На какую частицу действует магнитное поле – Физматика Ответы на вопросы Магнетизм. Магнитное поле. § 22. Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы

Содержание

Контрольная работа по физике по теме «Магнитное поле Электромагнитная индукция» 11 класс


Вариант 1

А1. Чем объясняется взаимодействие двух параллельных проводников с постоянным током?

1) взаимодействие электрических зарядов;

2) действие электрического поля одного проводника с током на ток в другом проводнике;

3) действие магнитного поля одного проводника на ток в другом проводнике.

А2. На какую частицу действует магнитное поле?

1) на движущуюся заряженную;

2) на движущуюся незаряженную;

3) на покоящуюся заряженную;

4) на покоящуюся незаряженную.

А3. На каком из рисунков правильно показано направление индукции магнитного поля, созданного прямым проводником с током.

А; 2) Б; 3) В.

А4. Прямолинейный проводник длиной 10 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 4 Тл и расположен под углом 300 к вектору магнитной индукции. Чему равна сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, если сила тока в проводнике 3 А?

1) 1,2 Н; 2) 0,6 Н; 3) 2,4 Н.

А5.

В магнитном поле находится проводник с током. Каково направление силы Ампера, действующей на проводник?

От нас; 2) к нам; 3) равна нулю.

А6.Электромагнитная индукция – это:

1) явление, характеризующее действие магнитного поля на движущийся заряд;

2) явление возникновения в замкнутом контуре электрического тока при изменении магнитного потока;

3) явление, характеризующее действие магнитного поля на проводник с током.

А7. На квадратную рамку площадью 1 м2 в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл действует максимальный вращающий момент, равный 4 Н? м. чему равна сила тока в рамке?

1) 1,2 А; 2) 0,6 А; 3) 2А.

В1. Установите соответствие между физическими величинами и единицами их измерения

ВЕЛИЧИНЫ

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

А)

Индуктивность

1)

Тесла (Тл)

Б)

Магнитный поток

2)

Генри (Гн)

В)

Индукция магнитного поля

3)

Вебер (Вб)

4)

Вольт (В)

В2. Частица массой m, несущая заряд q, движется в однородном магнитном поле с индукцией B по окружности радиуса R со скоростью v. Что произойдет с радиусом орбиты, периодом обращения и кинетической энергией частицы при увеличении скорости движения?

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

ИХ ИЗМЕНЕНИЯ

А)

Радиус орбиты

1)

Увеличится

Б)

Период обращения

2)

Уменьшится

В)

Кинетическая энергия

3)

Не изменится

С1. В катушке, индуктивность которой равна 0,4 Гн, возникла ЭДС самоиндукции, равная 20 В. Рассчитайте изменение силы тока и энергии магнитного поля катушки, если это произошло за 0,2 с.

Ответы.

А1

А2

А3

А4

А5

А6

А7

В1

В2

С1

3

1

3

2

2

2

3

231

131

10 А;20 В

Решение задачи С 1

Используя закон электромагнитной индукции? is= — L? I/?t получаем? I=??t/L=10 A.

Энергия магнитного поля W= LI2/2 = 20 В

www.testsoch.info

Разъяснить действие магнитного поля на движущиеся заря­женные частицы

ч. 1
УРОК № 107
Дата_____
ТЕМА: СИЛА ЛОРЕНЦА
ЦЕЛЬ УРОКА: разъяснить действие магнитного поля на движущиеся заря­женные частицы, ввести понятие силы Лоренца. Познакомить учащихся с применением силы Лорен­ца. Формировать понятии взаимодействия посредством поля. Воспитывать умение воспринимать новый материал и применять полученные данные для решения поставленных задач.
ТИП УРОКА: комбинированный урок
ПЛАН УРОКА:

  1. Организационный момент.

  2. Проверка домашнего задания

  3. Проверка ранее усвоенных знаний

  4. Актуализация опорных знаний

  5. Сообщение темы, цели и задач урока.

  6. Изучение нового материала

1. Сила, действующая на движущуюся заряженную частицу.

2. Направление силы Лоренца

3. Обобщенная сила Лоренца.

4. Роль силы Лоренца.

5. Движение заряженной частицы при .

6. Движение заряженной частицы при v параллельно В.

7. Общий случай движения заряженной частицы в однородном маг­нитном поле.

8. Применение силы Лоренца.



  1. Закрепление изученного материала

Вопросы

Задачи


  1. Итоги урока

  2. Домашнее задание

ХОД УРОКА:


  1. Организационный момент.

  2. Проверка домашнего задания

4 человека у доски отвечают на вопросы, составленные учащимися

  1. Проверка ранее усвоенных знаний

Фронтальный опрос Приложение (10.107.1)

Принцип действия электроприборов

Громкоговоритель


  1. Актуализация опорных знаний

  1. Магнитное поле

  2. Магнитное поле создают …

  3. Магнитное поле действует на …

  4. На проводник с током в магнитном поле действует сила …

  5. Сила Ампера это …

  6. Направление силы Ампера можно определить по …

  7. Правило левой руки.

  1. Сообщение темы, цели и задач урока.

  2. Изучение нового материала

1. Сила, действующая на движущуюся заряженную частицу.

Из таб­лицы аналогий между электрическими и магнитными взаимодействия­ми следует, что

.

Откуда следует:

FM = qvBsina. .

С другой стороны, если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила Ампера

FA = IlBsina..

Сила тока в проводнике связана с зарядом частиц q, концентраци­ей заряженных частиц п и скоростью их направленного движения v формулой

I = qnvS .

Тогда


FA = qnvSlBsina = qvNBsina ,

где N = nSl — число заряженных частиц в рассматриваемом объеме проводника V. Следовательно, на каж­дый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила

FM =.

Сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называется силой Лоренца:

Fл = qvBsina .

2. Направление силы Лоренца

определяется с помощью правила ле­вой руки: если вытянутые пальцы левой руки расположить по направ­лению движения положительного заряда так, чтобы составляющая маг­нитной индукции В , перпендикулярная скорости заряда, входила в лаюонь, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление дей­ствующей на заряд силы Лоренца.

Для определения направления силы Лоренца, действующей на дви­жущийся отрицательный заряд, нужно четыре вытянутых пальца ле­вой руки направить против движения этого заряда.

3. Обобщенная сила Лоренца.

Как известно, на электрический заряд действует не только магнитное, но и электрическое поле. Следовательно, если электрический заряд движется в электромагнитном поле, то действующая на него сила может быть представлена как векторная сила электрической и магнитной составляющих:

или

Данное выражение называется обобщенной силой Лоренца.

4. Работа силы Лоренца.

Из курса физики 9 класса известно, что ра­бота силы

А = Fs cos a ,

Где s — перемещение частицы, совершенное под действием силы F, а а — угол между направлением силы и перемещения. Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости движения частицы то cos а = 0 и работа силы Лоренца равна нулю.

Из курса механики известно, что если скорость материальной точки перпендикулярна действующей на нее силе, то эта точка движется по ок­ружности. Значит, электрический заряд в магнитном поле будет двигать­ся по окружности. Следует подчеркнуть, что магнитная сила при этом яв­ляется центростремительной. Таким образом, хотя магнитное поле и дей­ствует на частицу с некоторой силой, но оно изменяет только направ­ление движения частицы и не изменяет ее кинетическую энергию.

5. Движение заряженной частицы при .

Сила Лоренца имеет максимальное значение, если частица движется в плоскости, перпенди­кулярной линиям магнитной индукции. Она сообщает телу центростремительное ускорение

и вызывает движение тела по окружности радиусом R.

Радиус этой окружности можно вычислить, используя второй закон Ньютона

откуда радиус окружности

R =

Сила Лоренца работы не совершает, поэтому кинетическая энергия заряженной частицы, попавшей в однородное магнитное поле, не изменяется. Двигаясь по окружности со скоростью v , заряженная частица сделает один полный оборот за время:

Следует обратить внимание учащихся на интересную особенность это­го движения: период обращения заряженной частицы Т по окружнос­ти не зависит от скорости, с которой частица попадает в магнит­ное поле.

Физический смысл этой особенности состоит в том, что более быст­рые частицы движутся по окружности большего радиуса.

6. Движение заряженной частицы при v параллельно В.

Когда частица влета­ет в магнитное поле со скоростью, направленной вдоль вектора магнит­ной индукции В , то угол а = 0 . При этом Fл = 0 , т. е. магнитное поле не оказывает силового действия на частицу, направление скорости ко­торой совпадает с направлением вектора В .

7. Общий случай движения заряженной частицы в однородном маг­нитном поле. Перейдем к общему случаю, когда скорость частицы на­правлена под углом к вектору магнитной индукции В .

Необходимо обратить внимание учащихся на метод решения этой за­дачи, который состоит в разложении сложного движения на более про­стые. Здесь уместно вспомнить аналог: разложение движения тела, бро­шенного под углом к горизонту, на равноускоренное движение по вер­тикали и равномерное движение по горизонтали.

Одним из составляющих движений в данном случае является равно­мерное движение вдоль поля В со скоростью

,

а вторым — движение по окружности в плоскости, перпендикулярной полю. Значе­ние поперечной составляющей скорости равно

.

Радиус окружности находится из соотношения

, откуда

Таким образом, частица, одновременно участвуя в двух движениях (равномерном вдоль поля и по окружности в поперечной плоскости), дви­жется по спирали. Радиус спирали уже найден. Найдем теперь шаг спи­рали — расстояние по оси спирали, на которое частица перемещаетсяза один оборот:

h = vIIT =

Частные случаи

• если а =, то cos а = 0 , откуда h =.0 , т. е. спираль вырождает­ся в окружность;

• если а = 0 , то R = 0 , т. е. спираль вырождается в прямую.

8. Применение силы Лоренца.

Действие магнитного поля на движу­щийся заряд широко используют в современной технике. Достаточно упомянуть телевизионные трубки (кинескопы), в которых летящие к эк­рану электроны отклоняются с помощью магнитного поля.

Другое применение действия магнитного поля нашло в приборах, по­зволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам. Зная радиус, по которому движется частица, и ее скорость, мож­но найти удельный заряд частицы:

Такие приборы получили название масс-спектрографов.

Особенность движения частиц, состоящую в том, что более быстрые частицы движутся по окружности большего радиуса, используют при ускорении заряженных частиц в циклотронах.

Также силу Лоренца можно использовать для определения знака за­ряда и для исследований в ядерной физике.



  1. Закрепление изученного материала

Вопросы

1. Как должен двигаться электрон в однородном магнитном поле, что­бы на него не действовала сила Лоренца?

2. Как движется заряженная частица в однородном магнитном поле если начальная скорость частицы перпендикулярна линиям магнит­ной индукции?

3. Почему сила Лоренца меняет направление скорости частицы, но не меняет ее модуль?

4. В трубке, заполненной газом, движутся электроны. Какой будет тра­ектория движения электронов, если трубку поместить в однородное магнитное поле перпендикулярно к его индукции?

1. Какие из частиц электронного пучка отклоняются на больший угол в одном и том же магнитном поле — быстрые или медленные?

2. Для чего на горловину телевизионных кинескопов надевают постоян­ный магнит?

Кирык Самостоятельные и контрольные работы С/Р № (начальный и средний уровень)

Задачи

1. Какая сила действует на электрон, движущийся со скоростью 60 000 км/с в однородном магнитном поле с индукцией 0,15 Тл? Элект­рон движется перпендикулярно линиям магнитной индукции поля.

2. Вектор магнитной индукции В направлен от нас (по горизонтали), а сила Лоренца, действующая на положительно заряженную части­цу, направлена вертикально вверх. В каком направлении движется эта частица? Однозначен ли ответ на этот вопрос?

3. Масс-спектрограф. Пучок ионов, разогнанных разностью потенциалов 4 кВ, влетает в однородное магнитное поле с магнитной индукцией 80 мТл перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Пучок состоит из ионов двух типов с молярными массами 0,02 и 0,022 кг/моль. Все ионы имеют заряд 1,6 1019 Кл. Ионы вылетают из поля двумя пуч­ками Найдите расстояние между вылетающими пучками ионов. (Ответ: 5 см.)

4. Протон, влетевший после разгона в однородное магнитное поле с индукцией 50 мТл, движется по окружности радиусом 5 см. Какую разность потенциалов прошел протон при разгоне? (Ответ: 300 В.)

5. Заряженная частица, разогнанная разностью потенциалов U, влетает в однородное магнитное поле с индукцией В и движется по окружности радиусом R. Определите по этим данным удель­ный заряд частицы, т. е. отношение ее заряда к массе q/m.



  1. Итоги урока

  2. Домашнее задание

§67, вопросы (у), план ответа

Упр 23 (1-3)
ч. 1

izumzum.ru

37. Магнитное поле движущейся заряженной частицы.

Каждый проводник с током создает в ок­ружающем пространстве магнитное поле. Электрический же ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому можно сказать, что лю­бой движущийся в вакууме или среде за­ряд создает вокруг себя магнитное поле. В результате обобщения опытных данных

был установлен закон, определяющий по­ле В точечного заряда Q, свободно движу­щегося с нерелятивистской скоростью v. Под свободным движением заряда по­нимается его движение с постоянной ско­ростью. Этот закон выражается формулой

где r — радиус-вектор, проведенный от за­ряда Q к точке наблюдения М (рис. 168). Согласно выражению (113.1), вектор В направлен перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы v и г, а именно: его направление совпадает с на­правлением поступательного движения правого винта при его вращении от v к г. Модуль магнитной индукции (113.1) вычисляется по формуле

где а — угол между векторами v и r.

Сравнивая выражения (110.1) и (113.1), видим, что движущийся заряд по своим магнитным свойствам эквива­лентен элементу тока:

Idl=Qv.

Приведенные закономерности (113.1) и (113.2) справедливы лишь при малых скоростях (v<<c) движущихся зарядов, когда электрическое поле свободно движу­щегося заряда можно считать электроста­тическим, т. е. создаваемым неподвижным зарядом, находящимся в той точке, где в данный момент времени находится дви­жущийся заряд.

Формула (113.1) определяет магнит­ную индукцию положительного заряда, движущегося со скоростью v. Если дви­жется отрицательный заряд, то Q надо заменить на —Q. Скорость v — относи-

тельная скорость, т. е. скорость относи­тельно наблюдателя. Вектор В в рассмат­риваемой системе отсчета зависит как от времени, так и от положения точки М на­блюдения. Поэтому следует подчеркнуть относительный характер магнитного поля движущегося заряда.

Впервые поле движущегося заряда удалось обнаружить американскому физи­ку Г. Роуланду (1848—1901). Окончатель­но этот факт был установлен профессором Московского университета А. А. Эйхенвальдом (1863—1944), изучившим магнит­ное поле конвекционного тока, а также магнитное поле связанных зарядов поля­ризованного диэлектрика. Магнитное поле свободно движущихся зарядов было из­мерено академиком А. Ф. Иоффе, доказав­шим эквивалентность, в смысле возбужде­ния магнитного поля, электронного пучка и тока проводимости.

38. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца.

§114. Действие магнитного поля на движущийся заряд

Опыт показывает, что магнитное поле дей­ствует не только на проводники с током (см. §111), но и на отдельные заряды, движущиеся в магнитном поле. Сила, дей­ствующая на электрический заряд Q, дви­жущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и выражает­ся формулой

F=Q[vB], (114.1) где В — индукция магнитного поля, в котором заряд движется.

Направление силы Лоренца определя­ется с помощью правила левой руки: если ладонь левой руки расположить так, что­бы в нее входил вектор В, а четыре вы­тянутых пальца направить вдоль вектора v (для Q> 0 направления I и v совпада­ют, для Q<0—противоположны), то отогнутый большой палец покажет на­правление силы, действующей на положи­тельный заряд. На рис. 169 показана вза­имная ориентация векторов v, В (поле направлено к нам, на рисунке показано точками) и F для положительного заряда. На отрицательный заряд сила действует в противоположном направлении.

Модуль силы Лоренца (см. (114.1)) равен

F=QvBsin,

где  — угол между v и В.

Отметим еще раз (см. § 109), что маг­нитное поле не действует на покоящийся электрический заряд. В этом существенное отличие магнитного поля от электрическо­го. Магнитное поле действует только на движущиеся в нем заряды.

Так как по действию силы Лоренца можно определить модуль и направление вектора В, то выражение для силы Лорен­ца может быть использовано (наравне с другими, см. § 109) для определения вектора магнитной индукции В.

Сила Лоренца всегда перпендикуляр­на скорости движения заряженной части­цы, поэтому она изменяет только направ­ление этой скорости, не изменяя ее модуля. Следовательно, сила Лоренца работы не совершает. Иными словами, постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и кинетическая энергия этой частицы при движении в магнитном поле не изме­няется.

Если на движущийся электрический заряд помимо магнитного поля с индук­цией В действует и электрическое поле с напряженностью Е, то результирующая сила F, приложенная к заряду, равна век­торной сумме сил — силы, действующей со стороны электрического поля, и силы Ло­ренца:

F=QE + Q[vB].

Это выражение называется формулой Ло­ренца. Скорость v в этой формуле есть скорость заряда относительно магнитного поля.

studfiles.net

1.5. Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу.

Как уже было отмечено, важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся электрические заряды. В результате опытов было установлено, что любая заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, испытывает действие силы F, которая пропорциональна величине магнитного поля в этой точке. Направление этой силы всегда перпендикулярно скорости движения частицы и зависит от угла между направлениями. Эта сила называетсясилой Лоренца. Модуль данной силы равенгдеq– величина заряда;v– скорость его движения;– вектор магнитной индукции поля; α – угол между векторамии. В векторной форме выражение для силы Лоренца имеет вид.

Для случая когда скорость заряда перпендикулярна вектору магнитной индукции, направление данной силы определяется с помощью правила левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор входил в ладонь, а пальцы направить вдоль(дляq>0), то отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление силы Лоренца дляq>0 (рис.1.11, а). Дляq< 0 сила Лоренца имеет противоположное направление (рис.1.11,б).

Поскольку данная сила всегда перпендикулярна скорости движения частицы, она изменяет только направление скорости, а не ее модуль, и поэтому сила Лоренца работы не совершает. То есть магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей и ее кинетическая энергия при таком движении не изменяется.

Вызываемое силой Лоренца отклонение частицы зависит от знака q. На этом основано определение знака заряда частиц, движущихся в магнитных полях. Магнитное поле не действует на заряженную частицу () в двух случаях: если частица неподвижна () или если частица движется вдоль силовой линии магнитного поля. В этом случае векторыпараллельны иsinα=0. Если вектор скоростиперпендикулярен, то сила Лоренца создает центростремительное ускорение и частица будет двигаться по окружности. Если скорость направлена под углом к, то заряженная частица движется по спирали, ось которой параллельна магнитному полю.

На данном явлении основана работа всех ускорителей заряженных частиц – устройств, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и ускоряются пучки высокоэнергетических частиц.

Действие магнитного поля Земли вблизи земной поверхности изменяет траекторию движения частиц, испускаемых Солнцем и звездами. Этим объясняется так называемый широтный эффект, заключающийся в том, что интенсивность космических лучей, доходящих до Земли, вблизи экватора меньше, чем в более высоких широтах. Действием магнитного поля Земли объясняется тот факт, что полярное сияние наблюдается только в самых высоких широтах, на Крайнем Севере. Именно в том направлении магнитное поле Земли отклоняет заряженные космические частицы, которые вызывают свечение атмосферы, называемое полярным сиянием.

Кроме магнитной силы, на заряд может действовать также уже знакомая нам электрическая сила , и результирующая электромагнитная сила, действующая на заряд, имеет вид

Эта формула называется формулой Лоренца. Действию такой силы подвергаются, например, электроны в электронно-лучевых трубках телевизоров, радиолокаторов, электронных осциллографов, электронных микроскопах.

2.6 Закон полного тока для магнитного поля в вакууме(теормема о циркуляции вектора В)

В разделе “Электростатика” было доказано, что циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль замкнутого контура равна нулю, откуда следует потенциальный характер электростатического поля. Одним из основных отличий магнитного поля от электростатического поля является его непотенциальность. Для доказательства этого рассмотрим линейный интеграл от В по замкнутому пути в магнитном поле, создаваемом током, т.е.

где – вектор элемента длины контура, направленный вдоль обхода контура; В– проекция векторана направление касательной к контуру. Данный интеграл называется циркуляцией векторапо заданному замкнутому контуру.

Рассмотрим частный случай: круговой путь является силовой линией радиусаRмагнитного поля прямолинейного бесконечного проводника с током (рис.1.9). Магнитная индукция для этого случая была подсчитана ранее, и во всех точках окружности векторсоставляет:

Угол между векторами иравен нулю, поэтомуcos(,)=1. Из полученного результата следует, что циркуляция вектора магнитной индукции вдоль силовой линии прямолинейного проводника с током не равна нулю, т.е. поле такого проводниканепотенциально. Оно называетсявихревым. Полученная формула справедлива для любой формы замкнутого контура, охватывающего проводник с током.

Пусть теперь наш контур произвольной формы охватываетnпроводников с токамиI1, …In. Каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром. При этом положительным считается ток, если он с направлением обхода контура образует правовинтовую систему. Ток противоположного направления считается отрицательным.

Разберем пример, изображенный на рис.1.12. Найдем сумму токов, т.е. полный ток, охватываемый контуром :

Ток I3не учитывается, т.к. он не охватывается контуром. В результате имеем

Таким образом, циркуляция вектора В по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром:

Данное выражение представляет собой закон полного тока для магнитного поля в вакууме, или теорему о циркуляции вектора В.

Все вышерассмотренное относится к вакууму. Можно доказать, что циркуляция вектора вдоль замкнутого контура, не охватывающего проводник с током, равна нулю.

Рассмотренная нами теорема имеет в магнитостатике такое же значение, как теорема Гаусса в электростатике. Она позволяет находить магнитную индукцию различных полей без применения закона Био-Савара-Лапласа.

2.7. Магнитный момент контура с током.

studfiles.net

Вещества в магнитном поле. Взаимодействие магнитного поля с веществом

Сколько необъяснимых явлений и неразгаданных тайн скрывает наша планета! Но наблюдательные обитатели Земли из века в век изучают закономерности, ставят опыты, изобретают, делают выводы и пользуются своими изобретениями. Тайны космоса и природы постоянно манят людей, толкая их на все новые эксперименты в поисках истины и разгадок. Одной из таких загадок является поведение вещества в магнитном поле.

Первые магнитные наблюдения

По существующей легенде, древний пастух по имени Магнус однажды обнаружил, что его посох пристал металлической стороной к камню. Ему (камню) и посвящено это открытие. Согласно еще одной теории, слово «магнит» с греческого языка переводится как «камень из магнесии», по имени города Магнесии, где были обнаружены месторождения магнита. Еще за несколько веков до нашей эры китайцы подметили, что некоторые камни, скрепленные таким образом, чтобы они могли свободно вращаться, неизменно поворачиваются в определенном направлении.

Как появился компас

Самые первые компасы представляли собой ложечки из магнетита с коротким стержнем, который можно было вращать по кругу. Через некоторое время после того, как ложечку поворачивали, она останавливалась, причем ее стержень всегда указывал на север. Но эти силы настолько небольшие, что они могут вращать только свободно закрепленные стрелки компаса.

Позже моряки вставляли магнитные иголки в соломинки и ставили в миску с водой. Соломинка всегда указывала направление север — юг. Причина этого, тогда еще неизученного явления, — некое поле вокруг Земли, обладающее способностью влиять на вещества, находящиеся в нем и определяющие их направленность.

Магнитная сфера вокруг Земли

Наша Земля опоясана сферой, в которой работают магнитные силы, ее название — магнитное поле. Хотя версия о возникновении его не подтверждена, но геофизики в основном согласны с утверждением, что магнитное поле существует благодаря железному составу ядра нашей планеты. Вращение Земли способствует формированию в расплавленном металлическом ядре непрерывных потоков электрических зарядов, которые ведут к возникновению вокруг них магнитного поля.Земля, таким образом, выступает громадным магнитом, на который и реагируют стрелки компасов.

Свойства и природа магнитов

Магниты, подобные тем, которыми любят украшать холодильники или удерживать записки на кухне, обладают довольно интересными свойствами. Поведение веществ в магнитных полях зависит от материалов, из которых состоят эти вещества. Всем известно, что магниты прилипают к железным или стальным предметам. А почему так происходит? В каждом магните имеется два полюса. Если провести эксперимент и держать пару магнитов близко друг напротив друга, то окажется, что северный полюс одного притягивает противоположный — южный — полюс другого. Однако если развернуть магниты одинаковыми полюсами, они всегда будут отталкивать друг друга. Электроны, которые совершают обороты вокруг ядра атома, имеют отрицательный электрический заряд. Поток заряженных частиц порождает магнитное поле, которое выгибается большой петлей вокруг них.

Например, когда горит лампочка, электрический ток движется по ее проводку, а электроны переходят из одного атома на другой, и вокруг проводка возникает слабое магнитное поле. Подобным образом возникает сильное магнитное поле, идущее от проводов высокого напряжения. Электричество и магнетизм выступают как две составляющих электромагнетизма. Каждый электрон, вертящийся вокруг собственной оси, как планета, которая оборачивается, на своей орбите строит маленькую петлю электрического тока и создает свое магнитное поле в веществе. Вещества в магнитном поле ведут себя по-разному.

Как происходит взаимодействие магнитного поля с веществом

Например, при действии магнитного поля на пластик происходит следующее: миниатюрные магнитные поля каждого из атомов нейтрализуют друг друга, потому что их полюса направлены в разные стороны. Но вот в железе атомы размещены таким образом, что материал способен намагничиваться. Атомы в них собраны в группы и называются магнитными доменами. Каждый такой крошечный домен состоит из миллиардов частиц со всеми их магнитными полями, которые направлены в одну сторону, и он сам становится крошечным магнитом. В железном куске сами домены направлены в разные стороны, поэтому они нейтрализуют друг друга, и самостоятельно железо не проявляет магнитных свойств. Для создания магнита все домены должны быть расположены в одном направлении, тогда кусок железа намагнитился бы и притягивал к себе все металлические предметы, находящиеся поблизости. Как заставить железо расположить домены в одном порядке? Достаточно просто: для этого следует поместить железный кусок в магнитное поле. Выстраиваясь друг за дружкой, домены разворачиваются в направлении поля. При этом они начнут притягивать атомы от других доменов, увеличиваясь в размерах.

Вскоре множество таких элементов создадут линию, и железный кусок сам станет магнитом и будет притягивать к себе каждую булавку, гвоздь или другие металлические предметы, находящиеся поблизости. Так появляется намагниченность: магнитное поле в веществе значительно увеличивается. Но, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Не исключение и рассматриваемое нами явление. Как убедиться в сказанном?

Магнитное поле и намагниченность веществ можно рассмотреть на примере в домашних условиях. Достаточно провести простой опыт. Взять маленький железный гвоздь и положить его на магнит с холодильника. Его домены быстро выстроятся, и на некоторое время гвоздь сам превратится в магнит, с помощью которого легко можно будет поднять булавку.

Определение магнитного поля

Для исследования магнитного поля в веществе изучают два вида токов – макротоки и микротоки. Макротоками являются те, что созданы движением заряженных макроскопических тел. Микротоками именуют токи, созданные движущимися электронами в атомах, молекулах и ионах. Магнитное поле в веществе создают два поля: внешнее, созданное макротоками, и внутреннее — образованное микротоками.

Самое магнитное вещество

Интересным фактом является то, что в природе существует настоящий магнит – минерал магнитный железняк. Но основная часть тел, обладающих собственным магнитным полем, все же создана человеком искусственно. Сильнейшими из них являются те, что представляют собой сплав неодима, железа и бора. А какое вещество является самым магнитным на сегодняшний день? Ученые смогли дать ответ на этот вопрос. Группа физиков из штата Миннесота создала новый материал, состоящий из 16 атомов железа и 2 атомов азота, который характеризуется магнитной проницаемостью на 18 % выше, чем у самого сильного — неодимового — магнита.

Какие существуют магнетики

Магнитное поле в веществе, кратко говоря, зависит от магнетиков. Помещение любого из них в магнитное поле формирует свое магнитное поле в веществе. Виды магнетиков различают следующие: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Самые мощные поля создают ферромагнетики, ведь они имеют высокие магнитные свойства. К таким веществам относятся железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца. Из них делают постоянные магниты, ведь поле ферромагнетика не пропадает после прекращения действия магнитного поля.

Парамагнетики обладают магнитной проницаемостью, которая чуть выше единицы при комнатной температуре. Такие вещества в магнитном поле плохо намагничиваются, но по мере снижения температуры магнитные свойства их увеличиваются. К парамагнетикам относятся, например, кислород, платина, алюминий, редкоземельные металлы.

Диамагнетики – еще один вид веществ, магнитная проницаемость которых чуть меньше единицы, их магнитные свойства еще слабее. К таковым причисляют многие металлы, такие как висмут, серебро, золото, медь, а также воду и органические соединения. Интересный факт, что при нагревании до определенной температуры (точка Кюри) ферромагнитные свойства исчезают, и металлы размагничиваются и становятся парамагнитными.

Использование магнитного поля

Люди научились использовать себе во благо упомянутые свойства вещества в магнитном поле: ферромагнетики незаменимы при производстве электро- и вычислительной техники. Их можно обнаружить в трансформаторах, электродвигателях и различных измерительных приборах, они позволяют в несколько раз увеличить магнитное поле, не меняя силы тока в катушке.

Задействование таких материалов позволяет значительно уменьшить потребление электроэнергии. Их применяют для магнитной звукозаписи и дефектоскопии, обогащения руд. В наше время медицина использует магниты для диагностики и лечения различных заболеваний. В основном работа диагностического оборудования базируется на действии постоянных магнитов. Например, глазной тонометр-индикатор необходим для выявления глаукомы на начальной стадии. Используются в хирургии и микрохирургии магнитные устройства для удаления из организма человека металлических осколков. Принцип действия их также основан на свойствах магнитов без подключения сети. Широкое лечебное действие оказывают различные магнитные повязки и аппликаторы. Они снимают болевой синдром и останавливают процесс воспаления, а также лечат многие болезни методом влияния магнитного поля на активные зоны человеческого организма. Известно, что еще царица Клеопатра использовала магнитные украшения, чтобы улучшить кровоток и отсрочить старение.

Значение магнитного поля для планеты

Магнитное поле играет огромную роль в жизни планеты. В первую очередь оно служит защитой для обитателей Земли и спутников от небезопасного влияния космических тел. Под влиянием магнитного поля меняется их траектория. Исследователи допускают, что некоторые планеты не имеют металлического ядра, а значит, и магнитного поля, что значительно уменьшает численность возможно обитаемых планет. Земляне тоже рискуют остаться без защиты поля. Но сообщить, когда это случится, геофизики не берутся. Исследования выявили, что за 160 миллионов лет магнитные полюса — север и юг — менялись между собой около сотни раз. Последнее такое явление имело место 720 тысяч лет назад, и Земля подвергалась атаке космических частиц. Одна из теорий, поясняющих вымирание динозавров, гласит, что эти великаны исчезли как раз по этой причине.

Магнитное поле становится тоньше

Геофизики, проанализировав свойства магнитного поля, открыли, что в нем возникают небезопасные сдвиги, которые не фиксировались раньше. На юге Атлантического океана слой магнитного поля постепенно истончается. За последние 150 лет поле здесь стало слабее на десять процентов. Ученые утверждают, что смена полюсов будет происходить достаточно быстро, в пределах 100 лет от начала инверсии. Какое поколение будет наблюдать это явление и как оно отразится на обитателях Земли, пока неизвестно, но есть утверждение, что такая смена полюсов пагубно скажется на электротехнике.

Иногда в магнитном поле Земли происходят возмущения – это магнитные бури, напрямую зависящие от Солнца. В период повышения солнечной активности наблюдается огромный выброс энергии, что способствует образованию солнечных вспышек. При этом гигантский поток заряженных частиц устремляется к Земле с высокой скоростью – 500–1000 километров в секунду, создавая сильное магнитное поле. Этот поток достигает планеты всего за несколько дней. Сталкиваются два мощных магнитных поля, и в итоге нарушается магнитное поле Земли. Человек привык к нормальному магнитному полю, и при магнитных бурях его самочувствие меняется.

Люди обладают различной магниточувствительностью, влияние на человека магнитной бури напрямую зависит от его состояния здоровья. Ухудшается самочувствие, снижается жизненный тонус, падает трудоспособность, возникает слабость, болит голова, нарушается сон, ухудшается работа нервной системы (увеличивается число ошибок, возрастает количество аварий и катастроф). В связи с возникновением поверхностного электричества на приборах в такие дни возможно нарушение их работы.

Реакция животных на магнитное поле

Доказано, что птицы очень хорошо ощущают магнитное поле Земли и даже видят его. Ученые считают, что пернатые — уникальные существа в этом роде: магнитная сила помогает им в поиске собственного жилища при перелетах на колоссальные дистанции.

Магнитное поле в качестве навигатора используют морские черепахи. Животные с высокой магниточувствительностью, например кошки, заранее реагируют на изменения напряжения магнитного поля. Непривычное поведение животных наблюдается перед ураганами и землетрясениями. Для определения приближения цунами или землетрясения в Японии в больших аквариумах содержат угрей, которые перед катаклизмами поднимаются к поверхности и беспокоятся, чувствуя сильные возмущения магнитного поля.

Вместо послесловия

Влияние магнитного поля на обитателей нашей планеты пока не изучено полностью, ученые всего мира лишь приоткрыли занавес тайны планеты Земля и пытаются найти ответы на особо важные вопросы. Но прогресс не стоит на месте, и наука развивается стремительно в наши дни, так что кто знает, возможно, уже следующее поколение будет знать ответ на большинство вопросов, над которыми бились лучшие умы человечества.

fb.ru

Магнитное поле тока | Физика

Вокруг магнитов существует магнитное поле. Чтобы обнаружить его, достаточно поместить в это поле магнитную стрелку, способную свободно поворачиваться под действием этого поля (для этого ее подвешивают на нити или устанавливают на острие). Когда мы подносим к стрелке магнит, она поворачивается в ту или иную сторону. А можно ли повернуть стрелку с помощью электрического тока?

Обратимся к опыту. Поместим над магнитной стрелкой параллельно ее оси проводник, подключенный к источнику тока (рис. 55). Замкнем цепь. Мы увидим, как стрелка отклоняется, принимая новое положение. При размыкании цепи она возвращается в прежнее положение.

Впервые действие проводника с током на магнитную стрелку было обнаружено в 1820 г. датским ученым Г. X. Эрстедом. Сам он не нашел правильного объяснения этому явлению. Это было сделано позже.

Мы знаем, что ток — это направленное движение заряженных частиц. Если эти частицы покоятся, то они создают вокруг себя лишь электрическое поле. Вокруг движущихся зарядов, например, электрического тока, помимо электрического поля, существует еще и магнитное. Это поле и заставляет поворачиваться магнитную стрелку, находящуюся рядом с проводником с током.

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током. Электрический ток поэтому можно рассматривать как источник магнитного поля. Чем больше сила тока в проводнике, тем сильнее создаваемое им магнитное поле.

Но если источником магнитного поля являются электрические токи, то почему тогда оно существует вокруг постоянных магнитов?

В 1820 г. французский ученый А. М. Ампер предположил, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел. Эти токи были названы молекулярными. Во времена Ампера природа этих токов была неизвестна. Теперь же мы знаем, что внутри атомов и молекул действительно движутся заряженные частицы — электроны, благодаря которым и возникает намагниченность тела.

Для графического изображения магнитного поля используют магнитные силовые линии.

Так называют линии, вдоль которых располагаются оси маленьких магнитных стрелок, помещенных в данное поле. Направление, указываемое северным полюсом этих стрелок, принимают за направление магнитных силовых линий.

Поместив магнитные стрелки вокруг прямолинейного проводника с током, можно увидеть картину, изображенную на рисунке 56, а. Вместо магнитных стрелок в этом опыте можно использовать железные опилки, рассыпанные по поверхности картона. В магнитном поле проводника с током они намагничиваются и, подобно магнитным стрелкам, устанавливаются вдоль силовых линий магнитного поля. Наблюдаемое расположение стрелок показывает, что силовые линии магнитного поля прямолинейного тока представляют собой окружности, охватывающие этот ток (рис. 56, б).

При изменении направления тока в проводнике изменяется и ориентация магнитных стрелок. Это означает, что направление силовых линий магнитного поля связано с направлением тока в проводнике.

Направление силовых линий магнитного поля прямолинейного тока определяется с помощью первого правила правой руки:

если обхватить проводник ладонью правой руки, направив отставленный большой палец вдоль тока, то остальные пальцы этой руки укажут направление силовых линий магнитного поля данного тока (рис. 57).

??? 1. Опишите опыт, в котором наблюдается действие электрического тока на магнитную стрелку. Кто и когда впервые его осуществил? 2. Что является источником магнитного поля? 3. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле прямого тока? 4. Что называют магнитными силовыми линиями? 5. Какую форму имеют силовые линии магнитного поля прямолинейного тока? 6. Сформулируйте первое правило правой руки.

phscs.ru

Магнитное поле

Магнитное поле — одна из форм электромагнитного поля.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами и спиновыми магнитными моментами атомных носителей магнетизма (электронов, протонов и др.). Полное описание электрических и магнитных полей и их взаимосвязь дают Максвелла уравнения.

Магнитное поле, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В, который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (Лоренца сила); действие магнитного поля на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства магнитного поля.

Впервые термин «Магнитное поле» ввёл в 1845 году  английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле Майкл Фарадей, считавший, что как электрические так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Джеймсом Клерком Максвеллом (1873 год), квантовая теория — в 20-х годах 20 века (Квантовая теория поля).

Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.

Магнитные поля в природе

Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам.

Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70-80 тысяч км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении. У поверхности Земли поле равно в среднем 0,5 гс, на границе магнитосферы ~ 10-3 гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей.

Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий — радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре (Земной магнетизм).

Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела — Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного магнитного поля, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными магнитными полями, достаточными для создания планетарных магнитных ловушек.

На Юпитере обнаружены магнитные поля до 10 гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль магнитных полей в планетарных процессах.

atombit.org