МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Исторические сведения Согласно одним оценкам, магнетит или магнитный железняк впервые был открыт в Китае за четыре тысячи лет до н. э. Например, легендарный китайский император Хуан- ди использовал компас во время битвы. Китайские мореплаватели конца второго тысячелетия до н. э. использовали компас для морской навигации. В целом, время его изобретения оценивается между 2637 и 1100 годами до н. э. Компас в виде ложки на гладкой поверхности.

Индийский врач Сушрута, живший в VI веке до н. э., применял магниты в хирургических целях.Сушрута Время создания индийского компаса доподлинно неизвестно, но он упоминался уже в VI веке нашей эры в некоторых тамильских книгах по морской навигации под названием «рыбья машина» В военном руководстве, датируемом 1044 годом был описан подобный компас в виде рыбы с головой из намагниченного железа, помещенной плавать в чашу. Исторические сведения

Магнетит был хорошо известен древним грекам. Тит Лукреций Кар в своём сочинении «О природе вещей» ( I век до н. э.) писал, что камень, притягивающий железо назывался в Греции магнитом по имени провинции Магнисия в Фессалии. Магнисия Исторические сведения

Развитие магнетизма как науки Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север юг, называют магнитным склонением. Христофор Колумб установил, что магнитное склонение зависит от географических координат, что послужило толчком к исследованию этого нового свойства магнитного поля Земли. Практически все накопленные к началу XVII века сведения о магнитах подытожили в 1589 году книгой «Естественная магия» Ион Баптиста Порта и в 1600 году Уильям Гильберт своим трудом «De Magnete». Магнитным силам эти учёные приписывали духовное происхождение. Русский учёный М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Первую подробную материалистическую теорию магнетизма составил Р. Декарт. Теорию магнетизма разрабатывали также Ф. У. Т. Эпинус, Ш. Кулон, в 1788 году обобщивший закон Кулона на случай взаимодействия точечных полюсов магнита, А. Бургманс, которому принадлежит открытие притяжения и отталкивания слабомагнитных веществ (названных М. Фарадеем в 1845 году диа- и парамагнетиками), и другие учёные.

Опыт Эрстеда Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Ханса Эрстеда. +видео

Опыт Ампера В 1820 году французский физик Андре Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов. Проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Магнитное поле Источниками магнитного поля Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Магнитное поле

Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи). Магнитное поле Индикаторы магнитного поля: Магнитная стрелка Рамка с током

Характеристики магнитного поля Силовой характеристика магнитного поля ( аналогично вектору напряженности электрического поля ) является вектор магнитной индукции В, который определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно ориентирующийся в магнитном поле. С помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора и наглядно представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор направлен по касательной.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми.

Направление силовых линий магнитного поля определяется с помощью мнемонических правил: -Правило буравчика или правило правого винта - Правило правой руки

-Правило правой руки для соленоида

Вектор магнитной индукции F А ~ IΔl sin α Как показали опыты Ампера, сила, действующая на участок проводника со стороны магнитного поля, пропорциональна силе тока I, длине Δl этого участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции: F А ~ IΔl sin α Эта сила называется силой Ампера. А формула – закон Ампера F А = I BΔl sin α

Направление силы Ампера Правило левой руки

Bзаимодействие параллельных токов

Принцип суперпозиции для магнитных полей Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция - векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности

Единица измерения силы тока в СИ. Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2·10 –7 Н на каждый метр длины.

Сравнительная таблица магнитного и электрического полей

Магнитное поле Земли Земля является большим отрицательным зарядом и источником электрического поля, но в то же время магнитное поле нашей планеты подобно полю прямого магнита гигантских размеров. Географический юг находится недалеко от магнитного севера, а географический север приближен к магнитному югу. Характерные элементы земного магнетизма весьма медленно изменяются с течением времени - вековые изменения.

1. Участок проводника длиной 10 см находится в магнитном поле. Сила электрического тока, протекающего по проводнику, 10 А. При перемещении проводника на 8 см в направлении действия силы Ампера она совершила работу 4 м Дж. Чему равна индукция магнитного поля? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

2. Квадратная рамка со стороной а = 10 см, сделанная из проводника, площадь поперечного сечения которого S=1 мм 2 и удельное сопротивление ρ = 2×10 8 Ом × м, присоединена к источнику постоянного напряжения U = 4 В и помещена в однородное магнитное поле с индукцией В = 0,1 Тл. Определить максимальный момент сил, действующих на рамку со стороны поля. Решение: 1. Применим правило левой руки и определим направление действия магнитной силы на левую сторону рамки с током, эта сила будет направлена так, как показано на рисунке, а момент этой силы равен 2. Аналогично, применив правило левой руки, определим направление силы ампера на правую сторону рамки с током, а момент этой силы

Силы поворачивают рамку против часовой стрелки, и общий момент равен сумме моментов Учтем, что 2l = a сторона рамки, а сила ампера F A = IBa sing, при α = 90° между вектором магнитной индукции и вектором тока в проводнике, сила Ампера имеет максимальное значение, следовательно, момент силы в этом случае максимальный. Ток в рамке определим по закону Ома для участка цепи с учетом формулы сопротивления M = 4 × 0,1 × 1 × 10 6 × 0,1/(4 × 2 × 10 8 ) = 0,5 (Н × м).

3. В однородное магнитное поле с индукцией В = 2×10 4 Тл перпендикулярно линиям индукции помещен прямолинейный проводник с током силой I = 50 А. Найти совокупность точек, в которых результирующая магнитная индукция равна нулю. Определить силу, действующую со стороны магнитного поля на отрезок проводника длиной l = 50 см. µ- магнитная проницаемость среды В точке А

Совокупность точек, в которых результирующая магнитная индукция равна нулю, расположены на прямой, проходящей через точку А, параллельной проводнику (см. рис.) и отстоящей от него на расстоянии r = 5 × 10 2 м, искомая сила, действующая со стороны магнитного поля на отрезок проводника длиной l = 50 см, равна 5 × 10 3 H.

Пусть ток в проводнике направлен на нас. Применим правило правой руки для прямого проводника с током: обхватываем правой рукой проводник с током так, чтобы большой палец был направлен по току, тогда четыре пальца укажут направление линий магнитного поля. Вектор индукции магнитного поля направлен по касательной в каждой точке линии магнитного поля. По условию задачи требуется найти совокупность точек, в которых результирующая магнитная индукция равна нулю. Давайте рассмотрим три точки: A, C и произвольную точку D, лежащих на окружности (линии магнитного поля) на расстоянии r. Так как вектор магнитной индукции векторная величина, то результат наложения внешнего магнитного поля (B) и магнитного поля проводника с током (B / ) будет зависеть от взаимного расположения этих векторов. В точке С магнитные поля усиливают друг друга и результат будет равен сумме модулей векторов магнитных полей. В точке А магнитные поля противоположны друг другу и, при правильном выборе расстояния r, их результат, равный разности модулей векторов магнитной индукции, может быть равен нулю. В произвольной точке D, результат сложения двух векторов, используя правило параллелограмма, даст нам вектор диагональ параллелограмма, модуль которого определяется по теореме косинусов. Для прямого проводника с током модуль вектора магнитной индукции определяется общим выражением