Магнитное поле и его характеристики
теория по физике 🧲 магнетизм
Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими частицами.
Основные свойства магнитного поля
Вектор магнитной индукции
За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.
Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:
За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.
Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.
Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.
Напряженность магнитного поля
μ — магнитная проницаемость среды (у воздуха она равна 1), μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 π · 10 − 7 Гн/м.
Направление вектора магнитной индукции и способы его определения
Чтобы определить направление вектора магнитной индукции, нужно:
В пространстве между полюсами постоянного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса:
При определении направления вектора магнитной индукции с помощью витка с током следует применять правило буравчика:
При вкручивании острия буравчика вдоль направления тока рукоятка будет вращаться по направлению вектора → B магнитной индукции.
Отсюда следует, что:
Способы обозначения направлений векторов:
| Вверх |  |
| Вниз |  |
| Влево |  |
| Вправо |  |
| На нас перпендикулярно плоскости чертежа |  |
| От нас перпендикулярно плоскости чертежа |  |
Пример №1. На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) вектор магнитной индукции в точке С?
Если мысленно начать вкручивать острие буравчика по направлению тока, то окажется, что вектор магнитной индукции в точке С будет направлен к нам — к наблюдателю.
Магнитное поле прямолинейного тока
Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.
Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:
Правило буравчика (правой руки)
Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, направить в сторону тока в проводнике, то остальные 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.
Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:
Магнитное поле кругового тока
Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.
Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:
Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.
Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:
Модуль напряженности в центре витка:
Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?
Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.
Магнитное поле электромагнита (соленоида)
Соленоид — это катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра.
Число витков в соленоиде N определяется формулой:
l — длина соленоида, d — диаметр проволоки.
Линии магнитной индукции являются замкнутыми, причем внутри соленоида они располагаются параллельно друг другу. Поле внутри соленоида однородно.
Если ток по виткам соленоида идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B внутри соленоида направлен вверх, если по часовой стрелке, то вниз. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом правой руки для витка с током.
Модуль вектора магнитной индукции в центральной области соленоида:
Модуль напряженности магнитного поля в центральной части соленоида:
Алгоритм определения полярности электромагнита
Пример №3. Через соленоид пропускают ток. Определите полюсы катушки.
Ток условно течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Следовательно, ток течет по виткам от точки А к точке В. Мысленно обхватив соленоид пальцами правой руки так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках соленоида, отставим большой палец на угол 90 градусов. Он покажет направление линий магнитной индукции внутри соленоида. Проделав это, увидим, что линии магнитной индукции направлены вправо. Следовательно, они выходят из В, который будет являться северным полюсом. Тогда А будет являться южным полюсом.
На рисунке изображён круглый проволочный виток, по которому течёт электрический ток. Виток расположен в вертикальной плоскости. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен
а) вертикально вверх в плоскости витка
б) вертикально вниз в плоскости витка
в) вправо перпендикулярно плоскости витка
г) влево перпендикулярно плоскости витка
Алгоритм решения
Решение
По условию задачи мы имеем дело с круглым проволочным витком. Поэтому для определения вектора → B магнитной индукции мы будем использовать правило правой руки.
Чтобы применить это правило, нам нужно знать направление течение тока в проводнике. Условно ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Следовательно, на рисунке ток течет по витку в направлении хода часовой стрелки.
Теперь можем применить правило правой руки. Для этого мысленно направим четыре пальца правой руки в направлении тока в проволочном витке. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает относительно рисунка влево. Это и есть направление вектора магнитной индукции.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Магнитная стрелка компаса зафиксирована на оси (северный полюс затемнён, см. рисунок). К компасу поднесли сильный постоянный полосовой магнит и освободили стрелку. В каком положении установится стрелка?
а) повернётся на 180°
б) повернётся на 90° по часовой стрелке
в) повернётся на 90° против часовой стрелки
г) останется в прежнем положении
Алгоритм решения
Решение
Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изначально южный полюс магнитной стрелки находится справа, а северный — слева. Полосовой магнит подносят к ее южному полюсу северной стороной. Поскольку это разноименные полюса, положение магнитной стрелки не изменится.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой вдоль её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рисунок). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.
Алгоритм решения
Решение
Чтобы определить направление тока в соленоиде, посмотрим на расположение полюсов источника тока. Ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. Следовательно, относительно рисунка ток в витках соленоида направлен по часовой стрелке.
Зная направление тока в соленоиде, можно определить его полюса. Северным будет тот полюс, из которого выходят линии магнитной индукции. Определить их направление поможет правило правой руки для соленоида. Мысленно обхватим соленоид так, чтобы направление четырех пальцев правой руки совпадало с направлением тока в витках соленоида. Теперь отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление вектора магнитной индукции. Проделав все манипуляции, получим, что вектор магнитной индукции направлен вниз. Следовательно, внизу соленоида расположен северный полюс, а вверху — южный.
Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Подвешенный полосовой магнит обращен к южному полюсу соленоида северным полюсом. А это значит, что при замыкании электрической цепи он будет растягивать пружину, притягиваясь к соленоиду (двигаться вниз).
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Из этой статьи вы узнаете: Что происходит с неодимовым магнитом, если его расплавить или разрезать пополам? Магнит крепче держится на другом магните или на стали? Ослабевает ли магнитная сила магнитов со временем? Влияет ли температура на магнитную силу магнитов? Может ли стекло быть магнитным? Могут ли магниты быть мягкими и гибкими? Есть ли резина, которая реагирует на магнит? Какое самое сильное магнитное поле удалось создать на сегодняшний день? Чувствительны ли живые существа к магнетизму? И многое другое.
Также в статье есть описание пяти экспериментов, которые позволят узнать, насколько сильно неодимовый магнит притягивает яблоко. Вы также узнаете, что произойдет с магнитом, когда вы приблизите к нему горящую свечу и как неодимовый магнит искажает изображение на ЭЛТ-мониторе.
Дальше смотрите ответы на эти и другие часто задаваемые вопросы, а также несколько идей интересных экспериментов.
1) Что вызывает магнитное поле у магнита?
Распределение магнитного поля представлено линиями магнитной индукции. Линии индукции проходят от северного к южному магнитному полюсу магнита.
2) Почему магнит притягивает только предметы из железа, никеля и кобальта?
3) В яблоке есть железо. Так почему его не притягивает магнит?
Большинство живых организмов и продуктов питания также содержат определенное количество железа, но они не притягиваются магнитом. Почему? Это потому, что в них очень мало железа.
4) Что такое магнитомягкий и твердый материал?
Ферромагнитные вещества можно разделить на магнитомягкие и магнитотвердые, в зависимости от того, как они теряют или сохраняют свои магнитные свойства.
5) Почему в некоторые магнитные вещества добавляют кремний?
6) Что такое Гаусс и Тесла?
7 ) Какое самое сильное магнитное поле удалось создать на сегодняшний день?
Группа ученых из Токийского университета во главе с физиком Содзиро Такеяма создала чрезвычайно сильный электромагнит, который генерировал магнитное поле в 1200 тесла.
8 ) Магнит крепче держится на другом магните или на стали?
Многие спрашивают об этом. Однако однозначного ответа нет. Удерживающая сила зависит от нескольких факторов:
Если сталь достаточно большая, удерживающая сила между сильным магнитом и куском стального листа такая же, как для магнита с магнитом. Сила прижима неодимовых магнитов к стали.
Если кусок стального листа слишком маленький или тонкий, сила между магнитом и сталью меньше. Насколько большим должен быть кусок стали, чем размер магнита? Если вы используете неодимовый магнит размером 12 × 12 мм, то стальной лист должен быть 25 × 25 мм. Сила прижима неодимовых магнитов к стали. Сила прижима неодимовых магнитов к стали.
Если между сталью и магнитом есть зазор, то удерживающая сила между одним магнитом и другим больше, чем между магнитом и сталью.
9 ) Теряют ли магниты прочность, если они длительное время прикреплены к ферромагнитному материалу?
Неодимовые магниты обычно почти постоянно сохраняют магнетизм. Сила, необходимая для размагничивания магнита, называется коэрцитивной силой. Это способность постоянного магнита противостоять размагничиванию во внешнем магнитном поле.
Чем больше коэрцитивная сила магнита, тем лучше он выдерживает размагничивание как внешними, так и собственными магнитными полями и, следовательно, имеет меньшую тенденцию к ослаблению.
Магнитотвердые материалы, используемые для изготовления постоянных магнитов, представляют собой ферромагнитные вещества с высокой коэрцитивной силой. Если вы не подвергаете магниты воздействию высоких температур и других сильных магнитных полей, они будут намагничиваться годами.
10 ) Влияет ли температура на магнитную силу и что такое температура Кюри?
Да, температура влияет на магнитную силу. Температуру Кюри впервые описал французский физик Пьер Кюри, муж Марии Кюри-Склодовской. Какова температура Кюри некоторых материалов? Смотрите на таблицу ниже.
Что происходит с магнитом, если его нагреть выше критической температуры Кюри? Ферромагнитное вещество состоит из диполей, которые образуют небольшие магнитные домены (области). Если магнит намагничен, домены располагаются равномерно.
Например, если вы бросите магнит в огонь, ориентация магнитных доменов резко изменится. При хаотическом расположении доменов магнит теряет свои магнитные свойства.
Посмотрите в видео, как пламя свечи воздействует на кусок никелевой монеты:
1 1 ) Если я разрежу магнит, теоретически должны образоваться два отдельных магнита, которые будут притягиваться на режущей стороне. Это так?
Если вы разрежете стержневой магнит вдоль, вы получите два новых отдельных магнита. Когда вы разрезаете магнит перпендикулярно магнитной оси, магниты будут притягиваться, но если вы разрежете вдоль магнитной оси, обе части будут отталкиваться друг от друга.
1 2 ) Магниты работают в космосе?
Да. Космический вакуум содержит огромное количество пыли, газа, элементарных частиц и переплетен с электромагнитным излучением и магнитными полями. Электрические и магнитные силы в вакууме даже немного сильнее, чем в воздухе на Земле.
1 3 ) Что происходит с магнитом, если его расплавить?
Ферритовые магниты более термостойкие. Их экстремальная температура составляет 250 ° C. А тем более термостойкие самариево-кобальтовые магниты, выдерживающие температуру до 350 ° C.
1 4 ) Как можно заблокировать магнитную силу?
Магниты должны потерять свою магнитную силу, если вы подвергнете их воздействию чрезвычайно высоких температур в течение продолжительных периодов времени, например, когда вы бросите их в огонь. Однако есть так называемые диамагнитные вещества, которые ослабляют магнитное поле и в то же время слабо из него выдавливаются.
Посмотрите видео о диамагнитной левитации:
1 5 ) Что такое антимагнит?
До недавнего времени экранировать магнитное поле было невозможно. Только в 2011 году испанские ученые создали первый антимагнит.
По своей конструкции антимагнит состоит из нескольких слоев. Внутренний слой изготовлен из сверхпроводящего материала, который блокирует выход внутреннего магнитного поля, а также предотвращает проникновение внешнего магнитного поля. Остальные примерно десять слоев сделаны из специальных метаматериалов, предотвращающих взаимные помехи или изменения магнитных полей.
Чем может быть полезен антимагнит? Его можно использовать, например, у пациентов с кардиостимуляторами или слуховыми имплантатами, чтобы они могли проходить обследование с помощью медицинских устройств, генерирующих сильное магнитное поле. Это также поможет защитить корабли от мин, активируемых магнитом.
1 6 ) Что такое биполярный магнит?
1 7 ) Могут ли магниты быть мягкими и гибкими?
Магниты по своей природе твердые, потому что они изготавливаются из твердых материалов. Однако специалисты по производству резиновых уплотнений могут добавлять в силиконовый каучук магнитные частицы, которые в результате могут быть магнитными. Силиконовый каучук остается эластичным и гибким даже при очень низких температурах.
Это используется, например, производителями холодильников и морозильников, которые устанавливают его на двери. Резиновый уплотнитель, заполненный магнитными частицами, хорошо прилегает к плоской и округлой конструкции холодильника, благодаря чему в нее не проникает тепло.
Гибкие магниты также входят в состав магнитных игрушек. Вы можете знать магнитный слайм как игрушку для детей. Изучите дом, может быть, вы найдете резиновые магниты где-нибудь еще.
18 ) Как работает магнитная доска для рисования?
Частью магнитной доски для рисования является магнитный карандаш, которым вы рисуете на доске.
Как работает магнитный стол? Магнитный стол для детей состоит из ячеек, заполненных белой вязкой эмульсией (несжимаемая жидкость с высоким внутренним трением) и железных опилок.
Как удалить нарисованное изображение? Движущаяся магнитная полоса используется для удаления изображения. Вы можете свободно перемещать полосу и удалять только часть рисунка или все изображение. Если не удалить рисунок, он останется на столе несколько лет, пока жидкость не высохнет.
Посмотрите, как работает магнитный стол, на видео:
1 9 ) Является ли свинец магнитным и что такое диамагнетизм?
Посмотрите видео, чтобы увидеть, как пиролитический графит и висмут реагируют на сильный неодимовый магнит :
21 ) Может ли стекло быть магнитным?
Стеклодувы в Богемии производили урановое стекло в основном во второй половине 19 века, а также в 20 веке. Бум пришел с началом холодной войны, когда уран был легко доступен. Но с его окончанием производство уранового стекла резко упало.
Достаточно чувствительный счетчик Гейгера может обнаруживать небольшую степень излучения в урановом стекле с более высокой долей урана. Но большинство кусков уранового стекла эксперты считают безвредными и лишь незначительно радиоактивными.
22) Можно ли зарядить или «перезарядить» постоянный магнит?
23) Что такое поле Хальбаха?
В коротком видео ниже вы увидите, как одна сторона набора постоянных магнитов, расположенных в соответствии с полем Хальбаха, магнитно намного сильнее, чем другая.
Затем солнечные панели проводят электричество к катушке. Эта катушка с электромагнитными свойствами становится магнитной и притягивается к постоянному магниту в основании.
Благодаря этому ротор многократно вращается, и таким образом отдельные панели чередуются. Скорость вращения ротора зависит от интенсивности падающего света. Чем ярче свет, тем быстрее он будет вращаться.
Чтобы лучше понять, посмотрите видео:
25) Что такое супердиамагнетизм?
Сверхпроводящие магниты используются, например, в парящих поездах на магнитной подвеске, где они встраиваются в нижнюю часть шасси поезда.
Кубический магнит, парящий над сверхпроводящим материалом
Поезд на магнитной подвеске
26) Чувствительны ли живые существа к магнетизму?
Да, некоторые животные чувствительны к магнетизму. Они воспринимают силовые линии, проходящие между магнитными полюсами Земли, и в результате ориентируются в своих долгих путешествиях.
Исследователи полагают, что голуби и перелетные птицы используют микроскопические частицы магнетита в своей голове, чтобы ориентироваться, а также криптохромы в глазах птиц.
Криптохромы в сетчатке глаза также помогают осьминогам ориентироваться. Исследователи также обнаружили частицы магнетита у бактерий, лосося, морских черепах, дельфинов, полевок и некоторых млекопитающих.
27) Что такое Курская магнитная аномалия?
Магнитная аномалия вызвана аномальной концентрацией железосодержащих минералов. Одной из таких аномалий является Курская магнитная аномалия в России. Это территория с огромными залежами железной руды и крупнейшая магнитная аномалия на Земле.
Курская магнитная аномалия
Другими известными аномалиями являются, например, магнитная аномалия Банги в Центральной Африке или магнитная аномалия Тигами в Канаде.
28) Есть ли магнитные океаны?
Согласно теории ученых, соленая вода, которая постоянно течет с приливами, создает электрический ток по всей планете. И этот электрический ток притягивает магнитное поле глубоко под земной корой.
5 интересных экспериментов с магнитами
Эксперимент 1. Притягивает ли неодимовый магнит яблоко?
Поставьте банки из-под лимонада или пива друг на друга и положите на них деревянную палочку. Вы можете использовать, например, китайские палочки для еды, которые вы склеиваете.
Соедините два яблока китайской палочкой и повесьте их веревкой на палочке на подставке. Как вы можете видеть на видео ниже. Затем медленно поднесите сверхсильный неодимовый магнит ближе к яблокам, и яблоки начнут медленно двигаться.
Как может яблоко реагировать на магнит? Яблоко содержит небольшое количество железа и поэтому притягивается сильной магнитной силой. Что произойдет, если вы поместите яблоко между двумя сильными магнитами и уроните магниты друг на друга?
Используйте решетку для банок с первой попытки и добавьте другую банку посередине. Поместите сверху плоскую палочку и неодимовый магнитный диск.
Подготовьте 4 монеты, содержащие железо и поместите их друг на друга в вертикальном положении. Что случится? Из-за сильного магнитного поля между сильным магнитом монеты начинают левитировать и вращаться.
Сильный магнит удержит много монет, но сколько? Используйте подставку с магнитом из предыдущего эксперимента и приготовьте несколько монет. Прикрепите первую монету к магниту и постепенно подхватите под себя остальные. Подсчитайте, насколько неодимовый магнит удержит монеты под собой.
Наденьте неодимовый диск на гвоздь и прикрепите его к тискам. Зажгите свечу и нагрейте магнит пламенем. Что теперь происходит с магнитом? Температура пламени свечи составляет около 1000 ° C, этого достаточно, чтобы магнит потерял свои магнитные свойства после нагрева.
Если вы подвергнете неодимовый магнит воздействию температур выше 80 градусов Цельсия в течение длительного времени, его магнитная сила ослабнет.
При таких температурах кристаллическая решетка разрушается, и магнит ослабевает. Если, например, бросить неодимовый магнит в огонь, он потеряет свою магнитную силу.
Предупреждение: эксперименты и игры с сильными неодимовыми магнитами могут быть опасными, остерегайтесь риска травм.
