогом для фотонов является изменение полей.

Майк В.

(опубликовано 16.01.2017)

Дополнение № 6: ингредиенты магнетизма?

Q:

Майк В. сказал: «С другой стороны, может быть, вы думаете, что кроме фотонов есть какой-то другой ингредиент. Нет, мальчик! Это смелое заявление. Конечно, вы имеете в виду «мы не знаем ни о каком другом ингредиенте» — как мы ничего не знаем о темной энергии и очень мало о темной материи. Интересно, что бы он сказал до постулирования фотонов. Прочитав всю дискуссию, мне кажется, что единственный верный ответ: «Мы не знаем». Сколько атомов/см в межгалактическом пространстве? Не так уж и много, гарантирую, поэтому можно было бы ожидать, что будет меньше этих жизненно важных фотонов, входящих и выходящих из электронов в среде, где меньше электронов, в которые можно входить и выходить, — но каково будет притяжение между двумя магниты в этой среде? Это было бы то же самое, не так ли? Конечно, удивительно, что если два сильных магнита поместить в самую разреженную область пространства, они все равно будут оказывать мощное воздействие друг на друга (притягивающее или отталкивающее), даже если они могут быть неподвижны относительно друг друга. Между ними явно что-то есть. Кто-то выше сказал, что магнитное поле не может существовать само по себе — это составляющая электромагнитного поля, и меня это интересует, потому что я считаю, что это поле должно присутствовать, когда магниты нет. Я думаю, вполне вероятно, что то, что составляет это поле, также составляет то, в чем свет создает волну, а свет, как нам говорят, является электромагнитной волной, такой же, как высокочастотная радиоволна. Мне (полному дилетанту) кажется бессмысленным утверждение, что свет — это волна, проходящая сквозь ничто. Другие волны — это все волны в чем-то — в воздухе, в воде, в веревке и т. д. Свет распространяется в пространстве с очень точно определенной скоростью. Несомненно, если бы структура пространства была немного другой, свет двигался бы немного медленнее или немного быстрее, так что это поле должно быть удивительно постоянным во всем пространстве и не зависеть от плотности атомов. Это, безусловно, должна быть очень эффективная транспортная среда, потому что свет может путешествовать миллиарды лет и все же достигать нас, не рассеиваясь больше, чем на квадрат расстояния. Так через что он путешествует? Есть ли какая-нибудь подсказка в том, что электрические и магнитные компоненты радиопередачи находятся под прямым углом? (Я имею в виду угол поляризации). Я видел объяснения того, как свет проходит через стекло или воду (где его скорость отличается от скорости в космосе), но это зависит от того, что атомы возбуждаются светом и испускают в ответ протон — удивительно, всегда в одном и том же направлении. Это объяснение объясняет дифракцию, однако тот же механизм нельзя применить к пустому пространству. Есть ли какой-либо ответ, за который может ухватиться неспециалист, или это одна из тех вещей, как sqrt(-1), которые могут быть только понимаете в области математики? Даже там есть твердое понимание того, что это такое, а не каковы его свойства?
— Майк Коллинз (71 год)
Гвинед, Уэльс

A:

Вы правы, что в целом мы не знаем всех ингредиентов мира. Мы, вероятно, даже не знаем основной формы теории, того, как пространство-время возникает из некоторых более глубоких форм и т. д. Тем не менее, в контексте того, что мы знаем, в магнетизме нет особой тайны. На самом деле магнетизм является частью электрослабой теории, которая является самой известной из имеющихся у нас теорий. Он предсказывает, например, магнетизм электрона с точностью более одной стомиллиардной.

Волны, которые вы упомянули, можно описать как тип поведения нижележащих сред — воды, воздуха и т. д. Однако на более глубоком уровне ингредиенты Вселенной (фотоны, кварки, нейтрино, глюоны…) в настоящее время могут быть описаны только как чистые квантовые волны сами по себе. Фотоны такие же основные, как и любые другие ингредиенты, которые у нас есть.

Возможно, когда-нибудь будут найдены какие-то более глубокие ингредиенты, и все наши нынешние фундаментальные поля частиц будут рассматриваться как возникающие из поведения этой более глубокой теории. Не окажется ли тогда, что более глубокая теория возникнет из еще более глубокой? Будет ли этот паттерн продолжаться вечно или достигнет самого глубокого уровня? Мы не знаем. Пока есть оборванные концы (несоответствие между общей теорией относительности и квантовой теорией поля, темной энергией и темной материей…), мы знаем, что мы не в самом низу стека. Если какая-то точка будет достигнута без основных оборванных концов, то, возможно, мы окажемся на самом глубоком уровне.

Майк В.

(опубликовано 15.06.2017)

Дополнение № 7: необходимы ли магнитные поля?

Q:

Я хотел бы задать, казалось бы, глупый вопрос. Каковы экспериментальные доказательства традиционной идеи магнитных полей? Мы должны помнить, что идея вращающегося перпендикулярного потока была основана на игнорировании магнетизма — орбитальные и вращающиеся электроны были неизвестны 150 лет назад. Я тщетно просил доказательства этого потока. Кажется, это всего лишь догадка, которая превратилась в веру. Предположим, что магниты были неизвестны в то время. Тогда эксперименты с электричеством привели бы к простому закону: одинаковые токи притягиваются, а противоположные токи отталкиваются. Затем этот основной закон объясняет магнетизм, например, выравнивание железных опилок вокруг магнита. Используя принцип Оккама, усложнение циркулирующего перпендикулярного потока кажется неоправданным. (Таким образом, вместо того, чтобы использовать закон Био и Савара для предсказания плотности перпендикулярного потока, можно включить скалярное произведение векторов тока для предсказания силы). Следовательно, магнитные силы просто действуют вдоль прямых линий между движущимися зарядами. Это тот же простой принцип, который работает для электростатических сил между стационарными зарядами. Нам не нужно предполагать, что Вселенная использует два совершенно разных силовых механизма. Движение просто изменяет электростатические силы. Магнитные поля определяются как непрерывные. Таким образом, поле, исходящее от северного конца стержневого магнита, огибает внешнюю сторону магнита к южному полюсу и возвращается через тело магнита обратно к северному полюсу. Теперь представьте себе магнит, сделанный из очень вязкого материала, который позволяет свободно движущемуся северному полюсу дрейфовать внутри него. Этот внутренний северный полюс отталкивается южным полюсом магнита (?) и снова уходит через его северный полюс. Нас всех этому учат, но для меня это не имеет смысла. Мы не должны рассматривать магниты как вечные двигатели. Силы начинаются и заканчиваются в точках: они не вращаются по кругу. Линии потока показывают, как отклоняются магнитные компасы, но ничто не циркулирует, кроме зарядов. Представление о круговых полях, возможно, возникло, когда вокруг проводящего провода были замечены кольца из железных опилок, но это была очень странная идея. Круговое магнитное поле в любой точке определяется как вектор, перпендикулярный создаваемой им магнитной силе. Однако, если вектор представляет что-то, что явно существует, например. физической силы или скорости ветра, ее перпендикулярные составляющие равны нулю, т. е. она не действует в перпендикулярном направлении. Таким образом, мы можем сказать, что циркулирующего магнитного поля, оказывающего наибольшее влияние в перпендикулярном направлении, не существует. Магнитное поле не более загадочно, чем электрическое.
— Эндрю (67 лет)
Шропшир, Англия

A:

Вы правы в том, что силы между классическими течениями с достаточно статичным расположением могут быть выражены непосредственно через течения и смещения между ними. Это не так просто, как электростатика, потому что направление смещения и направления токов входят в несколько сложнее. путь. Но все же в этом случае использование описаний магнитного поля является лишь дополнительным математическим удобством. Как только вы начнете говорить о ускоряет классических зарядов, однако в дело вступают полные уравнения электромагнитного поля. Было бы крайне неудобно описывать электромагнитные волны (например, радиоволны и свет) в обозначениях, основанных на зарядах и токах, потому что эти волны свободно распространяются вдали от любых зарядов и токов.

Как только вы захотите включить квантовые спины, описания, которые не учитывают магнитные поля или даже более абстрактные объекты (векторные потенциалы,. ..), становятся бесполезными. Все практические магнитные материалы включают такие спины.

Майк В.

(опубликовано 26.07.2017)

Дополнение №8: квантовые флуктуации фотоны … постоянно испускаются и повторно поглощаются электроном», но на самом деле мы имеем в виду не это. Две электромагнитно взаимодействующие частицы действительно окружены виртуальным фотонным облаком. атом) это облако совершенно неизменно во времени. Вообще ничего не происходит. Слова о вещах, флуктуирующих вокруг, — грубый способ передать одно из специфических свойств квантовых полей». Как взаимодействие между двумя частицами может привести к состоянию, в котором «вообще ничего не происходит»? Разве физическое взаимодействие не обязательно приводит к каким-то изменениям? Даже в чистом вакууме многое происходит, то есть существуют флуктуации нулевой энергии. Не могли бы вы подробнее рассказать о том, что вы имеете в виду относительно взаимодействий между атомными частицами и виртуальными фотонами в этом смысле? Кроме того, почему используется язык, указывающий на интерактивное движение между частицами («флуктуация вокруг»), если в субатомных облаках, таких как виртуальные фотоны, нет движения, и не могли бы вы более четко объяснить, как физика движения нарушается на субатомном уровне? -атомных масштабах, если это действительно то, что происходит?

— Родри Орденс (33 года)
Дуглас, остров Мэн, Британские острова

A:

Физическое взаимодействие не обязательно означает, что что-то происходит, по крайней мере, в обычном смысле этого слова. Например, представьте себе коробку, стоящую на полу. Коробка и пол, безусловно, взаимодействуют. Но мало что происходит. Ничего не меняется.

«Даже в чистом вакууме многое происходит, т. е. существуют флуктуации нулевой энергии». Это верно в следующем смысле: значения различных полей не фиксируются точно на нуле, а имеют распространяется вокруг этого, точно так же, как распространяется положение волны. Тем не менее, разброс поля не меняется во времени.

Я думаю, что небрежный язык используется, потому что мы инстинктивно пытаемся втиснуть квантовую реальность в классические картинки.

Mike W.

(опубликовано 30.09.2017)

Дополнение №9: предположения об электромагнитном поле

Q:

Прежде всего, существует большая разница между статическими полями и электромагнитной индукцией . Согласно официальной науке, магнетизм является «побочным эффектом» электрического тока, и обе силы (магнитная и электрическая) являются лишь двумя сторонами одной медали (электромагнетизм). Электростатическое и магнитостатическое поля — это два разных аспекта физической материи. Электростатическое поле не влияет на стрелку компаса, но оно влияет на металлы, такие как алюминий, на которые магнитостатическое поле не оказывает видимого действия, но явно влияет на другие магнитные поля. Электростатическое поле создается напряжением между противоположными электрическими зарядами. Электрическая сила «питается» разностью величин, которые стремятся обнулиться, достигнув нейтрального значения, подобно противоположным системам давления воздуха или уровня воды в соединенных емкостях. Вам нужен какой-то дисбаланс нейтральной материи, чтобы сделать ее электрически заряженной, что часто связано с дополнительной работой. Магнитное поле управляется противоположными ориентациями и может создаваться электрически нейтральной материей. Пернаментные магниты не требуют дополнительной работы для создания магнитных полей. Противоположные полярности притягиваются друг к другу, но они не нейтрализуют друг друга — если вы соедините 2 магнита, они будут работать как один магнит, и магнитное поле будет сильнее. Источником электрического поля является электрический заряд субатомной частицы, а источником магнитного поля — ее квантовый спин. это два разных внутренних свойства частицы, и оба одинаково важны … Согласно официальной науке, атомы могут генерировать магнитные поля из-за электронов, которые движутся вокруг ядра, создавая магнитное поле за счет индукции. Проблема в том, что концепция электрона, движущегося по орбите, как планета вокруг звезды, совершенно неверна. Электроны создают облака, в которых их положение, скорость и ориентация квантового спина остаются в постоянной суперпозиции и не определяются до тех пор, пока не будут измерены, поэтому у электронного облака нет абсолютно никакой возможности индуцировать определенное и однородное магнитное поле. И, наконец… Нет. на самом деле известно, что может быть физическим носителем для «виртуальных» силовых линий в пространстве — а статические поля могут взаимодействовать друг с другом на ОГРОМНОМ расстоянии (тысячи световых лет) — так что виртуальные фотоны работать не будут. Однако на «обычные» фотоны никаким видимым образом не влияют электростатические и магнитные поля — поэтому по логике они не могут нести их как отдельные силы. НО все электромагнитные волны включают в себя магнитные и электрические компоненты. Это не более, чем предположение, но МОЖЕТ быть, статические поля действительно могут изменить эти значения и поляризовать свет, что бы превратить его в носитель силовых линий???
— Астрал (возраст 33 года)
Польша

A:

Здесь есть изъян в ваших рассуждениях: «»нормальные» фотоны никаким видимым образом не подвержены влиянию электростатических и магнитных полей — поэтому по логике они не могут их нести , как отдельные силы». Пока уравнения для поля линейны, как и классические электромагнитные уравнения, ни один компонент поля не влияет на поведение любого другого компонента. Таким образом, отсутствие взаимодействия между статическими полями и распространяющимися просто говорит о том, что уравнения линейны, а не о том, могут ли одни и те же фундаментальные типы полей демонстрировать такое разное поведение.

Ваш аргумент о том, что виртуальные фотоны не могут вызывать дальнодействующих (1/квадрат расстояния) статических взаимодействий, неверен. Именно такое поведение ожидается для виртуальной фотонной картины.

Mike W.

(опубликовано 01.11.2017)

Дополнение №10: поляризованный свет и компасы для птиц

Q:

магнитные или электростатические поля. На самом деле, есть недавнее исследование, которое показывает, что «внутренний компас» птиц сходит с ума, когда они подвергаются воздействию поляризованного света: http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/feb/03/polarized -свет-сбрасывает-птиц-магнитный-компас-с курсаГоворят, что поляризованный свет позволяет птицам «воспринимать» местное магнитное поле. Это, вероятно, доказывает, что информация о поле «записывается» в поляризации световой волны…
— Астрал (возраст 33 года)
Польша

A:

Это очень классный результат, убедительно подтверждающий теорию моего покойного коллеги Клауса Шультена об одном способе восприятия птицами магнитных полей. Механизм включает некоторые неравновесные скорости химических реакций, которые в необычайной степени зависят от магнитных полей. Поляризация света служит только для того, чтобы вызвать правильную химию в глазах птиц. Информация о поле вообще отсутствует в световой волне.

Майк В.

(опубликовано 10.11.2017)

Дополнение №11: магнитооптика

Вопрос:

Тогда как насчет магнитооптических датчиков, которые способны фактически визуализировать магнитные поля, используя поляризованные легкий: https://www.rdmag.com/content/new-sensors-optically-visualize-magnet-fields На линейно поляризованный свет воздействуют магнитные поля, и этот эффект можно наблюдать в режиме реального времени. Так что же является в данном случае наиболее очевидным носителем информации о магнитных полях? Фотоны — а точнее магнитная составляющая ЭМ волн. Свойства фотонов определяются источником излучения, как суперпозицией 3-х составляющих (ЭМ и распространения). Линейная поляризация света определяет его распространение — при этом воздействие внешнего поля влияет на электромагнитные составляющие — и этот эффект можно измерить.
— Астрал (возраст 33 года)
Польша

A:

Многие материалы демонстрируют эффекты Фарадея и эффекты Керра — способы, в которых распространение или отражение поляризованного света зависит от магнитного поля на материале. Утверждение, что магнитное поле изменяет оптические свойства материалов, сильно отличается от утверждения, что сами световые волны уже несут информацию об этих статических полях даже в вакууме.

Майк В.

(опубликовано 16.11.2017)

Последующее наблюдение по этому ответу

Связанные вопросы

• Magnetizing Magnets

• Магниты с сигнатурами

• Огромный феррамгнет.

• Влияют ли тепло и холод на магнит?0055

  магниты и гравитация

• Земной магнетизм и гравитация

Все еще любопытно?

Вопросы и ответы по Expore в связанных категориях

• Магниты

5.4 Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле: примеры и приложения

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Описать воздействие магнитного поля на движущийся заряд
• Рассчитать радиус кривизны пути заряда, движущегося в магнитном поле

Информация, представленная в этом разделе, поддерживает следующие цели обучения и научные практики AP®:

• 3. C.3.1 Учащийся может использовать правила правой руки для анализа ситуации, включающей проводник с током и движущийся электрически заряженный объект, чтобы определить направление магнитной силы, действующей на заряженный объект из-за магнитное поле, создаваемое проводником с током. (СП 1.4)

Магнитная сила может заставить заряженную частицу двигаться по круговой или спиральной траектории. Космические лучи — это энергичные заряженные частицы в космическом пространстве, некоторые из которых приближаются к Земле. Магнитное поле Земли может заставить их двигаться по спирали. Протоны в гигантских ускорителях удерживаются на круговой траектории благодаря магнитной силе. Фотография пузырьковой камеры на рис. 5.11 показывает заряженные частицы, движущиеся по таким изогнутым траекториям. Искривленные траектории заряженных частиц в магнитных полях лежат в основе ряда явлений и даже могут использоваться аналитически, например, в масс-спектрометре.

Рис. 5.11. Следы пузырьков образуются заряженными частицами высокой энергии, движущимися через перегретый жидкий водород в этом художественном исполнении пузырьковой камеры. Существует сильное магнитное поле, перпендикулярное странице, что приводит к искривлению траекторий частиц. Радиус пути можно использовать для определения массы, заряда и энергии частицы.

Значит, магнитная сила вызывает круговое движение? Магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому на заряженную частицу она не действует. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Направление движения влияет, но не скорость. Это характерно для равномерного кругового движения. Простейший случай имеет место, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородному полю размером 12{B} {} B-B, как показано на рис. 5.12. (Если это происходит в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение.) Здесь магнитная сила создает центростремительную силу Fc=mv2/r. Fc=mv2/r.size 12{F rSub { size 8 {c} } = ital «mv» rSup { size 8{2} } /r} {} Заметив, что sinθ=1,sinθ=1,size 12{«sin»θ=1} {} мы видим, что F=qvB .F=qvB.size 12{F= ital «qvB»} {}

Рис. 5.12 Отрицательно заряженная частица движется в плоскости страницы в области, где магнитное поле перпендикулярно странице (представлено маленькими кружками с крестиком — как хвосты стрелок). Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине. Результат равномерного кругового движения.

Поскольку магнитная сила FF размера 12{F} {} обеспечивает центростремительную силу Fc,Fc,размер 12{F rSub {размер 8{c} } } {}, мы имеем

5.6 qvB=mv2r.qvB=mv2r. size 12{ ital «qvB»= { { ital «mv» rSup { size 8{2} } } over {r} } «.» } {}

Решение для размера rr 12{r} {} дает

5,7 r=mvqB.r=mvqB. size 12{r= { { ital «mv»} over { ital «qB»} } «.» } {}

Здесь rr размер 12{r} {} — радиус кривизны пути заряженной частицы с массой мм размером 12{m} {} и зарядом q,q,размером 12{q} {} движущегося со скоростью vv размером 12{v} {} перпендикулярно магнитному полю напряженностью B. B.size 12{B} {} Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то vv размером 12{v} {} является составляющей скорости перпендикулярно полю. Составляющая скорости, параллельная полю, не изменяется, потому что магнитная сила равна нулю для движения, параллельного полю. Это создает спиральное движение, а не круговое.

Пример 5.2 Расчет кривизны пути электрона, движущегося в магнитном поле: магнит на экране телевизора

Магнит, поднесенный к старомодному экрану телевизора, как на рис. 5.13 (телевизоры с электронно-лучевыми трубками вместо ЖК-экранов) сильно искажает его изображение, изменяя путь электронов, которые заставляют его люминофоры светиться. (Не пытайтесь повторить это дома, так как это приведет к необратимому намагничиванию и повреждению телевизора.) Чтобы проиллюстрировать это, рассчитайте радиус кривизны пути электрона, имеющего скорость 6,00×107 м/с6,00 ×107 м/с размер 12{6 «.» «00» умножить на «10» rSup { размер 8{7} } `»м/с»} {} (соответствует ускоряющему напряжению около 10,0 кВ, используемому в некоторых телевизорах) перпендикулярно магнитному полю напряженностью B=0,500 ТБ =0,500 T размер 12{B=0 «. » «500» T} {} (доступно с постоянными магнитами).

Рисунок 5.13 Вид сбоку, показывающий, что происходит, когда магнит входит в контакт с монитором компьютера или экраном телевизора. Электроны движутся к экрану по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, сохраняя составляющую своей скорости, параллельную силовым линиям. Это искажает изображение на экране.

Стратегия

Радиус кривизны rr можно найти непосредственно из уравнения r=mvqB,r=mvqB, так как все остальные величины в нем заданы или известны.

Solution

Использование известных значений массы и заряда электрона вместе с заданными значениями размера vv 12{v} {} и размера BB 12{B} {} дает нам

5,8 r=mvqB=9,11 ×10−31кг6,00×107м/с1,60×10−19C0,500T=6,83×10−4mr=mvqB=9,11×10−31кг6,00×107м/с1,60×10−19C0,500T=6,83×10 −4malignl { stack { size 12 {r = { { ital «mv»} over { ital «qB»} } = { { left (9 «.» «11» умножить на «10» rSup { size 8{ — «31» } } `»кг» вправо ) влево (6 «. » «00» раз «10» rSup { размер 8{7} } `»м/с» вправо )} над { влево (1 «.» «60» раз «10» rSup {размер 8{-«19»} } `C справа ) слева (0 «.» «500»`T справа )} } } {} # =6 «.» «83» умножить на «10» rSup { size 8{ — 4} } `m { } } } {}

или

5,9 r=0,683 мм.r=0,683 мм Размер 12{r=0 «.» «683»» мм»} {}

Обсуждение

Малый радиус указывает

Рисунок 5.14 показывает, как электроны в кинескопе телевизора движутся по очень узким кругам, сильно меняя траектории и искажая изображение

На рис. скорость, параллельная линиям, не изменяется, и поэтому заряды закручиваются вдоль силовых линий. Если напряженность поля увеличивается в направлении движения, поле будет оказывать силу, замедляющую заряды, образуя своего рода магнитное зеркало, как показано ниже.

Рис. 5.14 Когда заряженная частица движется вдоль силовой линии магнитного поля в область, где поле становится сильнее, на частицу действует сила, уменьшающая составляющую скорости, параллельную полю. Эта сила замедляет движение вдоль силовой линии и здесь меняет его направление, образуя магнитное зеркало .

Свойства заряженных частиц в магнитных полях связаны с такими разными вещами, как Aurora Australis или Aurora Borealis и ускорителями частиц. Заряженные частицы, приближающиеся к силовым линиям магнитного поля, могут попасть в ловушку на спиральных орбитах вокруг линий, а не пересекать их , как показано выше. Некоторые космические лучи, например, следуют линиям магнитного поля Земли, проникая в атмосферу вблизи магнитных полюсов и вызывая южное или северное сияние за счет ионизации молекул в атмосфере. Это свечение возбужденных атомов и молекул видно на рис. 5.1. Те частицы, которые приближаются к средним широтам, должны пересекать силовые линии магнитного поля, и многие из них не могут проникнуть в атмосферу. Космические лучи являются компонентом фонового излучения; следовательно, они дают более высокую дозу радиации на полюсах, чем на экваторе.

Рис. 5.15 Энергичные электроны и протоны, составляющие космические лучи, исходящие от Солнца и глубокого космоса, часто следуют за силовыми линиями магнитного поля Земли, а не пересекают их. (Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения стержневого магнита.)

Некоторые прилетающие заряженные частицы захватываются магнитным полем Земли, образуя два пояса над атмосферой, известные как радиационные пояса Ван Аллена в честь первооткрывателя Джеймса. А. Ван Аллен, американский астрофизик. (См. рис. 5.16.) Частицы, попавшие в эти пояса, образуют радиационные поля (аналогичные ядерному излучению) настолько интенсивные, что пилотируемые космические полеты избегают их, а спутники с чувствительной электроникой не попадают в них. За несколько минут, которые потребовались лунным миссиям для пересечения радиационных поясов Ван Аллена, астронавты получили дозы радиации, более чем в два раза превышающие допустимую годовую дозу для радиационных работников. Подобные пояса есть и у других планет, особенно у тех, у которых сильные магнитные поля, как у Юпитера.

Рис. 5.16 Радиационные пояса Ван Аллена представляют собой две области, в которых энергичные заряженные частицы захватываются магнитным полем Земли. Один пояс лежит на высоте около 300 км над поверхностью Земли, другой — на высоте около 16 000 км. Заряженные частицы в этих поясах мигрируют вдоль силовых линий магнитного поля и частично отражаются от полюсов более сильными там полями. Заряженные частицы, попадающие в атмосферу, восполняются солнцем и источниками в глубоком космосе.

На Земле у нас есть устройства, использующие магнитные поля для удержания заряженных частиц. Среди них гигантские ускорители частиц, которые использовались для изучения субструктуры материи. (См. рис. 5.17.) Магнитные поля не только контролируют направление заряженных частиц, они также используются для фокусировки частиц в пучки и преодоления отталкивания одноименных зарядов в этих пучках.

Рис. 5.17 В лаборатории Фермилаб в Иллинойсе есть большой ускоритель частиц (самый мощный в мире до 2008 г.), который использует магнитные поля (магниты здесь выделены оранжевым цветом) для сдерживания и направления луча. Этот и другие ускорители используются уже несколько десятилетий и позволили нам открыть некоторые законы, лежащие в основе всей материи. (ammcrim, Flickr)

Термоядерный синтез (подобный происходящему на Солнце) — это надежда на будущий источник чистой энергии. Одним из самых перспективных устройств является 9Токамак 0536 , который использует магнитные поля для удержания (или улавливания) и направления реактивных заряженных частиц. (См. рис. 5.18.) Менее экзотические, но более практичные усилители в микроволновых печах используют магнитное поле для сдерживания колеблющихся электронов. Эти колеблющиеся электроны генерируют микроволны, направляемые в духовку.

Рис. 5.18 Токамаки, подобные показанному на рисунке, изучаются с целью экономичного производства энергии путем ядерного синтеза.