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 Магне- зии, 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 ко- нец стрелки показывает на южный магнитный полюс, распо- ложенный на севере, а другой на северный, распложенный в южном полушарии. Причем магнитные и географические полюса не совпадают.

Земля обладает собственным магнитным полем. По со- временным представлениям физики Земли наличие магнит- ного поля вокруг нее связано с жидким ядром – магмой. В ней большое количество свободных зарядов. Земля вращается вокруг своей оси. Вместе с ней вращается и жид- кая 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 жиз- ни на Земле чрезвычайно высока. Это связано с тем, что по- токи 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 по- люс получил название северного, так как один конец маг-

нитной стрелки всегда направлен на север. Аналогично дру- гой полюс магнита получил название южного.

Если два магнита приблизить друг к другу, то между ни- ми будет действовать сила. Магниты24либо притягиваются, если их полюса разные, либо отталкиваются, когда их полю- са одинаковые (рис. 3.13). У. Гильберт25в 1600 г. описал эти и некоторые другие свойства магнитов. Например, при рас- пиливании магнита нельзя получить магниты с одним по- люсом.

а б

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

Вокруг магнита существует магнитное поле. Силу, с ко- торой один магнит действует на другой, можно интерпрети- ровать как результат взаимодействия одного магнита с неко- торой материальной средой, образующейся вокруг другого магнита. Эта среда получила название магнитного поля. Позже понимание магнитного поля свелось к такому его оп- ределению, которое стало классическим.

24 Первые попытки по изучению свойств магнитов были пред- приняты 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 кото- рой взаимодействуют движущиеся заряды. В XVIII в. многие исследователи пытались установить связь между электриче- ским 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 ко- торому проходили провода, отклоняется от первоначального положения, как только по проводнику потечет ток. Этот факт привел Эрстеда к заключению, что вокруг проводника с то- ком возникает магнитное поле.

Индукция магнитного поля. Экспериментально был ус- тановлен удивительный факт. Рамка, состоящая из провод- ника, по которому течет ток, помещенная между полюсами постоянного магнита поворачивалась таким образом, чтобы ее витки или плоскость, в которой они намотаны, были па- раллельны 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 маг- нитного поля.

Для того чтобы описывать реальное воздействие магнит- ного поля, например, на рамку с током или магнитную стрелку, необходимо ввести какую-либо количественную ха- рактеристику, связывающую магнитное поле с уже извест- ными физическими величинами. Поэтому для описания маг- нитного поля была введена векторная физическая величина, называемая магнитной индукцией B. Ее модуль определяет- ся 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 кон- тура с током, а зависит только от его площади и представля- ет 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 ве- личина модуля силы F, действующей на проводник с током I, пропорциональна силе тока, длине проводника l и магнит- ной 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 пер- пендикулярно к плоскости, в которой лежит проводник с то- ком и магнитная индукция. Ее называют силой Ампера. На- правление 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 маг- нитной индукции будут входить в ее ладонь, то большой па- лец будет указывать направление действующей силы.

а б

Рис. 3.14. Определение направления силы Ампера и Лоренца

Электрический ток является источником магнитного по- ля, поэтому сила Ампера возникает также и при взаимодей- ствии электрических токов. Токи, текущие в одном направ- лении, притягиваются, а в разных направлениях – отталки- ваются.

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 ве- личина силы Лоренца становится меньше, как описывает (3.4.3).

Под действием силы Лоренца заряженная частица, по- павшая в магнитное поле, перпендикулярно его силовым ли- ниям 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 замк- нутую 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 соз- дали генератор переменного тока, электродвигатель и транс- форматор. Это позволило опутать проводами всю планету и обеспечит почти все население планеты электричеством. Бо- лее 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. Электродви- гатели 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 по- ля на движущиеся заряды действует сила. Вполне логичным стал вопрос о возможности с помощью магнитного поля по- лучить электрический ток. Учеными было сделано много по- пыток 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 амери- канский 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 электри- ческого тока с помощью магнитного поля. Катушка Х соеди- нена 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 ре- зультатов 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 появляет- ся индукционный ток. Его возникновение указывает на нали- чие в цепи электродвижущей силы электромагнитной индук- ции, или ЭДС индукции. Явление возникновения электриче- ского 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 по- тока, вызвавшего этот индукционный ток.

Направление индукционного тока определяется с помо- щью правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет все- гда 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 электро- магнитной индукции: ЭДС электромагнитной индукции εi в замкнутом контуре численно равна, но противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверх- ность, ограниченную этим контуром:

d F В

ei =-

dt

. (3.5.1)

Как видно из формулы (3.5.1), ЭДС электромагнитной ин- дукции 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 изме- нения площади витка с током является вращение витка с то- ком 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 перпен- дикулярна силовым линиям магнитного поля. На этом прин- ципе работает электрический двигатель.

Статическое электрическое и магнитное поля существу- ют независимо. Переменные электрические и магнитные по- ля неразрывно связаны и образуют электромагнитное поле.