Магнитное поле

Магнитное поле

Это абстрактная картина, с помощью которой мы можем описать, как магнитная сила распределена в пространстве вокруг магнитного объекта.

Большинство знакомы с повседневными магнитами и четко представляют, что между двумя магнитами существует сила, которая либо отталкивает их, либо притягивает. У магнита есть два полюса. Один, условный «+», второй «-».

Как известно, противоположные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются.

Также вокруг магнита, есть некоторое пространство, которое и описывается магнитным полем.

Существует два разных способа изобразить магнитное поле:

1. Магнитное поле с точки зрения математики описывается как векторное поле. Это векторное поле может быть получено как набор из множества векторов. Каждый отдельный вектор показывает направление в каждой точке пространства, а длина вектора обозначает силу магнитного поля.

1. Другой способ, получения информации, содержащейся в векторном поле, – это использовать линии поля. В этом способе нет большого количества векторов, а есть непрерывные линии.

Для этого типа иллюстрации магнитного поля есть правила:

• Силовые линии магнитного поля никогда не пересекаются.
• Линии собираются в областях, где магнитное поле самое сильное. Таким образом плотность линий, показывает силу поля в определенной области.

Силовые линии магнитного поля не имеют начала и конца, они всегда образуют замкнутые контура и продолжаются внутри магнитного материала.

Нужно указывать направление поля. Традиционно направление указывают дорисовыванием стрелок возле силовых линий. Иногда стрелки не изображают, но направление все равно должно быть. По историческим причинам, одну область магнита определили как «север», а другой «юг». И силовые линии рисуют из этих полюсов. Считается, что поле следует по линиям с севера на юг. Метки $«С»$ и $«Ю»$ (иногда $«N»$ и $«S»$, соответственно), обычно находятся на концах источников магнитного поля.

Линии магнитного поля легко показать в реальном мире. Обычно для этого используют железные опилки, которые бросают на поверхность вблизи чего-то магнитного. Каждая отдельная опилка, ведет себя как маленький магнит. Опилки отдаляются друг от друга, так как одинаковые полюса отталкиваются. Результатом такого эксперимента является картина, которая будет напоминать линии поля.

Как измерить магнитное поле?

Вследствие того, что магнитное поле это векторная величина, для ее описания нужно знать две характеристики: силу и направление. Направление измерить легче. Например, использовать компас, стрелка которого совпадает с линиями поля в данной точке. Компасы начали использовать в X-XI веках.

Измерить силу, намного сложнее. Приборы, способные измерить магнитную силу (магнитометры), начали применяться только в XIX веке. Основной принцип работы такого прибора– использование силы, которую испытывает электрон, движущийся в магнитном поле. В системе СИ магнитное поле выражается в теслах $(T)$.

Определение теслы

Это единица измерения индукции магнитного поля, равная индукции однородного магнитного поля, в котором на 1 метр прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.

Иными словами, тесла показывает сколько силы приложено к движущемуся заряду вследствие действия поля. Альтернативная единица измерения магнитного поля — гаусс $(Гс)$. $1~T = 10^4 ~Гс$. Гаусс чаще используется, так как 1 Тесла — чрезвычайно большое поле.

В уравнениях величина магнитного поля обозначается символом $B$, но также можно заметить, что применяется другая величина $H$. Обе величины имеют одинаковые единицы, но $H$ учитывает влияние плотности магнитных полей магнитными материалами. Для большинства задач, в которых расчеты происходят в вакууме, достаточно величины $B$.

Причины возникновения магнитного поля

Магнитное поле возникает всегда, когда заряд движется.

Чем больше заряд, тем сильнее возрастает сила магнитного поля. Магнетизм и магнитные поля, относят к электромагнитным силам, одним из четырех фундаментальных сил в природе.

Существует два основных способа, которыми можно реализовать магнитное поле:
Протекание тока через проводник. Когда ток увеличивается (увеличивается заряд через проводник), поле увеличивается пропорционально ему. С удалением от такого проводника поле, уменьшается пропорционально расстоянию. Это описывается законом Ампера. Упрощено он показывает магнитное поле на расстоянии $r$ от длинного прямого проводника, через который течет ток $I$:

$B=\frac{\mu_oI}{2\pi r}$,

где $µ0$ — магнитная проницаемость $(µ_0 = 4π·10^{-7} Т·м/А)$. Величина $µ0$ входит в уравнения как некий коэффициент пропорциональности. Например, в вакууме через магнитную проницаемость можно связать векторы магнитной индукции $B$ и напряженности магнитного поля $H$:

$B=\mu_0H$

Не стоит ее путать с другой величиной $µ$ — магнитной проницаемостью, физической величиной, которая зависит от параметров окружающей среды, и связывает $B$ и $H$ уже не в вакууме, а в веществе $B=\mu H$.
В физике вещество называется намагниченным, если у него есть свое магнитное поле.

Поскольку магнитное поле векторная величина, нужно знать направление. Для обычного электрического тока, который течет через прямолинейный провод, направление можно узнать по «правилу правой руки». Нужно представить, что обхватили провод правой рукой и большой палец указывает направление тока. Остальные пальцы покажут направление магнитного поля, которое возникает вокруг провода с током.

На Студворк вы можете заказать статью по физике онлайн у профильных экспертов!

Тест по теме «Магнитное поле»