магнитни явления. Магнитни явления в природата. Електромагнитно поле Примери за магнитни явления във физиката 7

Физически теласа " актьори» физични явления. Нека се запознаем с някои от тях.

Механични явления

Механичните явления са движението на телата (фиг. 1.3) и тяхното действие едно върху друго, например отблъскване или привличане. Действието на телата едно върху друго се нарича взаимодействие.

С механичните явления ще се запознаем по-подробно тази учебна година.

Ориз. 1.3. Примери за механични явления: движение и взаимодействие на тела по време на спортни състезания (а, б. в); движението на Земята около Слънцето и нейното въртене около собствената си ос (r)

Звукови явления

Звуковите явления, както подсказва името, са явления, свързани със звука. Те включват например разпространението на звука във въздуха или водата, както и отразяването на звука от различни препятствия - да речем, планини или сгради. Когато звукът се отразява, се получава познато ехо.

Топлинни явления

Топлинни явления са нагряването и охлаждането на телата, както и например изпаряването (превръщането на течността в пара) и топенето (превръщането твърдо тялов течност).

Топлинните явления са изключително широко разпространени: например те определят кръговрата на водата в природата (фиг. 1.4).

Ориз. 1.4. Кръговрат на водата в природата

Водата на океаните и моретата, нагрята от слънчевите лъчи, се изпарява. Издигайки се, парата се охлажда, превръщайки се във водни капчици или ледени кристали. Те образуват облаци, от които водата се връща на Земята под формата на дъжд или сняг.

Истинската „лаборатория“ на топлинните явления е кухнята: дали супата се готви на котлона, дали водата ври в чайник, дали храната е замразена в хладилника - всичко това са примери за топлинни явления.

Работата на автомобилния двигател също се определя от топлинни явления: при изгаряне на бензин се образува много горещ газ, който избутва буталото (моторната част). А движението на буталото се предава чрез специални механизми към колелата на автомобила.

Електрически и магнитни явления

Най-яркият (в буквалния смисъл на думата) пример за електрическо явление е мълнията (фиг. 1.5, а). Електрическото осветление и електрическият транспорт (фиг. 1.5, b) станаха възможни благодарение на използването на електрически явления. Примери за магнитни явления са привличането на железни и стоманени предмети от постоянни магнити, както и взаимодействието на постоянните магнити.

Ориз. 1.5. Електрически и магнитни явления и тяхното приложение

Иглата на компаса (фиг. 1.5, c) се върти така, че нейният „северен“ край сочи на север именно защото стрелката е малък постоянен магнит, а Земята е огромен магнит. Северното сияние (фиг. 1.5, d) се дължи на факта, че електрически заредени частици, летящи от космоса, взаимодействат със Земята като с магнит. Електрическите и магнитните явления определят работата на телевизорите и компютрите (фиг. 1.5, e, f).

Оптични явления

Накъдето и да погледнем, навсякъде ще видим оптични явления (фиг. 1.6). Това са явления, свързани със светлината.

Пример за оптично явление е отразяването на светлината от различни обекти. Светлинните лъчи, отразени от предметите, влизат в очите ни, благодарение на което виждаме тези обекти.

Ориз. 1.6. Примери за оптични явления: Слънцето излъчва светлина (а); Луната отразява слънчевата светлина (b); Огледалата (в) отразяват светлината особено добре; едно от най-красивите оптични явления - дъгата (d)

1. 1. Магнитни явления Чернова Албина 8E
2. 2. 1. Магнитното поле на Земята (установено чрез ефекта върху стрелката на компаса). Външното магнитно поле на Земята - магнитосферата - се простира в космическото пространство до повече от 20 земни диаметъра и надеждно защитава нашата планета от мощен поток от космически частици. Най-яркото проявление на магнитосферата са магнитните бури - бързи хаотични колебания на всички компоненти на геомагнитното поле. Често магнитните бури обхващат цялото земно кълбо: те се записват от всички магнитни обсерватории в света - от Антарктида до Шпицберген, а видът на магнитограмите, получени в най-отдалечените точки на Земята, е изненадващо подобен. Затова неслучайно подобни магнитни бури се наричат ​​глобални.
3. 3. 2. Постоянни магнити (откриват се чрез действието им върху метални предмети). Има два магнита различни видове. Някои са така наречените постоянни магнити, направени от „твърди магнитни“ материали. Техните магнитни свойства не са свързани с използването на външни източници или токове. Друг вид включват така наречените електромагнити със сърцевина от „меко магнитно“ желязо. Създаваните от тях магнитни полета се дължат главно на факта, че жицата на намотката, обграждаща ядрото, преминава електричествоиспански в двигатели - електромагнити - звънец, телефон, телеграф...
4. 4. 3. Магнитни свойства на веществата (Антиферомагнетици, Диамагнетици, Парамагнетици, Феромагнетици, Феримагнетици – приложение в техниката). 4. Генератори за променлив ток (в атомни електроцентрали, държавни централи...). 5. Устройства на магнитоелектрическата система (галванометър - чувствителен уред за измерване на слаби токове). 6. Прехвърляне на информация с помощта на електромагнитни вълни. 7. Магнитните явления включват - магнитна индукция, сила на Ампер, сила на Лоренц, електромагнитна индукция. 8. Магнитни течности, синтезирани в средата на 20 век в пресечната точка на науките колоидна химия, физика на магнитните явления и хидродинамика, принадлежат към магнитно контролирани материали и са получили широко практическа употребав машиностроенето, медицината...
5. 5. Известни са и такива магнитни явления като: Намагнитване на феромагнетици Парамагнитен резонанс Феромагнитен резонанс Антиферомагнитен резонанс Фазов преход към феромагнитна фаза при температура на Кюри Фазов преход към антиферомагнитна фаза при температура на Neel. Движение на доменна машина във външно магнитно поле Спинови вълни Хистерезис на кривата на обръщане на намагнитването на феромагнетиците Образуване на магнитно поле по време на движение електрически зарядиРезонанс на домейни стени в променливо магнитно поле Прецесия на магнитния момент около посоката на магнитното поле Изтласкване на диамагнети от силно магнитно поле Издърпване на парамагнети в силно магнитно поле Изтласкване на магнитно поле от свръхпроводник

В този урок, чиято тема е: „Електромагнитно поле“, ще обсъдим понятието „електромагнитно поле“, особеностите на неговото проявление и параметрите на това поле.

Говорим по мобилен телефон. Как се предава сигналът? Как се предава сигналът? космическа станциякойто е летял до Марс? В празнотата? Да, може да няма субстанция, но и това не е празнота, има нещо друго, през което се предава сигналът. Това нещо се наричаше електромагнитно поле. Това не е пряко наблюдаем, а реално съществуващ обект на природата.

Ако звуковият сигнал е промяна в параметрите на вещество, например въздух (фиг. 1), тогава радиосигналът е промяна в параметрите на ЕМ полето.

Ориз. 1. Разпространение на звуковата вълна във въздуха

Думите "електричен" и "магнитен" са ни ясни, вече сме изучавали отделно електрическите явления (фиг. 2) и магнитните явления (фиг. 3), но защо тогава говорим за електромагнитно поле? Днес ще го разберем.

Ориз. 2. Електрическо поле

Ориз. 3. Магнитно поле

Примери за електромагнитни явления.

В микровълновата печка се създават силни и най-важното много бързо променящи се електромагнитни полета, които действат върху електрически заряд. А както знаем, атомите и молекулите на веществата съдържат електрически заряд (фиг. 4). Тук върху него действа електромагнитното поле, което принуждава молекулите да се движат по-бързо (фиг. 5) – температурата се повишава и храната се нагрява. Рентгеновите лъчи, ултравиолетовите лъчи, видимата светлина имат същата природа.

Ориз. 4. Молекулата на водата е дипол

Ориз. 5. Движение на молекули с електрически заряд

В микровълновата фурна електромагнитното поле предава енергия на веществото, което се използва за нагряване, видимата светлина предава енергия на рецепторите на очите, която се използва за активиране на рецептора (фиг. 6), енергията на ултравиолетовите лъчи се използва за образуване на меланин в кожата (слънчево изгаряне, фиг. 7) и енергия рентгенови лъчипричинява почерняване на филма, върху който можете да видите изображението на вашия скелет (фиг. 8). Във всички тези случаи електромагнитното поле има различни параметри и следователно има различен ефект.

Ориз. 6. Условна диаграма на активиране на очния рецептор от енергията на видимата светлина

Ориз. 7. Дъбене на кожата

Ориз. 8. Почерняване на филма по време на рентген

Така че ние се сблъскваме с електромагнитното поле много по-често, отколкото изглежда, и отдавна сме свикнали с явленията, свързани с него.

Знаем, че около електрическите заряди възниква електрическо поле (фиг. 9). Тук всичко е ясно.

Ориз. 9. Електрично поле около електричен заряд

Ако електрически заряд се движи, тогава около него, както проучихме, възниква магнитно поле (фиг. 10). Тук вече възниква въпросът: електрически заряд се движи, около него има електрическо поле, какво общо има магнитното поле? Още един въпрос: ние казваме „зарядът се движи“. Но в крайна сметка движението е относително и може да се движи в една отправна система и да почива в друга (фиг. 11). Значи в една отправна система магнитното поле ще съществува, но не и в другата? Но полето не трябва да съществува или да не съществува, в зависимост от избора на референтна система.

Ориз. 10. Магнитно поле около движещ се електрически заряд

Ориз. 11. Относителност на движението на заряда

Факт е, че има едно електромагнитно поле и то има един единствен източник - електрически заряд. Има два компонента. Електрическите и магнитните полета са отделни проявления, отделни компоненти на едно цяло електромагнитно поле, които се проявяват по различен начин в различните отправни системи (фиг. 12).

Ориз. 12. Прояви на електромагнитното поле

Можете да изберете референтна система, в която ще се появи само електрическото поле, или само магнитното поле, или и двете едновременно. Не може обаче да се избере референтна система, в която както електрическите, така и магнитните компоненти ще бъдат нула, т.е. в която електромагнитното поле ще престане да съществува.

В зависимост от референтната система виждаме или единия компонент на полето, или другия, или и двата. Това е като движението на тяло в кръг: ако погледнете такова тяло отгоре, ще видим движение в кръг (фиг. 13), ако отстрани, ще видим трептения по сегмента (фиг. 14). Във всяка проекция върху координатната ос кръговото движение е трептене.

Ориз. 13. Движение на тялото в кръг

Ориз. 14. Трептения на тялото по отсечка

Ориз. 15. Проекция на кръгови движения върху координатната ос

Друга аналогия е проекцията на пирамида върху равнина. Може да се проектира в триъгълник или квадрат. В самолета това са напълно различни фигури, но всичко това е пирамида, която се гледа от различни страни. Но няма ъгъл, от който пирамидата да изчезне напълно. Просто ще изглежда повече като квадрат или триъгълник (фиг. 16).

Ориз. 16. Проекции на пирамида върху равнина

Помислете за проводник, по който протича ток. В него отрицателните заряди се компенсират от положителни, електрическото поле около него е нула (фиг. 17). Магнитното поле не е нула (фиг. 18), разгледахме появата на магнитно поле около проводник с ток. Нека изберем отправна система, в която електроните, образуващи електрическия ток, ще бъдат неподвижни. Но в тази референтна рамка по отношение на електроните, положително заредените йони на проводника ще се придвижат обратна страна: все пак има магнитно поле (фиг. 18).

Ориз. 17. Проводник с ток, чието електрично поле е нула

Ориз. 18. Магнитно поле около проводник с ток

Ако електроните бяха във вакуум, в тази отправна система около тях би възникнало електрическо поле, тъй като те не са компенсирани от положителни заряди, но няма да има магнитно поле (фиг. 19).

Ориз. 19. Електрично поле около електрони във вакуум

Нека да разгледаме друг пример. Вземете постоянен магнит. Около него има магнитно поле, но няма електрическо поле. Наистина, електрическото поле на протоните и електроните е компенсирано (фиг. 20).

Ориз. 20. Магнитно поле около постоянен магнит

Нека вземем отправна система, в която се движи магнитът. Около движещ се постоянен магнит ще се появи вихрово електрическо поле (фиг. 21). Как да го идентифицираме? Нека поставим метален пръстен (неподвижен в тази референтна рамка) по пътя на магнита. В него ще възникне ток - това е добре известно явление на електромагнитната индукция: когато магнитният поток се промени, възниква електрическо поле, което води до движение на заряди, до появата на ток (фиг. 22). В една референтна рамка електрическо полене, но в друг се проявява.

Ориз. 21. Вихрово електрическо поле около движещ се постоянен магнит

Ориз. 22. Явлението електромагнитна индукция

Магнитно поле на постоянен магнит

Във всяко вещество електроните, които се въртят около ядрото, могат да се разглеждат като малък електрически ток, който протича в кръг (фиг. 23). Това означава, че около него възниква магнитно поле. Ако веществото не е магнитно, това означава, че равнините на въртене на електроните са насочени произволно и магнитните полета от отделните електрони се компенсират взаимно, тъй като са насочени хаотично.

Ориз. 23. Представяне на въртенето на електроните около ядрото

В магнитните вещества равнините на въртене на електроните са ориентирани приблизително еднакво (фиг. 24). Следователно, магнитните полета от всички електрони се сумират и се получава ненулево магнитно поле в мащаба на целия магнит.

Ориз. 24. Въртене на електрони в магнитни вещества

Около постоянен магнит има магнитно поле или по-скоро магнитната компонента на електромагнитното поле (фиг. 25). Можем ли да намерим референтна система, в която магнитният компонент става нула и магнитът губи свойствата си? Все още няма. Наистина, електроните се въртят в една и съща равнина (виж Фиг. 24); във всеки един момент скоростите на електроните не са насочени в една и съща посока (Фиг. 26). Така че е невъзможно да се намери референтна система, при която всички те замръзват и магнитното поле изчезва.

Ориз. 25. Магнитно поле около постоянен магнит

По този начин електрическите и магнитните полета са различни проявиедно електромагнитно поле. Не може да се каже, че в определена точка от пространството има само магнитно или само електрическо поле. Може да има едното или другото. Всичко зависи от референтната рамка, от която разглеждаме тази точка.

Защо преди това говорихме отделно за електрическите и магнитните полета? Първо, това се е случило исторически: хората отдавна са знаели за магнита, хората отдавна са наблюдавали наелектризирана козина срещу кехлибар и никой не е предполагал, че тези явления имат една и съща природа. И второ, това е удобен модел. В задачи, при които не се интересуваме от връзката между електрическите и магнитните компоненти, е удобно да ги разглеждаме отделно. Два заряда в покой в ​​дадена отправна система си взаимодействат чрез електрическо поле - ние прилагаме закона на Кулон към тях, не се интересуваме от факта, че същите тези електрони могат да се движат в някаква отправна система и да създават магнитно поле, и ние успешно реши задачата (фиг. 27) .

Ориз. 27. Закон на Кулон

Действието на магнитно поле върху движещ се заряд се разглежда в друг модел и също така, в рамките на своята приложимост, работи добре при решаването на редица проблеми (фиг. 28).

Ориз. 28. Правило на лявата ръка

Нека се опитаме да разберем как компонентите на електромагнитното поле са свързани помежду си.

Трябва да се отбележи, че точната връзка е доста сложна. Разработен е от британския физик Джеймс Максуел. Той извежда известните 4 уравнения на Максуел (фиг. 29), които се изучават в университетите и изискват знания висша математика. Разбира се, няма да ги изучаваме, а в няколко с прости думиНека да разберем какво означават.

Ориз. 29. Уравнения на Максуел

Максуел разчита на работата на друг физик - Фарадей (фиг. 30), който просто качествено описва всички явления. Той прави рисунки (фиг. 31), бележки, които много помагат на Максуел.

Ориз. 31. Рисунки на Майкъл Фарадей от „Електричество“ (1852)

Фарадей открива явлението електромагнитна индукция (фиг. 32). Нека си припомним какво е. Променливото магнитно поле генерира ЕМП на индукция в проводника. С други думи, променливо магнитно поле (да, в този случай, не електрически заряд) генерира електрическо поле. Това електрическо поле е вихрово, т.е. неговите линии са затворени (фиг. 33).

Ориз. 32. Рисунки на Майкъл Фарадей за експеримента

Ориз. 33. ЕДС индукция в проводник

Освен това знаем, че магнитното поле се генерира от движещ се електрически заряд. Би било по-правилно да се каже, че се генерира от променливо електрическо поле. Когато зарядът се движи, електрическото поле във всяка точка се променя и тази промяна генерира магнитно поле (фиг. 34).

Ориз. 34. Появата на магнитно поле

Можете да забележите появата на магнитно поле между плочите на кондензатора. Когато се зарежда или разрежда, между плочите се създава променливо електрическо поле, което от своя страна генерира магнитно поле. В този случай линиите на магнитното поле ще лежат в равнина, перпендикулярна на линиите на електрическото поле (фиг. 35).

Ориз. 35. Появата на магнитно поле между плочите на кондензатора

А сега нека разгледаме уравненията на Максуел (фиг. 29), по-долу за запознаване е дадено малко декодиране на тях.

Иконата - дивергенция - е математически оператор, той подчертава компонента на полето, който има източник, тоест линиите на полето започват и завършват на нещо. Вижте второто уравнение: този компонент на магнитното поле е нула: линиите на магнитното поле не започват или завършват с нищо, няма магнитен заряд. Вижте първото уравнение: този компонент на електрическото поле е пропорционален на плътността на заряда. Електрическото поле се създава от електрически заряд.

Най-интересни са следните две уравнения. Иконата - ротор - е математически оператор, който подчертава вихровия компонент на полето. Третото уравнение означава, че вихрово електрическо поле се създава от променящо се във времето магнитно поле ( е производната, която, както знаете от математиката, означава скоростта на промяна на магнитното поле). Тоест, говорим за електромагнитна индукция.

Четвъртото уравнение показва, ако не обърнете внимание на коефициентите на пропорционалност: вихрово магнитно поле се създава от променящо се електрическо поле, както и електрически ток (- плътност на тока). Говорим за това, което добре знаем: магнитното поле се създава от движещ се електрически заряд и.

Както можете да видите, променливото магнитно поле може да генерира променливо електрическо поле, а променливото електрическо поле на свой ред генерира променливо магнитно поле и т.н. (фиг. 36).

Ориз. 36. Променливото магнитно поле може да генерира променливо електрическо поле и обратно

В резултат на това в пространството може да се образува електромагнитна вълна (фиг. 37). Тези вълни имат различни прояви - това са радиовълни и видима светлина, ултравиолетова и т.н. Ще говорим за това в следващите уроци.

Ориз. 37. Електромагнитна вълна

Библиография

1. Касянов В.А. Физика. 11 клас: Учебен. за общо образование институции. - М.: Дропла, 2005.
2. Мякишев Г.Я. Физика: Учебник. за 11 клас общо образование институции. - М.: Образование, 2010.

1. Интернет портал „studopedia.su” ()
2. Интернет портал “worldofschool.ru” ()

Домашна работа

1. Възможно ли е да се открие магнитно поле в референтната рамка, свързана с един от равномерно движещите се електрони в потока, който се създава в кинескопа на телевизора?
2. Какво поле се появява около електрон, движещ се в дадена отправна система с постоянна скорост?
3. Какво поле може да се открие около неподвижен кехлибар, зареден със статично електричество? Около движещ се? Обосновете отговорите си.

слайд 2

Етапи на работа

Поставете цели и задачи Практическа част. Проучване и наблюдение. Заключение.

слайд 3

Цел: експериментално изследване на свойствата на магнитните явления. Цели: - Изучаване на литература. - Провеждайте експерименти и наблюдения.

слайд 4

Магнетизъм

Магнетизмът е форма на взаимодействие между движещи се електрически заряди, осъществявано на разстояние посредством магнитно поле. Магнитното взаимодействие играе важна роля в процесите, протичащи във Вселената. Ето два примера, които потвърждават казаното. Известно е, че магнитното поле на звездата генерира звезден вятър, подобен на слънчевия, който чрез намаляване на масата и инерционния момент на звездата променя хода на нейното развитие. Известно е също, че магнитосферата на Земята ни предпазва от разрушителното въздействие на космическите лъчи. Ако не беше това, еволюцията на живите същества на нашата планета очевидно щеше да върви по различен начин и може би животът на Земята изобщо нямаше да възникне.

слайд 5

слайд 6

Земното магнитно поле

Основната причина за наличието на магнитното поле на Земята е, че ядрото на Земята се състои от нажежено желязо (добър проводник на електрически токове, които възникват вътре в Земята). Графично магнитното поле на Земята е подобно на магнитното поле на постоянен магнит. Магнитното поле на Земята образува магнитосфера, простираща се на 70-80 хиляди км по посока на Слънцето. Той екранира земната повърхност, предпазва от вредното въздействие на заредени частици, високи енергии и космически лъчи и определя характера на времето. Магнитното поле на Слънцето е 100 пъти по-голямо от това на Земята.

Слайд 7

Промяна на магнитното поле

Причината за постоянните промени е наличието на минерални находища. На Земята има територии, където собственото магнитно поле е силно изкривено от наличието на железни руди. Например Курската магнитна аномалия, разположена в Курска област. Причината за краткотрайните изменения в магнитното поле на Земята е действието на "слънчевия вятър", т.е. действието на поток от заредени частици, излъчвани от Слънцето. Магнитното поле на този поток взаимодейства с магнитното поле на Земята и възникват "магнитни бури".

Слайд 8

Човекът и магнитните бури

Сърдечно - съдовата и кръвоносната система повишава кръвното налягане, влошава се коронарното кръвообращение. Магнитните бури предизвикват обостряния в организма на човек, страдащ от заболявания на сърдечно-съдовата система (инфаркт на миокарда, инсулт, хипертонична криза и др.). Дихателни органи магнитни бурипромяна на биоритмите. Състоянието на някои пациенти се влошава преди магнитни бури, а на други – след. Адаптивността на такива пациенти към условията на магнитни бури е много малка.

Слайд 9

Практическа част

Цел: да се съберат данни за броя на повикванията за линейки през 2008 г. и да се направи заключение. Открийте връзката между детската заболеваемост и магнитните бури.

14. Индукция на магнитно поле. Принципът на суперпозиция на магнитните полета. Амперна мощност. Сила на Лоренц. Електрически измервателни уреди. Магнитни свойства на материята.

Магнитни явления

Както електрическите, така и магнитните явления са взаимодействието на телата на разстояние. Тези взаимодействия се проявяват в възникването на механични сили и моменти на сили, действащи между телата.

Разликата между електрическото и магнитното взаимодействие се проявява например във факта, че за да разделите електрическите заряди, можете да разтриете разни предметиедин от друг и триенето на предмети един в друг е безполезно за получаване на магнити. Като увиете зареден предмет в мокра кърпа, можете да унищожите неговия електрически заряд. Същата процедура по отношение на магнита няма да доведе до изчезване магнитни свойства. Намагнитването на магнитни материали в присъствието на други магнити не води до разделяне на електрическите заряди. Тези два вида взаимодействие на обекти от разстояние не могат да бъдат сведени един до друг.

Експерименталните изследвания на магнити и различни материали показват, че някои обекти постоянно имат магнитни свойства, тоест те са „постоянни магнити“, докато други тела придобиват магнитни свойства само в присъствието на постоянни магнити. Има и материали, които нямат изразени магнитни свойства, тоест не се привличат или отблъскват от силни постоянни магнити. Вътрешните и индуцирани магнитни свойства на обектите водят до подобни ефекти. Например постоянните лентови магнити, образци от които обикновено се намират във всяка класна стая по физика във всяко училище, когато са окачени в хоризонтално положение, са ориентирани така, че краищата им да сочат север и юг. Само това свойство на магнитите е служило много на човека. Компасът е изобретен отдавна, но количествените изследвания на магнитните свойства на обектите и математическият анализ на тези свойства са извършени едва през 18-ти и 19-ти век.

Нека си представим, че имаме „дълги“ магнити, които имат полюси на голямо разстояние един от друг. Ако два полюса на два различни магнита са разположени близо един до друг, а вторите полюси на същите магнити са разположени далеч един от друг, тогава силовото взаимодействие между близките полюси се описва със същите формули като в закона на Кулон за електростатичното поле . На всеки полюс на магнит може да бъде присвоен магнитен заряд, който ще характеризира неговия „север“ или „юг“. Възможно е да се измисли процедура, която включва измервания на сили или моменти на сили, което би позволило да се сравнят магнитните „заряди“ на всеки магнит със стандарт. Тази умствена конструкция ни позволява да решаваме практически проблеми, при условие че все още не си задаваме въпроса: как работи магнит с дълга лента, тоест какво има вътре в магнита в областта на пространството, свързваща двата магнитни полюса.

Можете да въведете единица за магнитен заряд. Най-простата процедура за определяне на такава единица е, че ние считаме, че силата на взаимодействие на два "точкови" магнитни полюса на единичен магнитен заряд, разположени на разстояние 1 метър един от друг, е равна на 1 Нютон. Тъй като опитите за разделяне на магнитните полюси винаги са били неуспешни, тоест на мястото на срязване на прътовия магнит винаги са се появявали два противоположни магнитни полюса, чиито величини са точно равни на величините на крайните полюси, то беше заключено, че магнитните полюси винаги съществуват само по двойки. Следователно всеки дълъг прътов магнит може да бъде представен като оковани по-къси магнити. По същия начин всеки магнит с крайни размери може да бъде представен във формата Голям бройкъси магнити, разпределени в пространството.

За да се опише силовото взаимодействие на електрически и магнитни заряди, се използва същата идея за съществуването на определено силово векторно поле в пространството. В "електрическия" случай съответният вектор се нарича вектор напрежение електрическо поле д . За „магнитния“ случай съответният вектор се нарича вектор индукция магнитно поле IN . (1)

Полетата и в двата случая могат да бъдат описани чрез разпределението на „векторите на силата“ в пространството. За северния магнитен полюс посоката на силата, действаща върху него от магнитното поле, съвпада с посоката на вектора IN , и за Южен полюссилата е насочена противоположно на този вектор. Ако величината на „магнитния заряд“, като се вземе предвид неговия знак („север“ или „юг“), се обозначава със символа N, тогава силата, действаща върху магнитния заряд от магнитното поле, е равна на Е =N б .

Подобно на това, което направихме, когато описваме взаимодействието на електрическите заряди чрез поле, правим и когато описваме взаимодействието на магнитните заряди. Магнитното поле, създадено от точков магнитен заряд в околното пространство, се описва с абсолютно същата формула, както в случая на електрическо поле.

б = K m N Р /R 3 .

Константата K m е коефициент на пропорционалност, който зависи от избора на система от единици. За взаимодействието на магнитните заряди е валиден и законът на Кулон, както и принципът на суперпозицията.

Спомнете си, че законът на Кулон (или законът земно притегляне) и теоремата за братята близнаци Гаус. Тъй като магнитните полюси не съществуват поотделно и всеки магнит може да бъде представен като комбинация от двойки полюси с противоположна полярност и с равни величини, тогава в случай на магнитно поле, потокът на вектора на индукция на магнитното поле през всяка затворена повърхност винаги е нула.

Ние обсъждаме магнитни явления и използваме идеята за магнитни заряди, сякаш те наистина съществуват. Всъщност това е само един от начините за описание на магнитно поле в пространството (описване на магнитно взаимодействие). Когато разберем по-подробно свойствата на магнитното поле, ще спрем да използваме този метод. Нуждаем се от него като строители на гората, за да издигнем сградата. След завършване на строителството скелетата се демонтират и те вече не се виждат и не са необходими.

Най-интересното е, че магнитното поле (статично) няма ефект върху неподвижен електрически заряд (или дипол), а електрическото поле (статично) няма ефект върху неподвижни магнитни заряди (или диполи). Ситуацията е така, сякаш полетата съществуват независимо едно от друго. Мирът обаче, както знаем, е относително понятие. При избора на различна отправна система, „почиващото“ тяло може да стане „движещо се“. Оказа се, че електрическото и магнитното поле са нещо единно и всяко от полетата представлява като че ли различни страни на една и съща монета.

Сега лесно говорим за връзката между електрическите и магнитните полета, но до началото на 19 век електрическите и магнитните явления не се считат за свързани. Тази връзка беше подозирана, търсено беше експериментално потвърждение. Например френският физик Араго събра информация за кораби, които се отклониха от курса си, след като мълния удари кораба. „Светкавицата е счупен компас“ - има връзка, но как да повторим експеримента? Те все още не знаеха как да възпроизвеждат мълния, така че беше невъзможно да се проведе систематично изследване.

Отправна точка за разбиране на връзката между тези явления е откритието, направено през 1820 г. от датчанина Ханс Кристиан Ерстед. Установено е влиянието на електрически ток, протичащ през дълъг прав проводник върху ориентацията на подвижна магнитна стрелка, разположена до проводника. Стрелката имаше тенденция да бъде перпендикулярна на жицата. Обратното явление: влиянието на магнитното поле върху електрическия ток е открито експериментално от Ампер.

Малка плоска намотка, носеща ток, изпитва както сила, така и ориентиращ ефект в магнитно поле. Ако магнитното поле е равномерно, тогава общата сила, действаща върху намотката с ток, е нула, докато намотката е ориентирана (приема равновесно положение), при което нейната равнина е перпендикулярна на посоката на вектора на индукция на магнитното поле. Това механично явление може да се използва и за установяване на единицата за индукция на магнитното поле.

През следващите няколко години след 1820 г. се изясняват основните характеристики на взаимодействието на проводниците с ток между тях и с постоянните магнити. Някои от тях сега се наричат ​​закони. Тези закони са свързани с имената на физиците Ампер, Био, Савар, Лаплас. Най-общите изводи от установените закони на взаимодействие се оказаха следните:

1. Заредените частици създават електрическо поле в пространството около тях.
2. Електрическото поле действа еднакво върху заредените частици, независимо дали се движат или са в покой.
3. Движещите се заредени частици създават магнитно поле в пространството около тях.
4. Магнитното поле има силов ефект върху заредените частици в движение и не действа върху заредените частици в покой.
5. Електрическите и магнитните полета, създадени от заредена частица, когато нейното положение и състояние на движение се променят, не се променят моментално в цялото пространство, но има забавяне.

Така се оказа, че взаимодействието на заредените частици помежду си зависи не само от взаимното им пространствено разположение, но и от тяхното взаимно (относително) движение. Законите, описващи това взаимодействие, се оказаха доста прости от гледна точка на математиката.

Когато изучавахме механиката, вие и аз използвахме законите на Нютон, от което следва това материална точка, движещ се с ускорение във всяка една инерционна референтна система, има същото ускорение във всички останали ISO, независимо от избора. Сега се оказа, че магнитното поле действа само върху движещи се заредени частици. Нека си представим, че в някакво ISO заредена частица се движи в магнитно поле, но няма електрическо поле. Нека преминем към друга инерциална отправна система, в която в даден момент въпросната частица има нулева скорост. Силовото влияние от магнитното поле е изчезнало и частицата все още трябва да се движи с ускорение!!! Нещо не е наред в Кралство Дания! За да има ускорение една заредена частица в покой в ​​даден момент, тя трябва да се намира в електрично поле!

И така – оказва се, че електрическото и магнитното поле не са абсолютни, а зависят от избора на отправна система. Наличието на взаимодействие е абсолютно, но как ще бъде описано, по „електричен” или „магнитен” начин, зависи от избора на отправна система. Следователно трябва да разберем, че електрическите и магнитните полета не са независими едно от друго. Всъщност би било правилно да се разглежда едно електромагнитно поле. Имайте предвид, че правилното описание на полетата е дадено в теорията на Джеймс Клерк Максуел. Уравненията в тази теория са написани по такъв начин, че формата им да не се променя при преминаване от едно инерционна системаброене на друг. Това е първата "релативистка" теория във физиката.

Електрически токове и магнитно поле

Да се ​​върнем в началото на 19 век. По време на демонстрации на лекции в Университета на G.H. Самият Ерстед или с помощта на студенти забеляза, че магнитна игла, която се намира близо до жицата, променя позицията си, когато през жицата преминава ток. По-задълбочено изследване на явлението показа, че в зависимост от големината и посоката на тока в дълъг прав проводник, магнитните стрелки са ориентирани, както е показано на фигурата:

Индукционните линии са затворени и в случай на дълъг прав проводник, по който протича ток, тези затворени линии имат формата на кръгове, разположени в равнини, перпендикулярни на проводника, по който протича ток. Центровете на тези кръгове са върху оста на проводника с ток. Посоката на вектора на магнитната индукция в дадена точкапространство (допирателна към линията на магнитна индукция) се определя от правилото на „десния винт“ (гимлет, винт, тирбушон). Посоката, в която тирбушонът, показан на фигурата, се движи при въртене около оста си, съответства на посоката на тока в дълъг прав проводник, а посоките, в които се движат крайните точки на дръжката му, съответстват на посоката на вектора на магнитната индукция на тези места където се намират тези краища на дръжката .

За схематичен чертеж с концентрични кръгове, заредените частици в жица, разположена перпендикулярно на равнината на чертежа, се движат по тази жица и ако положително заредените частици се движат, те ще се отдалечат „от нас отвъд тази равнина“. Ако отрицателно заредените електрони се движат в жицата, те също се движат по жицата, но „към нас изпод равнината на чертежа“.

Смущаващият фактор беше магнитното поле на Земята. Колкото по-голям е токът в жицата, толкова по-точно стрелките са ориентирани в посоката на допирателната към окръжността с център на мястото на жицата. Изводът е съвсем очевиден - около проводника с ток се е появило магнитно поле. Магнитните стрелки се подреждат по вектора на индукция на магнитното поле.

Според третия закон на Нютон магнитната стрелка (магнитът или неговото магнитно поле) от своя страна също действа върху проводника с ток. Оказа се, че на прав участък от проводник с дължина L, през който протича ток I, от страната на еднородно магнитно поле с индукция IN действа сила, пропорционална на L, I и B, като посоката на силата зависи от относителната ориентация на векторите Л И IN . вектор Л съвпада по посока с посоката на скоростта на положително заредените частици, които създават електрически ток в това парче тел. Тази сила е кръстена на един от активните изследователи на магнитните явления - A.M. Ампер.

Е =K I [ Л × б ].

Тук K е коефициентът на пропорционалност. Квадратните скоби показват векторен продуктдва вектора. Ако проводникът не е прав и магнитното поле не е еднородно, тогава в този случай, за да намерите силата, действаща върху проводника с ток, трябва да го разделите (мислено) на много малки сегменти. За всеки малък сегмент можем да приемем, че е в еднообразно поле. Общата сила се намира чрез сумиране на силите на Ампер върху всички тези сегменти.

Взаимодействие на проводници с ток

Токът в проводника създава магнитно поле в околното пространство, а това магнитно поле от своя страна упражнява сила върху друг проводник с ток. (2) В системата единици SI единицата за ток 1 ампер се определя от силовото взаимодействие на паралелни проводници с тока. Два тънки дълги успоредни проводника, разположени на разстояние 1 метър един от друг, през които протичат еднакви постоянни токове с еднаква посока със сила 1 ампер, се привличат един към друг със сила 2 × 10 -7 нютона за всеки метър от дължината на проводника.

В системата SI във формулата за силата на Ампер коефициентът на пропорционалност K е избран равен на единица:

Е =аз[ Л × б ].

Сила на Лоренц

Ако заместим във формулата за силата на Ампер израза за големината на тока, съставен от членовете, създадени от всяка движеща се заредена частица, тогава можем да заключим, че в магнитно поле върху всяка движеща се заредена частица действа сила:

Е = q [ v × IN ].

При наличието както на електрически, така и на магнитни полета в пространството, заредената частица изпитва действието на сила:

Е = q [ v × IN ] + q д .

Силата, действаща върху заредена частица в електромагнитно поле, се нарича сила на Лоренц. Този израз за сила е валиден винаги, а не само за стационарни полета.

Ако изчислим работата на силата на Лоренц, която тя извършва по време на елементарното преместване на частица, тогава изразът за силата трябва да бъде скаларно умножен по произведението v Δt. Първият член във формулата за силата на Лоренц е вектор, перпендикулярен на скоростта на частицата, така че умножавайки го по v Δt дава нула.

По този начин магнитният компонент на силата на Лоренц не извършва работа при движение на заредена частица, тъй като съответните елементарни премествания и магнитният компонент на силата винаги са перпендикулярни един на друг.

Какво магнитно поле се генерира от тока?

Експериментите на Био и Савар и теоретична работаЛаплас (всички френски физици) доведе до формула за намиране на приноса на всяка малка секция от проводник, носещ ток, към „общата причина“ - към създаването на вектор на индукция на магнитно поле в дадена точка в пространството.

По време на теглене (по-точно: селекция) обща формуласе приема, че общото поле е съставено от отделни части и е изпълнен принципът на суперпозиция, т.е. полетата, създадени от различни секции на проводници с ток, се добавят като вектори. Всеки участък от проводника с ток и всъщност всяка движеща се заредена частица създава магнитно поле в околното пространство. Полученото поле в дадена точка възниква в резултат на добавянето на векторите на магнитната индукция, създадени от всяка секция на проводника с ток.

Елементарна компонента на вектора на магнитната индукция Δ IN , създаден от малък участък от проводника Δ л с ток I в точка в пространството, която се различава по позиция от този участък на проводника с вектор Р , е в съответствие с формулата:

Δ IN = (μ 0 /4π) I [Δ л × Р ]/R 3 .

Тук [Δ л × Р ] е векторното произведение на два вектора. Размерният коефициент (μ 0 /4π) е въведен именно в тази форма в системата SI от съображения за удобство, което, повтаряме, в училищна физикаизобщо не се появяват.

Полето, създадено от проводник с произволна форма, както обикновено, се намира чрез сумиране на елементарните вектори на магнитна индукция, създадени от малки участъци от този проводник. Всички експериментални резултати с постоянни токове потвърждават прогнозите, получени с помощта на формулата, написана по-горе, която носи името: Био - Савар - Лаплас.

Спомнете си определението за ток, което въведохме миналия семестър. Ток е потокът на вектора на плътност на тока през избраната повърхност. Формулата за намиране на плътността на тока включва сумата от всички движещи се заредени частици:

Дж = Σqi v i /V, I=( JS )

Следователно формулата на Био-Савар-Лаплас включва продукта (Δ l S ), а това е обемът на проводника, в който се движат заредените частици.

Можем да заключим, че магнитното поле, създадено от зоната с ток, възниква в резултат на комбинираното действие на всички заредени частици в тази област. Приносът на всяка частица със заряд q и движеща се със скорост v равна на:

IN = (μ 0 /4π) q [ v × Р ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ v × д ],

Където E = р Р /(4πε 0 R 3).

Тук Р е радиус векторът, чието начало се намира в точката, където се намира частицата, а краят на вектора се намира в точката от пространството, където се търси магнитното поле. Втората част на формулата показва как електрическите и магнитните полета, създадени от заредена частица в една и съща точка в пространството, са свързани помежду си.

д - електрическо поле, създадено от една и съща частица в една и съща точка в пространството. μ 0 =

4π×10 -7 H/m - магнитна константа.

„Нецентралност“ на силите на електромагнитното взаимодействие

Ако разгледаме взаимодействието на две точково движещи се заредени еднакви частици, тогава привлича внимание фактът, че силите, описващи това взаимодействие, не са насочени по правата линия, свързваща частиците. Всъщност електрическата част на силите на взаимодействие е насочена по тази права линия, докато магнитната част не е.

Нека всички други частици са много далеч от тази двойка частици. Нека изберем да опишем взаимодействието референтна система, свързана с центъра на масата на тези частици.

Сумата от вътрешните електрически сили очевидно е равна на нула, тъй като те са насочени в противоположни посоки, разположени по една права линия и равни една на друга по големина.

Сумата от магнитните сили също е нула:

Qμ 0 ε 0 [ v 2 [v 1 × д 1 ]] + qμ 0 ε 0 [ v 1 [v 2 × д 2 ]] = 0

v 2 = – v 1 ; д 1 = – д 2 .

Но сумата от моментите на вътрешните сили може да не е равна на нула:

Qμ 0 ε 0 [ Р 12 [v 2 [v 1 × д 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [ v 1 × д 1 ](Р 12 v 2 ).

Може да изглежда, че е открит пример, който опровергава третия закон на Нютон. Трябва обаче да се отбележи, че самият трети закон е формулиран в моделна форма, при условие че има само двама участници във взаимодействието и по никакъв начин не разглежда естеството на предаването на взаимодействие на разстояние. В този случай участниците в събитието са трима: две частици и електромагнитно поле в пространството около тях. Ако системата е изолирана, тогава за нея като цяло законът за запазване на импулса и ъгловия импулс е изпълнен, тъй като не само частиците, но и самото електромагнитно поле има тези характеристики на движение. От това следва, че е необходимо да се разгледа взаимодействието на движещи се заредени частици, като се вземат предвид промените в електромагнитното поле в космоса. Ще обсъдим (в един от следващите раздели) възникването и разпространението на електромагнитни вълни в пространството по време на ускореното движение на заредени частици.

Ако изберем друга референтна система, в която модулите на скоростите на тези частици v 1 и v 2, тогава съотношението на модулите на магнитния компонент на силата на взаимодействие между частиците и електрическия компонент е по-малко или равно на стойност:

Това означава, че при скорости на частиците, много по-ниски от скоростта на светлината, електрическата компонента на взаимодействието играе основна роля.

В ситуации, когато електрическите заряди в проводниците се компенсират взаимно, електрическата част от взаимодействието на системите, състояща се от Голям бройзаредените частици стават значително по-малки от магнитната част. Това обстоятелство дава възможност да се изучава магнитното взаимодействие „отделно“ от електрическото.

Измерватели и високоговорители

След откритията на Ерстед и Ампер, физиците получават инструменти за записване на ток: галванометри. Тези устройства използват взаимодействието на ток и магнитно поле. Някои от съвременните устройства използват постоянни магнити, а други използват ток за създаване на магнитно поле. Сега те се наричат ​​по различен начин - амперметър, волтметър, омметър, ватметър и т.н. но основно всички устройства от този тип са еднакви. При тях магнитно поле действа върху намотка, по която тече ток.

IN измервателни урединамотката, носеща ток, е разположена по такъв начин, че върху нея действа механичен момент на сили от страната на магнитното поле. Спирална пружина, прикрепена към намотката, създава механичен въртящ момент, действащ върху намотката. Равновесното положение се достига, когато рамката с тока се завърти на ъгъл, съответстващ на протичащия ток. Към бобината е прикрепена стрелка; ъгълът на въртене на стрелката служи като мярка за тока.

В устройствата на магнитоелектрическата система магнитното поле е постоянно. Създава се от постоянен магнит. В устройствата на електромагнитната система магнитното поле се създава от ток, протичащ през фиксирана намотка. Механичният момент на силите е пропорционален на произведението от тока на движещата се намотка и индукцията на магнитното поле, което от своя страна е пропорционално на тока във фиксираната намотка. Ако, например, токовете в двете намотки на устройството на електромагнитната система са пропорционални един на друг, тогава моментът на силите е пропорционален на квадрата на тока.

Между другото, вашите любими динамични високоговорители са създадени на базата на взаимодействието на ток и магнитно поле. При тях намотката, през която преминава токът, е разположена така, че от страната на магнитното поле върху нея действа сила по оста на високоговорителя. Големината на силата е пропорционална на тока в намотката. Промяната на посоката на тока в намотката води до промяна в посоката на силата.

Хипотеза на Ампер

За да обясни вътрешната структура на постоянните магнити (направени от феромагнитни материали), Ампер изложи предположение - хипотеза - че магнитният материал се състои от голям брой малки тоководещи вериги. Всяка молекула на веществото образува малка рамка с ток. Вътре в магнитния материал по целия обем молекулните токове се компенсират взаимно и на повърхността на обекта сякаш тече „повърхностен“ ток. Ако вътре магнитно тялоАко има кухина, тогава по повърхността на тази кухина също протича некомпенсиран „повърхностен“ ток.

Този повърхностен ток създава в пространството около магнита точно същото магнитно поле като токовете на всички магнитни молекули по време на тяхното комбинирано действие.

Хипотезата на Ампер чакаше експериментално потвърждение няколко десетилетия и в крайна сметка напълно се оправда. от модерни идеиНякои атоми и молекули имат свои собствени магнитни моменти, свързани с движението в тях на заредените частици, от които са съставени тези атоми и молекули. Както се оказа, самите заредени частици, от които са изградени атомите и молекулите, имат магнитни диполни моменти, свързани с механичното вътрешно движение на тези частици. (3)

Хипотезата на Ампер дава възможност да се изостави моделът на магнитните заряди, тъй като доста адекватно обяснява произхода на магнитното взаимодействие.

Задачи:

1. Два дълги лентови магнита лежат един до друг, полюс до полюс. Северният е до северния, а южният до южния. Върху линия, която е продължение на магнитите в точка А, разположена на разстояние L от най-близките до нея полюси, се създава магнитно поле с индукция В. Имате задача да увеличите индукцията на полето в точка А с 1,414 пъти и променя посоката на полето в тази точка с 45°. Имате право да преместите един от магнитите. Как ще изпълните задачата?
2. По време на експедиция на север магнитен полюсНа земята членовете на експедицията поставиха N = 1000 много леки триножника, всеки с височина L = 1 m и основа с диаметър D = 10 cm, върху равна хоризонтална ледена повърхност около стълба и опънаха метален тел с площ на напречното сечение S = 1 mm 2 по техните горни точки. Резултатът е плосък многоъгълник с форма, близка до пръстен с радиус R = 100 м. Какъв минимален постоянен ток трябва да премине през жицата, така че всички триножници да попаднат в многоъгълника, образуван от техните основи? Големината на индукцията на магнитното поле B в близост до полюса на земната повърхност е 10 -4 тесла. Плътността ρ на материала на телта е 10 4 kg/m 3.
3. Два тънки успоредни проводника носят еднакъв ток противоположни посоки. Проводниците са разположени на разстояние L един от друг. В точка А, разположена на разстояние L, както от единия, така и от другия проводник токове създават магнитно поле с индукция В. В долната част на проводниците посоката на тока се променя на противоположната, но големината на тока остана същото. Как се е променила индукцията на магнитното поле (по големина и посока) в тази точка А?
4. Кръгла намотка от твърда тел лежи върху гладка хоризонтална маса. Радиусът на намотката е R. Масата на намотката е M. В пространството съществува еднородно хоризонтално магнитно поле с индукция B. Какъв минимален постоянен ток трябва да премине през намотката, за да спре да лежи неподвижно хоризонтално? Опишете движението му след преминаване на такъв ток.
5. Частица с маса M и заряд Q се движи в еднородно магнитно поле с индукция B. Скоростта на частицата сключва ъгъл & (алфа) с вектора на индукция на магнитното поле. Опишете природата на движението на частиците. Каква е формата на траекторията му?
6. Заредена частица е навлязла в област от пространството, където има еднородно и взаимно перпендикулярно електрическо поле E и магнитно поле B. Частицата се движи с постоянна скорост. Каква е минималната му възможна стойност?
7. Два протона, движещи се в еднородно магнитно поле B = 0,1 T, са постоянно на едно и също разстояние L = 1 m един от друг. При какви минимални скорости на протоните е възможно това?
8. В областта на пространството между равнините X = A и X = C има еднородно магнитно поле B, насочено по оста Y. Частица с маса M и заряд Q лети в тази област на пространството със скорост V, насочена оста Z. Какъв ъгъл ще направи скоростта?частица с равнина X =const, след като напусне областта с магнитно поле? Оси X,Y,Zвзаимно перпендикулярни.
9. Дълъг (L) равномерен прът е направен от „слабо магнитен“ (не феромагнитен) материал. Беше окачен за средата на тънка дълга нишка в лаборатория, разположена близо до екватора. В полето на гравитацията и в магнитното поле на Земята прътът е разположен хоризонтално. Прътът беше изваден от равновесното си положение чрез завъртане под ъгъл от 30° около вертикална ос, съвпадаща с резбата. Пръчката беше оставена неподвижна и пусната. След 10 секунди прътът премина равновесното положение. След колко минимално време ще премине отново равновесното положение? След това пръчката се нарязва на две пръчки с еднаква дължина L/2. С един от тях направи същия експеримент. С какъв период скъсената пръчка извършва малки трептения близо до равновесното положение?
10. На оста на малък цилиндричен магнит има малка "слабо магнитна" топка. Разстоянието L от топката до магнита е много по-голямо от размерите на магнита и топката. Телата се привличат със сила F. С каква сила ще се привличат, ако разстоянието между тях се намали 2 пъти? Топката остава върху оста на магнита.

1 Историческите имена не отразяват адекватно значението на въведените величини, характеризиращи електрическите и магнитните компоненти на „електромагнитното поле“, така че няма да се занимаваме с етимологията на тези думи.

2 Запомнете: използвахме приблизително същата формулировка, когато обсъждахме взаимодействието на електрически заряди.

3 В случая се има предвид това свойство елементарни частици, като собствен механичен ъглов момент - спин.