Слово «магнит» раньше было неизвестно, но на сегодняшний день у каждого ребенка есть игрушка с использованием магнита, также создаются украшения, магниты используются в медицине. В XIX веке датский физик Эстерд провел эксперимент с действием магнитного поля. После него работу магнитного поля изучил француз Андре-Мари Ампер. И на сегодняшний день это понятие изучается в школе и имеет широкую известность.
Основные характеристики магнитного поля
Магнитное поле (далее обозначается: МП) — это такая материя, которая находится и движется вокруг токов (электрических зарядов).
МП возникает из:
Для исследования МП применяют рамку с током.
Рамка с током — непрерывный ровный контур с током.
Свойства МП:
- МП имеет материальную основу;
- электрический ток — это индикатор для МП, и без него МП не может существовать;
- МП круговые, то есть его силовые линии (линии магнитной индукции) непрерывные;
- чем дальше источник поля, тем слабее и меньше становится МП.
Графически изобразить МП можно в виде линий или линий индукции.
История открытия МП
Изучение МП началось в XIII веке француз Петр Перегрин заметил на плоскости магнита МП с помощью стальных игл. Петр установил, что линии МП перекрещиваются и образуют две точки, которые он назвал полюсами.
Ученый Эстерд в 1819 году увидел движущуюся стрелку компаса рядом с проводником тока. В связи с этим он сделал вывод, что есть какая-то связь между МП и электрическим полем.
И только через пять лет Ампер смог описать взаимосвязь магнита с проводником (их действующую друг на друга силу). Так появился закон Ампера.
Еще через семь лет Фарадей провел опыт и обнаружил явление электромагнитной индукции, то есть он установил, что изменение МП влияет на проводник.
И по прошествии 33 лет Максвел объединил и математически описал все полученные ранее знания.
Магнитная индукция
Магнитная индукция (МИ) — силовое определение МП. Это векторная величина.
Одной из главных характеристик МП является векторный потенциал.
Формула индукции магнитного поля измеряется через вектор магнитной индукции (В).
В=Fmax/I*l ,
где Fmax — наибольшая сила, воздействующая от МП на проводнике; I — сила тока в проводнике; l — длина.
Вектор МИ имеет единицы измерения — теслы (Тл).
Направление вектора МИ — это направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, установленной в МП.
Линия МИ — несуществующая прямая, где в любом месте вектор МИ направлен к ней по касательной.
Свойства магнитной линии:
- постоянность;
- замкнутость;
- ориентированность.
Чем больше магнитных линий, тем сильнее МП.
Если рассматривать МП в свободном пространстве (без окружающей его среды), то используют понятие не вектор МИ, а вектор напряженности (Н), равный разности вектора МИ и вектор намагниченности (М).
Н = В — М
Если полей более одного, то вектор МИ определяется по принципу суперпозиции: МИ основного поля, которое состоит из многих источников, можно найти через сумму МИ всех полей, входящих в состав МП.
Электрическое поле
Электрическое поле (ЭП) — материя, созданная заряженными частицами, взаимодействующими между собой.
Количественно ЭП можно характеризовать понятием напряженность электрического поля. Так как сила имеет направленность, то и напряженность имеет направление, поэтому это векторная величина. Данную напряженность можно определить по формуле:
E=F/q , где Е — напряженность ЭП,
F — сила, которая влияет на заряд,
q — величина заряда.
Так же как и МИ, напряженность нескольких электрических полей можно вычислить по принципу суперпозиции.
Виды ЭП:
- Статическое (имеет неподвижные заряды).
- Магнитное (заряды проходят по проводнику).
- Стационарное (если проводник с током не двигается и не изменяется).
- Электромагнитное.
Магнитное взаимодействие
Магнитное взаимодействие — соединение или разъединение электрически незаряженных проводников при пропускании через них электричества.
Магнитное взаимодействие можно трактовать так: каждый перемещающийся электрический заряд вызывает МП, влияющее на перемещающиеся заряженные частицы.
Взаимосвязь проводников, по которым движется ток: если токи движутся в одну сторону, то проводники соединяются, если токи движутся в разные стороны, то проводники отталкиваются.
МП — это следствие появления понятия электрического поля. МП совместно с электрическим образуют электромагнитное поле.
Прямой ток
Магнитное поле проводника с током проходит по прямой, около которой возникает МП. МП около проводника с током проходит по круговой спирали. Направление магнитного поля и тока проходит в одну сторону. А в какую сторону, можно найти по правилу буравчика: если буравчик движется в ту же сторону, что и электрические заряды в проводнике, то направление обращения ручки буравчика соответствует направлению вектора МИ.
МП прямого тока — МП, ток которого идет по прямому кабелю большой длины.
Магнитные линии МП прямого тока — кривые линии, имеющие форму окружности, которые окружают проводник. В данном случае для того, чтобы найти направления силовых линий МП, применяют правило правой руки: если проводник держать в правой руке, большой палец будет направлен в сторону тока, а другие четыре пальца показывают направление силовых линий МП.
Понятие однородности
Однородное МП — это поле, вектор МИ которого постоянный.
Параметры однородности МП:
- магнитные линии параллельные и ровные;
- между линиями одинаковый интервал;
- энергия, которая воздействует на проводник, одинакова во всех точках.
Неоднородное МП — это поле, у которого линии искривлены, расстояние между ними неоднородное и напряжение меняется от точки к точке.
Сила Ампера
Сила Ампера — сила, воздействующая на проводник с электрическими зарядами, который расположен в МП.
Закон Ампера: на проводник с током, который расположен в МП, воздействует определенная сила. Данную силу можно рассчитать по формуле:
где I — сила тока в проводнике;
l — длина проводника;
В — МИ МП;
а — угол между проводником и вектором.
Для того чтобы узнать направление силы Ампера, основатель данной силы открыл правило левой руки: если перпендикуляр вектора МИ упирается в ладонь, а четыре пальца указывают в сторону тока, то большой палец, расположенный под прямым углом к остальным, направлен в сторону силы Ампера.
Понятие магнит
Магнит — это тело, которое имеет собственное МП.
Главное качество магнитов — способность притягивать предметы из железа или его сплавов (сталь, чугун).
Магниты делятся на 2 вида:
- природные (из магнитного железняка);
- искусственные (намагниченные железные полосы).
Постоянные магниты — это тела, которые долгое время создают МП.
Переменные МП и электрические существуют только совместно, так как МП порождает электрическое, а электрическое поле порождает МП.
Область, где качества магнита демонстрируются с наибольшей силой, называются полюсами. Магнит имеет два полюса: северный (N) и южный (S). Два одинаковых поля (N — N) отталкиваются, а противоположные (N — S) — притягиваются.
Если постоянный магнит разделить напополам, то у этих частей окажется также два полюса.
Алгоритм решения задачи
Для решения задачи о действии МП на проводники с током можно использовать следующий алгоритм:
- Создать чертеж проводника и обозначить на нем линии индукции с их направлением.
- Обозначить углы между направлением поля и элементами контура.
- Определить направление силы Ампера и указать данные параметры на чертеже.
- Также отметить на схеме другие силы, которые действуют на проводник.
- Изучить все нужные формулы.
- Использовать второй закон Ньютона в векторном виде и проекции.
- Найти неизвестную величину через уравнение и решить пример.
- Сделать проверку.
