Каким свойством обладают силовые линии магнитного поля
Магнитное поле оказывает силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в движении и на тела, имеющие магнитный момент (постоянные магниты). Вместе с электрическим магнитное поле образует единое электромагнитное поле; по аналогии с другими силовыми полями (электрическим и гравитационным) наглядное представление о характере поля дают его силовые линии. Главной количественной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B, поэтому силовые линии магнитного поля и линии магнитной индукции имеют одно и тоже значение, то есть оба термина могут использоваться наравне друг с другом.
Что такое силовые линии
Выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), исследовавший природу электромагнитного поля, первым сформулировал понятие силовых линий для электрического и магнитного полей.
Силовые линии магнитного поля обладают следующими основными свойствами:
- Силовые линии — это графическая визуализация (“картина”) изображения силового поля;
- Силовые линии заполняют пространство таким образом, что касательные к ним в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором магнитной индукции;
- Через каждую точку проходит только одна силовая линия;
- Плотность (густота) силовых линий, пронизывающих единичную перпендикулярную площадь, пропорциональна модулю магнитной индукции B на этой площади;
- Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, поскольку магнитное поле является полем вихревого типа. Вихревыми называются любые поля, имеющие замкнутые силовые линии.
М. Фарадей по праву считается одним из первооткрывателей природы электромагнитных явлений. В 1845 г. он первым четко сформулировал понятие об электромагнитном поле. Кроме этого он открыл фундаментальный закон, названный его именем, который гласит о том, что в замкнутом проводящем контуре, через который проходит изменяющийся во времени магнитный поток, возникает разность потенциалов, то есть электродвижущая сила, пропорциональная скорости изменения магнитного потока.
Примеры силовых линий
Наглядное представление о силовых линиях магнитного поля можно получить, если на плоский стеклянный лист, сквозь который пропущен проводник с током, равномерно (в один слой) разложить мелкие железные опилки или опилки из другого ферромагнетика (никеля, кобальта и т.п.). Включение тока приводит к появлению магнитного поля, в котором опилки намагничиваются, то есть становятся “магнитными стрелками” и выстраиваются вдоль силовых линий поля .
Рис. 1. Демонстрация силовых линий магнитного поля от прямого провода с током с помощью железных опилок.
Видно, что силовые линии представляют собой концентрические окружности, которые расположены в плоскости перпендикулярной проводнику. Центры всех окружности лежат на оси проводника.
Следующий пример — силовые линии магнитного поля, которое создает обычный полосовой постоянный магнит.
Рис. 2. Демонстрация силовых линий магнитного поля от полосового магнита с помощью железных опилок.
Направлением вектора магнитной индукции принято считать направление от южного полюса S к северному полюсу N. Хорошо видно, что силовые линии имеют максимальную концентрацию вблизи полюсов N и S. Направления силовых линий магнитного поля имеют сложную геометрическую форму, но все линии непрерывны и замкнуты. Внутри магнита плотность (густота) силовых линий максимальна, а поле однородно. Магнитное поле является однородным, когда магнитная индукция постоянна, то есть = const.
Еще один пример — это соленоид, то есть катушка, изготовленная с помощью намотки гибкого проводника, сохраняющего форму (например, из медной проволоки).
Рис. 3. Демонстрация силовых линий магнитного поля от соленоида.
Оказывается картина силовых линий соленоида очень похожа на силовые линии, которые создаются постоянным полосовым магнитом. Видно, что внутри катушки магнитное поле близко к однородному.
Для определения направления вектора надо пользоваться “правилом буравчика”, которое звучит так: вектор направлен в ту сторону, куда перемещалась бы рукоятка буравчика (с правой резьбой) если ввинчивать его по направлению тока в проводе (или в рамке).
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что такое силовые линии магнитного поля. Силовые линии позволяют наглядно представить пространственное распределение магнитного поля. Приведены основные свойства и примеры силовых линий магнитных полей, созданных прямолинейным проводником, соленоидом и постоянным полосовым магнитом.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.8. Всего получено оценок: 172.
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.
Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.
Взаимодействие магнитов
На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.
• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.
• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.
• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).
Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.
• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.
По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.
Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.
Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.
Линии магнитного поля
Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.
Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.
1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.
2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.
3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.
Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.
Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).
Рис. 1. Поле постоянного магнита
Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.
Опыт Эрстеда
Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.
Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.
Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.
Рис. 2. Опыт Эрстеда
Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.
Магнитное поле прямого провода с током
Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).
Рис. 3. Поле прямого провода с током
Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.
Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.
Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).
На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.
О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).
Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .
Магнитное поле витка с током
Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.
Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4).
Рис. 4. Поле витка с током
Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.
Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.
Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.
Магнитное поле катушки с током
Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 — изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.
Рис. 5. Катушка (соленоид)
Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6).
Рис. 6. поле катушки с током
На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.
1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.
2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.
Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.
Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.
А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6) с линиями поля магнита на рис. 1. Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!
Гипотеза Ампера. Элементарные токи
Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.
Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.
Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.
Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.
Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.
Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).
Рис. 7. Элементарные токи магнита
Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).
Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.
Мы используем файлы cookie, чтобы персонализировать контент, адаптировать и оценивать результативность рекламы, а также обеспечить безопасность. Перейдя на сайт, вы соглашаетесь с использованием файлов cookie.
При изучении существования электромагнетизма в природе силы, связанные с этим явлением, обозначают с помощью силовых линий магнитного поля. Это условные изображения, не имеющие ничего общего с реальностью. Просто используя иллюстрации, удобно объяснять и моделировать свойства, наглядно указывая направление векторов и описывая плотность того или иного участка пространства.
Общие сведения
Ещё в XIX веке было установлено, что направленное движение элементарных носителей зарядов приводит к появлению электрического тока. Заряды, взаимодействуя между собой, вызывают появление силы, которую называют электромагнитным полем. То есть вокруг любого заряженного тела возникает два явления: магнитное и электрическое.
Первое, в отличие от второго, возможно только при движении электрического заряда. Даже если оно создано постоянным магнитом, всё равно причиной его появления является движение частиц. По своей сути магнитное поле — это сила, характеризующаяся моментом. Она обладает энергией. Любое изменение электрического поля приводит к возмущению магнитного. Причём это утверждение справедливо и наоборот.
Основной характеристикой силы является вектор индукции. С его помощью определяют действие магнитного поля в точке пространства. То есть параметр показывает, с какой силой оказывается влияние на заряд q перемещающийся со скоростью V. Это векторная величина формула для расчёта, которой имеет вид: F = q *V * sin (a), где a — значение угла между вектором скорости и магнитной индукции. При этом направление силы может быть определено по правилу буравчика. Оно всегда будет направлено перпендикулярно вектору скорости. За единицу измерения в СИ принята тесла (Тл).
Для магнитного поля характерно следующее:
Магнитное поле представляет собой материю. Определяется она свойствами вещества. С точки зрения квантовой механики, это частный случай электромагнитного взаимодействия. Для его изображения используют воображаемые отрезки. Это магнитные линии магнитного поля, которые представляют как замкнутые направленные кривые.
Линии магнитного поля
Электрическое поле можно исследовать с помощью элементарных зарядов, по поведению которых удобно судить о значении и направлении материи. Аналогом такой энергии является пробная частица, которую можно представить в виде стрелки, точнее компаса. Например, если взять много устройств, указывающих на магнитные полюса Земли, и разместить их в некотором геометрическом пространстве, то можно будет визуализировать силы, характеризующие электромагнитное поле.
Но определить направление материи вокруг проводников с током различной формы или так называемый магнитный спектр можно и практически. Для этого используются различные установки. Простейшей из них является комплекс, включающий в свой состав:
- источник питания;
- диэлектрическую рамку;
- толстый медный провод способный пропустить ток порядка 20 ампер;
- железные опилки.
В рамке через просверленное отверстие продевают провод, который подключают к источнику питания. Сверху на проволоку насыпают стружки. После подачи тока можно будет наблюдать, как образуются цепочки, повторяющие форму распространения силы поля. Например, вокруг прямого провода, расположенного перпендикулярно пластинке, можно будет увидеть кольцевые силовые линии.
Проведя эксперимент, можно узнать в чём состоит особенность линий магнитной индукции. Во-первых, их распространение неравномерное. В некоторых местах они гуще. Во-вторых, эти линии никогда не пересекаются и всегда замкнутые. С точки зрения физики, можно добавить, что направление магнитного поля возможно выяснить по правилу буравчика. При этом вектор индукции касателен к каждой точке отрезка.
Следует отметить, что исследовать поле, правда, постоянное, можно с помощью обычного магнита и компаса.
Для эксперимента нужно высыпать опилки на лист бумаги, а рядом с ними положить компас. Затем снизу медленно поднести магнит, желательно через деревянную прослойку. Тогда можно будет не только увидеть рисунок поля, но и заметить, что стрелка компаса показывает в ту же сторону, куда направлены железные опилки.
Опыт Эрстеда
Довольно продолжительное время электрические и магнитные поля изучались раздельно. Их взаимосвязь была обнаружена совершенно случайно. Существует легенда, что Кристиан Эрстед показывал ученикам на своей лекции в университете влияние толщины проводника на силу тока. При этом на демонстрационном столе лежал компас, оставшийся от предыдущей лекции. Во время рассказа Эрстеда о природе нагрева проволоки, один из его студентов обратил внимание, что стрелка компаса изменила положение. Этот эффект после позволил учёному утверждать, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи с проводником тока, действуют силы, стремящие её развернуть.
Главный интерес этого явления был в том, что, кроме изменения положения стрелки никаких, более эффектов не наблюдалось.
Проведя ряд опытов, учёный установил, что на направление указателя влияла полярность подключения источника питания. При её изменении стрелка сразу же изменяла своё направление на противоположное. Но оказалось, что влияние магнитного потока настолько мало, что обнаружить его, возможно, только с помощью чувствительных приборов.
Чтобы более точно представить, по какому принципу происходит поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током нужно рассмотреть проволоку с торца. Тогда можно будет изучить два случая:
- ток идёт от наблюдающего;
- заряды двигаются к исследователю.
Если установить множество стрелок вокруг проводника, то окажется, что после пропускания тока они выстроятся так, что образуют своеобразную окружность. При этом их полюса будут противоположны друг другу. Эти стрелки примут положение по касательной к магнитным линиям. Таким образом, можно будет увидеть, что линии, описывающие распространение поля, представляют окружность. Их же направления в первом случае будут по часовой стрелке, а во втором — против.
Это важное свойство магнитных линий и наблюдал Эрстед. Ампер же смог развить исследование дальше. Он установил, что если взять два проводника, разместить их параллельно и пустить по ним токи в одном направлении, то возникает сила притягивания. Если же в одном из них поменять подключение — проводники начинают отталкиваться. Именно благодаря Амперу удалось эмпирически доказать, как происходит взаимодействие проводника, по которому течёт ток, с полем постоянного магнита и описать зависимость зарядов от их направления.
Виток и катушка
Определить направление магнитного потока можно по правилу, которое называется буравчиком. Нужно взять проводник с током и расположить вдоль него винт. При этом добиться того, чтобы стержень перемещался вдоль направления тока. Для этого понадобится вращать буравчик в определённую сторону, которая и будет показывать, куда направлено магнитное поле.
Аналогом этого способа является правило правой руки. Заключается оно в том, что если поставить её большой палец по направлению тока, то тогда оставшиеся четыре укажут сторону распространения действия силы. Определить, как будут направлены линии в прямом проводнике, не представляет трудности.
Для провода, согнутого в виток, методика определения изменится. Изогнутый проводник можно представить как множество кусочков. Наиболее интересными из них будут два — расположенные в начале и в конце. Если воспользоваться правилом буравчика и нарисовать направление, то можно увидеть, что вокруг каждого из концов возникнут противоположные друг другу силовые линии. Они будут замкнуты и иметь радиальную форму. Но особенность их в том, что в середине проводника сила действия поля будет намного сильнее, чем при удалении от неё.
Оказывается, что если ток течёт по кольцу, то правило буравчика тоже будет работать, но с небольшим отличием.
Если при прямом токе вращение ручки, расположенной по направлению перемещения частиц, указывает сторону распространения линий, то для витка ситуация повторяется с точностью наоборот. Когда буравчик вращается по направлению тока, то стержень устройства показывает, куда направлено поле внутри витка.
Аналогичную картину можно получить, если из проволоки смотать катушку. В середине её линии будут более густо расположены, чем снаружи. Этим и пользуются для получения сильного магнитного потока. Все эти явления связаны с природой рассматриваемой силы. Линии поля всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Вот почему направление вектора магнитной индукции совпадает с северным указателем магнитной стрелки. Следует отметить важный момент: на самом деле силовые линии двух одинаковых точечных зарядов могут пересекаться, но в этом случае поле в этой точке будет равно нулю.
Понятие природы магнитной индукции позволило использовать силу в технологическом прогрессе человечества. Например, были созданы поезда, способные развивать огромную скорость, так как они двигаются на магнитной подушке. Вагоны скользят над поверхностью, не испытывая трения.
Открытия используются и при изучении работы головного мозга. Оказалось, что при его деятельности возникает слабое магнитное поле, исследование которого помогает понять принцип работы нейронов.
Предыдущая
ФизикаРеферат на тему: «Лазерные технологии и их использование» — виды, примеры и сферы применения
Следующая
ФизикаСтроение вещества — первоначальные сведения для учащихся 7 класса