Apie magnetinį lauką dar prisimename iš mokyklos laikų, tiesiog toks jis yra, „išnyra“ prisiminimuose ne visiems. Atnaujinkime tai, ką išgyvenome, ir galbūt papasakokime ką nors naujo, naudingo ir įdomaus.

Magnetinio lauko nustatymas

Magnetinis laukas – jėgos laukas, veikiantis judančius elektros krūvius (daleles). Dėl šio jėgos lauko objektai traukia vienas kitą. Yra dviejų tipų magnetiniai laukai:

1. Gravitacinis - susidaro tik šalia elementariųjų dalelių ir savo stiprumo viruetsya, remiantis šių dalelių ypatybėmis ir struktūra.
2. Dinaminis, gaminamas objektuose su judančiais elektros krūviais (srovės siųstuvai, įmagnetintos medžiagos).

Pirmą kartą magnetinio lauko pavadinimą M. Faradėjus įvedė 1845 m., nors jo reikšmė buvo šiek tiek klaidinga, nes buvo manoma, kad tiek elektrinis, tiek magnetinis poveikis ir sąveika yra pagrįsti tuo pačiu medžiaginiu lauku. Vėliau, 1873 m., D. Maxwellas „pateikė“ kvantinę teoriją, kurioje šios sąvokos buvo pradėtos atskirti, o anksčiau išvestas jėgos laukas buvo pavadintas elektromagnetiniu lauku.

Kaip atsiranda magnetinis laukas?

Įvairių objektų magnetinių laukų žmogaus akis nesuvokia, o sufiksuoti gali tik specialūs jutikliai. Magnetinio jėgos lauko atsiradimo mikroskopiniu mastu šaltinis yra įmagnetintų (įkrautų) mikrodalelių, kurios yra:

• jonai;
• elektronai;
• protonų.

Jų judėjimas vyksta dėl sukimosi magnetinio momento, kuris yra kiekvienoje mikrodalelėje.

Magnetinis laukas, kur jį galima rasti?

Kad ir kaip keistai tai skambėtų, bet beveik visi mus supantys objektai turi savo magnetinį lauką. Nors daugelio samprata, tik magnetu vadinamas akmenukas turi magnetinį lauką, kuris pritraukia prie savęs geležinius daiktus. Tiesą sakant, traukos jėga yra visuose objektuose, ji pasireiškia tik žemesniu valentiškumu.

Taip pat reikėtų paaiškinti, kad jėgos laukas, vadinamas magnetiniu, atsiranda tik tada, kai juda elektros krūviai ar kūnai.

Nejudantys krūviai turi elektrinį jėgos lauką (jo gali būti ir judančių krūvių). Pasirodo, magnetinio lauko šaltiniai yra:

• Nuolatiniai magnetai;
• mobiliojo ryšio mokesčiai.

Tai jėgos laukas, veikiantis elektros krūvius ir judančius kūnus, turinčius magnetinį momentą, neatsižvelgiant į jų judėjimo būseną. Magnetinis laukas yra elektromagnetinio lauko dalis.

Įkrautų dalelių srovė arba elektronų magnetiniai momentai atomuose sukuria magnetinį lauką. Taip pat magnetinis laukas atsiranda dėl tam tikrų laikinų elektrinio lauko pokyčių.

Magnetinio lauko indukcijos vektorius B yra pagrindinė magnetinio lauko galios charakteristika. Matematikoje B = B (X,Y,Z) apibrėžiamas kaip vektorinis laukas. Ši sąvoka skirta apibrėžti ir nurodyti fizinį magnetinį lauką. Moksle magnetinės indukcijos vektorius dažnai paprastai vadinamas magnetiniu lauku. Akivaizdu, kad tokia programa leidžia laisvai interpretuoti šią sąvoką.

Kita srovės magnetinio lauko charakteristika yra vektorinis potencialas.

Mokslinėje literatūroje dažnai galima rasti, kad pagrindinė magnetinio lauko charakteristika, nesant magnetinės terpės (vakuumo), yra magnetinio lauko stiprumo vektorius. Formaliai ši situacija yra gana priimtina, nes vakuume magnetinio lauko stiprumo vektorius H ir magnetinės indukcijos vektorius B sutampa. Tuo pačiu metu magnetinio lauko stiprumo vektorius magnetinėje terpėje nėra užpildytas ta pačia fizine prasme ir yra antrinis dydis. Remiantis tuo, formaliai lyginant šiuos vakuumo metodus, sisteminis požiūris svarsto magnetinės indukcijos vektorius – pagrindinė srovės magnetinio lauko charakteristika.

Žinoma, magnetinis laukas yra ypatinga materijos rūšis. Šios medžiagos pagalba yra sąveika tarp magnetinio momento ir judančių įkrautų dalelių ar kūnų.

Specialioji reliatyvumo teorija mano, kad magnetiniai laukai yra pačių elektrinių laukų egzistavimo pasekmė.

Kartu magnetiniai ir elektriniai laukai sudaro elektromagnetinį lauką. Elektromagnetinio lauko apraiškos yra šviesa ir elektromagnetinės bangos.

Kvantinė magnetinio lauko teorija magnetinę sąveiką laiko atskiru elektromagnetinės sąveikos atveju. Jį neša bemasis bozonas. Bozonas yra fotonas – dalelė, kurią galima pavaizduoti kaip elektromagnetinio lauko kvantinį sužadinimą.

Magnetinį lauką sukuria įkrautų dalelių srovė arba elektrinis laukas, transformuojantis laiko erdvėje, arba dalelių vidiniai magnetiniai momentai. Dalelių magnetiniai momentai vienodam suvokimui formaliai redukuojami į elektros sroves.

Magnetinio lauko vertės apskaičiavimas.

Paprasti atvejai leidžia apskaičiuoti laidininko magnetinio lauko reikšmes su srove pagal Biot-Savart-Laplace dėsnį arba naudojant cirkuliacijos teoremą. Taip pat magnetinio lauko vertę galima rasti ir srovei, savavališkai paskirstytai tūryje arba erdvėje. Akivaizdu, kad šie dėsniai taikomi pastoviems arba santykinai lėtai kintamiems magnetiniams ir elektriniams laukams. Tai yra, esant magnetostatikai. Sudėtingesniais atvejais reikia apskaičiuoti vertę magnetinio lauko srovė pagal Maksvelo lygtis.

Magnetinio lauko buvimo pasireiškimas.

Pagrindinis magnetinio lauko pasireiškimas yra poveikis dalelių ir kūnų magnetiniams momentams, judančioms įkrautoms dalelėms. Lorenco jėga vadinama jėga, kuri veikia elektra įkrautą dalelę, kuri juda magnetiniame lauke. Ši jėga turi pastovią statmeną kryptį vektoriams v ir B. Ji taip pat turi proporcingą reikšmę dalelės q krūviui, greičio komponentei v, kuri statmena magnetinio lauko vektoriaus B krypčiai, ir dydis, išreiškiantis magnetinio lauko indukciją B. Lorenco jėga pagal Tarptautinę vienetų sistemą turi tokią išraišką: F=q, CGS vienetų sistemoje: F=q/c

Vektorinė sandauga rodoma laužtiniuose skliaustuose.

Dėl Lorenco jėgos įtakos įkrautoms dalelėms, judančioms išilgai laidininko, magnetinis laukas gali veikti ir srovę nešantį laidininką. Ampero jėga yra jėga, veikianti srovės laidininką. Šios jėgos komponentai yra jėgos, veikiančios atskirus krūvius, kurie juda laidininko viduje.

Dviejų magnetų sąveikos reiškinys.

Magnetinio lauko reiškinys, kurį galime sutikti kasdieniame gyvenime, vadinamas dviejų magnetų sąveika. Jis išreiškiamas identiškų polių atstūmimu vienas nuo kito ir priešingų polių pritraukimu. Formaliu požiūriu dviejų magnetų sąveiką apibūdinti kaip dviejų monopolių sąveiką yra gana naudinga, įgyvendinama ir patogi idėja. Kartu išsami analizė rodo, kad iš tikrųjų tai nėra visiškai teisingas reiškinio apibūdinimas. Pagrindinis neatsakytas klausimas tokiame modelyje – kodėl negalima atskirti monopolių. Tiesą sakant, buvo eksperimentiškai įrodyta, kad bet koks izoliuotas kūnas neturi magnetinio krūvio. Be to, šis modelis negali būti pritaikytas magnetiniam laukui, kurį sukuria makroskopinė srovė.

Mūsų požiūriu, teisinga manyti, kad jėga, veikianti nehomogeniniame lauke esantį magnetinį dipolį, linkusi jį pasukti taip, kad dipolio magnetinis momentas būtų tokios pačios krypties kaip ir magnetinio lauko. Tačiau nėra magnetų, kuriuos veiktų visa jėga vienoda magnetinio lauko srovė. Jėga, kuri veikia magnetinį dipolį su magnetiniu momentu m išreiškiamas tokia formule:

.

Jėga, veikianti magnetą iš nehomogeninio magnetinio lauko, išreiškiama kaip visų jėgų, nustatytų pagal šią formulę ir veikiančių elementariuosius dipolius, sudarančius magnetą, suma.

Elektromagnetinė indukcija.

Pasikeitus magnetinės indukcijos vektoriaus srauto laikui per uždarą grandinę, šioje grandinėje susidaro elektromagnetinės indukcijos EML. Jei grandinė yra stacionari, ją sukuria sūkurinis elektrinis laukas, atsirandantis dėl magnetinio lauko pasikeitimo laikui bėgant. Kai magnetinis laukas laikui bėgant nekinta, o srautas nesikeičia dėl laidininko kilpos judėjimo, tada EML sukuria Lorenco jėga.

Supraskime kartu, kas yra magnetinis laukas. Juk daugelis žmonių šioje srityje gyvena visą gyvenimą ir apie tai net nesusimąsto. Laikas tai sutvarkyti!

Magnetinis laukas

Magnetinis laukas yra ypatingos rūšies materija. Jis pasireiškia judančių elektros krūvių ir kūnų, turinčių savo magnetinį momentą (nuolatiniai magnetai), veikimu.

Svarbu: magnetinis laukas neveikia stacionarių krūvių! Magnetinį lauką taip pat sukuria judantys elektros krūviai arba laikui bėgant kintantis elektrinis laukas arba atomų elektronų magnetiniai momentai. Tai yra, bet koks laidas, per kurį teka srovė, taip pat tampa magnetu!

Kūnas, turintis savo magnetinį lauką.

Magnetas turi polius, vadinamus šiauriniu ir pietu. Pavadinimai „šiaurinis“ ir „pietinis“ pateikiami tik dėl patogumo (kaip „pliusas“ ir „minusas“ elektroje).

Magnetinis laukas pavaizduotas jėgos magnetinės linijos. Jėgos linijos yra ištisinės ir uždaros, o jų kryptis visada sutampa su lauko jėgų kryptimi. Jei metalo drožlės yra išbarstytos aplink nuolatinį magnetą, metalo dalelės parodys aiškų magnetinio lauko linijų, kylančių iš šiaurės ir patenkančių į pietų ašigalį, vaizdą. Grafinė magnetinio lauko charakteristika – jėgos linijos.

Magnetinio lauko charakteristikos

Pagrindinės magnetinio lauko charakteristikos yra magnetinė indukcija, magnetinis srautas ir magnetinis pralaidumas. Bet pakalbėkime apie viską iš eilės.

Iškart atkreipiame dėmesį, kad sistemoje pateikti visi matavimo vienetai SI.

Magnetinė indukcija B - vektorinis fizinis dydis, kuris yra pagrindinė magnetinio lauko galios charakteristika. Žymima raide B . Magnetinės indukcijos matavimo vienetas - Tesla (Tl).

Magnetinė indukcija parodo, koks stiprus yra laukas, nustatant jėgą, kuria jis veikia krūvį. Ši jėga vadinama Lorenco jėga.

čia q - įkrauti, v - jo greitis magnetiniame lauke, B - indukcija, F yra Lorenco jėga, kuria laukas veikia krūvį.

F- fizinis dydis, lygus magnetinės indukcijos sandaugai pagal kontūro plotą ir kosinusą tarp indukcijos vektoriaus ir kontūro, per kurį eina srautas, plokštumos normaliosios. Magnetinis srautas yra skaliarinė magnetinio lauko charakteristika.

Galima sakyti, kad magnetinis srautas apibūdina magnetinės indukcijos linijų, prasiskverbiančių į ploto vienetą, skaičių. Magnetinis srautas matuojamas Weberach (WB).

Magnetinis pralaidumas yra koeficientas, lemiantis terpės magnetines savybes. Vienas iš parametrų, nuo kurio priklauso lauko magnetinė indukcija, yra magnetinis laidumas.

Mūsų planeta jau kelis milijardus metų buvo didžiulis magnetas. Žemės magnetinio lauko indukcija skiriasi priklausomai nuo koordinačių. Prie pusiaujo jis yra maždaug 3,1 karto 10 iki minus penktosios Teslos galios. Be to, yra magnetinių anomalijų, kai lauko vertė ir kryptis labai skiriasi nuo gretimų sričių. Viena didžiausių magnetinių anomalijų planetoje Kurskas ir Brazilijos magnetinė anomalija.

Žemės magnetinio lauko kilmė mokslininkams vis dar yra paslaptis. Daroma prielaida, kad lauko šaltinis yra skysto metalo Žemės šerdis. Šerdis juda, o tai reiškia, kad išlydytas geležies ir nikelio lydinys juda, o įkrautų dalelių judėjimas yra elektros srovė, kuri sukuria magnetinį lauką. Problema ta, kad ši teorija geodinamo) nepaaiškina, kaip laukas išlaikomas stabilus.

Žemė yra didžiulis magnetinis dipolis. Magnetiniai poliai nesutampa su geografiniais, nors yra arti. Be to, Žemės magnetiniai poliai juda. Jų poslinkis fiksuojamas nuo 1885 m. Pavyzdžiui, per pastaruosius šimtą metų magnetinis polius Pietų pusrutulyje pasislinko beveik 900 kilometrų ir dabar yra pietiniame vandenyne. Arkties pusrutulio ašigalis per Arkties vandenyną juda Rytų Sibiro magnetinės anomalijos link, jo judėjimo greitis (2004 m. duomenimis) siekė apie 60 kilometrų per metus. Dabar pastebimas stulpų judėjimo pagreitis – vidutiniškai per metus greitis auga 3 kilometrais.

Kokią reikšmę mums turi Žemės magnetinis laukas? Visų pirma, Žemės magnetinis laukas apsaugo planetą nuo kosminių spindulių ir saulės vėjo. Įkrautos dalelės iš gilios erdvės nenukrenta tiesiai į žemę, o nukreiptos milžiniško magneto ir juda jo jėgos linijomis. Taigi visi gyvi daiktai yra apsaugoti nuo kenksmingos spinduliuotės.

Per Žemės istoriją tokių buvo keletas inversijos magnetinių polių (pakeitimų). Ašigalių inversija kai jie keičiasi vietomis. Paskutinį kartą šis reiškinys įvyko maždaug prieš 800 tūkstančių metų, o geomagnetinių pasikeitimų Žemės istorijoje buvo daugiau nei 400. Kai kurie mokslininkai mano, kad, atsižvelgiant į pastebėtą magnetinių polių judėjimo pagreitį, kitas polių apsisukimas turėtų būti tikimasi per ateinančius porą tūkstančių metų.

Laimei, mūsų amžiuje polių apsisukimo nesitikima. Taigi, jūs galite galvoti apie malonumą ir mėgautis gyvenimu sename gerame pastoviame Žemės lauke, įvertinę pagrindines magnetinio lauko savybes ir ypatybes. Ir tam, kad tai padarytumėte, yra mūsų autoriai, kuriems galima patikėti kai kuriuos ugdymo rūpesčius su pasitikėjimu sėkme! ir kitų rūšių darbus galite užsisakyti nuorodoje.

Magnetinis laukas tai yra problema, kuri kyla aplink elektros srovės šaltinius, taip pat aplink nuolatinius magnetus. Erdvėje magnetinis laukas rodomas kaip jėgų, galinčių paveikti įmagnetintus kūnus, derinys. Šis veiksmas paaiškinamas tuo, kad molekuliniame lygmenyje yra iškrovų.

Magnetinis laukas susidaro tik aplink judančius elektros krūvius. Štai kodėl magnetiniai ir elektriniai laukai yra vientisi ir kartu sudaro elektromagnetinis laukas. Magnetinio lauko komponentai yra tarpusavyje susiję ir veikia vienas kitą, keisdami savo savybes.

Magnetinio lauko savybės:
1. Magnetinis laukas atsiranda veikiant elektros srovės varomiesiems krūviams.
2. Bet kuriame jo taške magnetiniam laukui būdingas fizikinio dydžio vektorius, vadinamas magnetinė indukcija, kuri yra magnetiniam laukui būdinga jėga.
3. Magnetinis laukas gali paveikti tik magnetus, laidžius laidininkus ir judančius krūvius.
4. Magnetinis laukas gali būti pastovaus ir kintamo tipo
5. Magnetinis laukas matuojamas tik specialiais prietaisais ir negali būti suvokiamas žmogaus pojūčiais.
6. Magnetinis laukas yra elektrodinaminis, nes susidaro tik judant įkrautoms dalelėms ir veikia tik tuos krūvius, kurie juda.
7. Įkrautos dalelės juda statmena trajektorija.

Magnetinio lauko dydis priklauso nuo magnetinio lauko kitimo greičio. Atitinkamai, yra dviejų tipų magnetiniai laukai: dinaminis magnetinis laukas ir gravitacinis magnetinis laukas. Gravitacinis magnetinis laukas atsiranda tik prie elementariųjų dalelių ir susidaro priklausomai nuo šių dalelių struktūrinių ypatybių.

Magnetinis momentas atsiranda magnetiniam laukui veikiant laidų rėmą. Kitaip tariant, magnetinis momentas yra vektorius, esantis tiesėje, kuri eina statmenai rėmui.

Magnetinį lauką galima pavaizduoti grafiškai naudojant magnetines jėgos linijas. Šios linijos nubrėžtos tokia kryptimi, kad lauko jėgų kryptis sutaptų su pačios lauko linijos kryptimi. Magnetinio lauko linijos yra ištisinės ir uždarytos tuo pačiu metu.

Magnetinio lauko kryptis nustatoma naudojant magnetinę adatą. Jėgos linijos taip pat lemia magneto poliškumą, galas su jėgos linijų išėjimu yra šiaurės polius, o galas su šių linijų įėjimu yra pietinis polius.

Labai patogu vizualiai įvertinti magnetinį lauką naudojant įprastas geležies drožles ir popieriaus lapą.
Jei ant nuolatinio magneto uždėsime popieriaus lapą, o ant viršaus pabarstysime pjuvenų, tada geležies dalelės išsirikiuos pagal magnetinio lauko linijas.

Jėgos linijų kryptį laidininkui patogiai nustato garsieji gimlet taisyklė arba dešinės rankos taisyklė. Jei ranka suimsime laidininką taip, kad nykštys žiūrėtų srovės kryptimi (nuo minuso iki pliuso), tada likę 4 pirštai parodys mums magnetinio lauko linijų kryptį.

O Lorenco jėgos kryptis – jėga, kuria magnetinis laukas veikia įkrautą dalelę ar laidininką su srove, pagal kairės rankos taisyklė.
Jei kairę ranką statysime į magnetinį lauką taip, kad 4 pirštai žiūrėtų į srovės kryptį laidininke, o jėgos linijos patektų į delną, tai nykštys parodys Lorenco jėgos kryptį, jėgą, veikiančią laidininkas, patalpintas į magnetinį lauką.

Maždaug tiek. Būtinai užduokite klausimus komentaruose.

Praėjusį šimtmetį įvairūs mokslininkai pateikė keletą prielaidų apie Žemės magnetinį lauką. Pagal vieną iš jų laukas atsiranda dėl planetos sukimosi aplink savo ašį.

Jis pagrįstas keistu Barneto-Einšteino efektu, kuris slypi tame, kad sukant bet kurį kūną atsiranda magnetinis laukas. Šio efekto atomai turi savo magnetinį momentą, nes jie sukasi aplink savo ašį. Taip atsiranda Žemės magnetinis laukas. Tačiau ši hipotezė neatlaikė eksperimentinių bandymų. Paaiškėjo, kad tokiu nebanaliu būdu gautas magnetinis laukas kelis milijonus kartų silpnesnis už tikrąjį.

Kita hipotezė pagrįsta magnetinio lauko atsiradimu dėl įkrautų dalelių (elektronų) žiedinio judėjimo planetos paviršiuje. Ji taip pat buvo nekompetentinga. Elektronų judėjimas gali sukelti labai silpno lauko atsiradimą, be to, ši hipotezė nepaaiškina Žemės magnetinio lauko apsisukimo. Yra žinoma, kad šiaurinis magnetinis polius nesutampa su šiauriniu geografiniu.

Saulės vėjo ir mantijos srovės

Žemės ir kitų Saulės sistemos planetų magnetinio lauko susidarymo mechanizmas nėra iki galo suprantamas ir kol kas lieka paslaptimi mokslininkams. Tačiau viena pasiūlyta hipotezė gana gerai paaiškina tikrosios lauko indukcijos inversiją ir dydį. Jis pagrįstas vidinių Žemės srovių ir saulės vėjo darbu.

Vidinės Žemės srovės teka mantijoje, kurią sudaro labai gero laidumo medžiagos. Šerdis yra srovės šaltinis. Energija iš šerdies į žemės paviršių perduodama konvekcijos būdu. Taigi mantijoje vyksta nuolatinis materijos judėjimas, kuris pagal gerai žinomą įkrautų dalelių judėjimo dėsnį suformuoja magnetinį lauką. Jei jo atsiradimą sietume tik su vidinėmis srovėmis, išeitų, kad visos planetos, kurių sukimosi kryptis sutampa su Žemės sukimosi kryptimi, turi turėti identišką magnetinį lauką. Tačiau taip nėra. Jupiterio šiaurinis geografinis polius sutampa su šiauriniu magnetiniu.

Formuojantis Žemės magnetiniam laukui dalyvauja ne tik vidinės srovės. Jau seniai žinoma, kad jis reaguoja į saulės vėją – didelės energijos dalelių srautą, kylantį iš Saulės dėl jos paviršiuje vykstančių reakcijų.

Saulės vėjas pagal savo prigimtį yra elektros srovė (įkrautų dalelių judėjimas). Įsitraukęs į Žemės sukimąsi, jis sukuria apskritą srovę, dėl kurios atsiranda Žemės magnetinis laukas.