Природа магнетизма
Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.
Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой — на ЮГ.
Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.
Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.
Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).
Магнитные линии и магнитный поток
Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.
Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.
Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.
Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов
Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание
Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.
- Магнитные линии не поддаются гравитации.
- Никогда не пересекаются между собой.
- Всегда образуют замкнутые петли.
- Имеют определенное направление с севера на юг.
- Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
- Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.
Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.
Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?
Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».
В физике формула магнитного потока записывается как
где
Ф — магнитный поток, Вебер
В — плотность магнитного потока, Тесла
а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах
S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м2
Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.
Магнитное поле и его графическое изображение
Камни, способные притягивать предметы из железа, назвали в честь острова, на котором они были найдены – магнитами. А их свойство располагаться в пространстве определенным образом легло в основу создания магнитного компаса. Понимание того, как работает данное устройство необходимо для дальнейшего изучения материала.
Итак, схема простейшего магнитного компаса приведена на рисунке. Он состоит из тонкой иглы, на которой располагается маленький магнит в форме ромба. Этот магнит может свободно вращаться на игле.
Как уже было сказано ранее, при отсутствии внешнего воздействия магниты ориентируются в пространстве всегда определенным образом: одним концом по направлению к Северному полюсу Земли (по аналогии этот конец камня называют северным полюсом и обозначают синим цветом); а другим концом по направлению к Южному (южный полюс магнита обозначают красным).
Рисунок 1(а) – Магнитная стрелка (вид сверху)
Рисунок 1(б) – Схема простейшего компаса
В 1820 году Ганс Христиан Эрстед проводил лекцию, на которой демонстрировал выделение тепла на проводнике с током: пропускал через длинный проводник ток, в следствие чего проводник нагревался. В перерыве между занятиями любопытные студенты начали включать и выключать установку и случайно заметили, что при прохождении тока по проводнику магнитная стрелка, находившаяся неподалеку, приходит в движение. Студенты поделились наблюдением с Эрстедом, которого очень заинтересовало данное явление, и он начал его исследовать. Опыты, которые он проводил, позднее назвали опытами Эрстеда. Они стали первым доказательством связи электрического тока с магнитными свойствами.
Рассмотрим опыт, проведенный Эрстедом. Под длинным проводником, включенным в цепь, ставили магнитную стрелку (см. рисунок 2).
Рисунок 2 – Схема опыта Г.Х. Эрстеда
Когда в проводнике начинает течь ток, магнит поворачивается до положения перпендикулярно проводнику. Направление его зависело от того, куда направлен ток. На рисунке 3 приведен проводник с током, направление которого указано белой стрелкой. В таком случае магнитная стрелка ориентировалась синим концом влево.
Рисунок 3 – Магнитная стрелка ориентировалась относительно проводника
Если в установке на рисунке 3 поменять местами полюса источника (ток будет течь в противоположную сторону), стрелка повернется красным концом влево.
То есть ток воздействует на стрелку из магнита. Непосредственного контакта между стрелкой и проводником нет (они не касаются друг друга), значит воздействие осуществляется с помощью поля*, которое впоследствии назвали магнитным.
Важно отметить, что магнитное поле:
- воздействует на движущиеся заряженные частицы и вещества, обладающие свойствами магнитов;
- порождается движущимися заряженными частицами или веществами-магнитами.
*Напоминание: поле – это такая материя, которую нельзя увидеть или почувствовать органами чувств, однако можно обнаружить его действие на какие-либо объекты.
Поскольку поле нельзя увидеть или почувствовать, но описывать и представлять нужно, было решено изображать магнитное поле схематично — в виде линий.
Линии магнитного поля (они же магнитные линии) – это мысленно проведенные линии по касательной, к которым ориентировались бы магнитные стрелки (эти линии являются воображаемыми, в действительности их, конечно, не существует). Они являются графическим изображением магнитного поля и имеют направление туда же, куда и северный полюс магнитной стрелки.
На рисунке 4 можно увидеть линии поля прямоугольного магнита. Такой тип магнитов часто называют полосовыми (от слова «полоса»).
Рисунок 4 – Магнитные линии поля прямоугольного магнита
Свойства магнитных линий:
- выходят из северного полюса магнита (т.е. начинаются на нем);
- входят в южный (заканчиваются на нем);
- являются или замкнутыми, или уходящими в бесконечность (начинающимися в бесконечности).
Напряженность магнитного поля
Формула напряженности
Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой
где
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
B — плотность магнитного потока, Тесла
μ0 — магнитная постоянная = 4π × 10-7 Генри/метр или если написать по человечески 1,2566 × 10-6 Генри/метр.
PS.
Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.
где
μ — это относительная магнитная проницаемость.
У разных веществ она разная
Напряженность магнитного поля проводника с током
Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.
Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой
где
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
I — сила тока, текущая через проводник, Ампер
r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр
Правило буравчика и правило правой руки
Можно запомнить, как соотносятся направление тока в проводнике и направление магнитных линий, а можно воспользоваться простым способом — правилом буравчика.
Если правой рукой вкручивать буравчик (винт, штопор) острием по направлению тока, то ваш большой палец будет поворачиваться по направлению магнитных линий.
Может вам покажется более удобной для использования другая интерпретация этого мнемонического правила — правило правой руки (рисунок 6).
Если обхватить правой рукой прямой проводник с током с отставленным большим пальцем так, чтобы он совпадал с направлением тока, то ваши четыре пальца покажут направление магнитных линий.
Рисунок 6. Правило правой руки для прямого проводника с током
Магнитное поле проводника с током
Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.
Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.
Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.
Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.
Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?
Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.
Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.
Упражнения
Упражнение №1
Каким полюсом повернется к наблюдателю магнитная стрелка, если ток в проводнике направлен от A к B (рисунок 7)? Изменится ли ответ, если стрелку поместить над проводником?
Рисунок 7. Магнитная стрелка, расположенная под проводником
Пользуясь полученными знаниями, мы можем сказать, что магнитная стрелка повернется к нам южным полюсом (рисунок 8, а).
Как мы это определили? Если нарисовать чертеж (рисунок 8, б) точкой A к нам, то ток будет идти от нас. Так мы можем, используя готовые результаты опытов, приведенные в данном уроке выше, определить направление магнитных линий поля. Магнитная стрелка повернется северным полюсом по направлению этих линий, т. е. от нас.
Пользуясь правилом правой руки, мы получим тот же результат: если большой палец будет указывать направление тока, то четыре пальца укажут направление магнитных линий.
Рисунок 6. Ориентация магнитной стрелки в данном магнитном поле прямого тока
Если же мы поместим проводник под магнитной стрелкой, то ее положение поменяется. Она повернется к нам северным полюсом, потому что в этой точке магнитные линии будут направлены так же к нам.
Упражнение №2
В стене расположен (замурован) прямой электрический провод. Как найти место нахождения провода и направление тока в нем, не вскрывая стену?
Мы можем обнаружить такой провод с помощью магнитной стрелки на подставке или обычного компаса. Передвигая компас вдоль стены (и при этом не поворачивая его), нужно следить за положением магнитной стрелки. Если она начнет отклоняться, значит, в этом месте на нее действует магнитное поле проводника с током — наш провод где-то рядом.
Чтобы определить направление тока в этом проводе, посмотрим, куда указывает северный полюс стрелки компаса. Его направление будет совпадать с направлением магнитных линий. Если он повернется вправо, то ток направлен вверх, а если влево, то ток направлен вниз.
