Статья находится на проверке у методистов Skysmart. Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).
Магнитное поле
Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.
Магнитное поле — это материя, за счет которой осуществляется взаимодействие зарядов.
У нее есть несколько условий для существования:
Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты?
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях.
Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит.
Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит.
У любого магнита есть два полюса — северный и южный.
Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:
Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный?
Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже.
Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).
Наша планета — это один большой магнит. У нее тоже есть северный и южный полюса. Но есть один нюанс — географические полюса отличаются от физических. Да-да, на северном полюсе, который наверху карты, находится южный физический полюс. Ну и наоборот, на южном географическом — северный физический.
Не паникуйте, компас показывает вам географический полюс. Да, компас — это магнитная стрелка, и должен по идее показывать физический полюс, но стрелка окрашена так, чтобы направившись на северный физический полюс, показать южный географический. Чтобы люди не путались.
Опыт Эрстеда
Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эрстед опытным путём связал электричество и магнетизм с помощью эксперимента с отклонением стрелки компаса.
Это явление использовали, когда создавали первые амперметры, так как отклонение стрелки пропорционально величине тока. Оно лежит в основе любого электромагнита.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Магнитное поле — является одной из форм материи (отличной от вещества), существующая в пространстве, которое окружает постоянные магниты, проводники с током и заряды, что движутся. Магнитное поле вместе с электрическим полем образует единое электромагнитное поле.
Магнитное поле не только создается постоянными магнитами, движущимися зарядами и токами в проводниках, однако и действует на них же.
Термин «магнитное поле» ввел в 1845 году М. Фарадей. К этому времени были уже известны некоторые явления электродинамики, которые требуют объяснений:
1. Явление взаимодействия постоянных магнитов (установление магнитной стрелки вдоль магнитного меридиана Земли, притяжение разноименных полюсов, отталкивание одноименных), известное с древних времен и систематически исследованное У. Гильбертом (результаты опубликованы в 1600 г. в его трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле»).
2. В 1820 г. датский ученый Г. X. Эрстед выяснил, что магнитная стрелка, которая помещена рядом с проводником, по которому течет ток, поворачивается, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику.
3. В этом же году французский физик Ампер, заинтересовавшийся опытами Эрстеда, выявил взаимодействие 2х прямолинейных проводников с током: если токи в проводниках текут в одну сторону (параллельны), то проводники притягиваются (рис. а), если в противоположные стороны (антипараллельны), то отталкиваются (рис. б).
Взаимодействия между проводниками с током, то есть взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными, а силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, — магнитными силами.
Исходя из теории близкодействия, которой придерживался М. Фарадей, ток в одном из проводников не может непосредственно влиять на ток в другом проводнике. Аналогично случаю с неподвижными электрическими зарядами, около которых существует электрическое поле, был сделан вывод, что в пространстве, окружающем токи, существует магнитное поле, которое действует с некоторой силой на другой проводник с током, помещенный в это поле, либо на постоянный магнит. В свою очередь, магнитное поле, создаваемое вторым проводником с током, действует на ток в первом проводнике.
Подобно тому, как электрическое поле обнаруживается по его воздействию на пробный заряд, внесенный в это поле, магнитное поле можно обнаружить по ориентирующему действию магнитного поля на рамку с током малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно меняется) размеров.
Провода, подводящие ток к рамке, следует сплести (или расположить близко друг к другу), тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти провода, будет равна нулю. Силы же, действующие на такую рамку с током, будут ее поворачивать, так что ее плоскость установится перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. В примере, приведенном на рисунке выше, рамка повернется так, чтобы проводник с током оказался в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводнике рамка повернется на 180°. В поле между полюсами постоянного магнита рамка повернется плоскостью перпендикулярно магнитным силовым линиям магнита.
Электромагнитные взаимодействия с точки зрения квантовой электродинамики
Введение
Мы все наслышаны из школьного курса физики о магнитных и электрических полях и их связи, а также об электромагнитном излучении, выражающемся через их колебания, но сколько из нас осведомлены о подлинной природе электромагнитных явлений?
Взяв за основу тот факт, что электромагнитное поле (также как и свет) состоит из фотонов, можно сделать весьма интересные выводы о структуре электромагнитных взаимодействий.
Для начала сделаю небольшое отступление, дабы ознакомить вас с основами квантовой электродинамики.
Такие элементарные частицы, как электрон и протон имеют вероятность взаимодействия с фотонами (в квантовом мире все объекты представляют собой лишь сумму вероятностей), поглощая и испуская их. Испуская фотон, электрон (также как и протон) сам немного подвигается в ту сторону, куда этот фотон летит.
Фотоны притягиваются друг к другу, что можно довольно легко доказать. Рассмотрим две диаграммы:
На первой мы видим два фотона, летящих в две разные точки. Чтобы высчитать вероятность этого события, нужно умножить его этапы, а затем сложить амплитуды вероятностей каждого из тех взаимоисключающих способов, которыми оно может произойти. (Амплитуда вероятности — это стрелка, квадрат длины которой равен самой вероятности. Направление такой стрелки в отношении перемещения фотона из точки A в точку B определяется энергией фотона. Чтобы сложить две амплитуды, нужно совместить конец первой стрелки с началом второй (не меняя их направлений), а затем провести результирующую стрелку — минимальный путь от «хвоста» первой стрелки до «головы» второй, как на рисунке ниже. Она-то и будет их суммой)
Вероятность события, изображённого на первой диаграмме равна: P(1 — 2) * P(3 — 4) + P(1 — 3) * P(4 — 2) где P(A — B) — амплитуда вероятности перемещения фотона из точки A в точку B. На второй диаграмме изображено тоже событие, что и на первой, но точки 3 и 4 совмещены в одну.
Вероятность такого события равна:
P(1 — 3) * P(2 — 3) + P(2 — 3) * P(1 — 3)
Как видите, две стрелки, что мы складываем совершенно одинаковы как по длине, так и по направлению. При сложении они выстраиваются в одну линию и образуют стрелку удвоенной длины (квадрат которой возрастает в четыре раза).
Другими словами, фотоны стремятся быть в одном состоянии, то есть — притягиваются. Из этого следует, что атом (или любая другая частица) с большей вероятностью испустит фотон, если рядом с ним уже есть фотоны. Эффект усиливается при увеличении числа фотонов.
Магнетизм
Теперь, когда можно считать, что все основные понятия разъяснены, мы можем приступить к обсуждению главного вопроса.
Допустим, электрон испускает фотон, и он достигает протона, который под влиянием близости к нему испускает ещё один фотон (сам к нему немного придвигаясь), а тот, в свою очередь, достигнув электрона (того самого), стимулирует его испустить ещё один фотон, тем самым приблизившись к протону (которого достигал первоначальный фотон). Процесс повторяется, и через некоторое время протон и электрон становятся достаточно близки, чтобы сформировать атом (в данном случае водорода).
Таким образом, обмениваясь с протоном (или с несколькими протонами) фотонами, электрон удерживается в атоме. Стоит отметить, что эти фотоны характеризуют как виртуальные, поскольку как только их испускают одни частицы, другие сразу же поглощают, и следовательно, мы не можем видеть их в завершении эксперимента.
А теперь, представьте куда денутся те фотоны, которые испускают электроны и которые в обычных условиях долетают до протонов в ядрах атомов, если в теле увеличить количество электронов?
А как насчёт смещения всех электронов в один конец физического тела, а всех атомов, потерявших электроны (и ставшими положительно заряженными ионами), — в другой? Эти фотоны будут попросту летать в виде магнитных волн, пока не встретятся с атомами другого тела, чтобы притянуть их к своему (источающему фотоны) телу.
Этим обуславливается магнитное действие электрического тока.
Светодиоды
Представьте себе, что все электроны в теле переместились в один конец, а все атомы без электронов (то есть по сути с дырками вместо электронов) — в другой. Представьте, что будет, если к тем виртуальным фотонам, которыми обмениваются электроны на одном конце с протонами на другом, поднести небольшой пучок электронов (то есть провести ток через это тело). Эти электроны начнут испускать фотоны, вот только уже не виртуальные, а те, которые в совокупности сформируют видимый свет.
На этом моменте я подвожу свой краткий обзор к завершению и надеюсь, что внес немного ясности в эту тему.
Цель : Изучить магниты и их взаимодействие. Магнитное поле. Магнитное поле тока. Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера. Взаимодействие токов
Врезультате изучения темы должны:
– знать, в чем состоит явление магнетизма, как взаимодействуют одноименные и разноименные магнитные полюса;
– знать, что представляет собою и как графически изображается магнитное поле;
– знать, какая величина называется индукцией магнитного поля и в каких единицах она измеряется;
– уметь определять направление силовых линий и вектора индукции магнитного поля прямого тока с помощью правила правого винта или правой руки;
– знать, какая сила называется силой Ампера, какой формулой она выражается;
– знать формулу для вычисления силы взаимодействия двух длинных параллельных проводников с током;
– уметь определять направление силы Ампера с помощью правила левой руки;
– уметь определять направления сил взаимодействия прямых длинных проводников с током;
– уметь решать простые задачи с использованием имеющихся в параграфе формул.
Магниты и их взаимодействие. Магнитное поле. Магнитное поле тока. Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера. Взаимодействие токов.
Магниты и их взаимодействие. Магнитное поле. Магнитное поле тока
Магнетизм – свойство минерала «магнетит» (31%FeO+ 69%Fe2O) притягивать железные предметы. Название минерала происходит от названия местности Магнезия, где его добывали.
Магнит, изготовленный в виде стержня, ориентируется одним концом на северный полюс Земли, а другим – на южный (стрелка компаса). Эти концы назвали соответственно: СЕВЕРНЫМ ПОЛЮСОМ МАГНИТА и ЮЖНЫМ ПОЛЮСОМ МАГНИТА.
Магниты взаимодействуют друг с другом, притягиваясь разноименными полюсами (рис. 31.1).
Рис. 31.1. Взаимодействие полюсов магнитов:
а ) отталкивание одноименных полюсов;
) притяжение разноименных полюсов.
Магнитное взаимодействие передается через магнитное поле.
Магнитное поле можно увидеть, насыпав вокруг магнита мелкие железные опилки. Линии, которые образуют железные опилки или магнитные стрелки вокруг магнита, называются СИЛОВЫМИ ЛИНИЯМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (рис.31.2).
Договорились считать, что силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный.
Рис. 31.2. Магнитное поле постоянного магнита: а) железные опилки в поле постоянного магнита; б) магнитные стрелки в поле постоянного магнита
Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Его, как и поле постоянного магнита, можно обнаружить с помощью магнитных стрелок или железных опилок (рис. 31.3).
Рис. 31.3. Магнитное действие проводника с током в перпендикулярной плоскости: а) на железные опилки; б) на магнитные стрелки
Рис.31.4. Правила буравчика и правой руки.
аправление силовых линий магнитного поля определяют с помощью правила буравчика (правого винта) (рис. 31.4- а ) или правила правой руки (рис. 31.4- б ).
Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера
Магнитное поле взаимодействует с электрическим током.
Сила, с которой магнитное поле действует на отрезок проводника с током ток, называется силой Ампера. Она равна произведению силы тока, величины магнитной индукции и длины отрезка проводника, на синус угла между направлениями тока и вектора магнитной индукции:
Если направление тока и направление силовых линий перпендикулярны, формула принимает вид : Направление силы Ампера находят с помощью правила левой руки: левую руку располагают так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца показывали направление тока; тогда отставленный большой палец покажет направление силы Ампера (рис.31.6). а )
б)
в)
Рис. 31.6. Сила Ампера, действующая на проводник с током в магнитном поле:
Электрические токи взаимодействуют своими магнитными полями. Токи одинакового направления притягиваются. Токи противоположных направлений отталкиваются (рис. 31.7).
Опыты Ампера показали, что отрезки Δlбесконечно длинных параллельных проводников, находящихся на расстоянииrдруг от друга, взаимодействуют с силой
Задания для самоподготовки
1.Прочитайте конспект. Выучите новые термины и формулировки и ответьте на вопросы
В чем состоит явление магнетизма?
Как взаимодействуют одноименные и разноименные полюса магнитов?
Как можно увидеть силовые линии магнитного поля?
Какой величиной характеризуется магнитное поле? Как называется единица измерения этой величины?
Вектором или скаляром является магнитная индукция?
Как направлен вектор индукции относительно силовых линий магнитного поля?
Как определить направление силовых линий и вектора индукции магнитного поля прямого тока?
Как определить направление силы Ампера?
Как направлены силы взаимодействия двух параллельных прямых проводников с током?
От каких физических величин зависит сила взаимодействия двух параллельных длинных проводников с током (запишите формулу и прочитайте)?
Решите задачи
1.В каком направлении действует сила на проводник А, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (рис. 31.8), если ток в проводнике направлен от наблюдателя?
2
Рис. 31.9 к задаче 2
.Проводник В поместили между полюсами магнита, как показано на рисунке 31.9. Ток в проводнике направлен к наблюдателю. Укажите направление движения провод- ника.
3.Определите направление вектора индукции магнитного поля, если известно, что проводник с током отклоняется под действием этого поля вправо (рис. 31.10).
4. Определите полюсы источника тока, если при замыкании цепи на проводник В действует сила в направлении, указанном стрелкой (рис. 31.11).
5. Прямой проводник длиной 15 см, по которому течет электрический ток, поместили в однородное магнитное поле с индукцией 0,4 Тл. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно направлению тока. Сила тока в проводнике равна 0,6 А. Найдите силу Ампера.
6*. Прямой проводник длиной 10 см и массой 10 г подвешен горизонтально в магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. По проводнику течет ток 4,2 А. Линии индукции магнитного поля направлены горизонтально и перпендикулярно проводнику. Сделайте рисунок и найдите силу натяжения нитей, на которых подвешен проводник.
Задача имеет два решения. Рассмотрите оба. Обратитесь к параграфу 6.
Рис. 31.11 к задаче 4
. Найдите силу взаимодействия двух параллельных отрезков провода длиной 60 см, находящихся на расстоянии 10 см друг от друга, по которым текут токи 6 А и 8 А.
С точки зрения современной науки, проводники с током взаимодействуют друг с другом не непосредственно, а при помощи окружающих их магнитных полей.
Электрические заряды или токи – это источники магнитного поля. Магнитные поля возникают в пространстве, окружающем проводники с током, так же, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникают электрические поля. Магнитные поля постоянных магнитов тоже создаются электрическими микротоками, которые циркулируют внутри молекул вещества (согласно гипотезе Ампера).
Магнитные поля токов принципиально не такие, как электрические поля. Магнитные поля, в отличие от электрических, оказывают силовое действие лишь на движущиеся заряды (токи).
Для описания магнитных полей введем силовую характеристику поля, которая аналогична вектору напряженности E → электрических полей. Данной характеристикой будет вектор магнитной индукции B → он определяет силы, действующие на токи либо движущиеся заряды в магнитных полях.
Линии магнитной индукции
По аналогии построения силовых линий в электростатике строятся линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор B → направляется по касательной.
Обращаем внимание, что линии магнитной индукции все время замкнутые, и ни в каком месте не обрываются. Из этого следует, что у магнитных полей нет источников – магнитных зарядов.
Вихревые силовые поля – это поля, обладающие свойством магнитной индукции.
Мы можем наблюдать картину магнитной индукции при помощи мелких опилок железа, которые в магнитном поле намагничиваются и, наподобие маленьких магнитных стрелок, ориентируются вдоль линий индукции.
Закон Ампера
Сила Ампера равна F
В общем случае сила Ампера вычисляется по формуле, которая является законом Ампера:
Правило левой руки и правило Буравчика
Согласно закону Ампера, сила Ампера находится перпендикулярно вектору магнитной индукции B → и направлению тока, проходящего по проводнику. Чтобы определить направление силы Ампера часто используют одно правило. Вот его пример.
Магнитное взаимодействие параллельных токов
Как демонстрируют опыты, модуль силы, которая действует на отрезок длиной Δ l каждого из проводников, прямо пропорционален силе тока I 1 и I 2 в проводниках, длине отрезка Δ l и обратно пропорционален расстоянию R между ними:
В Международной системе единиц измерения коэффициент пропорциональности k записывают следующим образом:
где μ 0 – это постоянная величина, которая называется магнитной постоянной.
Введение магнитной постоянной в систему измерения упрощает запись нескольких формул. Ее числовое значение равняется:
Формула, которая выражает закон магнитного взаимодействия параллельных токов, имеет вид: F = μ 0 I 1 I 2 ∆ l 2 π R
Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током применяется в С И для вычисления единицы силы тока – ампера.
Рисунок 1.16.5. Модель взаимодействия параллельных токов.
Рисунок 1.16.6. Модель рамки с током в магнитном поле.
ешите задачи
.Определите направление вектора индукции магнитного поля, если известно, что проводник с током отклоняется под действием этого поля вправо (рис. 31.10).
*. Прямой проводник длиной 10 см и массой 10 г подвешен горизонтально в магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. По проводнику течет ток 4,2 А. Линии индукции магнитного поля направлены горизонтально и перпендикулярно проводнику. Сделайте рисунок и найдите силу натяжения нитей, на которых подвешен проводник.
