Магнітне поле, сучасне уявлення

 

 

 

Міністерство аграрної політики і продовольства України

Харківський національний аграрний університет імені В.В. Докучаєва

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Магнітне поле, сучасне уявлення

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           Виконала:студентка 1курсу

                                               Факультету

                                                                           агрохімії та грунтознавства

                                                                                Лумпова Анна Володимирівна

 

 

 

 

 

 

Харків 2014

 

Зміст

Вступ

Магнітне поле і його характреристики.........................................................................

Закон Біо - Савара – Лапласа........................................................................................

Закон Ампера...............................................................................................................

Магнітне поле рухомого заряду.....................................................................................

Дія магнітного поля на рухомий заряд...........................................................................

Циркуляція вектора магнітного поля у вакуумі........................................................

Висновки..........................................................................................................................

Література.....................................................................................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вступ

Магнітне поле - силове поле, що діє на рухомі електричні заряди і на тіла , що володіють магнітним моментом , незалежно від стану їх руху, магнітна складова електромагнітного поля.

Магнітне поле може створюватися струмом заряджених частинок і або магнітними моментами електронів в атомах.

Крім цього , воно з'являється при наявності змінюється в часі електричного поля.

Основний силовий характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції

Магнітне поле можна назвати особливим видом матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між рухомими зарядженими частинками або тілами, що володіють магнітним моментом .

Магнітні поля є необхідним наслідком існування електричних полів.

Разом , магнітне та електричне поля утворюють електромагнітне поле , проявами якого є, зокрема , світло і всі інші електромагнітні хвилі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнітне поле І ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

Досвід показує , що , подібно до того , як в просторі, що оточує електричні заряди , виникає електростатичне поле , так і в просторі, що оточує струми і постійні магніти , виникає силове поле , що називається магнітним . Наявність магнітного поля виявляється по силовому дії на внесені до нього провідники із струмом або постійні магніти.

Електричне поле діє як на нерухомі , так і на рухаються в ньому електричні заряди. Найважливіша особливість магнітного поля полягає в тому , що воно діє тільки на рухомі в цьому полі електричні заряди.

При дослідженні магнітного поля використовується замкнутий плоский контур із струмом ( рамка з струмом) , лінійні розміри якого малі в порівнянні з відстанню до струмів , що утворюють магнітне поле . Орієнтація контуру в просторі візначається напрямком нормалі до контуру. Напрямок нормалі визначається правилом правого гвинта: за позитивний напрямок нормалі приймається напрям поступального руху гвинта , голівка якого обертається в напрямку струму , поточного в рамці.

Магнітне поле робить на рамку з струмом ориентирующее дію , повертаючи її певним чином.

За направлення магнітного поля в даній точці приймається напрямок , уздовж якого розташовується позитивна нормаль до рамки (рис. 1 ) . За направлення магнітного поля може бути також прийнято напрямок, що збігається з напрямом сили , яка діє на північний полюс магнітної стрілки , вміщеній в дану точку . Так як обидва полюси магнітної стрілки лежать в близьких точках поля , то сили, що діють на обидва полюси , рівні один одному . Отже , на магнітну стрілку діє пара сил , що повертає її так , щоб вісь стрілки , що з'єднує південний полюс з північним , збігалася з напрямком поля.

малюнок 1

Так як рамка із струмом відчуває ориентирующее дію поля, то на неї в магнітному полі діє пара сил. Обертаючий момент сил залежить як від властивостей поля в даній точці, так і від властивостей рамки і визначається формулою

де - вектор магнітного моменту рамки із струмом, - вектор магнітної індукції, кількісна характеристика магнітного поля. Для плоского контуру зі струмом I:

,

де S - площа поверхні контуру (рамки), - одиничний вектор нормалі до поверхні рамки. Напрямок  збігається, таким чином, з направленням позитивної нормалі.

Якщо в дану точку магнітного поля поміщати рамки з різними магнітними моментами, то на них діють різні обертаючі моменти, однак ставлення Mmax/pm (Мmax - максимальний обертовий момент) для всіх контурів одне і те ж і тому може служити характеристикою магнітного поля, званої магнітної індукцією:

Магнітна індукція в даній точці однорідного магнітного поля визначається максимальним обертовим моментом , чинним на рамку з магнітним моментом , рівним одиниці , коли нормаль до рамки перпендикулярна напрямку поля.

Так як магнітне поле є силовим , то його , за аналогією з електричним, зображують за допомогою ліній магнітної індукції - ліній , дотичні до яких в кожній точці збігаються з напрямом вектора . Їх напрямок задається правилом правого гвинта: головка гвинта , угвинчується по напрямку струму , обертається в напрямку ліній магнітної індукції .

Лінії магнітної індукції завжди замкнуті й охоплюють провідники із струмом . Цим вони відрізняються від ліній напруженості електростатичного поля , які є розімкнутими .

Гіпотеза Ампера : в будь-якому тілі існують мікроскопічні струми , обумовлені рухом електронів в атомах і молекулах. Ці мікроскопічні молекулярні струми створюють своє магнітне поле і можуть повертатися в магнітних полях макротоков . Наприклад , якщо поблизу якогось тіла помістити провідник із струмом ( макроток ) , то під дією його магнітного поля мікротоки у всіх атомах певним чином орієнтуються , створюючи в тілі додаткове магнітне поле . Вектор магнітної індукції характеризує результуюче магнітне поле , створюване усіма макро- і мікрострумами , тобто при одному і тому ж струмі і інших рівних умовах вектор в різних середовищах буде мати різні значення .

Магнітне поле макротоков описується вектором напруженості . Для однорідної ізотропного середовища вектор магнітної індукції пов'язаний з вектором напруженості наступним співвідношенням:

 ,      

де m0 - магнітна постійна, m - безрозмірна величина - магнітна проникність середовища, що показує, у скільки разів магнітне поле макротоков Н посилюється за рахунок поля мікрострумів середовища.

Магнітна постійна: m0 = 4p×10-7 Н/А2 = 4p×10-7  Гн/м,

Одиниця магнітної індукції - тесла (Тл): 1 Тл - магнітна індукція такого однорідного магнітного поля, яке діє з силою 1 Н на кожен метр довжини прямолінійного провідника, розташованого перпендикулярно напрямку поля, якщо по цьому провіднику проходить струм 1 А:

1 Тл = 1 Н/(А-м).

Одиниця напруженості магнітного поля - ампер на метр (А / м): 1 А / м - напруженість такого поля, магнітна індукція якого у вакуумі дорівнює 4p×10-7 Тл.

 

 

 

 

 

 

 

 

Закон Біо - Савара - Лапласа 

 

Закон Біо - Савара - Лапласа для провідника із струмом I, елемент dl якого створює в деякій точці А індукцію поля :

,      

де dl - вектор , по модулю дорівнює довжині dl елемента провідника і збігається за напрямком з струмом , r - радіус -вектор , проведений з елемента dl провідника в точку А поля , r - модуль радіуса -вектора r . Напрямок   перпендикулярно dl і r , тобто перпендикулярно площині , в якій вони лежать , і збігається з дотичною до лінії магнітної індукції . Цей напрямок може бути знайдено за правилом знаходження ліній магнітної індукції ( правилом правого гвинта) : напрямок обертання головки гвинта дає напрямок , якщо поступальний рух гвинта відповідає напрямку струму в елементі.

Малюнок 2 - Провідник із струмом

Модуль вектора визначається виразом

 ,     

Де a - кут між векторами dl і r.

Для магнітного поля справедливий принцип суперпозиції: магнітна індукція результуючого поля, створюваного кількома струмами або рухомими зарядами, дорівнює векторній сумі магнітних індукцій складаються полів, створюваних кожним струмом або рухомим зарядом окремо:

      

 

Закон Ампера.

Cила dF, з якою магнітне поле діє на елемент провідника dl зі струмом, що знаходиться в магнітному полі, дорівнює

      

де - вектор, по модулю рівний dl і співпадає за напрямком з струмом, - вектор магнітної індукції.

Напрямок вектора dF може бути знайдено за правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки розташувати так, щоб в неї входив вектор , а чотири витягнутих пальці розташувати по напрямку струму в провіднику, то відігнутий великий палець покаже напрям сили, що діє на струм.

Модуль сили Ампера:

 ,     

де a - кут між векторами dl і .

Закон Ампера застосовується для визначення сили взаємодії двох струмів . Розглянемо два нескінченних прямолінійних паралельних струму I1 і I2,  відстань між якими дорівнює R. Кожен з провідників створює магнітне поле , яке діє за законом Ампера на інший провідник зі струмом. Розглянемо , з якою силою діє магнітне поле струму I1 на елемент dl другого провідника зі струмом I2. Ток I1 створює навколо себе магнітне поле , лінії магнітної індукції якого являють собою концентричні кола . На правління вектора визначається правилом правого гвинта , його модуль за формулою дорівнює:

 

Рисунок 3 - Взаємодія струмів

Напрям сили dF1, з якою поле діє на ділянку dl другого струму, визначається за правилом лівої руки і вказано на малюнку. Модуль сили, згідно з урахуванням того, що кут а між елементами струму I2, і вектором прямої, дорівнює

;

підставляючи значення для B1 отримаємо

.

Міркуючи аналогічно, можна показати, що сила dF2, з якою магнітне поле струму I2 діє на елемент dl першого провідника зі струмом I1 спрямована в протилежний бік і по модулю дорівнює

.

Порівняння виразів показує, що

тобто два паралельних струму однаково напряму прітягуються один до одного з силою

.

Якщо струми мають протилежні напрямки, то, використовуючи правило лівої руки, можна показати, що між ними діє сила відштовхування.

 

 

 

 

 

 

Магнітне поле рухомого заряду

 

Кожен провідник із струмом створює в навколишньому просторі магнітне поле. Електричний струм являє собою впорядкований рух електричних зарядів. Отже, будь-який рухомий у вакуумі або середовищі заряд створює навколо себе магнітне поле. У результаті узагальнення дослідних даних було встановлено закон, що визначає поле точкового заряду Q, вільно рухається з нерелятивистской швидкістю V. Під вільним рухом заряду розуміється його рух з постійною швидкістю. Цей закон виражається формулою

,      

Де - радіус-вектор, проведений від заряду Q до точки спостереження М (мал. 4).

Малюнок 4 - Поле рухомого заряду

Згідно зі слів (12), вектор спрямований перпендикулярно площині, в якій розташовані вектори і , а саме: його напрямок збігається з напрямком поступального руху правого гвинта при його обертанні від к .  Модуль магнітної індукції:

,      (13)

 де a - кут між векторами і .

Наведені закономірності справедливі лише при малих швидкостях ( V « c ) рухомих зарядів , коли електричне поле вільно рухомого заряду можна вважати електростатичним , тобто створюваним нерухомим зарядом , що знаходяться в тій точці , де в даний момент часу розташований рухомий заряд .

Формула визначає магнітну індукцію позитивного заряду , що рухається зі швидкістю . Якщо рухається негативний заряд , то Q треба замінити на -Q . Швидкість - відносна швидкість , тобто швидкість щодо спостерігача . Вектор в розглянутій системі відліку залежить як від часу , так і від положення точки М спостереження . Тому слід підкреслити відносний характер магнітного поля рухомого заряду .

 

ДІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА РУХОМИЙ ЗАРЯД

Досвід показує, що магнітне поле діє не тільки на провідники зі струмом, але і на окремі заряди, що рухаються в магнітному полі. Сила, що діє на електричний заряд Q, що рухається в магнітному полі зі швидкістю , називається силою Лоренца і виражається формулою

,

де - індукція магнітного поля, в якому заряд рухається.

Напрям сили Лоренца визначається за допомогою правила лівої руки: якщо долоню лівої руки розташувати так, щоб в неї входив вектор , а чотири витягнутих пальці направити уздовж вектора (для Q> 0 напрямки I і збігаються, для Q <0 - протилежні), то відігнутий великий палець покаже напрям сили, що діє на позитивний заряд.

Модуль сили Лоренца:

,

где a — угол между и .

Магнитное поле не действует на покоящийся электрический заряд. В этом существенное отличие магнитного поля от электрического. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.

де a - кут між і .

Магнітне поле не діє на спочиваючий електричний заряд. У цьому істотна відмінність магнітного поля від електричного. Магнітне поле діє тільки на рухомі в ньому заряди

Малюнок 5 – Сила Лоренца

Сила Лоренца завжди перпендикулярна швидкості руху зарядженої частинки , тому вона змінює тільки напрям цієї швидкості , не змінюючи її модуля. Отже , сила Лоренца роботи не робить . Іншими словами , постійне магнітне поле не виконує роботи над просувалася у ньому зарядженою часткою і кінетична енергія цієї частинки при русі в магнітному полі не змінюється .

Якщо на рухомий електричний заряд крім магнітного поля з індукцією діє і електричне поле з напруженістю , то результуюча сила , прикладена до заряду , дорівнює векторній сумі сил - сили, що діє з боку електричного поля , і сили Лоренца :

.

Це вираз називається формулою Лоренца. Швидкість у цій формулі є швидкість заряду відносно магнітного поля.

 

Рух заряджених частинок в магнітному полі

Якщо заряджена частка рухається в магнітному полі зі швидкістю v уздовж ліній магнітної індукції , то кут α між векторами і . дорівнює 0 або π . Тоді за формулою сила Лоренца дорівнює нулю, тобто магнітне поле на частки не діє і вона рухається рівномірно і прямолінійно.

Якщо заряджена частка рухається в магнітному полі зі швидкістю , перпендикулярній вектору , то сила Лоренца постійна по модулю і нормальна до траєкторії частинки. Згідно з другим законом Ньютона , ця сила створює доцентрове прискорення. Звідси випливає , що частка буде рухатися по колу , радіус r якої визначається з умови QVB = mV2 / r , звідки

.

Період обертання частинки, тобто час Т, за яке вона робить один повний оберт,

.

Підставивши сюди вираз отримаємо

 ,

тобто період обертання частинки в однорідному магнітному полі визначається тільки величиною, зворотної питомій заряду (Q / m) частинки, і магнітною індукцією поля, але не залежить від її швидкості (при V «c).

 

ЦИРКУЛЯЦІЯ ВЕКТОРА

МАГНІТНОГО ПОЛЯ У ВАКУУМІ

Циркуляцією вектора

по заданому замкнутому контуру називається інтеграл

,

де - вектор елементарної довжини контуру, спрямованої уздовж обходу контуру, = = Bcosa - складова вектора в напрямку дотичної до контуру (з урахуванням обраного напрямку обходу), a - кут між векторами і .

Закон повного струму для магнітного поля у вакуумі (теорема про циркуляцію вектора ): циркуляція вектора по довільному замкненому контуру дорівнює добутку магнітної постійної m0 на алгебраїчну суму струмів, які охоплюються цим контуром:

,    

де n - число провідників зі струмами, які охоплюються контуром L довільної форми. Кожен ток враховується стільки разів, скільки разів він охоплюється контуром. Позитивним вважається струм, напрямок якого утворює з напрямом обходу по контуру правовінтовую систему; струм протилежного напрямку вважається негативним. Наприклад, для системи струмів, зображених на (мал. 6,)

Вираз справедливо тільки для поля у вакуумі, оскільки для поля в речовині необхідно враховувати молекулярні струми.

Між виразами для циркуляції вектора напруженості електричного поля і циркуляції вектора магнітної індукції існує принципова відмінність.

Циркуляція вектора електростатичного поля завжди дорівнює нулю, тобто електростатичне поле є потенційним. Циркуляція вектора магнітного поля не дорівнює нулю. Таке поле називається вихровим.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновки

 

Магнітне поле , одна з форм електромагнітного поля. Створюється рухомими електричними зарядами і спіновими магнітними моментами , а також змінним електричним полем. Діє на рухомі електричні заряди і тіла , що володіють магнітним моментом . Характеризується магнітною індукцією (або напруженістю ) . Індукція магнітного поля Землі (в одиницях СІ) близько 0,00005 Тл , найбільш сильними великомасштабними магнітними полями володіють нейтронні зірки ( близько 100 млн. Тл ) .

У лабораторних умовах і техніці для отримання постійного магнітного поля ( 0,05 - 25 Тл ) використовують постійні магніти , електромагніти , надпровідні соленоїди . Імпульсні надсильні магнітні поля (160 - 1000 Тл ) отримують за допомогою імпульсних соленоїдів і методом направленого вибуху . Технічні застосування магнітного поля ( поряд з електричним полем) лежать в основі всієї електротехніки , радіотехніки й електроніки . Магнітні поля використовуються в дефектоскопії , для утримання гарячої плазми в умовах керованого термоядерного синтезу , в прискорювачах заряджених частинок і т.д.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Термин «магнитное поле»  в 1845г. ввел М. Фарадей.

Экспериментальным доказательством реальности магнитного и электрического полей является факт существования электромагнитных волн. Магнитное поле, как и электрическое, является частным проявлением единого электромагнитного поля.

Характерной отличительной особенностью электрического поля является способность действовать на неподвижные заряды.

Главное свойство магнитного поля заключается в том, что оно действует на движущиеся заряды (электрический ток).

Неподвижные заряды не создают магнитного поля. Только движущиеся заряды (электрический ток) и постоянные магниты создают магнитное поле.

Линии магнитной индукции – это линии, касательные к которым в данной точке совпадают по направлению с вектором В в этой точке. Линии магнитной индукции можно сделать «видимыми» с помощью железных опилок. Если на стеклянную пластинку, через которую пропущен прямой проводник с током, насыпать железных опилок и слегка постучать по пластинке, то железные опилки расположатся вдоль силовых линий.

Направление линий магнитной индукции связано с направлением тока в проводнике. Направление силовых линий магнитного поля, создаваемого проводником с током, определяется по правилу буравчика (если правовинтовой буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки буравчика совпадет м направлением линий магнитной индукции).

Одним из проявлений магнитного поля является его силовое воздействие на движущиеся электрические заряды и проводники с током. В 1820г. А. Ампером был установлен закон, определяющий силу, действующую на элемент тока в магнитном поле. Так как создать обособленный элемент нельзя, то Ампер изучал поведение подвижных проволочных замкнутых контуров различной формы

Движущиеся электрические заряды создают вокруг себя магнитные поля, которые распространяются в вакууме со скоростью света с. Если же заряд движется во внешнем магнитном поле, то происходит силовое взаимодействие магнитных полей, определяемое по закону Ампера. Процесс взаимодействия магнитных полей исследовался Лоренцем, который вывел формулу для расчета силы действующей со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. Данная сила получила название силы Лоренца.

 

Таким образом, магнитное поле обладает следующими свойствами:

1. Действует на движущиеся заряды (электрический ток) – основное свойство
2. Непрерывное
3. Вихревое
4. Ослабевает при удалении от источника
5. Существует вокруг постоянных магнитов, Земли, проводников с током
6. Основная характеристика: магнитная индукция  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

1. Дмитриева В.Ф. Физика. М., 1993г.
2. Павленко Ю.Г. Физика. Учебное пособие. М.,1998г.
3. Перельман Я.И. Занимательная физика, кн.2. Чебоксары,1994г.
4. Савельев И.В.. Курс общей физики, т.2. М.,1982г.
5. Сивухин Д.В.. Общий курс физики, т.3. М., 1977г.