Назовите источники магнитного поля

Издревле человеку были известны вещества, способные притягивать железные предметы. Около древнего греческого города Магнесия подобные минералы встречались в изобилии, эти вещества получили название магниты в честь данного города. Речь идет о постоянных магнитах.

Характеристики магнитного поля

Экспериментально легко понять, что так же как электрические заряды окружены электрическим полем, так в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты имеется силовое поле, которое названо магнитным полем.

Присутствие магнитного поля можно обнаружить по его воздействию на постоянный магнит или проводник с током.

Отличительными чертами магнитного поля являются:

1. Магнитные поля оказывают свое воздействие только на движущиеся в нем электрические заряды. Электрическое поле оказывает силовое действие на движущиеся в нем и неподвижные заряды.
2. Характер действия магнитного поля зависит от формы проводника с током, расположения этого проводника в магнитном поле и направления текущего в проводнике тока.
3. Для изучения магнитного поля применяют рамку с током, обладающую малыми размерами в сравнении с расстоянием до источника магнитного поля.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Рамка с током – это замкнутый плоский контур, по которому течет ток. Ориентацию рамки с током характеризует нормаль к контуру. Положительным направлением нормали считают направление, которое связывает с током правило правого винта.

Силовое поле, которое создают постоянные магниты и постоянные токи, называют постоянным магнитным полем.

Эксперименты Эрстеда

В 1820 году Эрстед доказал, что магнитные поле, помимо магнитов могут создавать электрические токи.

История открытия магнитного поля Эрстедом не лишена интереса. Ученый на лекции проводил эксперименты, которые должны были продемонстрировать нагрев проводников, если сквозь него проходит электрический ток. Студент, присутствовавший на лекции, сказал преподавателю о том, что в то время, когда он замыкает цепь, стрелка компаса, лежащего на столе, отклоняется от положения равновесия. Эрстед с большим вниманием отнесся к этому явлению и детально его изучил. В итоге он понял, что вокруг электрических токов возникает силовое поле, которое в полной мере аналогично полям, которые создают вокруг себя постоянные магниты.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Постоянный электрический ток – источник постоянного магнитного поля

На сегодняшний день достоверно установлено, что источником постоянного магнитного поля служит постоянный электрический ток.

Может возникнуть вопрос, что служит источником магнитного поля у постоянных магнитов, и нет ли противоречия со сказанным выше?

Магнитное поле постоянных магнитов тоже создают токи. Это микроскопические замкнутые молекулярные токи и собственные магнитные моменты микрочастиц.

Магнитное поле стоит исследовать в отдельности от электрического поля, в том случае, если это поле создано постоянными во времени электрическими токами.

В веществах, магнитное поле внешних электрических токов складывается с магнитными полями, которые создаются молекулярными токами.

Источники переменного магнитного поля

Переменные электрические токи порождают переменные магнитные поля. В этом случае магнитное поле невозможно рассматривать в отдельности от электрического поля. Изменяющиеся электрические токи являются источником переменного магнитного поля. Это поле в свою очередь становится источником переменного электрического поля. Вновь созданное переменное электрическое поле порождает новое переменное магнитное поле. Как результат, мы имеем электромагнитное поле, в котором электрическую и магнитную компоненты невозможно отделить друг от друга, исследование магнитного поля в таком случае становится принципиально невозможным от электрического.

Магнитным полем называют особую разновидность материи, при помощи которой реализуется силовое действие на перемещающиеся электрические заряды, находящиеся в нем, и другие тела имеющие магнитный момент. Магнитное поле – компонент электромагнитного поля.

Количественные и качественные характеристики магнитного поля

Поместим малую рамку с током в магнитное поле. Экспериментально установим, что в этом поле на рамку действует момент силы $M$, который зависит от ряда параметров, и от положения рамки в поле. Наибольшая величина момента силы ( $M_$) связана с магнитным полем, в котором она локализована и от параметров самого контура (силы тока $I$, текущего в нем, его площади ($S$ )):

$M_sim IS=p_left( 1
ight)$

где $p_m$ – магнитный момент контура с током. Магнитный момент — это характеристика контура с током и большого числа элементарных частиц, который определяет их поведение в магнитном поле.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции ($vec)$. Магнитную индукцию поля в точке можно определить как отношение наибольшего вращающего момента, который оказывает воздействие на виток с током в магнитном поле, и магнитного момента рассматриваемого витка:

Направление вектора магнитной индукции такое же, как у вектора магнитного момента ($vec

_$) при устойчивом положении равновесия контура.

Магнитное поле можно изображать при помощи линий магнитной индукции. Касательные к линиям магнитной индукции указывают направление B ⃗. Количество силовых линий поля, которые приходятся на единичную площадь, нормальную к линиям магнитной индукции, равно модулю $vec$. Линии магнитной индукции замкнуты (без конца и начала).

Магнитные поля являются вихревыми. Это означает, что циркуляция вектора $vec$ вдоль любой линии магнитной индукции отлична от нуля:

$oint dl
e 0left( 3
ight).> $

Величина магнитной индукции поля при одном и том же токе и прочих равных условиях в разных веществах будет различаться.

Магнитное поле можно описывать при помощи вектора напряженности ($vec$). Если рассматриваемое вещество является однородным и магнитоизотропным, то

$vec=mu mu_<0>vecleft( 4
ight)$

где $mu_<0>$ – магнитная постоянная; $mu$ – магнитная проницаемость вещества.

Магнитная проницаемость (μ) показывает, во сколько раз магнитное поле макротоков H увеличивается из-за наличия микротоков вещества.

Аналогии между характеристиками электрического и магнитного полей:

• Аналогом вектора напряженности электрического поля ($vec$) служит вектор магнитной индукции соответствующего поля ($vec$).
• Вектору диэлектрического смещения ($vec$) электрического поля соответствует вектор напряженности магнитного поля ($vec$).

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.

Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.

Переменное магнитное поле возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени магнитного поля возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики магнитного поля часто вводят понятие силовых линий поля (линий магнитной индукции).

Для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции магнитного поля в системе единиц СГС является Гаусс (Гс), в Международной системе единиц (СИ) — Тесла (Тл), 1 Тл = 104 Гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (Э) и амперах на метр (А/м, 1 А/м = 0,01256 Э; энергия магнитного поля — в Эрг/см 2 или Дж/м 2 , 1 Дж/м 2 = 10 эрг/см 2 .

Компас реагирует
на магнитное поле Земли

Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70—80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы км в противоположном направлении. У поверхности Земли магнитное поле равно в среднем 50 мкТл, на границе магнитосферы

10 -3 Гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий — радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре.

Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела — Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного магнитного поля, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными магнитными полями, достаточными для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены магнитные поля до 10 Гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль магнитного поля в планетарных процессах.

© Фото: http://www.tesis.lebedev.ru
Фотография Солнца
в узком спектре

Межпланетное магнитное поле — это главным образом поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле

10 -4 —10 -5 Гс. Регулярность межпланетного магнитного поля может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками.

Во всех процессах на Солнце — вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей магнитное поле играет важнейшую роль. Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что магнитное поле солнечных пятен достигает нескольких тысяч Гс, протуберанцы удерживаются полями

10—100 Гс (при среднем значении общего магнитного поля Солнца

Магнитные бури

Магнитные бури — сильные возмущения магнитного поля Земли, резко нарушающие плавный суточный ход элементов земного магнетизма. Магнитные бури длятся от нескольких часов до нескольких суток и наблюдаются одновременно на всей Земле.

Как правило, магнитные бури состоят из предварительной, начальной и главной фаз, а также фазы восстановления. В предварительной фазе наблюдаются незначительные изменения геомагнитного поля (в основном в высоких широтах), а также возбуждение характерных короткопериодических колебаний поля. Начальная фаза характеризуется внезапным изменением отдельных составляющих поля на всей Земле, а главная — большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей. В фазе восстановления магнитной бури поле возвращается к своему нормальному значению.

Влияние солнечного ветра
на магнитосферу Земли

Магнитные бури вызываются потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца, накладывающимися на спокойный солнечный ветер. Поэтому магнитные бури чаще наблюдаются вблизи максимумов 11-летнего цикла солнечной активности. Достигая Земли, потоки солнечной плазмы увеличивают сжатие магнитосферы, вызывая начальную фазу магнитной бури, и частично проникают внутрь магнитосферы Земли. Попадание частиц высоких энергий в верхнюю атмосферу Земли и их воздействие на магнитосферу приводят к генерации и усилению в ней электрических токов, достигающих наибольшей интенсивности в полярных областях ионосферы, с чем связано наличие высокоширотной зоны магнитной активности. Изменения магнитосферно-ионосферных токовых систем проявляются на поверхности Земли в виде иррегулярных магнитных возмущений.

В явлениях микромира роль магнитного поля столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц — структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов), магнитного момента, а также действием магнитного поля на движущиеся электрические заряды.

Применение магнитных полей в науке и технике. Магнитные поля обычно подразделяют на слабые (до 500 Гс), средние (500 Гс — 40 кГс), сильные (40 кГс — 1 МГс) и сверхсильные (свыше 1 МГс). На использовании слабых и средних магнитных полей основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. Слабые и средние магнитные поля получают при помощи постоянных магнитов, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, сверхпроводящих магнитов.

Источники магнитного поля

Все источники магнитных полей можно разделить на искусственные и естественные. Основными естественными источниками магнитного поля являются собственное магнитное поле планеты Земля и солнечный ветер. К искусственным источникам можно отнести все электромагнитные поля, которыми так изобилует наш современный мир, и наши дома в частности. Более подробно об электромагнитных полях, их влиянии на человека и способах оценки и экранинирования читайте на нашем сайте.

Транспорт на электроприводе является мощным источником магнитного поля в диапазоне от 0 до 1000 Гц. Железнодорожный транспорт использует переменный ток. Городской транспорт — постоянный. Максимальные значения индукции магнитного поля в пригородном электротранспорте достигают 75 мкТл, средние значения — около 20 мкТл. Средние значения на транспорте с приводом от постоянного тока зафиксированы на уровне 29 мкТл. У трамваев, где обратный провод — рельсы, магнитные поля компенсируют друг друга на гораздо большем расстоянии, чем у проводов троллейбуса, а внутри троллейбуса колебания магнитного поля невелики даже при разгоне. Но самые большие колебания магнитного поля — в метро. При отправлении состава величина магнитного поля на платформе составляет 50-100 мкТл и больше, превышая геомагнитное поле. Даже когда поезд давно исчез в туннеле, магнитное поле не возвращается к прежнему значению. Лишь после того, как состав минует следующую точку подключения к контактному рельсу, магнитное поле вернется к старому значению. Правда, иногда не успевает: к платформе уже приближается следующий поезд и при его торможении магнитное поле снова меняется. В самом вагоне магнитное поле еще сильнее — 150-200 мкТл, то есть в десять раз больше, чем в обычной электричке.

Значения индукции магнитных полей, наиболее часто встречаемых нами в повседневной жизни приведены на диаграмме ниже. Глядя на эту диаграмму становится ясно, что мы подвергаемся воздействию магнитных полей постоянно и повсеместно. По мнению некоторых ученых, вредными считаются магнитные поля с индукцией свыше 0,2 мкТл. Ествественно, что следует предпринимать определенные меры предосторожности, чтобы обезопасить себя от пагубного воздействия окружающих нас полей. Просто выполняя несколько несложных правил Вы можете в значительной мере снизить воздействие магнитных полей на свой организм.

В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» сказано следующее: "Предельно допустимый уровень ослабления геомагнитного поля в помещениях жилых зданий устанавливается равным 1,5". Также установлены предельно допустимые значения интенсивности и напряжённости магнитного поля частотой 50 Гц:

• в жилых помещениях — 5 мкТл или 4 А/м;
• в нежилых помещениях жилых зданий, на селитебной территории, в том числе на территории садовых участков — 10 мкТл или 8 А/м.

Исходя из указанных нормативов каждый может рассчитать какое количество электрических приборов может находиться во включённом состоянии и в состоянии ожидания в каждом конкретном помещении или же заказать обследование помещений в нашей фирме, на основании которого будут выданы рекомендации по нормализации жилого пространства.

Магнитным называют поле, которое оказывает воздействие на все движущиеся заряды и материалы (тела), обладающие магнитными свойствами. Созданные им силы перемещают стрелку компаса, обеспечивают функциональность статоров электрических двигателей.

История развития представлений о магнитном поле

Способность некоторых материалов притягивать (отталкивать) себе подобные и металлические предметы известна многие сотни лет. Первые документированные научные исследования по данной теме проведены в середине 13 века. С помощью стальных иголок ученый из Франции смог получить реалистичное линейное распределение силовых потоков и схождение их в двух точках на противоположных сторонах сферического образца. Эти места были названы «полюсами».

Почти три столетия понадобилось для формулировки соответствия данных точек полюсам планеты (северному и южному). В середине 18 века определена обратная квадратичная зависимость силового потенциала.

Толчком для последующего развития теорий стало расширенное использование электричества для решения практических задач. Ниже перечислены важнейшие тематические открытия (авторы):

• образование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током (Х. К. Эрстед);
• притяжение двух таких проводников при одинаковой полярности подключения к источнику, теория магнетизма в замкнутых контурах (Ампер);
• создание электрического тока переменным магнитным полем и формулировка индукции (М. Фарадей);
• определение векторных параметров поля (Э. Нейман);
• создание уравнений, объединяющих магнетизм и электричество (Д. К. Максвелл);
• формулировка единства электрических и магнитных полей (А. Эйнштейн).

Природа возникновения магнитных полей

Данное поле является разновидностью материи, которая оказывает силовое воздействие на изделия с магнитными свойствами (электрические заряды). Единое электромагнитное поле проявляется как соответствующее излучение. В определенном диапазоне волн это видимый свет.

К сведению. Электроэнергию следует оценивать в комплексе, чтобы получить полные сведения о потенциале сил, методах применения.

Как представить магнитное поле

Чтобы получать наглядное и более точное изображение силовых линий, измельчают объекты для эксперимента, выравнивают поверхность. Вместо иголок можно взять железные опилки, рассыпать их равномерно на листе тонкого картона или другого нейтрального материала. Полимерная основа не подойдет по причине возможного накопления «паразитного» статического заряда. С нижней стороны подносят постоянный магнит.

Какие бывают магнитные поля

Силовое поле данной категории образуется магнитными моментами электронов и других частиц в намагниченном материале или в постоянных магнитах. Аналогичный результат можно получить, если подключить к источнику тока проводник.

Источники магнитного поля

Источники магнитного поля существуют в природе. Их создают специально для решения разных практических задач. В следующем перечне приведены популярные изделия, компоненты которых функционируют на основе соответствующих принципов. Что является источником магнитного поля, можно выяснить после разборки:

• электродвигателя;
• реле;
• запорного устройства.

Магнетит и другие материалы

Особые свойства этого минерала известны со времен Древней Греции. Структура магнетита составлена из кристаллических групп ионов кислорода и железа (двух,- и трехвалентного). Типовые параметры:

• пористость – 2,2-9,6%;
• низкая электропроводность – 240-260 Ом-1см-1, уменьшающаяся в несколько раз при снижении (увеличении) температуры.

Аналогичными свойствами обладают ишкулит, титангомагнетит , мушкетовит.

Вычисление

Для получения точных результатов в электродинамике применяют уравнения Максвелла. Упрощенные формулы (законы Ампера, Био-Савара-Лапласа) применяют для вычисления рабочих параметров статических либо очень медленно изменяющихся магнитных полей.

Проявление магнитного поля

Когда частица с зарядом (q) перемещается в магнитном поле, на нее оказывается воздействие силой Лоренца (F), которая направлена перпендикулярно векторам скорости (v) и поля (B):

Взаимодействие двух магнитов

Базовые свойства притягиваться (отталкиваться) разными (одинаковыми) полюсами объясняют привлекательность применения схем с монополями для расчетов, измерений, решения отдельных практических задач. Однако в действительности подобные элементы никогда не могут быть созданы путем разделения обычного диполя. Это доказывает отсутствие магнитного заряда изолированного тела.

Постоянные магниты

Такие изделия создают из никеля, кобальта и других материалов. Главная особенность – сохранение магнитных свойств после отключения внешнего источника. Полезные свойства определяются стабильностью характеристик в эксплуатационном температурном диапазоне.

Притяжение и отталкивание

Если диполь поместить в магнитное поле, на него будет воздействовать сила, поворачивающая в направлении совпадения векторов. Чтобы не измерять экспериментально, базовые параметры можно определить с помощью следующих простых правил.

Правой рукой пальцем обхватывают проводник. Поднятый вверх большой палец направляют в сторону движения тока (от минусовой клеммы к плюсовой). В этом случае остальные пальцы покажут направленность силовых линий.

Проводник с током, расположенный между двумя полюсами постоянного магнита, будет перемещаться. Узнать направление можно с помощью левой руки. Руку открывают ладонью вверх. Четыре пальца располагают в сторону электрического тока.

Домены

Этим термином обозначают область в ферромагнитном материале с одинаковой поляризацией. Подразумевается аналогичная направленность силовых линий поля. Иногда соответствующие крупные участки можно увидеть (измерить) без применения увеличительных приборов.

Явление электромагнитной индукции

Изменение магнитного потока (со временем) сопровождается возникновением электродвижущей силы. Аналогичный результат получают перемещением в поле проводника. Созданный ток называют индукционным.

Математическое представление

В классических формулах применяют несколько основных величин (магнитных):

• B – индукция (определяет силу воздействия на заряды);
• H – напряженность.

Единицы измерения

Индукция может измеряться в Тесла (Тл) при использовании международного стандарта СИ либо в Гауссах (Гс) при работе с нормативами СГС. Напряженность – в амперах на метр (эрстедах) для СИ (СНС), соответственно.

Энергия магнитного поля

Энергию (W) вычисляют по изменению плотности с применением формулы:

Применив матричное умножение векторных величин с учетом определенной магнитной проницаемости материала (m), получают оценку потенциала. Для практических расчетов применяют выражение:

где:

• I – ток в проводнике;
• L – индуктивность единичного витка либо катушки;
• Ф – магнитный поток.

Магнитные свойства веществ

Ниже представлены свойства разных групп веществ с учетом особенностей магнитных свойств:

• ферримагнетики – противоположная направленность магнитных моментов;
• парамагнетики (диамагнетики) – намагниченность совпадает (противоположна) линиям внешнего силового поля;
• антиферромагнетики – хаотичное расположение моментов.

Токи Фуко

Таким термином называют токи, которые образуются в проводящем материале в ходе изменения со временем либо при перемещении магнитного потока.

Характеристики магнитного поля

Сила воздействия (Лоренца) определяется величиной магнитной индукции вместе со скоростью перемещения проводника. Магнитный поток (Ф) определяется следующей зависимостью:

Получение энергии из магнитного поля Земли

Простейший генератор можно создать из рамки, которая вращается поперек линий силового поля планеты.

С учетом незначительной величины магнитного потока практическое применение подобных конструкций бессмысленно.

Видео