Магнитное поле. Магниты.История магнетизма уходит своими корнями к античной цивилизации Малой Азии

Магниты. История магнетизма уходит своими корнями к античной цивилизации Малой Азии. Именно там, в Магнезии, находили горную породу, кусочки которой притягивали друг друга. По названию территории такие вещества и стали называть магнитами. Задолго до открытия магнитного поля были созданы компасы, которыми для целей навигации стали пользоваться китайские мореплаватели еще в XI в. Компас представляет собой магнит с одной точкой опоры. Один конец стрелки показывает на южный магнитный полюс, расположенный на севере, а другой на северный, распложенный в южном полушарии. Причем магнитные и географические полюса не совпадают.

Земля обладает собственным магнитным полем. По современным представлениям физики Земли наличие магнитного поля вокруг нее связано с жидким ядром – магмой. В ней большое количество свободных зарядов. Земля вращается вокруг своей оси. Вместе с ней вращается и жидкая магма, а свободные заряды образуют токи, как в витках провода. Вдоль оси витков, а следовательно, вдоль оси Земли возникает магнитное поле. Его роль для существования жизни на Земле чрезвычайно высока. Это связано с тем, что потоки заряженных космических частиц огибают магнитное поле Земли. Поэтому количество радиации на ее поверхности

уменьшается во много раз.

Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называют полюсами (рис. 3.12, б). Один полюс получил название северного, так как один конец маг-

 

нитной стрелки всегда направлен на север. Аналогично другой полюс магнита получил название южного.

Если два магнита приблизить друг к другу, то между ними будет действовать сила. Магниты24либо притягиваются, если их полюса разные, либо отталкиваются, когда их полюса одинаковые (рис. 3.13). У. Гильберт25в 1600 г. описал эти и некоторые другие свойства магнитов. Например, при распиливании магнита нельзя получить магниты с одним полюсом.

 

а б

Рис. 3.12. Магнитное поле Земли (а) и обычного магнита (б)

Вокруг магнита существует магнитное поле. Силу, с которой один магнит действует на другой, можно интерпретировать как результат взаимодействия одного магнита с некоторой материальной средой, образующейся вокруг другого магнита. Эта среда получила название магнитного поля. Позже понимание магнитного поля свелось к такому его определению, которое стало классическим.

 

24 Первые попытки по изучению свойств магнитов были предприняты французским ученым П. де Марикура в 1269 г.

25 У. Гильберт (1544–1603)английский физик и придворный врач Елизаветы I, магистр философии и доктор медицины.

Магнитное поле26– это вид материи, посредством которой взаимодействуют движущиеся заряды. В XVIII в. многие исследователи пытались установить связь между электрическим и магнитным полем.

 

а б

Рис. 3.13. Взаимодействие полюсов магнитов

В 1820 году Г.Х. Эрстед27(1777–1851) во время занятий со студентами установил связь электрического и магнитного полей. Он случайно заметил или возможно ему подсказали слушатели, что магнитная стрелка морского компаса, по которому проходили провода, отклоняется от первоначального положения, как только по проводнику потечет ток. Этот факт привел Эрстеда к заключению, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

Индукция магнитного поля. Экспериментально был установлен удивительный факт. Рамка, состоящая из проводника, по которому течет ток, помещенная между полюсами постоянного магнита поворачивалась таким образом, чтобы ее витки или плоскость, в которой они намотаны, были параллельны силовым линиям магнитного поля. Это послужи-

 

 

26 Магнитное поле в постоянных магнитах, как будет подробно описано ниже, появляется в результате возникновения замкнутых токов в микрообъемах (доменах).

27 По окончании Копенгагенского университета получил степень

фармацевта высшей категории.

ло основой для количественного определения величины магнитного поля.

Для того чтобы описывать реальное воздействие магнитного поля, например, на рамку с током или магнитную стрелку, необходимо ввести какую-либо количественную характеристику, связывающую магнитное поле с уже известными физическими величинами. Поэтому для описания магнитного поля была введена векторная физическая величина, называемая магнитной индукцией B. Ее модуль определяется как отношение максимального вращательного момента M maxк силе тока I в контуре площадью S:

M

B = max

IS

. (3.4.1)

Величина магнитной индукции B не зависит от формы контура с током, а зависит только от его площади и представляет собой силовую характеристику магнитного поля. Единица магнитной индукции в системе СИ – тесла – определяется по формуле (3.4.1):

1 Тл = 1 Н · м / А · м2 = 1 Н / А · м.

Сила Ампера. Экспериментально установлено, что величина модуля силы F, действующей на проводник с током I, пропорциональна силе тока, длине проводника l и магнитной индукции B:

|F| = IBl sin α, (3.4.2) где α – угол между элементом тока I l и направлением магнитной индукции B (рис. 3.14). Сила F направлена перпендикулярно к плоскости, в которой лежит проводник с током и магнитная индукция. Ее называют силой Ампера. Направление силы Ампера можно определить с помощью пра-

вила левой руки (рис. 3.14, б).

Правило левой руки звучит так: если пальцы левой руки расположить вдоль направления тока, а силовые линии магнитной индукции будут входить в ее ладонь, то большой палец будет указывать направление действующей силы. 77

а б

Рис. 3.14. Определение направления силы Ампера и Лоренца

Электрический ток является источником магнитного поля, поэтому сила Ампера возникает также и при взаимодействии электрических токов. Токи, текущие в одном направлении, притягиваются, а в разных направлениях – отталкиваются.

Сила Лоренца. Сила Ампера, действующая в магнитном поле на проводник с электрическим током, представляет со-

бой сумму

сил на каждый из

электрических зарядов обоих

знаков, движущихся

в проводнике. Сила, действующая на

каждый из зарядов, называется силой Лоренца:

|F| = qvB sin α.

 

( 3.4.3)

Направление силы

Лоренца также определяется правилом

левой руки: она всегда перпендикулярна

магнитной индук-

ции и направлению

скорости

движения

заряда. Если ско-

рость частицы не перпендикулярна магнитному полю, то величина силы Лоренца становится меньше, как описывает (3.4.3).

Под действием силы Лоренца заряженная частица, попавшая в магнитное поле, перпендикулярно его силовым линиям начинает двигаться по окружности (рис. 3.14, б). Сила

Лоренца в

этом случае, согласно правилу левой руки, на-

правлена вдоль радиуса окружности и центростремительную силу:

представляет собой

F ц= F лÞ

mv 2

 

R

= qvB.

(3.4.4)

Введем понятие магнитного потока. Магнитный поток Φ

– это поток вектора индукции магнитного поля B через замкнутую поверхность площадью S, окружающую источник магнитного поля, например, элемент тока или точечный движущийся заряд:

Ф = B S cos α, (3.4.5)

где α – это угол между нормалью к площади поверхности и направлением индукции магнитного поля. В системе СИ магнитный поток измеряется в единицах вебер:

1 Вб = 1 Тл · м2= 1 Н · м2 / А · м = Н · м / А.

3.5. Электромагнитное поле Электромагнитная индукция. Трудно представить, как

бы выглядела наша цивилизация без открытия Фарадеем его гениального закона. Ведь именно благодаря ему физики создали генератор переменного тока, электродвигатель и трансформатор. Это позволило опутать проводами всю планету и обеспечит почти все население планеты электричеством. Более того, люди научились повышать и понижать напряжение, для того чтобы не оставлять большую часть электроэнергии в проводах. При этом потребитель использует в своих целях достаточно безопасное невысокое напряжение. Электродвигатели позволили обеспечить передвижение на городском и железнодорожном транспорте. Электродвигатель – основной элемент большого количества бытовых приборов.

В 1920-х годах было установлено, что электрический ток создает магнитное поле, а со стороны электромагнитного поля на движущиеся заряды действует сила. Вполне логичным стал вопрос о возможности с помощью магнитного поля получить электрический ток. Учеными было сделано много попыток с помощью магнитного поля возбудить ток в контуре.

Эта задача была решена Майклом Фарадеем28, открывшим

1831 г. явление электромагнитной индукции.

 

28 В 1831 г. английский физик М. Фарадей (1791–1867) и американский ученый Д. Генри (1797–1878) независимо друг от друга открыли закон электромагнитной индукции.

С помощью установки, изображенной на рис. 3.16, а, Фарадей провел ряд экспериментов для получения электрического тока с помощью магнитного поля. Катушка Х соединена с источником постоянного тока. Ток в катушке создает

магнитное

поле, которое усиливается железным сердечни-

ком. Фарадей предположил, что при достаточной мощности

батареи поле, создаваемое в катушке Х, будет спос

бно воз-

будить ток в катушке Y. Но опыты с постоянным током результатов не дали.

К открытию привела наблюдательность Фарадея, заме-

тившего, что стрелка

гальванометра катушки Y сильно от-

клоняется

лишь в момент замыкания и

размыкания цепи.

Причем стрелка отклоняется в разные стороны.

а б

Рис. 3.16. Опыт Фарадея с катушками и магнитом

При быстром внесении или выводе магнита из катушки, подключенной к гальванометру, также происходит отклоне-

ние стрелки (рис. 3.16, б). При

этом стрелка отклоняется в

разных направлениях. Более того, если магнит неподвижен, а катушку приближать или удалять от него, то в витке также потечет индукционный ток.

Фарадей сделал вывод, что стационарное магнитное поле тока не создает, а при изменении магнитного поля появляется индукционный ток. Его возникновение указывает на наличие в цепи электродвижущей силы электромагнитной индукции, или ЭДС индукции. Явление возникновения электрического поля в проводнике при изменении магнитного потока в нем носит название электромагнитной индукции.

Направление индукционного тока определяется

с помо-

щью правила Э.Х.

Ленца (рис. 3.17):

индукционный ток

в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Направление индукционного тока определяется с помощью правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

 

Рис. 3.17. Правило Ленца

Результатом исследований Фарадея стал закон электромагнитной индукции: ЭДС электромагнитной индукции εi в замкнутом контуре численно равна, но противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром:

d F В

ei =-

dt

. (3.5.1)

Как видно из формулы (3.5.1), ЭДС электромагнитной индукции пропорциональна изменению не просто магнитного поля, а изменению магнитного потока, который в случае изменяющегося магнитного поля описывается выражением

Ф В = ò B d S.

Примером изменения магнитной индукции путем изменения площади витка с током является вращение витка с током в постоянном магнитном поле между полюсами магнита. При вращении витка с током в магнитном поле, его площадь по отношению к силовым линиям магнитного поля меняется по гармоническому закону:

S = S 0cos θ,

где S 0– максимальная площадь, нормаль к которой перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. На этом принципе работает электрический двигатель.

Статическое электрическое и магнитное поля существуют независимо. Переменные электрические и магнитные поля неразрывно связаны и образуют электромагнитное поле.