Магнітні явища. Магнітні явища у природі. Електромагнітне поле Приклади магнітних явищ у фізиці 7

Фізичні тілає « дійовими особами» фізичних явищ. Познайомимось із деякими з них.

Механічні явища

Механічні явища - це рух тіл (рис. 1.3) і їх одна на друга, наприклад відштовхування чи тяжіння. Дія тіл один на одного називають взаємодією.

З механічними явищами ми познайомимося докладніше вже цього навчального року.

Рис. 1.3. Приклади механічних явищ: рух та взаємодія тіл під час спортивних змагань (а, б. в); рух Землі навколо Сонця та її обертання навколо власної осі (г)

Звукові явища

Звукові явища, як випливає з назви, це явища, пов'язані зі звуком. До них відноситься, наприклад, поширення звуку в повітрі або воді, а також відображення звуку від різних перешкод - скажімо, гір або будівель. При відображенні звуку виникає знайоме багатьом відлуння.

Теплові явища

Теплові явища - це нагрівання та охолодження тіл, а також, наприклад, випаровування (перетворення рідини на пару) та плавлення (перетворення) твердого тілау рідину).

Теплові явища надзвичайно поширені: так, ними обумовлений кругообіг води в природі (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Кругообіг води в природі

Нагріта сонячним промінням вода океанів і морів випаровується. Піднімаючись, пара охолоджується, перетворюючись на крапельки води чи кристалики льоду. Вони утворюють хмари, з яких вода повертається на Землю у вигляді дощу чи снігу

Справжня «лабораторія» теплових явищ - кухня: чи суп вариться на плиті, чи кипить вода в чайнику, чи заморожуються продукти в холодильнику - все це приклади теплових явищ.

Тепловими явищами обумовлена ​​і робота автомобільного двигуна: при згорянні бензину утворюється дуже гарячий газ, який штовхає поршень (деталь двигуна). А рух поршня через спеціальні механізми передається колесам автомобіля.

Електричні та магнітні явища

Найяскравіший (у буквальному значенні слова) приклад електричного явища – блискавка (рис. 1.5, а). Електричне освітлення та електротранспорт (рис. 1.5 б) стали можливими завдяки використанню електричних явищ. Приклади магнітних явищ - тяжіння залізних та сталевих предметів постійними магнітами, а також взаємодія постійних магнітів.

Рис. 1.5. Електричні та магнітні явища та їх використання

Стрілка компаса (рис. 1.5, в) повертається так, що її «північний» кінець вказує на північ саме тому, що стрілка є маленьким постійним магнітом, а Земля – величезним магнітом. Північне сяйво (рис. 1.5, г) викликане тим, що летять з космосу електрично заряджені частинки взаємодіють із Землею як із магнітом. Електричними та магнітними явищами обумовлена ​​робота телевізорів та комп'ютерів (рис. 1.5, д, е).

Оптичні явища

Куди б ми не подивилися – ми всюди побачимо оптичні явища (рис. 1.6). Це явища, пов'язані зі світлом.

Приклад оптичного явища - відбиток світла різними предметами. Відбиті предметами промені світла потрапляють у вічі, завдяки чому ми бачимо ці предмети.

Рис. 1.6. Приклади оптичних явищ: Сонце випромінює світло (а); Місяць відбиває сонячне світло (б); особливо добре відбивають світло дзеркала (в); одне з найкрасивіших оптичних явищ - веселка (г)

1. 1. Магнітні явища Чернова Альбіна 8Е
2. 2. 1.Магнітне поле Землі (виявляється по дії на стрілку компаса). Зовнішнє магнітне поле Землі – магнітосфера – поширюється в космічному просторі більш ніж на 20 земних діаметрів і надійно захищає нашу планету від потужного потоку космічних частинок. Найбільш яскравим проявом магнітосфери є магнітні бурі - швидкі хаотичні коливання всіх компонентів геомагнітного поля. Найчастіше магнітні бурі захоплюють всю земну кулю: вони реєструються всіма магнітними обсерваторіями світу - від Антарктиди до Шпіцбергена, причому вид магнітограм, отриманих у найвіддаленіших точках Землі, напрочуд схожий. Тому невипадково такі магнітні бурі називають глобальними.
3. 3. 2. Постійні магніти (виявляється на металеві предмети). Існують магніти двох різних видів. Одні – звані постійні магніти, виготовлені з «магнітно- твердих» матеріалів. Їхні магнітні властивості не пов'язані з використанням зовнішніх джерел або струмів. До іншого виду відносяться так звані електромагніти із сердечником із «магнітно-м'якого» заліза. Створювані ними магнітні поля обумовлені переважно тим, що з дроту обмотки, що охоплює сердечник, проходить електричний струм ісп. в двигунах-електромагніти-дверний дзвінок, телефон, телеграф...
4. 4. 3. Магнітні властивості речовин (Антиферомагнетики, Діамагнетики, Парамагнетики, Феромагнетики, Феррімагнетики - ісп. у техніці). 4. Генератори змінного струму (на АЕС, ДРЕС...). 5. Прилади магнітоелектричної системи (гальванометр – чутливий прилад для вимірювання слабких струмів). 6. Передача інформації за допомогою електромагнітних хвиль. 7. До магнітних явищ відносять - магнітну індукцію, силу Ампера, силу Лоренца, електромагнітну індукцію. 8. Магнітні рідини, синтезовані в середині 20-го століття на стику наук колоїдної хімії, фізики магнітних явищ і гідродинаміки, відносяться до магнітокерованих матеріалів і отримали широке практичне застосування в машинобудуванні, медицині.
5. 5. Також відомі такі магнітні явища, як: Намагнічування феромагнетиків Парамагнітний резонанс Феромагнітний резонанс Антиферомагнітний резонанс Фазовий перехід у феромагнітну фазу при температурі Кюрі Фазовий перехід в антиферомагнітну фазу при температурі Нееля. Рух доменних верстат у зовнішньому магнітному полі Спінові хвилі електричних зарядівРезонанс доменних стінок в змінному магнітному полі Прецесія магнітного моменту навколо напрямку магнітного поля Виштовхування діамагнетиків з області сильного магнітного поля Втягування парамагнетиків в область сильного магнітного поля Виштовхування магнітного поля з надпровідника

На даному уроці, тема якого: "Електромагнітне поле", ми обговоримо поняття "електромагнітне поле", особливості його прояву та параметри цього поля.

Ми розмовляємо мобільним телефоном. Як передається сигнал? Як передається сигнал від космічної станції, що відлетіла до Марса? У порожнечі? Так, речовини може не бути, але це не порожнеча, є щось інше, через що передається сигнал. Це назвали електромагнітним полем. Це прямо не спостерігається, але реально існуючий об'єкт природи.

Якщо звуковий сигнал – це зміна параметрів речовини, наприклад повітря (мал. 1), то радіосигнал – це зміни параметрів ЕМ-поля.

Рис. 1. Поширення звукової хвилі у повітрі

Слова «електричний» та «магнітний» нам зрозумілі, ми вже вивчили окремо електричні явища (рис. 2) та магнітні явища (рис. 3), але чому тоді ми ведемо мову про електромагнітне поле? Сьогодні ми цього розберемося.

Рис. 2. Електричне поле

Рис. 3. Магнітне поле

Приклади електромагнітних явищ.

У мікрохвильовій печі створюються сильні, а головне - електромагнітні поля, що дуже швидко змінюються, які діють на електричний заряд. А як ми знаємо, в атомах та молекулах речовин міститься електричний заряд (рис. 4). Ось на нього діє електромагнітне поле, змушуючи молекули швидше рухатися (мал. 5) - збільшується температура і їжа нагрівається. Таку ж природу мають рентгенівські промені, ультрафіолетові промені, видиме світло.

Рис. 4. Молекула води є диполем

Рис. 5. Рух молекул, які мають електричний заряд

У мікрохвильовій печі електромагнітне поле повідомляє речовину енергію, яка йде на нагрівання, видиме світло повідомляє рецепторам ока енергію, яка йде на активацію рецептора (рис. 6), енергія ультрафіолетових променів йде на утворення меланіну в шкірі (поява засмаги, рис. 7), а енергія рентгенівських променів змушує чорніти плівку, на якій ви можете побачити зображення свого скелета (рис. 8). Електромагнітне поле у ​​всіх цих випадках має різні параметри, тому і надає різну дію.

Рис. 6. Умовна схема активації рецептора ока енергією видимого світла

Рис. 7. Загар шкіри

Рис. 8. Почорніння плівки при рентгені

Так що з електромагнітним полем ми стикаємося набагато частіше, ніж здається, і вже давно звикли до явищ, пов'язаних з ним.

Отже, відомо, що електричне поле виникає навколо електричних зарядів (рис. 9). Тут усе зрозуміло.

Рис. 9. Електричне поле навколо електричного заряду

Якщо електричний заряд рухається, навколо нього, як ми вивчали, виникає магнітне поле (рис. 10). Тут уже постає питання: рухається електричний заряд, навколо нього є електричне поле, до чого тут магнітне поле? Ще одне питання: ми говоримо «заряд рухається». Але ж рух відносно, і він може в одній системі відліку рухатися, а в іншій – спочивати (рис. 11). Значить, в одній системі відліку магнітне поле існуватиме, а в іншій ні? Але поле повинно існувати чи існувати залежно від вибору системи відліку.

Рис. 10. Магнітне поле навколо електричного заряду, що рухається.

Рис. 11. Відносність руху заряду

Справа в тому, що є єдине електромагнітне поле, і джерело має єдиний - електричний заряд. Воно має дві складові. Електричне та магнітне поля - це окремі прояви, окремі компоненти єдиного електромагнітного поля, що виявляються по-різному у різних системах відліку (рис. 12).

Рис. 12. Прояви електромагнітного поля

Можна вибрати систему відліку, в якій виявлятиметься лише електричне поле, або тільки магнітне поле, або обидва одночасно. Однак не можна вибрати систему відліку, в якій і електрична, і магнітна складова буде нульовою, тобто електромагнітне поле перестане існувати.

Залежно від системи відліку ми бачимо одну складову поля, або іншу, або їх разом. Це як рух тіла по колу: якщо подивитися на таке тіло зверху, побачимо рух по колу (рис. 13), якщо з боку побачимо коливання вздовж відрізка (рис. 14). У кожній проекції на вісь координат круговий рух – це коливання.

Рис. 13. Рух тіла по колу

Рис. 14. Коливання тіла вздовж відрізка

Рис. 15. Проекція кругових рухів на вісь координат

Інша аналогія – проектування піраміди на площину. Її можна спроектувати у трикутник або квадрат. На площині це зовсім різні фігури, але все це – піраміда, на яку дивляться з різних боків. Але немає такого ракурсу, при погляді якого піраміда зникне зовсім. Вона тільки виглядатиме більш схожою на квадрат або трикутник (рис. 16).

Рис. 16. Проекції піраміди на площину

Розглянемо провідник із струмом. У ньому негативні заряди компенсовані позитивними, електричне поле навколо нього дорівнює нулю (рис. 17). Магнітне поле не дорівнює нулю (рис. 18), виникнення магнітного поля навколо провідника зі струмом ми розглядали. Виберемо систему відліку, у якій електрони, що утворюють електричний струм, будуть нерухомі. Але в цій системі відліку щодо електронів рухатимуться позитивно заряджені іони провідника у зворотний бік: однаково виникає магнітне поле (рис. 18).

Рис. 17. Провідник із струмом, у якого електричне поле дорівнює нулю

Рис. 18. Магнітне поле навколо провідника зі струмом

Якби електрони були у вакуумі, у цій системі відліку навколо них виникало б електричне поле, адже вони не компенсовані позитивними зарядами, однак магнітного поля не було б (рис. 19).

Рис. 19. Електричне поле навколо електронів, що у вакуумі

Розглянемо інший приклад. Візьмемо постійний магніт. Навколо нього є магнітне поле, але електричного немає. Справді, адже електричне поле протонів та електронів компенсується (рис. 20).

Рис. 20. Магнітне поле навколо постійного магніту

Візьмемо систему відліку, у якій магніт рухається. Навколо постійного магніту, що рухається, виникне вихрове електричне поле (рис. 21). Як його виявити? Помістимо по дорозі магніту металеве кільце (нерухоме у системі відліку). У ньому виникне струм - це добре відоме явище електромагнітної індукції: при зміні магнітного потоку виникає електричне поле, що призводить до руху зарядів, до появи струму (рис. 22). В одній системі відліку електричного поляні, а в іншій воно проявляється.

Рис. 21. Вихрове електричне поле навколо постійного магніту, що рухається

Рис. 22. Явище електромагнітної індукції

Магнітне поле постійного магніту

У будь-якій речовині електрони, що обертаються навколо ядра, можна представляти як маленький електричний струм, що протікає по колу (рис. 23). Значить, довкола нього виникає магнітне поле. Якщо речовина не магнітиться, значить, площини обертання електронів спрямовані довільно та магнітні поля від окремих електронів компенсують один одного, оскільки спрямовані хаотично.

Рис. 23. Подання обертання електронів навколо ядра

У магнітних речовинах площини обертання електронів орієнтовані приблизно однаково (рис. 24). Тому магнітні поля від усіх електронів складаються і виходить вже ненульове магнітне поле в масштабі цілого магніту.

Рис. 24. Обертання електронів у магнітних речовинах

Навколо постійного магніту існує магнітне поле, точніше магнітна складова електромагнітного поля (рис. 25). Чи можемо знайти таку систему відліку, в якій магнітна складова обнулюється і магніт втрачає свої властивості? Все-таки ні. І справді, електрони обертаються в одній площині (див. рис. 24), у будь-який момент часу швидкості електронів не спрямовані в ту саму сторону (рис. 26). Так що неможливо знайти систему відліку, де вони замруть і магнітне поле пропаде.

Рис. 25. Магнітне поле навколо постійного магніту

Таким чином, електричне та магнітне поля - це різні проявиєдиного електромагнітного поля. Не можна сказати, що в конкретній точці простору є тільки магнітне або електричне поле. Там може бути і те, й інше. Все залежить від системи відліку, з якої розглядаємо цю точку.

Чому ж ми до цього говорили окремо про електричне та про магнітне поле? По-перше, так склалося історично: люди давно знають про магніт, люди давно спостерігали наелектризоване бурштинове хутро, і ніхто не здогадувався, що ці явища мають одну природу. А по-друге, це зручна модель. У завданнях, де нас не цікавить взаємозв'язок електричної та магнітної складових, їх зручно розглядати окремо. Два заряду в даній системі відліку взаємодіють через електричне поле - ми застосовуємо до них закон Кулона, нас не цікавить, що ці ж електрони можуть в якійсь системі відліку рухатися і створювати магнітне поле, і ми успішно вирішуємо завдання (рис. 27) .

Рис. 27. Закон Кулону

Дія магнітного поля на заряд, що рухається, розглядається в іншій моделі, і вона теж в рамках своєї застосовності відмінно працює при вирішенні низки завдань (рис. 28).

Рис. 28. Правило лівої руки

Намагаємося зрозуміти, як взаємопов'язані складові електромагнітного поля.

Варто зазначити, що точний зв'язок досить складний. Її вивів британський фізик Джеймс Максвелл. Він вивів знамениті 4 рівняння Максвелла (рис. 29), які вивчаються у вузах та вимагають знання вищої математики. Ми їх вивчати, звичайно, не будемо, але у кількох простих словахРозберемося, що вони означають.

Рис. 29. Рівняння Максвелла

Опирався Максвелл на роботи іншого фізика – Фарадея (рис. 30), який просто якісно описав усі явища. Він робив малюнки (рис. 31), записи, які дуже допомогли Максвелла.

Рис. 31. Малюнки Майкла Фарадея із книги «Електрика» (1852)

Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції (рис. 32). Згадаймо, у чому воно полягає. Змінне магнітне поле породжує ЕРС індукції у провіднику. Інакше кажучи, змінне магнітне полі (так, у разі - не електричний заряд) породжує електричне полі. Це електричне поле є вихровим, тобто лінії замкнуті (рис. 33).

Рис. 32. Малюнки Майкла Фарадея до досвіду

Рис. 33. Виникнення ЕРС індукції у провіднику

Крім того, ми знаємо, що магнітне поле породжується електричним зарядом, що рухається. Правильніше сказати, що воно породжується змінним електричним полем. Під час руху заряду електричне поле у ​​кожній точці змінюється, і це зміна породжує магнітне полі (рис. 34).

Рис. 34. Виникнення магнітного поля

Можна побачити появу магнітного поля між обкладками конденсатора. Коли він заряджається або розряджається, між пластинами виникає змінне електричне поле, що у свою чергу породжує магнітне поле. У цьому випадку лінії магнітного поля лежатимуть у площині, перпендикулярній лініям електричного поля (рис. 35).

Рис. 35. Поява магнітного поля між обкладками конденсатора

А тепер подивимося на рівняння Максвелла (мал. 29), нижче дана для ознайомлення невелика їхня розшифровка.

Значок – дивергенція – це математичний оператор, він виділяє ту складову поля, яка має джерело, тобто лінії поля на чомусь починаються та закінчуються. Подивіться на друге рівняння: ця складова магнітного поля дорівнює нулю: лінії магнітного поля ні на чому не починаються і не закінчуються, магнітного заряду не існує. Подивіться перше рівняння: така складова електричного поля пропорційна щільності заряду . Електричне поле створюється електричним зарядом.

Найцікавіші наступні два рівняння. Значок – ротор – це математичний оператор, що виділяє вихрову складову поля. Третє рівняння означає, що вихрове електричне поле створюється магнітним полем, що змінюється в часі ( - це похідна, яка, як ви знаєте з математики, означає швидкість зміни магнітного поля). Тобто йдеться про електромагнітну індукцію.

Четверте рівняння показує, якщо не звертати уваги на коефіцієнти пропорційності: вихрове магнітне поле створюється електричним полем, що змінюється, а також електричним струмом ( - щільність струму). Йдеться про те, що ми добре знаємо: магнітне поле створюється електричним зарядом, що рухається.

Як бачите, змінне магнітне поле може породжувати змінне електричне, а змінне електричне поле породжує змінне магнітне і так далі (рис. 36).

Рис. 36. Змінне магнітне поле може породжувати змінне електричне, і навпаки

У результаті просторі може утворюватися електромагнітна хвиля (рис. 37). Ці хвилі мають різні прояви - це радіохвилі, і видиме світло, ультрафіолет і так далі. Про це поговоримо на наступних уроках.

Рис. 37. Електромагнітна хвиля

Список літератури

1. Касьянов В.А. фізика. 11 кл.: Навч. для загальноосвіт. установ. - М: Дрофа, 2005.
2. Мякішев Г.Я. Фізика: Навч. для 11 кл. загальноосвіт. установ. - М: Просвітництво, 2010.

1. Інтернет портал «studopedia.su» ()
2. Інтернет портал «worldofschool.ru» ()

Домашнє завдання

1. Чи можна виявити магнітне поле в системі відліку, пов'язаної з одним з електронів, що рівномірно рухаються, в потоці, який створюється в кінескопі телевізора?
2. Яке поле виникає навколо електрона, що рухається в даній системі відліку з постійною швидкістю?
3. Яке поле можна виявити навколо нерухомого бурштину, зарядженого статичною електрикою? Навколо того, що рухається? Відповіді обґрунтуйте.

Слайд 2

Етапи роботи

Поставити цілі та завдання Практична частина. Дослідження та спостереження. Висновок.

Слайд 3

Мета: дослідити експериментальним шляхом властивості магнітних явищ. Завдання: - Вивчити літературу. - Провести досліди та спостереження.

Слайд 4

Магнетизм

Магнетизм - форма взаємодії рухомих електричних зарядів, здійснювана з відривом у вигляді магнітного поля. Магнітна взаємодія відіграє важливу роль у процесах, що протікають у Всесвіті. Ось два приклади, що підтверджують сказане. Відомо, що магнітне поле зірки породжує зірковий вітер, аналогічний сонячному, який, зменшуючи масу та момент інерції зірки, змінює хід її розвитку. Відомо також, що магнітосфера Землі захищає нас від згубного впливу космічних променів. Якби її не було, еволюція живих істот на нашій планеті, мабуть, пішла б іншим шляхом, а можливо, життя на Землі не виникло б зовсім.

Слайд 5

Слайд 6

Магнітне поле Землі

Основна причина наявності магнітного поля Землі у цьому, що ядро ​​Землі складається з розпеченого заліза (хорошого провідника електричних струмів, що усередині Землі). Графічно-магнітне поле Землі схоже на магнітне поле постійного магніту. Магнітне поле Землі утворює магнітосферу, що тягнеться на 70-80 тис. км у напрям Сонця. Вона екранує поверхню Землі, захищає від шкідливого впливу заряджених частинок, високих енергій та космічних променів, визначає характер погоди. Магнітне поле Сонця у 100 більше, ніж земне.

Слайд 7

Зміна магнітного поля

Причиною постійних змін є наявність покладів з корисними копалинами. На Землі є такі території, де власне магнітне поле сильно спотворюється заляганням залізних руд. Наприклад, Курська магнітна аномалія, розташована в Курської області. Причина короткочасних змін магнітного поля Землі - дія "сонячного вітру", тобто. дія потоку заряджених частинок, що викидаються Сонцем. Магнітне поле цього потоку взаємодіє магнітним полем Землі, виникають "магнітні бурі".

Слайд 8

Людина та магнітні бурі

Серцево-судинна та кровоносна система підвищується артеріальний тиск, погіршується коронарний кровообіг. Магнітні бурі викликають в організмі людини, яка страждає на захворювання Серцево судинної системи, загострення (інфаркт міокарда, інсульт, гіпертонічний криз і т. д.). Органи дихання Під дією магнітних бурзмінюються біоритми. Стан одних хворих погіршується до магнітних бур, інших - після. Пристосованість таких хворих до умов магнітних бур дуже мала.

Слайд 9

Практична частина

Мета: зібрати дані про кількість викликів швидкої допомоги за 2008 рік та зробити висновок. З'ясувати кореляційну залежність дитячої захворюваності та магнітними бурями.

14. Індукція магнітного поля. Принцип суперпозиції магнітних полів. Сила Ампера. Сила Лоренця. Електровимірювальні прилади. Магнітні властивості речовини.

Магнітні явища

І електричні, і магнітні явища – це взаємодія тіл з відривом. Ці взаємодії проявляються у виникненні механічних сил та моментів сил, що діють між тілами.

Відмінність електричного і магнітного взаємодії проявляється, наприклад, у цьому, що з поділу електричних зарядів можна натирати різні предмети друг від друга, а отримання магнітів терти предмети друг про друга марно. Обернувши мокрою тканиною заряджений предмет, можна знищити електричний заряд. Та ж процедура щодо магніту не призведе до зникнення магнітних властивостей. Намагнічування магнітних матеріалів у присутності інших магнітів не призводить до розподілу електричних зарядів. Ці два види взаємодії предметів на відстані не зводяться один до одного.

Експериментальне дослідження магнітів і різних матеріалів показує, деякі предмети постійно володіють магнітними властивостями, тобто є «постійними магнітами», інші тіла знаходять магнітні властивості лише у присутності постійних магнітів. Існують також матеріали, які не мають явно виражених магнітних властивостей, тобто вони не притягуються до сильних постійних магнітів та не відштовхуються від них. Власні та індуковані магнітні властивості предметів призводять до аналогічних ефектів. Наприклад, постійні смугові магніти, зразки яких є зазвичай у кожному кабінеті фізики в будь-якій школі, при підвішуванні їх у горизонтальному положенні орієнтуються так, що своїми кінцями показують північ і південь. Одна ця властивість магнітів чимало послужила людині. Компас був придуманий дуже давно, проте кількісне вивчення магнітних властивостей предметів та математичний аналіз цих властивостей було проведено лише у 18-19 століттях.

Уявімо, що у нас є "довгі" магніти, які мають сильно рознесені один від одного полюси. Якщо два полюси двох різних магнітів помістити близько один до одного, а другі полюси цих магнітів будуть при цьому знаходитися далеко один від одного, то силова взаємодія між близькими полюсами описується такими ж формулами, як і в законі Кулона для електростатичного поля. Кожному полюсу магніту можна приписати магнітний заряд, який характеризуватиме його «північність» або «південність». Можна вигадати процедуру, що включає виміру сил або моментів сил, яка дозволяла б порівнювати магнітні «заряди» будь-яких магнітів з еталоном. Ця уявна побудова дозволяє вирішувати практичні завдання за умови, що ми поки що не запитуємо: а як влаштований довгий смуговий магніт, тобто що там усередині магніту в області простору, що з'єднує два магнітні полюси.

Можна ввести одиниця магнітного заряду. Найпростіша процедура визначення такої одиниці – вважаємо, що сила взаємодії двох «точкових» магнітних полюсів одиничного магнітного заряду, що є друг від друга з відривом 1 метр, дорівнює 1 Ньютону. Оскільки спроби поділу магнітних полюсів завжди були невдалими, тобто в місці розрізу смугового магніту завжди виникали два протилежні магнітні полюси, величини яких точно дорівнювали величинам кінцевих полюсів, був зроблений висновок про те, що магнітні полюси завжди існують тільки парами. Отже, будь-який довгий смуговий магніт можна представляти у вигляді складених у ланцюжок більш коротких магнітів. Аналогічно, будь-який магніт кінцевих розмірів може бути представлений у вигляді великої кількості коротких магнітиків, розподілених по простору.

Для опису силової взаємодії електричних та магнітних зарядіввикористовується та сама ідея про існування у просторі деякого силового векторного поля. В "електричному" випадку відповідний вектор називається вектором напруженості електричного поля Е . Для «магнітного» випадку відповідний вектор називається вектором індукції магнітного поля В . (1)

Поля обох випадках можна описувати розподілом у просторі «силових векторів». Для північного магнітного полюса напрямок сили, що діє на нього з боку магнітного поля, збігається з напрямком вектора В , а для південного полюсасила спрямована протилежно до цього вектора. Якщо величину «магнітного заряду» з урахуванням його знака («півночі» чи «південності») позначить символом N, то сила, що діє на магнітний заряд з боку магнітного поля, дорівнює F =N B .

Аналогічно тому, як ми надійшли при описі взаємодії електричних зарядів через поле, ми робимо і при описі взаємодії магнітних зарядів. Магнітне поле, створене точковим магнітним зарядом в навколишньому просторі, описується точно такою ж формулою, як і у випадку електричного поля.

B = До м N R /R 3 .

Константа К м – це коефіцієнт пропорційності, залежить від вибору системи одиниць. Для взаємодії магнітних зарядів теж справедливий закон Кулона, а також справедливий принцип суперпозиції.

Нагадаємо, що закон Кулону (або закон Всесвітнього тяжіння) і теорема Гауса близнюки брати. Оскільки магнітні полюси окремо не існують, а будь-який магніт може бути представлений у вигляді комбінації пар полюсів протилежної полярності та з рівними величинами, то у разі магнітного поля потік вектора індукції магнітного поля через будь-яку замкнуту поверхню завжди дорівнює нулю.

Ми з вами обговорюємо магнітні явища та користуємося уявленням про магнітні заряди, начебто вони реально існують. Насправді це просто один із способів опису магнітного поля у просторі (описи магнітної взаємодії). Коли з'ясуємо властивості магнітного поля докладніше, ми перестанемо користуватися цим способом. Він нам потрібен як будівельникам лісу для зведення будівлі. Після закінчення будівництва лісу розбирають і вони більше не помітні і не потрібні.

Найцікавіше, що магнітне поле (статичне) не має жодного впливу на електричний заряд (або диполь), а електричне поле (статичне) не має жодного впливу на магнітні заряди (або диполі). Ситуація така, начебто поля існують незалежно один від одного. Проте спокій, як знаємо, поняття відносне. При виборі іншої системи відліку тіло, що «спокоїться», може стати «рухом». З'ясувалося, що електричне та магнітне поле – це щось єдине, і кожне з полів є як би різними сторонами однієї медалі.

Це зараз ми з легкістю говоримо про спорідненість електричного та магнітного полів, а аж до початку 19 століття електричні та магнітні явища не вважалися пов'язаними. Про це здогадувалися, шукали експериментальні підтвердження. Наприклад, французький фізик Араго збирав відомості про кораблі, що збивалися з курсу, після того, як у корабель ударяла блискавка. "Блискавка - зіпсований компас" - зв'язок є, але як повторити експеримент? Відтворити блискавку тоді ще не вміли, тому систематичне дослідження було неможливо провести.

Точкою відліку для початку розуміння зв'язку цих явищ стало відкриття, яке довелося зробити в 1820 році данцю Гансу Християну Ерстеду. Було встановлено вплив електричного струму, що протікає по довгому прямому дроту, на орієнтацію розташованої поруч із дротом рухомої магнітної стрілки. Стрілка прагнула розташуватися перпендикулярно до дроту. Зворотне явище: вплив магнітного поля на електричний струм був експериментально відкритий Ампером.

Маленький плоский виток зі струмом відчуває в магнітному полі як силовий, так і вплив, що орієнтує. Якщо магнітне поле однорідне, то сумарна сила, що діє на виток зі струмом дорівнює нулю, при цьому виток орієнтується (приймає рівноважне розташування), при якому його площина перпендикулярна до напрямку вектора індукції магнітного поля. Для встановлення одиниці величини індукції магнітного поля можна використати і це механічне явище.

За кілька наступних за 1820 роком років було з'ясовано основні особливості взаємодії провідників зі струмом між собою та з постійними магнітами. Частина їх тепер називається законами. Ці закони пов'язані з іменами фізиків Ампера, Біо, Савара, Лапласа. Найзагальніші висновки із встановлених законів взаємодії виявилися такими:

1. Заряджені частинки утворюють у просторі навколо себе електричне поле.
2. Електричне поле однаково діє на заряджені частинки, що рухаються або спочивають.
3. Заряджені частинки, що рухаються, створюють у просторі навколо себе магнітне поле.
4. Магнітне поле надає силову дію на заряджені частинки, що знаходяться в русі, і не діє на заряджені частинки, що покояться.
5. Електричне та магнітне поля, створені зарядженою часткою, при зміні її положення та стану руху не змінюються у всьому просторі миттєво, а має місце затримка.

З'ясувалося, таким чином, що взаємодія заряджених частинок одна з одною залежить не тільки від їхнього взаємного просторового розташування, а й від їхнього взаємного (відносного) руху. Закони, що описують цю взаємодію, виявилися досить простими з погляду математики.

Ми з вами, вивчаючи механіку, користувалися законами Ньютона, з яких випливає, що матеріальна точка, що рухається з прискоренням в будь-якій одній інерційній системі відліку, має таке ж прискорення у всіх інших ISO незалежно від вибору. Тепер з'ясувалося, що магнітне поле діє тільки на заряджені частинки, що рухаються. Уявімо, що в деякій ІСО заряджена частка рухається в магнітному полі, а електричного поля немає. Пересядемо в іншу інерційну систему відліку, в якій в даний момент час, що розглядається, має нульову швидкість. Силовий вплив з боку магнітного поля зник, а частка повинна таки рухатися з прискоренням! Щось негаразд у Данському королівстві! Щоб заряджена частка, що покоїлася в даний момент, мала прискорення, вона повинна знаходитися в електричному полі!

Ось так – виявляється, що електричне та магнітне поля не є абсолютними, а залежать від вибору системи відліку. Абсолютною є наявність взаємодії, а ось як вона описуватиметься, «електричним» або «магнітним» способом, залежить від вибору системи відліку. Отже, ми повинні розуміти, що електричне та магнітне поля не є незалежними один від одного. Насправді, правильно буде розглядати єдине електромагнітне поле. Зазначимо, що правильне опис полів дано теоретично Джеймса Клерка Максвелла. Рівняння в цій теорії написані так, що їхній вигляд не змінюється при переході з однієї інерційної системивідліку до іншої. Це перша «релятивістська» теорія у фізиці.

Електричні струми та магнітне поле

Повернемося на початок 19 століття. Під час демонстрацій на лекціях в Університеті Г.Х. Ерстед сам або за допомогою студентів звернув увагу на те, що магнітна стрілка, що випадково опинилася поруч із проводом, змінила своє положення, коли по проводу пропустили струм. Більш ретельне вивчення явища показало, що в залежності від величини та напрямки струму в довгому прямому дроті магнітні стрілки орієнтувалися так, як показано на малюнку:

Лінії індукції замкнуті, і у разі довгого прямого провідника зі струмом ці замкнуті лінії мають форму кіл, розташованих у площинах перпендикулярних провіднику зі струмом. Центри цих кіл знаходяться на осі провідника зі струмом. Напрямок вектора магнітної індукції в заданій точціпростору (щодо лінії магнітної індукції) визначається правилом «правого гвинта» (буравчика, шурупа, штопора). Напрямок, в якому зміщується штопор, зображений на малюнку, при обертанні навколо його осі, відповідає напрямку струму в довгій прямій поволокі, а напрямки, в яких рухаються крайні точки його ручки, відповідають напряму вектора магнітної індукції в тих місцях, де ці кінці ручки знаходяться .

Для схематичного малюнка з концентричними колами заряджені частинки в дроті, розташованої перпендикулярно до площини малюнка, рухаються вздовж цього дроту і якби рухалися позитивно заряджені частинки, вони йшли б «від нас за цю площину». Якщо у дроті рухаються негативно заряджені електрони, то вони теж рухаються вздовж дроту, але «до нас з-під площини малюнка».

Заважаючим фактором було магнітне поле Землі. Чим більшим був струм у дроті, тим точніше орієнтувалися стрілки у напрямку до кола з центром у місці знаходження дроту. Висновок досить очевидний – навколо провідника зі струмом з'явилося магнітне поле. Магнітні стрілки вишиковуються вздовж вектора індукції магнітного поля.

За третім законом Ньютона магнітна стрілка (магніт або його магнітне поле) у свою чергу теж діє на провідник зі струмом. Виявилося, що на пряму ділянку провідника довжиною L, яким тече струм I, з боку однорідного магнітного поля з індукцією В діє сила, пропорційна L, I і В, причому напрямок сили залежить від взаємної орієнтації векторів L і В . Вектор L збігається у напрямку з напрямом швидкості позитивних заряджених частинок, які створюють електричний струм у цьому відрізку дроту. Ця сила отримала назву на ім'я одного з активних дослідників магнітних явищ – А.М. Ампера.

F =K I [ L × B ].

Тут К – це коефіцієнт пропорційності. Квадратними дужками позначено векторний витвірдвох векторів. Якщо провідник не прямий і магнітне поле не є однорідним, то в цьому випадку для знаходження сили, що діє на провідник зі струмом, потрібно розбити його (подумки) на безліч невеликих відрізків. Для кожного невеликого відрізка можна вважати, що він знаходиться в однорідному полі. Загальна сила знайдеться підсумовуванням сил Ампера за всіма цими відрізками.

Взаємодія провідників зі струмом

Струм у дроті створює в навколишньому просторі магнітне поле, а це магнітне поле у ​​свою чергу надає силову дію на інший дріт зі струмом. (2) У системі одиниць СІ одиниця сили струму 1 Ампер визначається із силової взаємодії паралельних провідників зі струмом. Два тонких довгих паралельних провідника, що знаходяться один від одного на відстані 1 метр, по яких протікають однакові незмінні струми одного напрямку з силою 1 Ампер, притягуються один до одного з силою 2×10 -7 Ньютона на метр довжини провідника.

У системі СІ у формулі для сили Ампера коефіцієнт пропорційності До вибирається рівним одиниці:

F = I [ L × B ].

Сила Лоренця

Якщо в формулу для сили Ампера підставити вираз для величини струму, складене з доданків, створюваних кожною зарядженою частинкою, що рухається, то можна зробити висновок, що в магнітному полі на кожну рухому заряджену частинку діє сила:

F = q [ v × В ].

За наявності в просторі і електричного, і магнітного поля заряджена частка зазнає дії сили:

F = q [ v × В ] + q Е .

Силу, що діє на заряджену частинку, в електромагнітному полі називають силою Лоренца. Цей вираз для сили справедливий завжди, а не тільки для стаціонарних полів.

Якщо вирахувати роботу сили Лоренца, яку вона здійснює при елементарному переміщенні частки, то вираз для сили потрібно скалярно помножити на твір v Δt. Перший доданок у формулі для сили Лоренца – це вектор перпендикулярний швидкості частинки, тому його множення на v Δt дає нуль.

Таким чином, магнітна складова сили Лоренца при переміщенні зарядженої частинки не виконує роботу, оскільки відповідні елементарні переміщення та магнітна складова сили завжди перпендикулярні один одному.

Яке магнітне поле породжується струмом?

Експерименти Біо і Савара і теоретична робота Лапласа (всі – французькі фізики) призвели до отримання формули для знаходження вкладу кожної невеликої ділянки провідника зі струмом у «спільну справу» - у створення вектора індукції магнітного поля в даній точці простору.

При виведенні (точніше сказати: підборі) загальної формулибуло зроблено припущення, що сумарне поле складається з окремих частин, причому виконується принцип суперпозиції, тобто поля, створені різними ділянками провідників зі струмом, складаються як вектори. Кожна ділянка провідника зі струмом, а фактично кожна заряджена частка, що рухається, створює в навколишньому просторі магнітне поле. Результуюче поле у ​​цій точці виникає як результат складання векторів магнітної індукції, створених кожною ділянкою провідника зі струмом.

Елементарна складова вектора магнітної індукції Δ В , створена малою ділянкою провідника Δ l зі струмом I у точці простору, що відрізняється положенням від цієї ділянки провідника на вектор R , знаходиться відповідно до формули:

Δ В = (μ 0 /4π) I [Δ l × R ]/R 3 .

Тут [Δ l × R ] – це векторний добуток двох векторів. Розмірний коефіцієнт (μ 0 /4π) вводиться саме в такому вигляді в системі СІ з міркувань зручності, які, повторимося, шкільної фізикиніяк не виявляються.

Поле, створене провідником довільної форми, зазвичай, знаходиться підсумовуванням елементарних векторів магнітної індукції, створених невеликими ділянками цього провідника. Всі експериментальні результати з постійними струмами підтверджують передбачення, отримані за допомогою написаної вище формули, яка носить ім'я: Біо-Савара-Лапласа.

Згадаймо визначення струму, яке ми запроваджували в минулому семестрі. Струм – це потік вектора густини струму через вибрану поверхню. У формулу для знаходження щільності струму входила сума по всіх заряджених частинках, що рухаються:

J = Σq i v i / V, I = ( J S )

У формулу Біо - Савара - Лапласа, отже, входить твір (Δ l S ), а це обсяг провідника, у якому рухаються заряджені частки.

Можна зробити висновок, що магнітне поле, створене ділянкою зі струмом, виникає внаслідок спільної дії всіх заряджених частинок цієї ділянки. Вклад кожної частинки, що має заряд q і що рухається зі швидкістю v дорівнює:

В = (μ 0 /4π) q [ v × R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ v × Е ],

Де Е = q R /(4πε 0 R 3).

Тут R – це радіус вектор, початок якого розташовано у точці, де знаходиться частка, а кінець вектора знаходиться у тій точці простору, де шукається магнітне поле. Друга частина формули показує, як пов'язані один з одним електричне та магнітне поля, створені зарядженою часткою в одній і тій же точці простору.

Е - Електричне поле, створене тією ж часткою в тій же точці простору. μ 0 =

4π×10 -7 Гн/м – магнітна постійна.

«Нецентральність» сил електромагнітної взаємодії

Якщо розглянути взаємодію двох точкових заряджених однакових частинок, що рухаються, то звертає на себе увагу той факт, що сили, що описують цю взаємодію, не спрямовані вздовж прямої, що з'єднує частинки. Дійсно, електрична частина сил взаємодії спрямована вздовж цієї прямої, а магнітна частина – ні.

Нехай всі інші частинки є дуже далекими від цієї пари частинок. Виберемо для опису взаємодії систему відліку, пов'язану із центром мас цих частинок.

Сума внутрішніх електричних сил, очевидно, дорівнює нулю, тому що вони спрямовані в протилежні сторони, розташовані вздовж однієї прямої та рівні один одному за величиною.

Сума магнітних сил теж дорівнює нулю:

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

v 2 = – v 1 ; Е 1 = – Е 2 .

А ось сума моментів внутрішніх сил може не дорівнювати нулю:

Qμ 0 ε 0 [ R 12 [v 2 [v 1 × Е 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [ v 1 × Е 1 ](R 12 v 2 ).

Може здатися, що знайдено приклад, який спростовує третій закон Ньютона. Проте слід зазначити, що сам третій закон сформульований у модельному вигляді за умови, що є лише два учасники взаємодії, причому у ньому не розглядається природа передачі взаємодії на відстані. В даному випадку учасників події три: дві частинки та електромагнітне поле у ​​просторі навколо них. Якщо система ізольована, то для неї в цілому виконується закон збереження імпульсу і моменту імпульсу, оскільки не тільки частинки, а й саме електромагнітне поле має ці характеристики руху. З цього випливає, що розглядати взаємодію заряджених частинок, що рухаються, потрібно обов'язково з урахуванням зміни в просторі електромагнітного поля. Ми обговорюватимемо (в одному з наступних розділів) виникнення та поширення у просторі електромагнітних хвиль при прискореному русі заряджених частинок.

Якщо вибрати якусь іншу систему відліку, в якій модулі швидкостей цих частинок v 1 і v 2 , то відношення модулів магнітної складової сили взаємодії між частинками та електричною складовою менше або дорівнює, ніж величина:

Це означає, що з швидкостях руху частинок набагато менших швидкості світла основну роль грає електрична складова взаємодії.

У тих ситуаціях, коли в дротах електричні заряди компенсують один одного, електрична частина взаємодії систем, що складаються з великої кількості заряджених частинок, стає значно меншою від магнітної частини. Ця обставина і дозволяє вивчати магнітну взаємодію окремо від електричної.

Вимірювальні прилади та динаміки

Після відкриттів Ерстеда та Ампера у розпорядження фізиків надійшли прилади для реєстрації струму: гальванометри. У цих приладах використовується взаємодія струму та магнітного поля. У деяких із сучасних приладів використовуються постійні магніти, а в деяких - магнітне поле створюється струмом. Вони зараз називаються по-різному - амперметр, вольтметр, омметр, ватметр і т.д. але в основі усі прилади цього типу єдині. Вони магнітне поле діє на котушку зі струмом.

В вимірювальних приладахкотушка зі струмом розташована так, що на неї з боку магнітного поля діє механічний момент сил. Спіральна пружина, що прикріплена до котушки, створює механічний момент сил, що діє на котушку. Положення рівноваги досягається при повороті рамки зі струмом на кут, відповідний струму, що протікає. На котушці закріплена стрілка, кут повороту стрілки і є мірою струму.

У приладах магнітоелектричної системи магнітне поле постійно. Його створює незмінний магніт. У приладах електромагнітної системи магнітне поле створюється струмом, що протікає нерухомою котушкою. Механічний момент сил пропорційний добутку струму рухомої котушки та індукції магнітного поля, яка у свою чергу пропорційна струму в нерухомій котушці. Якщо, наприклад, струми в обох котушках приладу електромагнітної системи пропорційні один одному, момент сил пропорційний квадрату величини струму.

До речі, на основі взаємодії струму та магнітного поля створені усіма Вами улюблені динамічні гучномовці. Вони котушка, якою пропускається струм, розташована те що з боку магнітного поля неї діє сила вздовж осі динаміка. Розмір сили пропорційна струму в котушці. Зміна напряму струму в котушці призводить до зміни напряму дії сили.

Гіпотеза Ампера

Для пояснення внутрішнього устрою постійних магнітів (зроблених з феромагнітних матеріалів) Ампер висунув припущення - гіпотезу - про те, що матеріал магніту складається з великої кількості невеликих контурів зі струмом. Кожна молекула речовини утворює невелику рамку зі струмом. Усередині матеріалу магніту у всьому обсязі молекулярні струми компенсують один одного, а на поверхні предмета начебто тече «поверхневий» струм. Якщо всередині магнітного тілає порожнину, то поверхнею цієї порожнини теж тече некомпенсований «поверхневий» струм.

Цей поверхневий струм створює в просторі, що оточує магніт, таке саме магнітне поле, як і струми всіх молекул магніту при їх спільній дії.

Гіпотеза Ампера чекала на своє експериментальне підтвердження кілька десятиліть і, наприкінці конів, повністю виправдала себе. за сучасним уявленнямдеякі атоми і молекули мають власні магнітні моменти, пов'язані з рухом усередині них заряджених частинок, з яких складені ці атоми і молекули. Як виявилось, і самі заряджені частинки, з яких побудовані атоми та молекули, мають магнітні дипольні моменти, пов'язані з механічним внутрішнім рухом цих частинок. (3)

Гіпотеза Ампера дозволяє відмовитися від моделі магнітних набоїв, оскільки цілком адекватно пояснює походження магнітної взаємодії.

Завдання:

1. Два довгі смугові магніти лежать поруч один з одним «полюс до полюса». Північний поряд із північним, а південний поряд із південним. На лінії, що є продовженням магнітів у точці А, що знаходиться на відстані L від ближніх до неї полюсів, створено магнітне поле з індукцією В. Ви отримали завдання збільшити індукцію поля в точці А в 1,414 рази, і змінити напрямок поля в цій точці на 45°. Дозволяється перемістити один із магнітів. Як ви виконаєте завдання?
2. Під час експедиції на північ магнітному полюсуЗемлі учасники експедиції розставили на плоскій горизонтальній поверхні льоду навколо полюса N = 1000 дуже легких штативів кожен заввишки L = 1 м і з основою діаметром D = 10 см і протягнули їх верхнім точкам металевий дріт площею поперечного перерізу S = 1 мм 2 . Вийшов плоский багатокутник з формою близькою до кільця радіусу R = 100 м. Який мінімальний за величиною постійний струм потрібно пропустити по дроту, щоб усі штативи впали всередину утвореного їх основами багатокутника? Величина індукції магнітного поля поблизу полюса на поверхні Землі дорівнює 10 -4 Тл. Щільність ρ матеріалу дроту 104 кг/м 3 .
3. По двох тонких паралельних проводах течуть однакові струми протилежних напрямків. Провід знаходиться на відстані L один від одного. У точці А, що знаходиться на відстані L і від одного та від іншого дроту струмами створено магнітне поле з індукцією В. У дном з дротів напрямок струму змінилося на протилежне, а величина струму залишилася колишньою. Як змінилася (за величиною та за напрямом) індукція магнітного поля в цій точці А?
4. На гладкому горизонтальному столі лежить круглий дротяний виток із жорсткого дроту. Радіус витка R. Маса витка М. У просторі є однорідне горизонтальне магнітне поле з індукцією В. Який мінімальний за величиною постійний струм потрібно пропустити по витку, щоб він перестав лежати нерухомо горизонтально? Опишіть рух після пропускання такого струму.
5. В однорідному магнітному полі з індукцією рухається частка, що має масу М і заряд Q. Швидкість частинки становить кут & (альфа) з вектором індукції магнітного поля. Опишіть характер руху частки. Якою є форма її траєкторії?
6. Заряджена частка потрапила в область простору, де є однорідні та взаємно перпендикулярні електричне поле Е та магнітне поле В. Частка рухається з постійною швидкістю. Якою є її мінімально можлива величина?
7. Два протони, що рухаються в однорідному магнітному полі В = 0,1 Тл, постійно знаходяться на однаковій відстані L = 1 м один від одного. За яких мінімальних швидкостей руху протонів це можливо?
8. В області простору між площинами Х = А і Х = С є однорідне магнітне поле, спрямоване вздовж осі Y. Частка з масою М і зарядом Q влітає в цю область простору, маючи швидкість V, спрямовану вздовж осі Z. Який кут складатиме швидкість частки з площиною Х = const після того, як вона вибереться з області з магнітним полем? Осі X,Y,Zвзаємно перпендикулярні.
9. Зі «слабомагнітного» (не феромагнітного) матеріалу виготовлений довгий (L) однорідний стрижень. Його підвісили за середину на тонкій довгій нитці в лабораторії, розташованій поблизу екватора. У полі тяжкості та магнітному полі Землі стрижень розташувався горизонтально. Стрижень вивели із положення рівноваги, повернувши його на кут 30° навколо вертикальної осі, що збігається з ниткою. Стрижень залишили нерухомим та відпустили. Через десять секунд стрижень пройшов положення рівноваги. Через який мінімальний час знову пройде положення рівноваги? Потім стрижень розрізали на два рівні по довжині L/2 стрижня. З одним із них проробили такий самий експеримент. З яким періодом укорочений стрижень робить малі коливання поблизу положення рівноваги?
10. На осі маленького циліндричного магніту знаходиться маленька «слабомагнітна» кулька. Відстань L від кульки до магніту набагато більша за розміри магніту і кульки. Тіла притягуються одне до одного з силою F. З якою силою вони притягуватимуться, якщо відстань між ними зменшиться в 2 рази? Кулька залишається на осі магніту.

1 Історичні назви не відображають адекватно сенсу введених величин, що характеризують електричну та магнітну складові «електромагнітного поля», тому ми не розбиратимемося з етимологією цих слів.

2 Згадайте: приблизно таке саме формулювання ми використовували під час обговорення взаємодії електричних зарядів.

3 В даному випадку мається на увазі така властивість елементарних частинокяк власний механічний момент кількості руху – спин.