Co wiemy o liniach siły pola magnetycznego, poza tym, że w lokalnej przestrzeni w pobliżu magnesów trwałych lub przewodników z prądem istnieje pole magnetyczne, które objawia się w postaci linii siły lub bardziej znajoma kombinacja - w postaci magnetycznych linii siły?

Jest bardzo wygodnym sposobem uzyskać wyraźny obraz linii pola magnetycznego za pomocą opiłków żelaza. Aby to zrobić, musisz wylać trochę opiłków żelaza na kartkę papieru lub tektury i przynieść jeden z biegunów magnesu od dołu. Trociny są namagnesowane i ułożone wzdłuż linii pola magnetycznego w postaci łańcuchów mikromagnesów. W fizyce klasycznej magnetyczne linie siły są definiowane jako linie pola magnetycznego, których styczne w każdym punkcie wskazują kierunek pola w tym punkcie.

Na przykładzie kilku rysunków z różnymi układami linii sił magnetycznych rozważmy naturę pola magnetycznego wokół przewodników przewodzących prąd i magnesów trwałych.

Rysunek 1 przedstawia widok linii sił magnetycznych okrągłej cewki z prądem, a Rysunek 2 przedstawia obraz linii sił magnetycznych wokół prostego drutu z prądem. Na ryc. 2 zamiast trocin zastosowano małe igły magnetyczne. Ten rysunek pokazuje, jak gdy zmienia się kierunek prądu, zmienia się również kierunek linii pola magnetycznego. Zależność między kierunkiem prądu a kierunkiem linii pola magnetycznego określa się zwykle za pomocą „reguły świdra”, której obrót rączki pokaże kierunek linii pola magnetycznego, jeśli świder jest wkręcony w kierunku prądu.

Rysunek 3 przedstawia obraz linii sił magnetycznych magnesu sztabkowego, a rysunek 4 przedstawia obraz linii sił magnetycznych długiego solenoidu z prądem. Zwraca się uwagę na podobieństwo zewnętrznego położenia linii pola magnetycznego na obu rysunkach (rys. 3 i rys. 4). Linie siły z jednego końca elektromagnesu przewodzącego prąd biegną do drugiego w taki sam sposób, jak magnes sztabkowy. Sam kształt linii pola magnetycznego na zewnątrz elektromagnesu z prądem jest identyczny z kształtem linii magnesu sztabkowego. Solenoid przenoszący prąd ma również bieguny północne i południowe oraz strefę neutralną. Dwa przewodzące prąd solenoidy lub solenoid i magnes oddziałują jak dwa magnesy.

Co można zobaczyć, patrząc na zdjęcia pól magnetycznych magnesów trwałych, prostych przewodników przewodzących prąd lub cewek przewodzących prąd z opiłkami żelaza? główna cecha Linie pola magnetycznego, jak pokazują zdjęcia lokalizacji trocin, jest to ich izolacja. Inną cechą linii pola magnetycznego jest ich kierunkowość. Mała igła magnetyczna, umieszczona w dowolnym punkcie pola magnetycznego, z biegunem północnym wskaże kierunek magnetycznych linii sił. Dla pewności zgodziliśmy się założyć, że linie pola magnetycznego emanują z północnego bieguna magnetycznego magnesu sztabkowego i wchodzą w jego południowy biegun. Lokalna przestrzeń magnetyczna w pobliżu magnesów lub przewodników z prądem jest ciągłym ośrodkiem sprężystym. Elastyczność tego ośrodka potwierdzają liczne eksperymenty, na przykład odpychanie biegunów magnesów trwałych o tej samej nazwie.

Już wcześniej postawiłem hipotezę, że pole magnetyczne wokół magnesów lub przewodników przewodzących prąd jest ciągłym, elastycznym ośrodkiem o właściwościach magnetycznych, w którym powstają fale interferencyjne. Niektóre z tych fal są zamknięte. To właśnie w tym ciągłym ośrodku sprężystym tworzy się interferencyjny wzór linii pola magnetycznego, co objawia się użyciem opiłków żelaza. W wyniku promieniowania źródeł w mikrostrukturze materii powstaje ośrodek ciągły.

Przypomnij sobie eksperymenty z interferencją fal z podręcznika fizyki, w których oscylująca płyta z dwoma końcówkami uderza w wodę. W tym eksperymencie widać, że wzajemne przecięcie pod różne kąty dwie fale nie mają wpływu na ich dalszy ruch. Innymi słowy, fale przechodzą przez siebie bez dalszego wpływu na propagację każdej z nich. W przypadku fal świetlnych (elektromagnetycznych) obowiązuje ta sama prawidłowość.

Co dzieje się w tych obszarach przestrzeni, w których przecinają się dwie fale (ryc. 5) - nakładają się one na siebie? Każda cząsteczka ośrodka, która znajduje się na drodze dwóch fal jednocześnie uczestniczy w drganiach tych fal, tj. jego ruch jest sumą drgań dwóch fal. Fluktuacje te są wzorem fal interferencyjnych z ich maksimami i minimami w wyniku superpozycji dwóch lub jeszcze fale, tj. dodanie ich oscylacji w każdym punkcie ośrodka, przez który te fale przechodzą. Eksperymenty wykazały, że zjawisko interferencji obserwuje się zarówno dla fal rozchodzących się w mediach, jak i dla fale elektromagnetyczne to znaczy interferencja jest wyłącznie właściwością fal i nie zależy ani od właściwości ośrodka, ani od jego obecności. Należy pamiętać, że interferencja falowa zachodzi pod warunkiem, że oscylacje są spójne (dopasowane), tj. oscylacje muszą mieć stałą różnicę faz i tę samą częstotliwość.

W naszym przypadku z opiłkami żelaza linie pola magnetycznego są linie z największa liczba trociny zlokalizowane na maksimach fal interferencyjnych, a linie z mniejszą liczbą trocin znajdują się pomiędzy maksimami (na minimach) fal interferencyjnych.

Na podstawie powyższej hipotezy można wyciągnąć następujące wnioski.

1. Pole magnetyczne to ośrodek, który powstaje w pobliżu magnesu trwałego lub przewodnika przewodzącego prąd w wyniku promieniowania ze źródeł znajdujących się w mikrostrukturze magnesu lub przewodnika poszczególnych fal mikromagnetycznych.

2. Te fale mikromagnetyczne oddziałują w każdym punkcie pola magnetycznego, tworząc wzór interferencji w postaci linii sił magnetycznych.

3. Fale mikromagnetyczne to zamknięte mikroenergetyczne wiry z mikrobiegunami, które mogą być przyciągane do siebie, tworząc elastyczne zamknięte linie.

4. Mikroźródła w mikrostrukturze substancji emitujące fale mikromagnetyczne, które tworzą wzór interferencyjny pola magnetycznego, mają tę samą częstotliwość oscylacji, a ich promieniowanie ma stałą w czasie różnicę faz.

Jak przebiega proces namagnesowania ciał, który prowadzi do powstania wokół nich pola magnetycznego, tj. jakie procesy zachodzą w mikrostrukturze magnesów i przewodników przewodzących prąd? Aby odpowiedzieć na to i inne pytania, należy przypomnieć niektóre cechy budowy atomu.

Zatem indukcja pola magnetycznego na osi cewki kołowej z prądem maleje odwrotnie proporcjonalnie do trzeciej potęgi odległości od środka cewki do punktu na osi. Wektor indukcji magnetycznej na osi cewki jest równoległy do ​​osi. Jego kierunek można określić za pomocą odpowiedniej śruby: jeśli skierujesz prawą śrubę równolegle do osi cewki i obrócisz ją w kierunku prądu w cewce, to kierunek ruchu postępowego śruby pokaże kierunek wektora indukcji magnetycznej.

3.5 Linie pola magnetycznego

Pole magnetyczne, podobnie jak elektrostatyczne, jest dogodnie reprezentowane w formie graficznej - za pomocą linii pola magnetycznego.

Linia siły pola magnetycznego to linia, do której styczna w każdym punkcie pokrywa się z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej.

Linie siły pola magnetycznego są rysowane w taki sposób, aby ich gęstość była proporcjonalna do wielkości indukcji magnetycznej: im większa indukcja magnetyczna w pewnym punkcie, tym większa gęstość linii sił.

Zatem linie pola magnetycznego są podobne do linii pola elektrostatycznego.

Jednak mają też pewne osobliwości.

Rozważ pole magnetyczne wytworzone przez prosty przewodnik z prądem I.

Niech ten przewodnik będzie prostopadły do ​​płaszczyzny figury.

W różnych punktach znajdujących się w tej samej odległości od przewodnika indukcja jest taka sama pod względem wielkości.

kierunek wektora W w różne punkty pokazano na rysunku.

Linia, do której styczna pokrywa się we wszystkich punktach z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej, jest kołem.

Dlatego linie pola magnetycznego w tym przypadku są okręgami otaczającymi przewodnik. Środki wszystkich linii sił znajdują się na przewodzie.

Zatem linie siły pola magnetycznego są zamknięte (linie siły pola elektrostatycznego nie mogą być zamknięte, zaczynają się i kończą na ładunkach).

Dlatego pole magnetyczne jest wir(tzw. pola, których linie sił są zamknięte).

Zamknięcie linii sił oznacza kolejną, bardzo ważną cechę pola magnetycznego - w przyrodzie nie ma (przynajmniej jeszcze nie odkrytych) ładunków magnetycznych, które byłyby źródłem pola magnetycznego o określonej biegunowości.

W związku z tym nie ma oddzielnego bieguna północnego lub południowego magnesu.

Nawet jeśli zobaczyłeś magnes stały na pół, otrzymasz dwa magnesy, z których każdy ma oba bieguny.

3.6. Siła Lorentza

Zostało eksperymentalnie ustalone, że siła działa na ładunek poruszający się w polu magnetycznym. Siła ta nazywana jest siłą Lorentza:

.

Moduł siły Lorentza

,

gdzie a jest kątem między wektorami v oraz B .

Kierunek siły Lorentza zależy od kierunku wektora. Można go określić za pomocą reguły prawej śruby lub reguły lewej ręki. Ale kierunek siły Lorentza niekoniecznie pokrywa się z kierunkiem wektora!

Chodzi o to, że siła Lorentza jest równa wynikowi iloczynu wektora [ v , W ] do skalara q. Jeśli ładunek jest dodatni, to F ja jest równoległa do wektora [ v , W ]. Jeśli q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , W ] (patrz rysunek).

Jeżeli naładowana cząstka porusza się równolegle do linii pola magnetycznego, to kąt a między wektorami prędkości i indukcji magnetycznej zero. Dlatego siła Lorentza nie działa na taki ładunek (sin 0 = 0, F l = 0).

Jeżeli ładunek porusza się prostopadle do linii pola magnetycznego, to kąt a pomiędzy wektorem prędkości i indukcji magnetycznej wynosi 90 0 . W tym przypadku siła Lorentza ma maksymalną możliwą wartość: F l = q v B.

Siła Lorentza jest zawsze prostopadła do prędkości ładunku. Oznacza to, że siła Lorentza nie może zmienić wielkości prędkości ruchu, ale zmienia jego kierunek.

Dlatego w jednolitym polu magnetycznym ładunek, który wpadł w pole magnetyczne prostopadłe do jego linii sił, będzie się poruszał po okręgu.

Jeżeli na ładunek działa tylko siła Lorentza, to ruch ładunku jest zgodny z następującym równaniem, skompilowanym na podstawie drugiego prawa Newtona: mama = F l.

Ponieważ siła Lorentza jest prostopadła do prędkości, przyspieszenie naładowanej cząstki jest dośrodkowe (normalne): (tutaj R jest promieniem krzywizny trajektorii naładowanej cząstki).

Linie pola magnetycznego

Pola magnetyczne, podobnie jak pola elektryczne, można przedstawić graficznie za pomocą linii sił. Linia pola magnetycznego lub linia indukcji pola magnetycznego to linia, której styczna w każdym punkcie pokrywa się z kierunkiem wektora indukcji pola magnetycznego.

a)	b)	w)

Ryż. 1.2. Linie siły pola magnetycznego prądu stałego (a),

prąd okrężny (b), solenoid (c)

Magnetyczne linie siły, podobnie jak linie elektryczne, nie przecinają się. Rysowane są z taką gęstością, aby liczba linii przecinających prostopadłą do nich powierzchnię jednostkową była równa (lub proporcjonalna) do wielkości indukcji magnetycznej pola magnetycznego w danym miejscu.

Na ryc. 1.2 a pokazane są linie siły pola prądu stałego, które są koncentrycznymi okręgami, których środek znajduje się na osi prądu, a kierunek określa reguła prawej śruby (prąd w przewodzie jest kierowany do czytelnik).

Linie indukcji magnetycznej można „pokazać” za pomocą opiłków żelaza, które są namagnesowane w badanym polu i zachowują się jak małe igły magnetyczne. Na ryc. 1.2 b pokazuje linie siły pola magnetycznego prądu kołowego. Pole magnetyczne elektrozaworu pokazano na ryc. 1.2 w.

Linie siły pola magnetycznego są zamknięte. Pola z zamkniętymi liniami siły nazywają się pola wirowe. Oczywiście pole magnetyczne jest polem wirowym. Jest to zasadnicza różnica między polem magnetycznym a polem elektrostatycznym.

W polu elektrostatycznym linie sił są zawsze otwarte: zaczynają się i kończą na ładunkach elektrycznych. Magnetyczne linie sił nie mają początku ani końca. Odpowiada to faktowi, że w przyrodzie nie ma ładunków magnetycznych.

1.4. Prawo Biota-Savarta-Laplace'a

Francuscy fizycy J. Biot i F. Savard w 1820 r. przeprowadzili badanie pól magnetycznych wytwarzanych przez prądy płynące przez cienkie przewody różne kształty. Laplace przeanalizował dane eksperymentalne uzyskane przez Biota i Savarta i ustalił związek, który nazwano prawem Biota-Savarta-Laplace'a.

Zgodnie z tym prawem indukcję pola magnetycznego dowolnego prądu można obliczyć jako sumę wektorów (superpozycję) indukcji pól magnetycznych wytworzonych przez poszczególne elementarne odcinki prądu. Dla indukcji magnetycznej pola wytworzonego przez element prądowy o długości Laplace otrzymał wzór:

, (1.3)

gdzie jest wektorem, modulo równym długości elementu przewodnika i zbieżnym w kierunku z prądem (ryc. 1.3); jest wektorem promienia ciągniętym od elementu do punktu, w którym ; jest modułem wektora promienia .

> Linie pola magnetycznego

Jak ustalić linie pola magnetycznego: wykres siły i kierunku linii pola magnetycznego, za pomocą kompasu do określenia biegunów magnetycznych, rysunek.

Linie pola magnetycznego przydatne do wizualnego wyświetlania siły i kierunku pola magnetycznego.

Zadanie edukacyjne

• Skoreluj siłę pola magnetycznego z gęstością linii pola magnetycznego.

Kluczowe punkty

• Kierunek pola magnetycznego wyświetla igły kompasu dotykające linii pola magnetycznego w dowolnym określonym punkcie.
• Siła pola B jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między liniami. Jest również dokładnie proporcjonalna do liczby linii na jednostkę powierzchni. Jedna linia nigdy nie przecina drugiej.
• Pole magnetyczne jest wyjątkowe w każdym punkcie przestrzeni.
• Linie nie są przerywane i tworzą zamknięte pętle.
• Linie ciągną się od północnego do południowego bieguna.

Warunki

• Linie pola magnetycznego to graficzna reprezentacja wielkości i kierunku pola magnetycznego.
• Pole B jest synonimem pola magnetycznego.

Linie pola magnetycznego

Mówi się, że jako dziecko Albert Einstein uwielbiał patrzeć na kompas, myśląc o tym, jak igła odczuwała siłę bez bezpośredniego kontaktu fizycznego. Głębokie myślenie i poważne zainteresowanie doprowadziły do ​​tego, że dziecko dorosło i stworzyło swoją rewolucyjną teorię względności.

Ponieważ siły magnetyczne wpływają na odległości, obliczamy pola magnetyczne reprezentujące te siły. Grafika liniowa jest przydatna do wizualizacji siły i kierunku pola magnetycznego. Wydłużenie linii wskazuje północną orientację igły kompasu. Magnetyczny nazywa się polem B.

(a) - Jeśli do porównania pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego użyje się małego kompasu, pokaże on: dobry kierunek od bieguna północnego na południe. (b) - Dodanie strzałek tworzy linie ciągłe pole magnetyczne. Siła jest proporcjonalna do bliskości linii. (c) - Jeśli możesz zbadać wnętrze magnesu, linie będą wyświetlane w postaci zamkniętych pętli

Nie ma nic trudnego w dopasowaniu pola magnetycznego przedmiotu. Najpierw oblicz siłę i kierunek pola magnetycznego w kilku miejscach. Zaznacz te punkty wektorami skierowanymi w kierunku lokalnego pola magnetycznego o wielkości proporcjonalnej do jego siły. Możesz łączyć strzałki i tworzyć linie pola magnetycznego. Kierunek w dowolnym punkcie będzie równoległy do ​​kierunku najbliższych linii pola, a gęstość lokalna może być proporcjonalna do siły.

Linie siły pola magnetycznego przypominają linie konturowe na mapy topograficzne, ponieważ pokazują coś ciągłego. Wiele praw magnetyzmu można sformułować w prostych słowach, takich jak liczba linii pola przechodzących przez powierzchnię.

Kierunek linii pola magnetycznego, reprezentowany przez ułożenie opiłków żelaza na papierze umieszczonym nad magnesem sztabkowym

Różne zjawiska wpływają na wyświetlanie linii. Na przykład opiłki żelaza na linii pola magnetycznego tworzą linie odpowiadające liniom magnetycznym. Są również wyświetlane wizualnie w zorzach polarnych.

Mały kompas wysłany w pole ustawia się równolegle do linii pola, z biegunem północnym skierowanym w stronę B.

Miniaturowe kompasy mogą służyć do pokazywania pól. (a) - Pole magnetyczne obwodu prądu kołowego przypomina pole magnetyczne. (b) - Długi i prosty przewód tworzy pole z liniami pola magnetycznego tworzącymi okrągłe pętle. (c) - Gdy drut znajduje się w płaszczyźnie papieru, pole wydaje się prostopadłe do papieru. Zwróć uwagę, które symbole są używane do wskazywania i wysuwania pola

Szczegółowe badanie pól magnetycznych pomogło w wyprowadzeniu kilku ważnych zasad:

• Kierunek pola magnetycznego dotyka linii pola w dowolnym punkcie przestrzeni.
• Siła pola jest proporcjonalna do bliskości linii. Jest również dokładnie proporcjonalna do liczby linii na jednostkę powierzchni.
• Linie pola magnetycznego nigdy się nie zderzają, co oznacza, że ​​w dowolnym punkcie przestrzeni pole magnetyczne będzie niepowtarzalne.
• Linie pozostają ciągłe i biegną od północnego do bieguna południowego.

Ostatnia zasada opiera się na tym, że biegunów nie da się rozdzielić. I różni się od linii pole elektryczne, w którym koniec i początek są oznaczone ładunkami dodatnimi i ujemnymi.

Motywy UŻYJ kodyfikatora : oddziaływanie magnesów, pole magnetyczne przewodnika z prądem.

Magnetyczne właściwości materii znane są ludziom od dawna. Magnesy wzięły swoją nazwę od starożytnego miasta Magnesia: w jego sąsiedztwie rozpowszechniony był minerał (później nazywany magnetyczną rudą żelaza lub magnetytem), którego fragmenty przyciągały żelazne przedmioty.

Oddziaływanie magnesów

Po dwóch stronach każdego magnesu znajdują się biegun północny oraz biegun południowy. Dwa magnesy są przyciągane do siebie przez przeciwne bieguny i odpychane przez podobne bieguny. Magnesy mogą oddziaływać na siebie nawet poprzez próżnię! Wszystko to jednak przypomina oddziaływanie ładunków elektrycznych oddziaływanie magnesów nie jest elektryczne. Świadczą o tym następujące fakty eksperymentalne.

Siła magnetyczna słabnie, gdy magnes jest podgrzewany. Siła oddziaływania ładunków punktowych nie zależy od ich temperatury.

Siła magnetyczna jest osłabiana przez potrząsanie magnesem. Nic podobnego nie dzieje się z ciałami naładowanymi elektrycznie.

Pozytywny ładunki elektryczne można oddzielić od negatywnych (na przykład przy elektryzowaniu ciał). Ale nie da się oddzielić biegunów magnesu: jeśli przetniesz magnes na dwie części, wówczas bieguny również pojawią się w miejscu przecięcia, a magnes rozpadnie się na dwa magnesy o przeciwnych biegunach na końcach (zorientowanych dokładnie w tym samym kierunku). sposób jak bieguny oryginalnego magnesu).

Więc magnesy zawsze dwubiegunowe, istnieją tylko w formie dipole. Izolowane bieguny magnetyczne (tzw monopole magnetyczne- analogi ładunku elektrycznego) w przyrodzie nie istnieją (w każdym razie nie zostały jeszcze wykryte eksperymentalnie). To chyba najbardziej imponująca asymetria między elektrycznością a magnetyzmem.

Podobnie jak ciała naładowane elektrycznie, magnesy działają na ładunki elektryczne. Jednak magnes działa tylko na poruszający opłata; Jeśli ładunek jest w spoczynku względem magnesu, wówczas na ładunek nie działa żadna siła magnetyczna. Wręcz przeciwnie, naelektryzowane ciało działa pod każdym ładunkiem, niezależnie od tego, czy jest w spoczynku, czy w ruchu.

Zgodnie ze współczesnymi koncepcjami teorii działania bliskiego zasięgu oddziaływanie magnesów odbywa się poprzez pole magnetyczne Mianowicie magnes wytwarza w otaczającej go przestrzeni pole magnetyczne, które oddziałuje na inny magnes i powoduje widoczne przyciąganie lub odpychanie tych magnesów.

Przykładem magnesu jest igła magnetyczna kompas. Za pomocą igły magnetycznej można ocenić obecność pola magnetycznego w danym obszarze przestrzeni, a także kierunek tego pola.

Nasza planeta Ziemia jest gigantycznym magnesem. Niedaleko geograficznego bieguna północnego Ziemi znajduje się południowy biegun magnetyczny. Dlatego północny koniec igły kompasu, zwrócony w kierunku południowego bieguna magnetycznego Ziemi, wskazuje na północ geograficzną. Stąd w rzeczywistości powstała nazwa „biegun północny” magnesu.

Linie pola magnetycznego

Jak pamiętamy, pole elektryczne jest badane za pomocą małych ładunków testowych, poprzez działanie, na podstawie którego można ocenić wielkość i kierunek pola. Analogiem ładunku testowego w przypadku pola magnetycznego jest mała igła magnetyczna.

Na przykład, możesz uzyskać geometryczne wyobrażenie o polu magnetycznym, umieszczając bardzo małe igły kompasu w różnych punktach przestrzeni. Doświadczenie pokazuje, że strzałki ustawią się wzdłuż pewnych linii – tzw linie pola magnetycznego. Zdefiniujmy to pojęcie w formie następne trzy zwrotnica.

1. Linie pola magnetycznego lub magnetyczne linie sił to skierowane w przestrzeń linie, które mają następującą właściwość: mała igła kompasu umieszczona w każdym punkcie takiej linii jest zorientowana stycznie do tej linii.

2. Kierunek linii pola magnetycznego to kierunek północnych końców igieł kompasu znajdujących się w punktach tej linii.

3. Im grubsze linie, tym silniejsze pole magnetyczne w danym obszarze przestrzeni..

Rolę igieł kompasu mogą z powodzeniem pełnić opiłki żelaza: w polu magnetycznym małe opiłki są namagnesowane i zachowują się dokładnie jak igły magnetyczne.

Tak więc, po wylaniu opiłków żelaza wokół magnesu trwałego, zobaczymy w przybliżeniu następujący obraz linii pola magnetycznego (ryc. 1).

Ryż. 1. Pole magnesu stałego

Północny biegun magnesu jest oznaczony kolorem niebieskim i literą ; biegun południowy - kolorem czerwonym i literą. Zwróć uwagę, że linie pola wychodzą z północnego bieguna magnesu i wchodzą w biegun południowy, ponieważ północny koniec igły kompasu wskazuje na południowy biegun magnesu.

Doświadczenie Oersteda

Chociaż elektryczne i zjawiska magnetyczne były znane ludziom od starożytności, nie ma między nimi związku długi czas nie zaobserwowano. Przez kilka stuleci badania nad elektrycznością i magnetyzmem przebiegały równolegle i niezależnie od siebie.

Niezwykły fakt, że zjawiska elektryczne i magnetyczne są ze sobą powiązane, po raz pierwszy odkryto w 1820 r. w słynnym eksperymencie Oersteda.

Schemat eksperymentu Oersteda przedstawiono na ryc. 2 (zdjęcie z rt.mipt.ru). Nad igłą magnetyczną (i - biegunami północnym i południowym strzałki) znajduje się metalowy przewodnik podłączony do źródła prądu. Jeśli zamkniesz obwód, strzałka zmieni się prostopadle do przewodnika!
Ten prosty eksperyment wskazał bezpośrednio na związek między elektrycznością a magnetyzmem. Eksperymenty, które nastąpiły po doświadczeniu Oersteda, ugruntowały następujący wzór: generowane jest pole magnetyczne prądy elektryczne i działa na prądy.

Ryż. 2. Eksperyment Oersteda

Obraz linii pola magnetycznego generowanego przez przewodnik z prądem zależy od kształtu przewodnika.

Pole magnetyczne prostego drutu z prądem

Linie pola magnetycznego prądu płynącego przez prosty przewód są koncentrycznymi okręgami. Środki tych okręgów leżą na drucie, a ich płaszczyzny są prostopadłe do drutu (ryc. 3).

Ryż. 3. Pole przewodu bezpośredniego z prądem

Istnieją dwie alternatywne zasady określania kierunku linii pola magnetycznego prądu stałego.

zasada wskazówki godzinowej. Linie pola idą w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, gdy są oglądane, tak że prąd płynie w naszym kierunku..

śruba reguła(lub zasada świderka, lub zasada korkociągu- jest komuś bliżej ;-)). Linie pola idą tam, gdzie śruba (z konwencjonalnym gwintem prawoskrętnym) musi być obrócona, aby poruszać się wzdłuż gwintu w kierunku prądu.

Użyj dowolnej reguły, która najbardziej Ci odpowiada. Lepiej przyzwyczaić się do reguły zgodnej z ruchem wskazówek zegara - sam później przekonasz się, że jest ona bardziej uniwersalna i łatwiejsza w użyciu (a potem z wdzięcznością o tym pamiętaj na pierwszym roku, kiedy studiujesz geometrię analityczną).

Na ryc. 3, pojawiło się również coś nowego: jest to wektor, który nazywa się indukcja pola magnetycznego, lub Indukcja magnetyczna. Wektor indukcji magnetycznej jest analogiem wektora natężenia pola elektrycznego: służy charakterystyka mocy pole magnetyczne, określające siłę, z jaką pole magnetyczne działa na poruszające się ładunki.

O siłach w polu magnetycznym porozmawiamy później, ale na razie zauważymy tylko, że wielkość i kierunek pola magnetycznego jest określony przez wektor indukcji magnetycznej. W każdym punkcie przestrzeni wektor jest skierowany w tym samym kierunku, co północny koniec igły kompasu umieszczonej w tym punkcie, czyli stycznie do linii pola w kierunku tej linii. Indukcja magnetyczna jest mierzona w teslach(Tl).

Podobnie jak w przypadku pola elektrycznego, do indukcji pola magnetycznego zasada superpozycji. Polega na tym, że indukcje pól magnetycznych wytworzonych w danym punkcie przez różne prądy są sumowane wektorowo i dają wynikowy wektor indukcji magnetycznej:.

Pole magnetyczne cewki z prądem

Rozważmy okrągłą cewkę, wzdłuż której krąży Waszyngton. Nie pokazujemy źródła, które wytwarza prąd na rysunku.

Obraz linii pola naszej tury będzie miał w przybliżeniu następującą postać (ryc. 4).

Ryż. 4. Pole cewki z prądem

Ważne będzie dla nas, abyśmy byli w stanie określić, w którą półprzestrzeń (względem płaszczyzny cewki) skierowane jest pole magnetyczne. Znowu mamy dwie alternatywne zasady.

zasada wskazówki godzinowej. Linie pola idą tam, patrząc, skąd prąd wydaje się krążyć w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

śruba reguła. Linie pola idą tam, gdzie śruba (z konwencjonalnymi gwintami prawoskrętnymi) poruszałaby się, gdyby została obrócona w kierunku prądu.

Jak widać role prądu i pola są odwrócone – w porównaniu z sformułowaniami tych zasad dla prądu stałego.

Pole magnetyczne cewki z prądem

Cewka okaże się, że jeśli ciasno zwijamy zwój w zwój, nawijamy drut w wystarczająco długą spiralę (ryc. 5 - zdjęcie ze strony en.wikipedia.org). Cewka może mieć kilkadziesiąt, setki, a nawet tysiące zwojów. Cewka jest również nazywana Elektrozawór.

Ryż. 5. Cewka (elektrozawór)

Pole magnetyczne jednego zwoju, jak wiemy, nie wygląda na bardzo proste. Pola? poszczególne zwoje cewki nakładają się na siebie i wydawałoby się, że wynik powinien być bardzo mylący. Tak jednak nie jest: pole długiej cewki ma nadspodziewanie prostą budowę (rys. 6).

Ryż. 6. pole cewki z prądem

Na tym rysunku prąd w cewce płynie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, patrząc od lewej strony (staje się tak, jeśli na ryc. 5 prawy koniec cewki jest podłączony do „plusa” źródła prądu, a lewy koniec do „minus”). Widzimy, że pole magnetyczne cewki ma dwie charakterystyczne właściwości.

1. Wewnątrz cewki, z dala od jej krawędzi, pole magnetyczne jest jednorodny: w każdym punkcie wektor indukcji magnetycznej jest taki sam pod względem wielkości i kierunku. Linie pola są równoległymi liniami prostymi; wyginają się tylko w pobliżu krawędzi cewki, gdy wychodzą.

2. Na zewnątrz cewki pole jest bliskie zeru. Im więcej zwojów w cewce, tym słabsze pole na zewnątrz.

Zauważ, że nieskończenie długa cewka w ogóle nie emituje pola: poza cewką nie ma pola magnetycznego. Wewnątrz takiej cewki pole jest wszędzie jednolite.

Czy to ci nic nie przypomina? Cewka jest „magnetycznym” odpowiednikiem kondensatora. Pamiętasz, że kondensator tworzy jednorodny pole elektryczne, którego linie są zagięte tylko przy krawędziach płytek, a poza kondensatorem pole jest bliskie zeru; kondensator z nieskończonymi płytkami w ogóle nie uwalnia pola, a pole jest wszędzie w nim jednolite.

A teraz - główna obserwacja. Porównaj proszę obraz linii pola magnetycznego na zewnątrz cewki (ryc. 6) z liniami pola magnesu na ryc. jeden . To to samo, prawda? A teraz dochodzimy do pytania, które prawdopodobnie miałeś dawno temu: jeśli pole magnetyczne jest generowane przez prądy i działa na prądy, to jaki jest powód pojawienia się pola magnetycznego w pobliżu magnesu trwałego? W końcu ten magnes nie wydaje się być przewodnikiem z prądem!

Hipoteza Ampère'a. Prądy elementarne

Początkowo sądzono, że oddziaływanie magnesów wynika ze specjalnych ładunków magnetycznych skoncentrowanych na biegunach. Ale, w przeciwieństwie do elektryczności, nikt nie był w stanie wyizolować ładunku magnetycznego; w końcu, jak już powiedzieliśmy, nie udało się uzyskać osobno biegunów północnego i południowego magnesu - bieguny są zawsze obecne w magnesie parami.

Wątpliwości co do ładunków magnetycznych pogłębiło doświadczenie Oersteda, kiedy okazało się, że pole magnetyczne jest generowane przez prąd elektryczny. Ponadto okazało się, że dla dowolnego magnesu można dobrać przewodnik z prądem o odpowiedniej konfiguracji, tak aby pole tego przewodnika pokrywało się z polem magnesu.

Ampere wysunął śmiałą hipotezę. Nie ma ładunków magnetycznych. Działanie magnesu tłumaczy się zamkniętymi w nim prądami elektrycznymi..

Czym są te prądy? Te prądy elementarne krążyć w atomach i cząsteczkach; są one związane z ruchem elektronów na orbitach atomowych. Pole magnetyczne dowolnego ciała składa się z pól magnetycznych tych prądów elementarnych.

Prądy elementarne mogą być losowo rozmieszczone względem siebie. Wtedy ich pola znoszą się nawzajem, a ciało nie wykazuje właściwości magnetycznych.

Ale jeśli prądy elementarne są skoordynowane, to ich pola, sumując się, wzmacniają się nawzajem. Ciało staje się magnesem (rys. 7; pole magnetyczne będzie skierowane w naszą stronę; północny biegun magnesu będzie również skierowany w naszą stronę).

Ryż. 7. Prądy elementarne magnesu

Hipoteza Ampere'a o prądach elementarnych wyjaśniała właściwości magnesów: nagrzewanie i potrząsanie magnesem niszczy kolejność jego prądów elementarnych i właściwości magnetyczne osłabiać. Nierozłączność biegunów magnesu stała się oczywista: w miejscu przecięcia magnesu na końcach otrzymujemy te same prądy elementarne. Zdolność ciała do namagnesowania w polu magnetycznym tłumaczy się skoordynowanym ustawieniem prądów elementarnych, które właściwie „kręcą się” (o rotacji prądu kołowego w polu magnetycznym przeczytasz w następnym arkuszu).

Hipoteza Ampère'a okazała się słuszna – pokazała dalszy rozwój fizyka. Pojęcie prądów elementarnych stało się integralną częścią teorii atomu, rozwiniętej już w XX wieku - prawie sto lat po błyskotliwym zgadywaniu Ampère'a.