Физика что такое магнитное поле. Магнитное поле и его параметры, магнитные цепи

Представляет собой силовое поле, воздействующее на электрические заряды и на тела, находящиеся в движении и имеющие магнитный момент, вне зависимости от состояния их движения. Магнитное поле является частью электромагнитного поля.

Ток заряженных частиц либо магнитные моменты электронов в атомах создают магнитное поле. Также, магнитное поле возникает в результате определенных временных изменений электрического поля.

Вектор индукции магнитного поля В представляет собой главную силовую характеристику магнитного поля. В математике В = В (X,Y,Z) определяется как векторное поле. Это понятие служит для определения и конкретизации физического магнитного поля. В науке зачастую вектор магнитной индукции попросту, для краткости, именуется магнитным полем. Очевидно, что такое применение допускает некоторую вольную трактовку этого понятия.

Ещё одной характеристикой магнитного поля тока есть векторные потенциал.

В научной литературе часто можно встретить, что в качестве главной характеристики магнитного поля, в условиях отсутствия магнитной среды (вакууме), рассматривается вектор напряжённости магнитного поля. Формально, такая ситуация вполне приемлема, поскольку в вакууме вектор напряженности магнитного поля H и вектор магнитной индукции B совпадают. В тоже время, вектор напряженности магнитного поля в магнитной среде не наполнен тем же физическим смыслом, и является второстепенной величиной. Исходя из этого при формальной равенства этих подходов для вакуума, систематическая точка зрения рассматривает вектор магнитной индукции основной характеристикой магнитного поля тока .

Магнитное поле, безусловно, представляет собой особенный вид материи. С помощью этой материи происходит взаимодействие между обладающими магнитным моментом и движущимися заряженными частицами либо телами.

Специальная теория относительности рассматривает магнитные поля как следствие существования самих электрических полей.

В совокупности магнитное и электрическое поля формируют электромагнитное поле. Проявлениями электромагнитного поля является свет и электромагнитные волны.

Квантовая теория магнитного поля рассматривает магнитное взаимодействие как отдельный случай электромагнитного взаимодействия. Он переносится безмассовым бозоном. Бозон представляет собой фотон - частицу, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля.

Порождается магнитное поле либо током заряженных частиц, либо трансформирующимся во временном пространстве электрическим полем, либо собственными магнитными моментами частиц. Магнитные моменты частиц для однообразного восприятия формально сводятся к электрическим токам.

Вычисление значения магнитного поля.

Простые случаи позволяют вычислить значения магнитного поля проводника с током по закону Био-Савара-Лапласа, либо при помощи теоремы о циркуляции. Таким же образом может быть найдено значение магнитного поля и для тока, произвольно распределённого в объёме или пространстве. Очевидно, эти законы применимы для постоянных либо относительно медленно изменяющихся магнитных и электрических полей. То есть, в случаях наличия магнитостатики. Более сложные случаи требуют вычисления значения магнитного поля тока согласно уравнений Максвелла.

Проявление наличия магнитного поля.

Основным проявлением магнитного поля является влияние на магнитные моменты частиц и тел, на заряженные частицы находящиеся в движении. Силой Лоренца называется сила, которая воздействует на электрически заряженную частицу, которая движется в магнитном поле. Эта сила имеет постоянно выраженную перпендикулярную направленность к векторам v и B. Она также имеет пропорциональное значение заряду частицы q, составляющей скорости v, осуществляющейся перпендикулярно направлению вектора магнитного поля B, и величине, которая выражает индукцию магнитного поля B. Сила Лоренца согласно Международной системе единиц имеет такое выражение: F = q , в системе единиц СГС: F = q / c

Векторное произведение отображено квадратными скобками.

В результате влияния силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы, магнитное поле и может осуществлять воздействие на проводник с током. Силой Ампера является сила, действующая на проводник с током. Составляющими этой силы считаются силы, воздействующие на отдельные заряды, которые движутся внутри проводника.

Явление взаимодействия двух магнитов.

Явление магнитного поля, которое мы можем встретить в повседневной жизни, получило название взаимодействие двух магнитов. Оно выражается в отталкивании друг от друга одинаковых полюсов и притяжении противоположных полюсов. С формальной точки зрения описать взаимодействия между двумя магнитами как взаимодействие двух монополей, является достаточно полезной, реализуемой и удобной идеей. В то же время, детальный анализ свидетельствует, что в действительности это не совсем верное описание явления. Основным вопросом, остающимся без ответа в рамках такой модели, является, почему монополя не могут быть разделены. Собственно, экспериментально доказано, что любое изолированное тело не имеет магнитный заряд. Также эту модель невозможно применить к магнитному полю, созданному макроскопическим током.

С нашей точки зрения, правильно считать, что сила, действующая на магнитный диполь, находящийся в неоднородном поле, стремится развернуть его таким образом, чтобы магнитный момент диполя имел одинаковое с магнитным полем направление. Однако нет магнитов, которые подвержены воздействию суммарной силы со стороны однородного магнитного поля тока . Сила, которая действует на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается следующей формулой:

.

Действующая на магнит сила со стороны неоднородного магнитного поля, выражается суммой всех сил, которые определяются данной формулой, и воздействующих на элементарные диполи, которые составляют магнит.

Электромагнитная индукция.

В случае изменения во времени потока вектора магнитной индукции через замкнутый контур, в этом контуре формируется ЭДС электромагнитной индукции. Если контур неподвижен, она порождается вихревым электрическим полем, которое возникает в результате изменения магнитного поля со временем. Когда магнитное поле не изменяется со временем и нет изменений потока из-за движения контура-проводника, то ЭДС порождается силой Лоренца.

Каждого человека в современном мире окружает множество невидимых волн и элементов: магнитные поля, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, сигналы станций мобильной связи. Однако указанные "сущности" невидимы, хотя они и влияют на человеческий организм, а распознать их можно разве что с помощью специальных приборов.

Однако японские ученые сделали шаг вперед, чтобы сделать невидимые человеческому глазу волны видимыми. Исследователи провели эксперимент с участием подопытных крыс и научили этих животных распознавать магнитные поля путем использования цифрового компаса, который был подключен к мозгу. Крысы считывали информацию с помощью электродов, а компас подавал импульсы при повороте головы животного в ту или иную сторону. Во время опыта животные не могли использовать органы зрения, которые были плотно прикрыты тканью.

Ученые были очень удивлены, когда заметили, что грызуны научились распознавать совершенно новое источник информации. Период "обучение" оказался довольно коротким — всего два-три дня. Крысы довольно успешно стали ориентироваться в пространстве и проходить лабиринты в поисках пищи, причем осуществляли это не менее эффективно, чем обычные животные, которые могли ориентироваться с помощью собственных глаз.

Исследователи считают, что путем использования подобной технологии можно научить человека "видеть" магнитные поля, ультрафиолет или рентгеновские лучи, станет весьма полезным приобретением для нее.

М агнитное поле — составляющая электромагнитного поля, с помощью которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитное поле вызывает силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Неподвижные электрические заряды с магнитным полем не взаимодействуют, но элементарные частицы с ненулевым спином, которые имеют собственный магнитный момент, является источником магнитного поля и магнитное поле вызывает на них силовое воздействие, даже если они находятся в состоянии покоя.
Магнитное поле образуется, например, в пространстве вокруг проводника, по которому течет ток или вокруг постоянного магнита.

Образование магнитного поля

В отличие от электрических зарядов, магнитных зарядов, которые создавали бы магнитное поле аналогичным образом, не наблюдается. Теоретически такие заряды, которые получили название магнитных монополей, могли бы существовать. В таком случае электрическое и магнитное поле были бы полностью симметричными.

Таким образом, наименьшей единицей, которая может создавать магнитное поле, является магнитный диполь. Магнитный диполь отличается тем, что у него всегда есть два полюса, в которых начинаются и кончаются силовые линии поля. Микроскопические магнитные диполи связаны со спинами элементарных частиц. Магнитный диполь имеют как заряженные элементарные частицы, например, электроны, так и нейтральные, например, нейтроны. Элементарные частицы с отличным от нуля спином можно представить себе как маленькие магнитики. Обычно, частицы с противоположными значениями спинов спариваются, что приводит к компенсации созданных ими магнитных полей, но в отдельных случаях возможно выравнивание спинов многих частиц в одном направлении, что приводит к образованию постоянных магнитов.

Магнитное поле — также создается движущимися электрическими зарядами, то есть электрическим током.

Создание электрическим зарядом поле зависит от системы отсчета. Относительно наблюдателя, движущегося с одинаковой с зарядом скоростью, заряд неподвижен, и такой наблюдатель будет фиксировать Тильке созданное им электрическое поле. Другой наблюдатель, движущийся с иной скоростью, фиксировать как электрическое, так и магнитное поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, и являются составными частями общего электромагнитного поля.

При протекании электрического тока через проводник он остается электрически нейтральным, однако носители заряда в нем движутся, поэтому вокруг проводника возникает только магнитное поле. Величина этого поля определяется законом Био-Савара, а направление можно определить с помощью правила Ампера или правила правой руки. Такое поле вихревым, т.е. его силовые линии замкнуты.

Магнитное поле создается также переменным электрическим полем. По закону электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, что также является вихревым. Взаимное создания электрического и магнитного поля переменными магнитным и электрическим полем приводит к возможности распространения в пространстве электромагнитных волн.

Действие магнитного поля

Действие магнитного поля на движущиеся заряды определяется силой Лоренца.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле называется силой Ампера. Силы взаимодействия проводников с током определяются законом Ампера.
Нейтральные вещества без электричества могут втягиваться в магнитное поле (парамагнетики) или выталкиваться из него (диамагнетики). Выталкивания диамагнетиков из магнитного поля можно использовать для левитации.
Ферромагнетики намагничиваются в магнитах поле и сохраняют магнитный момент при снятии приложенного поля.

Единицы

Магнитная индукция B измеряется в плотник в системе СИ, и в Гаусса в системе СГС. Напряженность магнитного поля H измеряется в А / м в системе CI и в Эрстедом в системе СГС.

Измерение

Магнитное поле измеряется магнитометрами. Механические магнитометры определяют величину поля по отклонению катушки с током. Слабые магнитные поля измеряются магнитометрами на основе эффекта Джозефсона — СКВИД. Магнитное поле можно измерять на основе эффекта ядерного магнитного резонанса, эффекта Холла и другими методами.

Создание

Магнитное поле широко используется в технике и для научных целей. Для его создания используются постоянные магниты и электромагниты. Однородное магнитное поле можно получить с помощью катушек Гельмгольца. Для создания мощных магнитных полей, необходимых для работы ускорителей или для удержания плазмы в установках по ядерному синтезу, используются электромагниты на сверхпроводниках.

Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.

Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.

Магнитные полюса Земли

Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).

Рис. 1. Строение магнитного поля Земли

Рис. 2. Строение магнитосферы

Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.

С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.

Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.

Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .

На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.

Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.

Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.

Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.

Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.

Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.

Магнитное поле – область пространства, в которой конфигурация бионов, передатчиков всех взаимодействий, представляет собой динамическое, взаимосогласованное вращение.

Направление действия магнитных сил совпадает с осью вращения бионов с применением правила правого винта. Силовая характеристика магнитного поля определяется частотой вращения бионов. Чем выше частота вращения тем сильнее поле. Магнитное поле правильнее было бы называть электродинамическим, так как оно возникает только при движении заряженных частиц, и действует только на движущиеся заряды.

Объясним, почему магнитное поле является динамическим. Чтобы возникло магнитное поле, необходимо, чтобы бионы начали вращаться, а заставить их вращаться может только движущийся заряд, который будет притягивать один из полюсов биона. Если заряд не будет двигаться, то и бион не будет вращаться.

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:

• Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
• В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
• Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
• Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
• Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
• Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
• Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.

Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно. Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

В прошлом веке разными учеными было выдвинуто несколько предположений о том, магнитное поле Земли. Согласно одному из них, поле появляется в результате вращения планеты вокруг своей оси.

Она основана на любопытном эффекте Барнета-Энштейна, который заключается в том, что при вращении любого тела возникает магнитное поле. Атомы в этом эффекте имеют свой магнитный момент, так как вращаются вокруг своей оси. Так появляется магнитное поле Земли. Однако эта гипотеза не выдержала экспериментальных проверок. Оказалось, что магнитное поле, полученное таким нетривиальным образом, в несколько миллионов раз слабее реального.

Другая гипотеза основана на появлении магнитного поля вследствие кругового движения заряженных частиц (электронов) на поверхности планеты. Она тоже оказалась несостоятельной. Движение электронов способно вызвать появление очень слабого поля, к тому же эта гипотеза не объясняет инверсии магнитного поля Земли. Известно, что северный магнитный полюс не совпадает с северным географическим.

Солнечный ветер и токи мантии

Механизм образования магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы до конца не изучен и пока что остается загадкой для ученых. Тем не менее, одна предложенная гипотеза довольно хорошо объясняет инверсию и величину индукции реального поля. Она основана на работе внутренних токов Земли и солнечного ветра.

Внутренние токи Земли протекают в мантии, которая состоит из веществ, обладающих очень хорошей проводимостью. Источником тока выступает ядро. Энергия от ядра к поверхности земли передается с помощью конвекции. Таким образом, в мантии наблюдается постоянное движение вещества, которое и образует магнитное поле по известному закону движения заряженных частиц. Если связывать его появление только с внутренними токами, получается, что все планеты, у которых направление вращения совпадает с направлением вращения Земли, должны иметь идентичное магнитное поле. Однако это не так. У Юпитера северный географический полюс совпадает с северным магнитным.

В образовании магнитного поля Земли участвуют не только внутренние токи. Давно известно, что оно реагирует на солнечный ветер, поток высокоэнергетических частиц, идущих от Солнца в результате реакций, происходящих на его поверхности.

Солнечный ветер по своей природе представляет собой электрический ток (движение заряженных частиц). Увлекаемый вращением Земли, он создает круговой ток, который приводит к появлению магнитного поля Земли.