Магнитное поле
Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Без магнитного поля не функционировали бы герконы, электромагнитные реле, соленоиды, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, двигатели, динамики, генераторы электрической энергии да и вообще много чего.
Природа магнетизма
Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.
Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой — на ЮГ.
Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.
Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.
Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).
Магнитные линии и магнитный поток
Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.
Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.
Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.
Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов
Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание
Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.
Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.
Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?
Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».
В физике формула магнитного потока записывается как
Ф — магнитный поток, Вебер
В — плотность магнитного потока, Тесла
а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах
S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м 2
Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м 2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.
Напряженность магнитного поля
Формула напряженности
Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
B — плотность магнитного потока, Тесла
Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.
μ — это относительная магнитная проницаемость.
У разных веществ она разная
Напряженность магнитного поля проводника с током
Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.
Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
I — сила тока, текущая через проводник, Ампер
r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр
Магнитное поле проводника с током
Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.
Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.
Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.
Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.
Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?
Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.
Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.
Соленоид
А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину. У нас должно получится что-то типа этого.
Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.
Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.
Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.
Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.
Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.
I — это сила тока в катушке, Амперы
N — количество витков катушки, штуки)
Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.
Похожие статьи по теме «магнитное поле»
Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли
Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!
Магнитное поле
Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).
Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!
Магнит
У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).
Картина магнитного поля
Характеристики магнитного поля
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.
Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.
Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).
Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.
Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).
Магнитный поток
Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.
Магнитное поле Земли
Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.
Магнитное поле земли
Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.
Магнитное поле Земли
За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.
К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.
Магнитное поле
Чтобы правильно понимать параметры и особенности магнитного поля, требуется дать соответствующие определения тех или иных физических явлений. Не будет лишним напомнить и про то, что такое – магнитное поле, какие величины его характеризуют.
Также очень важен для понимания такой момент, что магнитное поле существует далеко не только у магнитов.
Определение магнитного поля
Итак, под магнитным полем принято подразумевать некую материальную среду, через которое проводники с током или заряженные частицы взаимодействуют друг с другом.
Однако эта среда никак не ощущается человеком. Хотя еще в древности люди начинали подозревать о ее существовании, теоретически и экспериментально доказать существование магнитного поля удалось лишь сравнительно недавно.
Сегодня физиками установлено, что магнитное поле имеется вокруг любых проводников под током. Оно оказывает воздействие на проводник, в результате чего тот движется в сторону действия силы магнитного поля. Если же речь идет о кольцевом проводнике, то он будет совершать обороты вокруг своей оси.
Важное замечание: само по себе это поле не обладает очерченными границами, однако с расстоянием оно начинает стремительно ослабевать. Поэтому на очень большом расстоянии от проводника его или вовсе невозможно зафиксировать, или для этого потребуется использование достаточно мощных приборов.
Токи внутри магнитного поля взаимодействуют между собой с конечной скоростью.
Возникновение магнитного поля
Чтобы лучше понимать свойства и принципы работы магнитного поля, сначала необходимо описать, как оно возникает. А возникает оно при трансформации заряженных элементарных частиц, при этом воздействуя на подвижные электрозаряды. Например, на проводники тока.
Проводники и перемещающиеся внутри поля заряды взаимодействуют за счет так называемых электромагнитных сил. Силовые показатели магнитного поля в конкретном месте пространства определяются постоянной индукцией. Графически можно представить индукцию в виде линий – чтобы лучше и нагляднее понимать особенности и параметры данного явления. Принято считать, что, чем гуще расположение графических линий – тем интенсивнее действие магнитной индукции. По линиям можно также определять направление индукции поля. Однако следует понимать, что в природе никаких линий не существует, они были введены физиками лишь для большей наглядности явления.
Магнитные линии
Прямолинейные проводники, обладающие высокими показателями токопроводимости, имеют более плотные магнитные линии. Они распределяются по концентрическим окружностям, в центре которых располагается данный прямолинейный проводник.
Важно замечание. Чтобы определить направление линий магнитного поля, пользуются так называемым правилом буравчика. Оно гласит: если воображаемый буравчик расположить таким образом, что он будет ввинчиваться вдоль прямолинейного проводника под током, то траектория вращения рукояти буравчика совпадает с направлением магнитных линий.
Еще одной неотъемлемой характеристикой магнитного поля является однородность (неоднородность) распределения магнитных линий и самого поля. Эти составляющие, создаваемые одним и тем же током и при прочих равных условиях, обладают неоднозначной интенсивностью и направленностью в том или ином пространстве. Такая неоднородность зависит от движущихся магнитных свойств внутри вещества, где поле распространяется.
Магнитная специфика окружающего пространства характеризуются стабильной проницаемостью магнита. Ее принято измерять в генри на метр (г/м).
Таким образом, в числе свойств поля следует перечислить и такой показатель, как абсолютная магнитная проницаемость пустоты. Это – магнитная постоянная.
Под магнитной проницаемостью подразумевают определенное значение, показывающее, насколько часто показатель абсолютной магнитной проницаемости данного пространства или среды отличается от показателя постоянной, относительной проницаемости магнита.
Магнитным полем оказывается прямое воздействие на такие параметры, как:
Внутри магнитного поля линии возникают, например, во время приближения постоянного или непостоянного магнита к рассыпанным на картонном листе железным опилкам. Этот опыт является классическим и позволяет наглядно продемонстрировать возникновение линий магнитной индукции внутри поля.
Изменения магнитных свойств материалов
Во время усиления постоянства силы тока до полноценного насыщения в катушке с ферромагнитными элементами и последующим исчезновением силы, кривые намагничивания не могут совпадать с линиями размагничивания. Индукция, обладающая в данном случае нулевыми показателями напряженности, не имеет значения, но получает некий параметр, который физики назвали – остаточная магнитная индукция.
Явление ослабевания индукции внутри магнитного поля от намагничивающей интенсивности принято называть гистерезисом.
Чтобы полностью размагнитить проводник, внутри элементов сердечников требуется наличие тока с обратным направлением. В этом случае и возникнет элемент напряженности.
В случае с разными ферромагнитными частицами имеют значение отрезки с разной длиной. То значение, при котором наблюдается окончательное размагничивание того или иного материала, называется коэрцитивная сила.
Если продолжать увеличивать интенсивность действия тока внутри катушки, то и магнитная индукция будет увеличиваться – вплоть до уровня своего насыщения. Но – с совершенно иными направлениями линий магнитной индукции.
Во время полного размагничивания в противоположном направлении можно получить явление остаточной индукции, которое и используется для разработки постоянных магнитов из веществ, обладающих высокими коэффициентами так называемого остаточного магнетизма.
С помощью веществ, имеющих свойство перемагничивания, учеными создаются сердечники для электроприборов, машин и механизмов.
Свойства магнитного поля
Свойствами магнитного поля в настоящее время принято считать:
Ключевое преимущество и важное свойство магнитного поля – его относительность. Так если этот критерий оставить в заряженном теле неподалеку от принятой заранее системы отсчета и рядом поместить магнитную стрелку компаса, то та станет указывать в северном направлении. При этом стрелка не «видит» других полей, кроме магнитного поля Земли.
При приведении заряженного тела в движение вокруг него появляется магнитное поле, на которое стрелка обязательно отреагирует поворотом.
Все источники магнитного поля принято делить на следующие составляющие:
Стоит заметить, что движущийся электрический заряд обладает куда большей магнитной энергией, нежели постоянный магнит.
Учеными были установлены причины, по которым физическое тело получает те или иные магнитные свойства. Как гласит современная теория, любое вещество внутри себя имеет микроскопические электротоки. Они возникают из-за постоянного движения заряженных электронов по своим квантовым орбитам вокруг ядра атома.
Человек не может своими органами чувств зафиксировать наличие или отсутствие магнитного поля вокруг вещества. Это сделать можно лишь специальными приборами.
Магнитное поле принято делить на постоянное и переменное. Первый вид поля наблюдается лишь в случае наличия неизменного электрического поля. Коэффициент данной пропорциональности принято называть индуктивностью основного проводника. Что показывает потенциал элемента формировать потокосцепление во время трансформации электричества в силу тока внутри контура магнитного потока.
Все выше сказанное и помогает нам понять, что же собой представляет и чем характеризуется такое физическое явление, как магнитное поле.
