Что является источником магнитного поля

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.

Магнитное поле Земли защищает биосферу планеты от заряженных частиц потока солнечного излучения

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.

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.

Образованный рисунок будет представлять распределение силовых линий

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):

F = q * [B,v].

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.

Отогнутый большой палец покажет направление воздействия силы Лоренца

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:

d*w=H*d*B.

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

W = (Ф*I)/2 = (L*I2)/2,

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:

Ф = B * S *cos a.

Получение энергии из магнитного поля Земли

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

Это устройство, по заверениям изобретателя, способно добывать электричество «из воздуха»

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

Видео

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич