Jak przedstawiono graficznie linie indukcji magnetycznej. Indukcja pola magnetycznego

« Fizyka - klasa 11"

Pole elektryczne charakteryzuje się siłą pola elektrycznego.
Natężenie pola elektrycznego jest wielkością wektorową. Pole magnetyczne charakteryzuje się indukcją magnetyczną.
Indukcja magnetyczna jest wielkością wektorową, oznaczoną literą.

Kierunek wektora indukcji magnetycznej

Kierunek wektora indukcji magnetycznej przyjmuje się jako kierunek, który wskazuje biegun północny N igły magnetycznej, która jest swobodnie zainstalowana w polu magnetycznym.

Kierunek ten pokrywa się z kierunkiem dodatniej normalnej do zamkniętej pętli z prądem.

Za pomocą ramki z prądem lub strzałką magnetyczną można określić kierunek wektora indukcji magnetycznej w dowolnym punkcie pola.
W polu magnetycznym prostego przewodnika z prądem igła magnetyczna w każdym punkcie jest ustawiona stycznie do okręgu, którego płaszczyzna jest prostopadła do drutu, a jej środek leży na osi drutu.

Zasada świderka

Kierunek wektora indukcji magnetycznej ustala się za pomocą reguły gimbala.

Jeżeli kierunek ruchu translacyjnego gimbala pokrywa się z kierunkiem prądu w przewodzie, to kierunek obrotu uchwytu gimbala wskazuje kierunek wektora indukcji magnetycznej

Linie indukcyjne magnetyczne

Pole magnetyczne można pokazać za pomocą linii indukcji magnetycznej.
Linie indukcji magnetycznej nazywane są liniami, stycznymi, do których w dowolnym punkcie pokrywają się z wektorem w danym punkcie pola. Linie wektora indukcji magnetycznej są podobne do linii wektora natężenia pola elektrostatycznego.

Linie indukcji magnetycznej można uwidocznić za pomocą opiłków żelaza.

Pole magnetyczne przewodu prostego z prądem

W przypadku prostego przewodnika z prądem linie indukcji magnetycznej są koncentrycznymi okręgami leżącymi w płaszczyźnie prostopadłej do tego przewodnika z prądem. Środek kółek znajduje się na osi przewodnika. Strzałki na liniach wskazują, w którym kierunku skierowany jest wektor indukcji magnetycznej stycznej do tej linii.

Pole magnetyczne cewki z prądem (elektromagnes)

Jeśli długość elektrozaworu jest znacznie większa niż jego średnica, można wziąć pod uwagę pole magnetyczne wewnątrz elektrozaworu jednorodny.
Linie indukcji magnetycznej takiego pola równolegle i znajdują się w równych odległościach od siebie.

Pole magnetyczne Ziemi

Linie indukcji magnetycznej ziemskiego pola są podobne do linii indukcji magnetycznej pola elektromagnetycznego.
Oś magnetyczna Ziemi tworzy kąt 11,5° z osią obrotu Ziemi.
Okresowo bieguny magnetyczne zmieniają swoją polaryzację.

Pole wirowe

Linie siły pola elektrostatycznego zawsze mają swoje źródła: zaczynają się od ładunków dodatnich, a kończą na ujemnych.
A linie indukcji magnetycznej nie mają początku ani końca, zawsze są zamknięte.
Pola z zamkniętymi liniami wektorowymi są nazywane wir.
Pole magnetyczne jest polem wirowym.
Pole magnetyczne nie ma źródeł.
Ładunki magnetyczne podobne do elektrycznych nie istnieją w przyrodzie.

więc, pole magnetyczne jest polem wirowym, w każdym z jego punktów wektor indukcji magnetycznej jest oznaczony strzałką magnetyczną, kierunek wektora indukcji magnetycznej można określić za pomocą reguły

Do wizualnej reprezentacji pola magnetycznego stosuje się linie indukcji magnetycznej. Linia indukcji magnetycznej nazywana jest linią, w której w każdym punkcie indukcja pola magnetycznego (wektor) jest skierowana stycznie do krzywej. Kierunek tych linii jest taki sam jak kierunek pola. Uzgodniono, że linie indukcji magnetycznej należy narysować tak, aby liczba tych linii na jednostkę powierzchni terenu, prostopadłą do nich, była równa modułowi indukcji w danym obszarze pola. Następnie w polu magnetycznym ocenia się gęstość linii indukcji magnetycznej. Tam, gdzie linie są gęstsze, moduł pola magnetycznego jest większy. Linie indukcyjne magnetyczne są zawsze zamknięte w odróżnieniu linie natężenia pola elektrostatycznego które są otwarte (początek i koniec na opłatach). Kierunek linii indukcji magnetycznej znajduje się zgodnie z regułą prawej śruby: jeżeli ruch translacyjny śruby pokrywa się z kierunkiem prądu, wówczas jego obrót następuje w kierunku linii indukcji magnetycznej. Jako przykład podamy obraz linii indukcji magnetycznej prądu stałego płynącego prostopadle do płaszczyzny rysunku od nas do rysowania (ryc. 2).

Figa. 3

Znajdźmy cyrkulację indukcji pola magnetycznego po okręgu o dowolnym promieniu za pokrywające się z linią indukcji magnetycznej. Pole jest tworzone przez prąd z siłą ja płynący wzdłuż nieskończenie długiego przewodu umieszczonego prostopadle do płaszczyzny rysunku (ryc. 3). Indukcja pola magnetycznego skierowana jest stycznie do linii indukcji magnetycznej. Przekształćmy to wyrażenie, ponieważ a = 0 i cosa = 1. Indukcję pola magnetycznego wytworzonego przez prąd płynący przez nieskończenie długi przewodnik obliczamy ze wzoru: B = m0m JA /(2p za), następnie Obieg wektora wzdłuż tego konturu określa wzór (3): m 0 m ja, tak jak - obwód. Więc, Można wykazać, że zależność ta obowiązuje dla obwodu o dowolnym kształcie, pokrywającego prądem przewodnik. Jeśli pole magnetyczne jest tworzone przez układ prądów ja 1, ja 2, ... , ja n, to cyrkulacja indukcji pola magnetycznego w zamkniętej pętli obejmującej te prądy wynosi

(4)

Relacja (4) to prawo prądu całkowitego: cyrkulacja indukcji pola magnetycznego wzdłuż dowolnej zamkniętej pętli jest równa iloczynowi stałej magnetycznej, przenikalności magnetycznej przez sumę algebraiczną sił prądów objętych tą pętlą.

Aktualną siłę można znaleźć za pomocą gęstości prądu jot: gdzie S to pole przekroju przewodnika. Następnie całkowite obecne prawo jest zapisane w postaci

(5)

STRUMIEŃ MAGNETYCZNY.

Analogicznie do przepływu natężenia pola elektrycznego wprowadza się strumień indukcji pola magnetycznego lub strumień magnetyczny. Strumień magnetyczny przez pewną powierzchnię nazywana jest liczbą przechodzących przez nią linii indukcji magnetycznej. Niech w niejednorodnym polu magnetycznym pojawi się powierzchnia o powierzchni S... Aby znaleźć przepływ magnetyczny przez nią, w myślach dzielimy powierzchnię na elementarne sekcje o powierzchni dS, które można uznać za płaskie, a pole w ich obrębie jest jednolite (ryc. 4). Następnie elementarny strumień magnetyczny dF B przez tę powierzchnię jest równe: dF b = B dS bo a = B nie dS gdzie b jest modułem indukcji pola magnetycznego w danym miejscu, a jest kątem między wektorem a normalną do tego miejsca, b nie = B cos a jest rzutem indukcji pola magnetycznego na kierunek normalny. Strumień magnetyczny fa B na całej powierzchni jest równe sumie tych przepływów dF B, czyli

Figa. cztery

(6)

ponieważ sumowanie nieskończenie małych wielkości jest całkowaniem.

W jednostkach SI strumień magnetyczny jest mierzony w Weber (Wb). 1 Wb = 1 T · 1 m2.

TWIERDZENIE GAUSS DLA POLA MAGNETYCZNEGO

W elektrodynamice udowodniono następujące twierdzenie: strumień magnetyczny przenikający dowolnie zamkniętą powierzchnię wynosi zero , czyli

Ten stosunek nazywa się Twierdzenie Gaussa dla pola magnetycznego. Twierdzenie to wynika z faktu, że w przyrodzie nie ma „ładunków magnetycznych” (w przeciwieństwie do elektrycznych), a linie indukcji magnetycznej są zawsze zamknięte (w przeciwieństwie do linii natężenia pola elektrostatycznego, które zaczynają się i kończą z ładunkami elektrycznymi).

PRACA W PORUSZANIU PRZEWODNIKA Z PRĄDEM W POLU MAGNETYCZNYM

–

Figa. pięć

Wiadomo, że siła Ampera działa na przewodnik z prądem w polu magnetycznym. Jeśli przewodnik się porusza, to kiedy się porusza, ta siła działa. Zdefiniujmy to dla konkretnego przypadku. Rozważ obwód elektryczny, jedną z sekcji DC które mogą ślizgać się (bez tarcia) na stykach. Łańcuch tworzy wtedy płaski kontur. Ten kontur znajduje się w jednolitym polu magnetycznym z indukcją prostopadłą do płaszczyzny konturu, skierowaną na nas (ryc. 5). Do strony DC Siła Ampera działa,

F = BIl Synaj = BIl, (8)

Gdzie ja- długość odcinka, ja- siła prądu płynącego przez przewodnik. - kąt między kierunkami prądu i pola magnetycznego. (W tym przypadku a = 90 ° i grzech a = 1). Kierunek siły znajdujemy za pomocą reguły lewej ręki. Przenosząc paczkę DC na elementarną odległość dx elementarna praca została wykonana dA równy dA = F dx... Biorąc pod uwagę (8), otrzymujemy:

dA = BIl dx = IB dS = I dF B, (9)

o ile dS = l dx- obszar opisany przez przewodnika podczas jego ruchu, dF b = B dS- strumień magnetyczny przez ten obszar lub zmiana strumienia magnetycznego przez obszar płaskiej zamkniętej pętli. Wyrażenie (9) obowiązuje również dla niejednorodnego pola magnetycznego. W ten sposób, praca polegająca na przesuwaniu zamkniętej pętli ze stałym prądem w polu magnetycznym jest równa iloczynowi natężenia prądu i zmiany strumienia magnetycznego przez obszar tej pętli.

ZJAWISKO INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej wygląda następująco: przy każdej zmianie strumienia magnetycznego przenikającego obszar objęty obwodem przewodzącym powstaje w nim siła elektromotoryczna. Nazywają ją emf indukcja ... Jeśli obwód jest zamknięty, to pod działaniem emf pojawia się prąd elektryczny, zwany indukcja .

Rozważ jeden z eksperymentów przeprowadzonych przez Faradaya w celu wykrycia prądu indukcyjnego, a tym samym emf. indukcja. Jeżeli magnes zostanie włożony lub wysunięty do elektromagnesu blisko bardzo czułego elektrycznego urządzenia pomiarowego (galwanometru) (rys. 6), to podczas ruchu magnesu obserwuje się wygięcie igły galwanometru, wskazujące na wystąpienie prądu indukcyjnego. To samo obserwuje się, gdy solenoid porusza się względem magnesu. Jeżeli magnes i elektromagnes są nieruchome względem siebie, to prąd indukcyjny nie powstaje. Tak więc przy wzajemnym ruchu tych ciał następuje zmiana strumienia magnetycznego wytworzonego przez pole magnetyczne magnesu przez zwoje elektromagnesu, co prowadzi do pojawienia się prądu indukcyjnego wywołanego przez pojawiające się emf. indukcja.

Figa. 6

ZASADA LENTZA

Określa się kierunek prądu indukcyjnego Zasada Lenza :prąd indukcyjny ma zawsze taki kierunek, że wytworzone przez niego pole magnetyczne zapobiega zmianie strumienia magnetycznego, który powoduje ten prąd... Wynika z tego, że wraz ze wzrostem strumienia magnetycznego wynikowy prąd indukcyjny będzie miał taki kierunek, że generowane przez niego pole magnetyczne będzie skierowane w kierunku pola zewnętrznego, przeciwstawiając się wzrostowi strumienia magnetycznego. Przeciwnie, zmniejszenie strumienia magnetycznego prowadzi do pojawienia się prądu indukcyjnego, który wytwarza pole magnetyczne, które pokrywa się z polem zewnętrznym.

ja ja

Figa. 7

Niech na przykład w jednolitym polu magnetycznym znajduje się kwadratowa rama wykonana z metalu i przeszyta polem magnetycznym (ryc. 7). Załóżmy, że pole magnetyczne rośnie. Prowadzi to do wzrostu strumienia magnetycznego w obszarze ramy. Zgodnie z regułą Lenza, pole magnetyczne powstałego prądu indukcyjnego będzie skierowane przeciwko polu zewnętrznemu, tj. wektor tego pola jest przeciwny do wektora. Stosując zasadę właściwej śruby (jeśli śruba obraca się tak, że jej ruch postępowy pokrywa się z kierunkiem pola magnetycznego, to jej ruch obrotowy daje kierunek prądu), znajdujemy kierunek prądu indukcyjnego II.

PRAWO INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ.

Prawo indukcji elektromagnetycznej, które określa powstające emf, zostało odkryte eksperymentalnie przez Faradaya. Można to jednak uzyskać w oparciu o prawo zachowania energii.

Wróćmy do obwodu elektrycznego pokazanego na ryc. 5 umieszczony w polu magnetycznym. Znajdźmy pracę wykonaną przez bieżące źródło za pomocą emf. mi na elementarny okres czasu dt, podczas przemieszczania ładunków wzdłuż łańcucha. Z definicji emf Praca dA siły boczne są równe: dA strona = e dq gdzie dq- ilość ładunku przepływającego przez obwód podczas dt... Ale dq = ja dt gdzie ja jest prądem w obwodzie. Następnie

dA strona = e ja dt. (10)

Praca obecnego źródła jest poświęcana na uwolnienie pewnej ilości ciepła dQ i do pracy dA poruszając dyrygentem DC w polu magnetycznym. Zgodnie z prawem zachowania energii równość musi być spełniona

dA strona = dQ + dA.(11)

Z prawa Joule-Lenza piszemy:

dQ = I 2R dt, (12)

Gdzie R jest całkowitym oporem tego obwodu, a z wyrażenia (9)

dA = ja dF B, (13)

Gdzie dF B- zmiana strumienia magnetycznego przez obszar zamkniętej pętli, gdy przewodnik się porusza. Podstawiając wyrażenia (10), (12) i (13) do wzoru (12), po redukcji przez ja, dostajemy mi· dt = IR dt + dФ B. Dzieląc obie strony tej równości przez dt, znaleźliśmy: ja = (e- Z tego wyrażenia wynika, że w obwodzie oprócz emf. mi, niektóre inne działania siły elektromotorycznej ei równy

(14)

oraz ze względu na zmianę strumienia magnetycznego penetrującego obszar obwodu. Ten emf i jest emf indukcja elektromagnetyczna lub krótko emf indukcja. Relacja (14) to prawo indukcji elektromagnetycznej który jest sformułowany: emf indukcja w obwodzie jest równa szybkości zmiany strumienia magnetycznego penetrującego obszar objęty tym obwodem. Znak minus we wzorze (14) jest matematycznym wyrażeniem reguły Lenza.

Nie możemy zobaczyć pola magnetycznego, jednak dla lepszego zrozumienia zjawisk magnetycznych ważne jest, aby nauczyć się je przedstawiać. Pomogą w tym strzałki magnetyczne. Każda taka strzała jest małym magnesem trwałym, który łatwo obraca się w płaszczyźnie poziomej (ryc. 2.1). Z tego paragrafu dowiesz się, jak graficznie przedstawiane jest pole magnetyczne i jaka wielkość fizyczna je charakteryzuje.

Figa. 2.2. W polu magnetycznym strzałki magnetyczne są zorientowane w określony sposób: biegun północny strzałki wskazuje kierunek wektora indukcji magnetycznej w danym punkcie

Badamy siłę charakterystyczną dla pola magnetycznego

Jeśli naładowana cząsteczka porusza się w polu magnetycznym, to pole będzie oddziaływać na cząsteczkę z pewną siłą. Wartość tej siły zależy od ładunku cząstki, kierunku i wartości prędkości jej ruchu, a także od siły pola.

Cechą charakterystyczną pola magnetycznego jest indukcja magnetyczna.

Indukcja magnetyczna (indukcja pola magnetycznego) jest wektorową wielkością fizyczną charakteryzującą efekt siły pola magnetycznego.

Indukcja magnetyczna jest oznaczona symbolem B.

Jednostką indukcji magnetycznej w układzie SI jest tesla; nazwany na cześć serbskiego fizyka Nikoli Tesli (1856-1943):

Kierunek wektora indukcji magnetycznej w danym punkcie pola magnetycznego przyjmuje się jako kierunek wskazany przez biegun północny igły magnetycznej zainstalowanej w tym punkcie (rys. 2.2).

Uwaga! Kierunek siły, z jaką pole magnetyczne działa na poruszające się naładowane cząstki lub przewodnik z prądem lub na igłę magnetyczną, nie pokrywa się z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej.

Linie magnetyczne:

Figa. 2.3. Linie pola magnetycznego magnesu taśmowego

Na zewnątrz magnesu opuszczają północny biegun magnesu i wchodzą do bieguna południowego;

Zawsze zamknięte (pole magnetyczne jest polem wirowym);

Najgęściej położony na biegunach magnesu;

Nigdy się nie przecinają

Przedstawianie pola magnetycznego

Na ryc. 2.2 widzimy, jak strzałki magnetyczne są zorientowane w polu magnetycznym: ich osie wydają się tworzyć linie, a wektor indukcji magnetycznej w każdym punkcie jest skierowany wzdłuż stycznej do linii przechodzącej przez ten punkt.

Za pomocą linii magnetycznych pola magnetyczne są przedstawione graficznie:

1) kierunek wektora indukcji magnetycznej przyjmuje się jako kierunek linii indukcji magnetycznej w danym punkcie;

Figa. 2.4. Łańcuchy opiłków żelaza odtwarzają wzór linii indukcji magnetycznej pola magnetycznego magnesu podkowy

2) im większy moduł indukcji magnetycznej, tym bliżej siebie przyciągają linie magnetyczne.

Po rozważeniu graficznej reprezentacji pola magnetycznego magnesu paskowego można wyciągnąć pewne wnioski (patrz ryc. 2.3).

Zauważ, że te wnioski dotyczą linii magnetycznych dowolnego magnesu.

Jaki jest kierunek linii magnetycznych wewnątrz paska magnetycznego?

Wzór linii magnetycznych można odtworzyć za pomocą opiłków żelaza.

Weź magnes w kształcie podkowy, połóż na nim płytkę z pleksiglasu i przełóż żelazne opiłki na płytkę przez sitko. W polu magnetycznym każdy kawałek żelaza zostanie namagnesowany i zamieni się w małą "strzałkę magnetyczną". Zaimprowizowane „strzałki” zorientują się wzdłuż linii magnetycznych pola magnetycznego magnesu (ryc. 2.4).

Narysuj obraz linii magnetycznych pola magnetycznego magnesu-podkowy.

Dowiedz się o jednolitym polu magnetycznym

Pole magnetyczne w pewnej części przestrzeni nazywamy jednorodnym, jeśli w każdym jego punkcie wektory indukcji magnetycznej są takie same zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku (rys. 2.5).

W obszarach, w których pole magnetyczne jest jednorodne, linie indukcji magnetycznej są równoległe i znajdują się w tej samej odległości od siebie (ryc. 2.5, 2.6). Zwyczajowo przedstawia się linie magnetyczne jednolitego pola magnetycznego skierowane w naszą stronę kropkami (ryc. 2.7, a) - wydaje się, że widzimy „groty strzałek” lecące w naszym kierunku. Jeśli linie magnetyczne są skierowane od nas, to są reprezentowane przez krzyże - wydaje się, że widzimy lecące od nas „pióra strzał” (ryc. 2.7, b).

W większości przypadków mamy do czynienia z niejednorodnym polem magnetycznym – polem w różnych punktach, którego wektory indukcji magnetycznej mają różne wartości i kierunki. Linie magnetyczne takiego pola są zakrzywione, a ich gęstość jest inna.

Figa. 2.6. Pole magnetyczne wewnątrz magnesu paskowego (a) i między dwoma magnesami zwróconymi do siebie o przeciwnych biegunach (b) można uznać za jednolite

Badanie pola magnetycznego Ziemi

Do badania magnetyzmu ziemskiego William Hilbert wykonał magnes trwały w postaci kuli (model Ziemi). Umieszczając kompas na kuli zauważył, że igła kompasu zachowuje się tak samo, jak na powierzchni Ziemi.

Eksperymenty pozwoliły naukowcowi zasugerować, że Ziemia jest ogromnym magnesem, a jej południowy biegun magnetyczny znajduje się na północy naszej planety. Dalsze badania potwierdziły hipotezę W. Hilberta.

Na ryc. 2.8 przedstawia obraz linii indukcji magnetycznej ziemskiego pola magnetycznego.

rys. 4 2.7. Obraz linii indukcji magnetycznej jednolitego pola magnetycznego, które są prostopadłe do płaszczyzny figury i skierowane do nas (a); odebrane od nas (b)

Wyobraź sobie, że idziesz w kierunku bieguna północnego, kierując się dokładnie w kierunku wskazywanym przez igłę kompasu. Czy dotrzesz do celu?

Linie indukcji magnetycznej pola magnetycznego Ziemi nie są równoległe do jej powierzchni. Jeśli zamocujesz igłę magnetyczną w gimbalu, to znaczy tak, aby mogła się swobodnie obracać zarówno w poziomie, jak i

Figa. 2.8. Układ linii magnetycznych pola magnetycznego planety Ziemia

a wokół osi pionowych strzałka zostanie ustawiona pod kątem do powierzchni Ziemi (ryc. 2.9).

Jak igła magnetyczna będzie znajdować się w urządzeniu na ryc. 2,9 w pobliżu północnego bieguna magnetycznego Ziemi? w pobliżu południowego bieguna magnetycznego Ziemi?

Pole magnetyczne Ziemi od dawna pomaga nawigować podróżnym, żeglarzom, wojsku i innym. Udowodniono, że ryby, ssaki morskie i ptaki kierują się podczas wędrówek polem magnetycznym Ziemi. Niektóre zwierzęta, takie jak koty, są również zorientowane w poszukiwaniu drogi do domu.

Nauka o burzach magnetycznych

Badania wykazały, że w każdym miejscu pole magnetyczne Ziemi zmienia się okresowo każdego dnia. Ponadto w ziemskim polu magnetycznym występują niewielkie roczne zmiany. Jednak zachodzą w nim również gwałtowne zmiany. Silne zaburzenia pola magnetycznego Ziemi, które obejmują całą planetę i trwają od jednego do kilku dni, nazywane są burzami magnetycznymi. Zdrowi ludzie praktycznie ich nie odczuwają, ale u tych, którzy mają choroby układu krążenia i choroby układu nerwowego, burze magnetyczne powodują pogorszenie samopoczucia.

Pole magnetyczne Ziemi jest rodzajem „tarczy”, która chroni naszą planetę przed naładowanymi cząsteczkami lecącymi z kosmosu, głównie ze Słońca („wiatr słoneczny”). W pobliżu biegunów magnetycznych strumienie cząstek lecą raczej blisko ziemskiej atmosfery. Wraz ze wzrostem aktywności słonecznej cząstki kosmiczne wpadają w górne warstwy atmosfery i jonizują cząsteczki gazu - na Ziemi obserwuje się zorze (ryc. 2.10).

Podsumowując

Indukcja magnetyczna B jest wektorową wielkością fizyczną charakteryzującą silne działanie pola magnetycznego. Kierunek wektora indukcji magnetycznej pokrywa się z kierunkiem, na który wskazuje biegun północny igły magnetycznej. Jednostką indukcji magnetycznej w układzie SI jest tesla (T).

Warunkowe linie skierowane, w każdym punkcie, w którym styczna pokrywa się z linią, wzdłuż której skierowany jest wektor indukcji magnetycznej, nazywane są liniami indukcji magnetycznej lub liniami magnetycznymi.

Linie indukcji magnetycznej są zawsze zamknięte, poza magnesem wychodzą z północnego bieguna magnesu i wchodzą na południe, są gęściej zlokalizowane w tych obszarach pola magnetycznego, gdzie moduł indukcji magnetycznej jest większy.

Planeta Ziemia ma pole magnetyczne. W pobliżu północnego bieguna geograficznego Ziemi znajduje się jej południowy biegun magnetyczny, w pobliżu południowego bieguna geograficznego - północny biegun magnetyczny.

Pytania kontrolne

1. Podaj definicję indukcji magnetycznej. 2. Jak skierowany jest wektor indukcji magnetycznej? 3. Jaka jest jednostka indukcji magnetycznej w układzie SI? Od kogo jest nazwany? 4. Podaj definicję linii indukcji magnetycznej. 5. Jaki kierunek przyjmuje się jako kierunek linii magnetycznych? 6. Od czego zależy gęstość linii magnetycznych? 7. Jakie pole magnetyczne nazywa się jednorodnym? 8. Udowodnij, że Ziemia ma pole magnetyczne. 9. Jak położone są bieguny magnetyczne Ziemi w stosunku do biegunów geograficznych? 10. Czym są burze magnetyczne? Jak wpływają na osobę?

Ćwiczenie nr 2

1. Na ryc. 1 pokazuje linie indukcji magnetycznej w pewnym obszarze pola magnetycznego. Dla każdego przypadku a-c należy określić: 1) które to pole - jednorodne czy niejednorodne; 2) kierunek wektora indukcji magnetycznej w punktach A i B pola; 3) w którym punkcie - A lub B - indukcja magnetyczna pola jest większa.

2. Dlaczego stalowa kratka okienna może się z czasem namagnesować?

3. Na ryc. 2 przedstawia linie pola magnetycznego wytworzonego przez dwa identyczne magnesy trwałe zwrócone do siebie tymi samymi biegunami.

1) Czy w punkcie A występuje pole magnetyczne?

2) Jaki jest kierunek wektora indukcji magnetycznej w punkcie B? w punkcie C?

3) W którym momencie - A, B lub C - indukcja magnetyczna pola jest najwyższa?

4) Jaki jest kierunek wektorów indukcji magnetycznej wewnątrz magnesów?

4. Wcześniej, podczas wypraw na Biegun Północny, pojawiły się trudności w określeniu kierunku ruchu, ponieważ w pobliżu bieguna prawie nie działały zwykłe kompasy. Dlaczego myślisz?

5. Skorzystaj z dodatkowych źródeł informacji i dowiedz się, jakie znaczenie ma pole magnetyczne dla życia na naszej planecie. Co by się stało, gdyby pole magnetyczne Ziemi nagle zniknęło?

6. Istnieją obszary powierzchni ziemi, w których indukcja magnetyczna ziemskiego pola magnetycznego jest znacznie większa niż na obszarach sąsiednich. Skorzystaj z dodatkowych źródeł informacji i dowiedz się więcej o anomaliach magnetycznych.

7. Wyjaśnij, dlaczego każde nienaładowane ciało jest zawsze przyciągane do ciała, które ma ładunek elektryczny.

To jest materiał instruktażowy

Już w VI wieku. PNE. w Chinach wiedziano, że niektóre rudy mają zdolność przyciągania się nawzajem i przyciągania przedmiotów żelaznych. Kawałki takich rud znaleziono w pobliżu miasta Magnesia w Azji Mniejszej, więc otrzymały nazwę magnesy.

W jaki sposób magnes i żelazne przedmioty wchodzą w interakcję? Pamiętajmy, dlaczego przyciągają się naelektryzowane ciała? Ponieważ w pobliżu ładunku elektrycznego powstaje osobliwa forma materii - pole elektryczne. Podobna forma materii istnieje wokół magnesu, ale ma inny charakter pochodzenia (w końcu ruda jest obojętna elektrycznie), nazywa się pole magnetyczne.

Do badania pola magnetycznego stosuje się magnesy proste lub podkowiaste. Niektóre miejsca magnesu mają największy efekt, nazywa się je bieguny(północ i południe)... Jak bieguny magnetyczne przyciągają się, a bieguny magnetyczne o tej samej nazwie odpychają.

Dla charakterystyki siły pola magnetycznego użyj wektor indukcji magnetycznej B... Pole magnetyczne jest przedstawione graficznie za pomocą linii siły ( linie indukcji magnetycznej). Linie są zamknięte, nie mają początku ani końca. Miejsce, z którego wychodzą linie magnetyczne - biegun północny (północny), linie magnetyczne wchodzą na biegun południowy (południowy).

Pole magnetyczne może być „widoczne” za pomocą opiłków żelaza.

Pole magnetyczne przewodnika z prądem

A teraz o tym, co znaleźli Hans Christian Oersted i André Marie Ampere w 1820 roku. Okazuje się, że pole magnetyczne istnieje nie tylko wokół magnesu, ale także wokół dowolnego przewodnika z prądem. Każdy drut, na przykład przewód od lampy, przez który przepływa prąd elektryczny, jest magnesem! Przewód z prądem oddziałuje z magnesem (spróbuj przynieść do niego kompas), dwa przewody z prądem oddziałują ze sobą.

Linie pola magnetycznego prądu przewodzenia są okręgami wokół przewodnika.

Kierunek wektora indukcji magnetycznej

Kierunek pola magnetycznego w danym punkcie można zdefiniować jako kierunek wskazujący północny biegun igły kompasu umieszczonej w tym punkcie.

Kierunek linii indukcji magnetycznej zależy od kierunku prądu w przewodniku.

Kierunek wektora indukcyjnego określa reguła gimbal lub rządzić prawa ręka.

Wektor indukcji magnetycznej

Jest to wielkość wektorowa charakteryzująca działanie siły pola.

Indukcja magnetyczna nieskończonego przewodnika prostoliniowego z prądem w odległości r od niego:

Indukcja pola magnetycznego w środku cienkiego okrągłego zakrętu o promieniu r:

Indukcja pola magnetycznego Elektrozawór(cewka, której zwoje są sekwencyjnie omijane przez prąd w jednym kierunku):

Zasada superpozycji

Jeżeli pole magnetyczne w danym punkcie przestrzeni jest tworzone przez kilka źródeł pola, to indukcja magnetyczna jest sumą wektorów indukcji każdego z pól z osobna

Ziemia to nie tylko duży ładunek ujemny i źródło pola elektrycznego, ale jednocześnie pole magnetyczne naszej planety jest zbliżone do pola gigantycznego magnesu bezpośredniego.

Południe geograficzne jest zbliżone do północy magnetycznej, a północ geograficzna jest zbliżone do południa magnetycznego. Jeśli kompas zostanie umieszczony w polu magnetycznym Ziemi, to jego północna strzałka jest zorientowana wzdłuż linii indukcji magnetycznej w kierunku południowego bieguna magnetycznego, czyli pokaże nam, gdzie znajduje się północ geograficzna.

Charakterystyczne elementy magnetyzmu ziemskiego zmieniają się bardzo powoli w czasie - zmiany świeckie... Jednak od czasu do czasu zdarzają się burze magnetyczne, gdy ziemskie pole magnetyczne jest mocno zniekształcone przez kilka godzin, a następnie stopniowo powraca do swoich poprzednich wartości. Ta dramatyczna zmiana wpływa na samopoczucie ludzi.

Pole magnetyczne Ziemi jest „tarczą” osłaniającą naszą planetę przed cząsteczkami przenikającymi z kosmosu („wiatr słoneczny”). W pobliżu biegunów magnetycznych przepływy cząstek zbliżają się znacznie bliżej powierzchni Ziemi. W przypadku potężnych rozbłysków słonecznych magnetosfera ulega deformacji, a cząstki te mogą przenieść się do wyższych warstw atmosfery, gdzie zderzają się z cząsteczkami gazu, tworząc zorze polarne.

Cząsteczki dwutlenku żelaza na taśmie magnetycznej są dobrze namagnesowane podczas procesu nagrywania.

Pociągi lewitacji magnetycznej ślizgają się po powierzchni bez żadnego tarcia. Pociąg może rozpędzić się do 650 km/h.

Pracy mózgu, pulsacji serca towarzyszą impulsy elektryczne. W takim przypadku w narządach powstaje słabe pole magnetyczne.

Tematy kodyfikatora USE: oddziaływanie magnesów, pole magnetyczne przewodnika z prądem.

Właściwości magnetyczne substancji znane są ludziom od dawna. Magnesy wzięły swoją nazwę od starożytnego miasta Magnesia: w jego pobliżu rozmieszczono minerał (później zwany magnetyczną rudą żelaza lub magnetytem), którego fragmenty przyciągały żelazne przedmioty.

Oddziaływanie magnesów

Po obu stronach każdego magnesu znajdują się biegun północny i biegun południowy... Dwa magnesy są przyciągane do siebie przez przeciwne bieguny i odpychane przez te same. Magnesy mogą oddziaływać na siebie nawet poprzez próżnię! Wszystko to jednak przypomina oddziaływanie ładunków elektrycznych oddziaływanie magnesów nie jest elektryczne... Świadczą o tym następujące fakty eksperymentalne.

Siła magnetyczna jest osłabiona, gdy magnes jest podgrzewany. Siła oddziaływania ładunków punktowych nie zależy od ich temperatury.

Siła magnetyczna jest osłabiana przez potrząsanie magnesem. Nic podobnego nie dzieje się z ciałami naładowanymi elektrycznie.

Dodatnie ładunki elektryczne można oddzielić od ujemnych (na przykład podczas elektryzowania ciał). Ale dzielenie biegunów magnesu nie działa: jeśli przetniesz magnes na dwie części, wówczas bieguny również pojawią się na przecięciu, a magnes dzieli się na dwa magnesy o przeciwnych biegunach na końcach (zorientowanych w ten sam sposób, co bieguny). oryginalnego magnesu).

Więc magnesy zawsze dwubiegunowe, istnieją tylko w formie dipole... Izolowane bieguny magnetyczne (tzw monopole magnetyczne- analogi ładunku elektrycznego) nie istnieją w naturze (w każdym razie nie zostały jeszcze znalezione eksperymentalnie). To chyba najbardziej imponująca asymetria między elektrycznością a magnetyzmem.

Podobnie jak ciała naładowane elektrycznie, magnesy działają na ładunki elektryczne. Jednak magnes działa tylko na w ruchu opłata; jeśli ładunek jest w spoczynku względem magnesu, to nie obserwuje się wpływu siły magnetycznej na ładunek. Wręcz przeciwnie, naelektryzowane ciało działa pod każdym ładunkiem, niezależnie od tego, czy jest w spoczynku, czy w ruchu.

Zgodnie ze współczesnymi koncepcjami teorii działania bliskiego zasięgu oddziaływanie magnesów odbywa się poprzez pole magnetyczne Mianowicie magnes wytwarza w otaczającej go przestrzeni pole magnetyczne, które oddziałuje na inny magnes i powoduje widoczne przyciąganie lub odpychanie tych magnesów.

Przykładem magnesu jest igła magnetyczna kompas. Za pomocą strzałki magnetycznej możesz ocenić obecność pola magnetycznego w danym obszarze przestrzeni, a także kierunek pola.

Nasza planeta Ziemia jest gigantycznym magnesem. Niedaleko północnego bieguna geograficznego Ziemi znajduje się południowy biegun magnetyczny. Dlatego północny koniec igły kompasu, zwrócony w kierunku południowego bieguna magnetycznego Ziemi, wskazuje północ geograficzną. Stąd w rzeczywistości powstała nazwa „biegun północny” magnesu.

Linie pola magnetycznego

Pole elektryczne, jak pamiętamy, jest badane za pomocą małych ładunków testowych, poprzez działanie, na podstawie którego można ocenić wielkość i kierunek pola. Analogiem ładunku testowego w przypadku pola magnetycznego jest mała igła magnetyczna.

Na przykład możesz uzyskać geometryczne wyobrażenie pola magnetycznego, umieszczając bardzo małe strzałki kompasu w różnych punktach przestrzeni. Doświadczenie pokazuje, że strzałki ustawią się wzdłuż pewnych linii - tzw linie pola magnetycznego... Podamy definicję tego pojęcia w postaci następujących trzech punktów.

1. Linie pola magnetycznego, lub magnetyczne linie siły, to linie skierowane w przestrzeni, które mają następującą właściwość: mała igła kompasu umieszczona w każdym punkcie takiej linii jest zorientowana stycznie do tej linii.

2. Kierunek linii pola magnetycznego to kierunek północnych końców strzałek kompasu znajdujących się w punktach tej linii..

3. Im gęstsze linie, tym silniejsze pole magnetyczne w danym obszarze przestrzeni..

Opiłki żelaza mogą z powodzeniem pełnić rolę strzał kompasu: w polu magnetycznym drobne trociny są namagnesowane i zachowują się dokładnie jak igły magnetyczne.

Tak więc, po wylaniu opiłków żelaza wokół magnesu trwałego, zobaczymy w przybliżeniu następujący obraz linii pola magnetycznego (ryc. 1).

Figa. 1. Pole magnesu stałego

Północny biegun magnesu jest oznaczony kolorem niebieskim i literą; biegun południowy - kolorem czerwonym i literą. Zwróć uwagę, że linie pola wychodzą z północnego bieguna magnesu i wchodzą do bieguna południowego: w końcu północny koniec igły kompasu będzie skierowany na południowy biegun magnesu.

Doświadczenie Oersteda

Pomimo tego, że zjawiska elektryczne i magnetyczne znane są ludziom od starożytności, od dawna nie zaobserwowano między nimi związku. Przez kilka stuleci badania nad elektrycznością i magnetyzmem przebiegały równolegle i niezależnie od siebie.

Niezwykły fakt, że zjawiska elektryczne i magnetyczne są ze sobą powiązane, po raz pierwszy odkryto w 1820 r. – w słynnym eksperymencie Oersteda.

Schemat eksperymentu Oersteda pokazano na ryc. 2 (zdjęcie ze strony rt.mipt.ru). Nad igłą magnetyczną (i są północnym i południowym biegunem strzałki) znajduje się metalowy przewodnik podłączony do źródła prądu. Jeśli zamkniesz obwód, strzałka zmieni się prostopadle do przewodnika!
To proste doświadczenie bezpośrednio wskazywało na związek między elektrycznością a magnetyzmem. Eksperymenty, które nastąpiły po eksperymencie Oersteda, ustanowiły następujący wzór: pole magnetyczne jest generowane przez prądy elektryczne i działa na prądy.

Figa. 2. Doświadczenie Oersteda

Wzór linii pola magnetycznego generowanego przez przewodnik z prądem zależy od kształtu przewodnika.

Pole magnetyczne prostego drutu z prądem

Linie pola magnetycznego prostego drutu z prądem są koncentrycznymi okręgami. Środki tych kręgów leżą na drucie, a ich płaszczyzny są prostopadłe do drutu (ryc. 3).

Figa. 3. Pole prostego drutu z prądem

Istnieją dwie alternatywne zasady określania kierunku linii pola magnetycznego prądu stałego.

Zasada zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Linie pola idą w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, gdy są oglądane, więc prąd płynie w naszym kierunku.

Śruba reguła(lub zasada świderka, lub zasada korkociągu- to komuś bliżej ;-)). Linie pola idą tam, gdzie trzeba obrócić śrubę (z normalnym gwintem prawoskrętnym), aby poruszała się wzdłuż gwintu w kierunku prądu.

Użyj dowolnej reguły, którą lubisz najbardziej. Lepiej przyzwyczaić się do zasady wskazówki godzinowej - sam później przekonasz się, że jest ona bardziej uniwersalna i łatwiejsza w użyciu (a potem z wdzięcznością zapamiętaj ją na pierwszym roku, kiedy studiujesz geometrię analityczną).

Na ryc. 3, pojawiło się również coś nowego: jest to wektor o nazwie Indukcja magnetyczna, lub Indukcja magnetyczna... Wektor indukcji magnetycznej jest analogiem wektora natężenia pola elektrycznego: służy charakterystyka mocy pole magnetyczne, określające siłę, z jaką pole magnetyczne działa na poruszające się ładunki.

O siłach w polu magnetycznym porozmawiamy później, ale na razie zauważymy tylko, że wielkość i kierunek pola magnetycznego jest określony przez wektor indukcji magnetycznej. W każdym punkcie przestrzeni wektor jest skierowany w tym samym kierunku co północny koniec umieszczonej w tym punkcie strzałki kompasu, czyli stycznie do linii pola w kierunku tej linii. Indukcja magnetyczna jest mierzona w tesla(T).

Podobnie jak w przypadku pola elektrycznego obowiązuje indukcja magnetyczna zasada superpozycji... Polega na tym, że indukcje pól magnetycznych wytworzonych w danym punkcie przez różne prądy są sumowane wektorowo i dają wynikowy wektor indukcji magnetycznej:.

Pole magnetyczne pętli z prądem

Rozważ pętlę kołową, przez którą krąży prąd stały. Źródło, które tworzy prąd, nie jest pokazane na rysunku.

Wzór linii pola naszej pętli będzie wyglądał w przybliżeniu następująco (ryc. 4).

Figa. 4. Pole pętli z prądem

Zależy nam na tym, aby móc określić, w którą półprzestrzeń (względem płaszczyzny pętli) skierowane jest pole magnetyczne. Znowu mamy dwie alternatywne zasady.

Zasada zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Linie pola idą tam, patrząc, skąd prąd wydaje się krążyć przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Śruba reguła. Linie pola idą tam, gdzie śruba (z normalnym gwintem prawoskrętnym) będzie się poruszać, jeśli obrócisz ją w kierunku prądu.

Jak widać, prąd i pole są odwrócone w porównaniu do sformułowań tych zasad w przypadku prądu stałego.

Pole magnetyczne cewki z prądem

Cewka okaże się, że jeśli mocno się obraca, nawiń drut w wystarczająco długą spiralę (ryc. 5 - zdjęcie ze strony en.wikipedia.org). W cewce może być kilkadziesiąt, setki, a nawet tysiące zwojów. Cewka jest również nazywana Elektrozawór.

Figa. 5. Cewka (elektrozawór)

Pole magnetyczne jednego zwoju, jak wiemy, nie wygląda na bardzo proste. Pola? poszczególne zwoje cewki nakładają się na siebie i wydaje się, że wynik powinien być bardzo mylący. Tak jednak nie jest: pole długiej cewki ma nadspodziewanie prostą budowę (rys. 6).

Figa. 6. Pole cewki z prądem

Na tym rysunku prąd w cewce idzie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, patrząc od lewej strony (tak będzie, jeśli na ryc. 5 prawy koniec cewki jest podłączony do „plusa” źródła prądu, a lewy koniec do „minus”). Widzimy, że pole magnetyczne cewki ma dwie charakterystyczne właściwości.

1. Wewnątrz cewki, z dala od jej krawędzi, pole magnetyczne jest jednorodny: w każdym punkcie wektor indukcji magnetycznej jest taki sam pod względem wielkości i kierunku. Linie pola są równoległymi liniami prostymi; wyginają się tylko w pobliżu krawędzi cewki, gdy wychodzą.

2. Na zewnątrz cewki pole jest bliskie zeru. Im więcej zwojów w cewce, tym słabsze pole na zewnątrz.

Zauważ, że nieskończenie długa cewka w ogóle nie emituje pola: poza cewką nie ma pola magnetycznego. Wewnątrz takiej cewki pole jest wszędzie jednolite.

Czy to nie wygląda na nic? Cewka jest „magnetycznym” odpowiednikiem kondensatora. Pamiętasz, że kondensator wytwarza wewnątrz siebie jednolite pole elektryczne, którego linie są zagięte tylko przy krawędziach płytek, a poza kondensatorem pole jest bliskie zeru; kondensator z nieskończonymi płytkami w ogóle nie uwalnia pola na zewnątrz, a pole jest wszędzie w nim jednolite.

A teraz - główna obserwacja. Proszę porównać obraz linii pola magnetycznego na zewnątrz cewki (rys. 6) z liniami pola magnetycznego na rys. jeden. To samo, prawda? A teraz dochodzimy do pytania, które prawdopodobnie pojawiło się w twoim umyśle dawno temu: jeśli pole magnetyczne jest generowane przez prądy i działa na prądy, to jaki jest powód pojawienia się pola magnetycznego w pobliżu magnesu trwałego? W końcu ten magnes nie wydaje się być przewodnikiem z prądem!

Hipoteza Ampere'a. Prądy elementarne

Początkowo sądzono, że oddziaływanie magnesów wynika ze specjalnych ładunków magnetycznych skoncentrowanych na biegunach. Ale w przeciwieństwie do elektryczności nikt nie potrafił odizolować ładunku magnetycznego; w końcu, jak już powiedzieliśmy, nie udało się uzyskać osobno biegunów północnego i południowego magnesu - bieguny są zawsze obecne w magnesie parami.

Wątpliwości dotyczące ładunków magnetycznych pogłębił eksperyment Oersteda, kiedy stało się jasne, że pole magnetyczne jest generowane przez prąd elektryczny. Ponadto okazało się, że dla dowolnego magnesu można dobrać przewodnik z prądem o odpowiedniej konfiguracji, tak aby pole tego przewodnika pokrywało się z polem magnesu.

Ampere wysunął śmiałą hipotezę. Nie ma ładunków magnetycznych. Działanie magnesu tłumaczy się zamkniętymi w nim prądami elektrycznymi..

Czym są te prądy? Te prądy elementarne krążyć wewnątrz atomów i cząsteczek; są one związane z ruchem elektronów na orbitach atomowych. Pole magnetyczne dowolnego ciała składa się z pól magnetycznych tych prądów elementarnych.

Prądy elementarne mogą być losowo rozmieszczone względem siebie. Wówczas ich pola wzajemnie się wygaszają, a ciało nie wykazuje właściwości magnetycznych.

Ale jeśli prądy elementarne są ułożone zgodnie, to ich pola, sumując się, wzmacniają się nawzajem. Ciało staje się magnesem (rys. 7; pole magnetyczne będzie skierowane na nas; północny biegun magnesu będzie również skierowany na nas).

Figa. 7. Prądy elementarne magnesu

Hipoteza Ampere'a o prądach elementarnych wyjaśniała właściwości magnesów: nagrzewanie i potrząsanie magnesem niszczy kolejność jego prądów elementarnych, a właściwości magnetyczne słabną. Nierozłączność biegunów magnesu stała się oczywista: w miejscu cięcia magnesu otrzymujemy na końcach te same prądy elementarne. Zdolność ciała do namagnesowania w polu magnetycznym tłumaczy się skoordynowanym ustawieniem prądów elementarnych, "obracających się" we właściwy sposób (o rotacji prądu kołowego w polu magnetycznym przeczytasz w następnej ulotce).

Hipoteza Ampere'a okazała się słuszna - to pokazało dalszy rozwój fizyki. Pojęcie prądów elementarnych stało się integralną częścią teorii atomu, rozwiniętej już w XX wieku - prawie sto lat po genialnym przypuszczeniu Ampere'a.