Что такое магнитное поле, его характеристики и свойства
Содержание
Магнитное поле (МП) можно наблюдать везде, где присутствуют движущиеся заряды. Любой провод, по которому течет ток, является источником магнитного поля. Магнитные поля создаются также движением электронов в атомах, и если они не компенсируются, то могут проявляться за пределами микромира. А еще магнитное поле возникает при изменении электрического поля. Эти два явления неразрывно связаны. Там, где появляется магнитное, есть электрическое поле и наоборот. Но в отличие от электрического поля, силовые линии которого начинаются или заканчиваются там, где находится один из положительных или отрицательных зарядов, линии магнитного всегда замкнуты.
Характеристики магнитного поля
Такое понятие, как магнитное поле было введено М. Фарадеем в 1845 году. Именно он был автором концепции физического поля, которая, по мнению Эйнштейна, представляет собой самое важное открытие в физике после сформулированных Ньютоном положений классической механики.
Магнитное поле является особым видом материи, но элементарных частиц с магнитным зарядом нет. Магнитное поле существует там, где есть движущиеся электрические заряды или вокруг постоянных магнитов. Что касается последних, то явление магнетизма объясняется движением электронов (заряженных частиц) вокруг ядра атома. МП изображается замкнутыми силовыми линиями. Чтобы узнать направление магнитного поля, пользуются правилом сжатой правой руки.
Следует также понимать, что является основной характеристикой магнитного поля. Его способность производить работу, то есть интенсивность МП, характерирует величина, получившая название магнитной индукции. Чем больше значение индукции, тем сильнее поле, тем более плотно будут расположены его силовые линии. Свойства магнитного поля представлены ниже.
Изучая магнитное поле и его основные свойства, Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Физический смысл этого явления заключается в том, что изменяющийся магнитный поток, пронизывающий какой-либо контур, приводит к образованию электродвижущей силы. То есть, любое изменение электрополя способствует появлению магнитного поля, а изменение последнего сопровождается образованием первого. Вместе они образуют электромагнитное поле.
В общем случае электромагнитные поля описываются уравнениями Максвелла. Это универсальные законы, по которым можно вычислить основные параметры поля. Их можно записать в двух вариантах: дифференциальном и интегральном.
Дифференциальная форма
В уравнениях, представляемых в дифференциальной форме, присутствуют:
- E — напряженность электрического поля. Эта векторная величина измеряется в В/м. Направление рисуют в соответствии с силой, действующей на частицу со знаком «+». Напряженность можно разделить на потенциальную и вихревую. Последняя как раз и возникает при изменении магнитного поля.
- B — магнитная индукция. Силовой характеристикой магнитного поля является именно она. Измеряется в Тл.
- H — напряженность магнитного поля. Измеряется в Амперах на метр (А/м).
- D — электрическая индукция. Единицей измерения для нее служит Кл/м2. Этот параметр используется, чтобы показать состояние электрического поля в веществе.
- j — плотность тока. Единица измерения этой компоненты А/м2. Она позволяет учесть силу тока, даже в ситуациях, когда распределение заряженных частиц неравномерно на разных участках.
- ρ — плотность заряда. Скаляр, который показывает число носителей заряда на единицу объема.
- t — время. Система дифференциальных уравнений подходит для описания как стационарных полей, так и меняющихся во времени.
Остальные символы в уравнениях указывают на математические операции. Дивергенция позволяет получить из векторных величин скаляр. Ротор же так и оставляет на выходе вектор.
Между величинами H и B есть связь. Напряженность — это характеристика магнитного поля, которая зависит от среды, соответственно появляются дополнительные коэффициенты:
Первая из новых величин называется магнитной постоянной. Ее единица измерения Гн/м. Она одинакова для всех сред и равна:
µ0 = 4π×10-7
В вакууме магнитной постоянной достаточно для вычисления напряженности через индукцию или наоборот. Но в веществе понадобится дополнительный безразмерный коэффициент — магнитная проницаемость. Она характеризует определенную среду. По этому параметру вещества можно разделить на ферромагнетики, диамагнетики и парамагнетики. Для кристаллов данная величина записывается в формате тензора.
Интегральная форма уравнений Максвелла
В данном варианте появляются S — площадь, V — объем и L — замкнутый контур. Эти уравнения подходят для любой задачи, но часто не так удобны, как некоторые частные случаи. В разделе магнитостатики рассматривают основные свойства и характеристики стационарного магнитного поля. Его может создавать магнит или проводник с постоянным током. Параметры такого поля не зависят от времени.
Закон Био-Савара-Лапласа
Чтобы узнать, какое поле создается при протекании тока по проводнику, можно использовать закон Био-Савара-Лапласа. Его общая формула выглядит следующим образом:
Здесь появляются переменные, которые позволяют учесть расположение проводника в пространстве. Чтобы определить магнитную индукцию, следует разбить провод на небольшие участки, а после просуммировать вклад каждого. Расстояние r вычисляется от оси элемента, l — его длина. Обе величины измеряются в метрах.
Вычисление такой характеристики магнитного поля, как индукция выполняется с помощью разных математических выражений в зависимости от вида проводника.
Поле вокруг прямого бесконечного провода определяется с использованием формулы:
Прямой проводник конечной длины образует вокруг себя поле, силовая характеристика которого вычисляется по формуле:
В этих уравнениях углы отсчитываются между концами провода и точкой, в которой измеряется индукция.
Поле, порождаемое круговым током, будет иметь индукцию, значение которой можно рассчитать следующим образом:
В данном случае r — это радиус кривизны провода.
Внутри бесконечного соленоида магнитная индукция вычисляется по формуле:
В центре тороида индукцию определяют с помощью такого выражения:
Следует помнить, что магнитное поле и его характеристики подчиняются принципу суперпозиции. То есть, при расчете поля, создаваемого несколькими проводниками, значение магнитной индукции можно вычислить для каждого отдельно, а после сложить векторы.
Определение работы в магнитном поле
На частицу с зарядом, которая перемещается в МП, действует сила Лоренца, а на проводник с током — сила Ампера. Чтобы определить направление вектора этих сил, применяют правило левой руки. Все пальцы, кроме большого располагают параллельно направлению тока, а B входит в ладонь, расположенную перпендикулярно линиям. Тогда отогнутый большой палец будет указывать направление, в котором действует сила Ампера или Лоренца магнитного поля.
Работа в магнитном поле определяется с использованием закона Ампера. В общем виде формула для расчета силы Ампера выглядит так:
Чтобы вычислить работу, удобно перейти к понятию магнитного потока. Он вычисляется следующим образом:
Тогда для расчета работы, которую выполняет магнитное поле, используется такая формула:
Для контура можно записать следующее соотношение для работы, тока и изменения магнитного потока:
Приборы для измерения параметров магнитного поля
Обнаружить магнитное поле можно по его воздействию на проводники с током. Фундаментальным способом регистрации МП является использование плоской рамки с током, стремящейся занять такое положение, при котором направление ее магнитного момента будет совпадать с направлением силовых линий исследуемого поля.
Измерить основные характеристики магнитного поля можно с помощью специальных приборов — магнитометров. Они состоят из магнита, который под действием внешнего поля способен поворачиваться в пространстве. Тогда достаточно замерить механический момент.
Можно определять ЭДС, которая возникает в замкнутом контуре, если меняется магнитный поток, проходящий сквозь него. Квантовые эффекты также способны помочь в детектировании поля.
Загрузка...
