Vad är en definition av magnetfält. Magnetfält, dess egenskaper och egenskaper

Låt oss tillsammans förstå vad ett magnetfält är. När allt kommer omkring bor många människor i detta område hela livet och tänker inte ens på det. Dags att fixa det!

Ett magnetfält

Ett magnetfält – speciell sort materia. Det visar sig i handling när man flyttar elektriska laddningar och kroppar som har sitt eget magnetiska moment (permanenta magneter).

Viktigt: ett magnetfält verkar inte på stationära laddningar! Ett magnetfält skapas också genom att elektriska laddningar förflyttas, eller av ett tidsvarierande elektriskt fält, eller av magnetiska moment hos elektroner i atomer. Det vill säga, vilken tråd som helst genom vilken ström flyter blir också en magnet!

En kropp som har ett eget magnetfält.

En magnet har poler som kallas norr och söder. Beteckningarna "norra" och "södra" ges endast för bekvämlighet (som "plus" och "minus" i el).

Magnetfältet representeras av kraft magnetiska linjer . Kraftlinjerna är kontinuerliga och slutna, och deras riktning sammanfaller alltid med fältkrafternas riktning. Om metallspån är utspridda runt en permanent magnet, kommer metallpartiklar att visa en tydlig bild av fältlinjer. magnetiskt fält lämnar norr och går in på sydpolen. Magnetfältets grafiska egenskaper - kraftlinjer.

Magnetiska fältegenskaper

De viktigaste egenskaperna hos magnetfältet är magnetisk induktion, magnetiskt flöde och magnetisk permeabilitet. Men låt oss prata om allt i ordning.

Omedelbart noterar vi att alla måttenheter anges i systemet SI.

Magnetisk induktion B - vektorfysisk kvantitet, som är magnetfältets huvudeffektkarakteristik. Betecknas med bokstav B . Måttenheten för magnetisk induktion - Tesla (Tl).

Magnetisk induktion indikerar hur starkt ett fält är genom att bestämma kraften med vilken det verkar på en laddning. Denna kraft kallas Lorentz kraft.

Här q - ladda, v - dess hastighet i ett magnetfält, B - induktion, F är den Lorentz-kraft med vilken fältet verkar på laddningen.

F- en fysisk kvantitet som är lika med produkten av magnetisk induktion med konturens area och cosinus mellan induktionsvektorn och normalen till konturens plan genom vilken flödet passerar. Magnetiskt flöde är en skalär egenskap hos ett magnetfält.

Vi kan säga att det magnetiska flödet kännetecknar antalet magnetiska induktionslinjer som penetrerar en enhetsarea. Det magnetiska flödet mäts i Weberach (WB).

Magnetisk permeabilitetär koefficienten som bestämmer mediets magnetiska egenskaper. En av parametrarna som den magnetiska induktionen av fältet beror på är den magnetiska permeabiliteten.

Vår planet har varit en enorm magnet i flera miljarder år. Induktionen av jordens magnetfält varierar beroende på koordinaterna. Vid ekvatorn är det cirka 3,1 gånger 10 till Teslas minus femte potens. Dessutom finns det magnetiska anomalier, där fältets värde och riktning skiljer sig markant från närliggande områden. En av de största magnetiska anomalierna på planeten - Kursk och Brasiliansk magnetisk anomali.

Ursprunget till jordens magnetfält är fortfarande ett mysterium för forskare. Det antas att källan till fältet är jordens flytande metallkärna. Kärnan rör sig, vilket innebär att den smälta järn-nickellegeringen rör sig, och rörelsen av laddade partiklar är den elektriska ström som genererar magnetfältet. Problemet är att denna teori geodynamo) förklarar inte hur fältet hålls stabilt.

Jorden är en enorm magnetisk dipol. De magnetiska polerna sammanfaller inte med de geografiska, även om de ligger i närheten. Dessutom rör sig jordens magnetiska poler. Deras förflyttning har registrerats sedan 1885. Till exempel, under de senaste hundra åren har den magnetiska polen på södra halvklotet förskjutits med nästan 900 kilometer och är nu i södra oceanen. Polen på det arktiska halvklotet rör sig över Ishavet mot den östsibiriska magnetiska anomalien, hastigheten på dess rörelse (enligt 2004 data) var cirka 60 kilometer per år. Nu sker en acceleration av polernas rörelse - i genomsnitt växer hastigheten med 3 kilometer per år.

Vilken betydelse har jordens magnetfält för oss? Först och främst skyddar jordens magnetfält planeten från kosmiska strålar och solvinden. Laddade partiklar från rymden faller inte direkt till marken, utan avleds av en jättemagnet och rör sig längs dess kraftlinjer. Allt levande är alltså skyddat från skadlig strålning.

Under jordens historia har det funnits flera inversioner(förändringar) av magnetiska poler. Polinversionär när de byter plats. Förra gången detta fenomen inträffade för cirka 800 tusen år sedan, och det fanns mer än 400 geomagnetiska omkastningar i jordens historia. Vissa forskare tror att, med tanke på den observerade accelerationen av magnetpolernas rörelse, borde nästa polomkastning vara väntas inom de närmaste tusen åren.

Lyckligtvis förväntas ingen polvändning i vårt sekel. Så du kan tänka på det trevliga och njuta av livet i det gamla goda konstantfältet på jorden, efter att ha övervägt magnetfältets huvudegenskaper och egenskaper. Och för att du ska kunna göra detta, finns det våra författare, som kan anförtros några av de pedagogiska problemen med förtroende för framgång! och andra typer av arbeten kan du beställa på länken.

Vi minns fortfarande om magnetfältet från skolan, det är precis vad det är, "poker upp" i inte allas minnen. Låt oss uppdatera det vi har varit med om, och kanske berätta något nytt, användbart och intressant.

Bestämning av magnetfältet

Ett magnetfält är ett kraftfält som verkar på rörliga elektriska laddningar (partiklar). På grund av detta kraftfält attraheras föremål till varandra. Det finns två typer av magnetfält:

Gravitations - bildas uteslutande nära elementarpartiklar och viruetsya i sin styrka baserat på egenskaperna och strukturen hos dessa partiklar.
Dynamisk, producerad i föremål med rörliga elektriska laddningar (strömsändare, magnetiserade ämnen).

För första gången introducerades magnetfältets beteckning av M. Faraday 1845, även om dess betydelse var lite felaktig, eftersom man trodde att både elektriska och magnetiska effekter och interaktioner är baserade på samma materialfält. Senare 1873 "presenterade" D. Maxwell kvantteorin, där dessa begrepp började separeras, och det tidigare härledda kraftfältet kallades det elektromagnetiska fältet.

Hur uppstår ett magnetfält?

De magnetiska fälten hos olika föremål uppfattas inte av det mänskliga ögat, och endast speciella sensorer kan fixa det. Källan till uppkomsten av ett magnetiskt kraftfält i mikroskopisk skala är rörelsen av magnetiserade (laddade) mikropartiklar, som är:

joner;
elektroner;
protoner.

Deras rörelse uppstår på grund av det magnetiska spinsmomentet, som finns i varje mikropartikel.

Magnetfält, var kan det hittas?

Hur konstigt det än kan låta, men nästan alla föremål runt omkring oss har sitt eget magnetfält. Även om i mångas begrepp är det bara en sten som kallas en magnet som har ett magnetfält som attraherar järnföremål till sig själv. Faktum är att attraktionskraften finns i alla objekt, den visar sig bara i en lägre valens.

Det bör också klargöras att kraftfältet, kallat magnetiskt, uppträder endast under förutsättning att elektriska laddningar eller kroppar rör sig.

Orörliga laddningar har ett elektriskt kraftfält (det kan också finnas i rörliga laddningar). Det visar sig att källorna till magnetfältet är:

permanentmagneter;
mobilavgifter.

Ett magnetfält detta är frågan som uppstår kring källor till elektrisk ström, såväl som kring permanentmagneter. I rymden visas magnetfältet som en kombination av krafter som kan påverka magnetiserade kroppar. Denna åtgärd förklaras av närvaron av drivande urladdningar på molekylär nivå.

Magnetfältet bildas bara runt elektriska laddningar som är i rörelse. Det är därför den magnetiska elektriskt fältär integrerade och bildar tillsammans elektromagnetiskt fält. Komponenterna i magnetfältet är sammankopplade och verkar på varandra och ändrar deras egenskaper.

Magnetfältsegenskaper:
1. Magnetfältet uppstår under påverkan av drivladdningar av elektrisk ström.
2. Vid vilken punkt som helst kännetecknas magnetfältet av vektorn fysisk kvantitet berättigad magnetisk induktion, som är kraften som är karakteristisk för magnetfältet.
3. Magnetfältet kan bara påverka magneter, ledande ledare och rörliga laddningar.
4. Magnetfältet kan vara av konstant och variabel typ
5. Magnetfältet mäts endast av speciella anordningar och kan inte uppfattas av de mänskliga sinnena.
6. Magnetfältet är elektrodynamiskt, eftersom det genereras endast under rörelse av laddade partiklar och påverkar endast de laddningar som är i rörelse.
7. Laddade partiklar rör sig längs en vinkelrät bana.

Storleken på magnetfältet beror på förändringshastigheten för magnetfältet. Följaktligen finns det två typer av magnetfält: dynamiskt magnetfält och gravitationsmagnetfält. Gravitationsmagnetfält uppstår endast nära elementarpartiklar och bildas beroende på dessa partiklars strukturella egenskaper.

Magnetiskt ögonblick uppstår när ett magnetfält verkar på en ledande ram. Det magnetiska momentet är med andra ord en vektor som är placerad på linjen som går vinkelrätt mot ramen.

Magnetfältet kan representeras grafiskt med hjälp av magnetiska kraftlinjer. Dessa linjer är ritade i en sådan riktning att fältkrafternas riktning sammanfaller med själva fältlinjens riktning. Magnetiska fältlinjer är kontinuerliga och stängda samtidigt.

Riktningen på magnetfältet bestäms med hjälp av en magnetnål. Kraftlinjerna bestämmer också magnetens polaritet, änden med kraftlinjernas utgång är nordpolen och änden med dessa linjers ingång är sydpolen.

Det är mycket bekvämt att visuellt bedöma magnetfältet med hjälp av vanliga järnspån och ett papper.
Om vi lägger ett pappersark på en permanentmagnet och strö sågspån ovanpå, så kommer järnpartiklarna att radas upp enligt magnetfältslinjerna.

Riktningen för kraftlinjerna för ledaren bestäms bekvämt av den berömda gimlet regel eller regel höger hand . Om vi slår armarna runt konduktören så att tumme tittat i strömmens riktning (från minus till plus), så kommer de 4 återstående fingrarna att visa oss riktningen för magnetfältslinjerna.

Och Lorentzkraftens riktning - kraften med vilken magnetfältet verkar på en laddad partikel eller ledare med ström, enl. vänsterhandsregel.
Om vi placerar vänster hand i ett magnetfält så att 4 fingrar tittade i riktningen för strömmen i ledaren, och kraftlinjerna kom in i handflatan, då kommer tummen att indikera riktningen för Lorentzkraften, kraften som verkar på ledaren placerad i en magnetisk fält.

Det är ungefär det. Var noga med att ställa några frågor i kommentarerna.

Hittills har vi betraktat magnetfältet som skapas av strömförande ledare. Däremot skapas ett magnetfält och permanentmagneter, i vilken det inte finns någon elektrisk ström, i den meningen att de laddade partiklarna inte rör sig i en riktad riktning längs ledaren. Redan före upptäckten av Oersted försökte man förklara magnetfältet hos permanentmagneter med närvaron av magnetiska laddningar finns i kroppen, precis som elektriska laddningar skapar ett elektriskt fält. En magnets motsatta poler ansågs vara koncentrationer av magnetiska laddningar av olika tecken. Den första svårigheten var dock omöjligheten att skilja dessa poler åt. Efter att ha klippt stångmagneten det gick inte att skilja nord- och sydpolen åt- det visade sig två magneter som var och en hade både en nord- och en sydpol. Sökandet efter magnetiska laddningar ("monopoler") fortsätter till denna dag, och hittills utan framgång. Ampère gav en mer naturlig förklaring. Eftersom en spole med ström skapar ett fält som liknar fältet för en stångmagnet, föreslog Ampère att det i materia, eller snarare i atomer, finns laddade partiklar som gör Cirkulationscirkulation, och därmed skapa cirkulära "atomära" strömmar.

Denna idé stämde väl överens med Rutherfords senare föreslagna modell av atomen. Det är också tydligt varför materia i det vanliga tillståndet praktiskt taget inte uppvisar magnetiska egenskaper. För att fälten för olika "spolar" ska läggas ihop måste de vara ordnade som visas i figuren så att deras fält är orienterade i samma riktning. Men med våld termisk rörelse, är deras riktningar slumpmässigt orienterade med avseende på varandra i alla riktningar. Och eftersom magnetfälten adderas enligt vektorlagen är det totala fältet lika med noll. Detta gäller för de flesta metaller och andra ämnen. Att beställa atomströmmar är endast möjligt i vissa metaller, kallade ferromagneter. Det är i dem som de magnetiska egenskaperna manifesteras mycket märkbart. Många metaller, som koppar och aluminium, uppvisar inte märkbara magnetiska egenskaper, kan till exempel inte magnetiseras. Mest berömt exempel ferromagnet - järn. Det finns ganska stora ytor i den jämfört med storleken på en atom (10 -6 -10 -4 cm) - domäner, där atomströmmarna redan är strikt ordnade. Regionerna i sig är slumpmässigt placerade i förhållande till varandra - metallen är inte magnetiserad. Genom att placera den i ett magnetfält kan vi överföra domänerna till ett ordnat tillstånd - för att magnetisera metallen, och genom att ta bort det yttre fältet kommer vi att behålla dess magnetisering. I magnetiseringsprocessen växer domänerna med orienteringen av atomströmmar längs det yttre fältet, medan de andra minskar. Vi har sett att en spole med ström i ett magnetfält roteras av Ampères kraft så att dess magnetfält etableras längs det yttre fältet. Detta är spolens jämviktsposition, som han försöker inta. Efter att det externa fältet stängts av bevaras orienteringen av atomströmmarna. Vissa stålkvaliteter behåller sin magnetisering mycket stabil - de kan användas för att göra permanentmagneter. Andra kvaliteter ommagnetiseras lätt, de är lämpliga för tillverkning av elektromagneter. Om en ferromagnetisk stav placeras i en solenoid, kommer fältet som skapas i den att öka med 10-20 tusen gånger.

Således, ett magnetfält skapas alltid elchock , eller flyter genom ledaren, när laddningarna rör sig över avstånd många gånger större än atomära (sådana strömmar kallas makroskopisk), eller mikroskopisk(atom-)strömmar.

Jordens magnetfält. En av de första observationerna av magnetfältet och dess användning för tillämpade ändamål var detekteringen av jordens magnetfält. PÅ gamla Kina en magnetisk nål (stavmagnet) användes för att bestämma riktningen mot norr, vilket också görs i moderna kompasser. Uppenbarligen finns det några strömmar i den inre delen av jorden, som leder till uppkomsten av ett litet (cirka 10 -4 T) magnetfält. Om vi antar att det är associerat med jordens rotation, finns det cirkulära strömmar inuti den runt dess axel, och motsvarande magnetiska fält (som fältet för en spole) bör vara orienterat inuti jorden längs dess rotationsaxel. Induktionslinjerna ska se ut som den som visas på bilden.

Det kan ses att jordens nordmagnetiska pol är belägen nära dess geografiska sydpol. Induktionslinjerna sluter i yttre rymden och nära jordens yta är de orienterade längs geografiska meridianer. Det är längs dem i norr riktning som den norra änden av magnetnålen är inställd. Ett annat viktigt fenomen är kopplat till jordens magnetfält. Från rymden till jordens atmosfär kommer Ett stort antal elementarpartiklar, vissa är laddade. Magnetfältet fungerar som en barriär för dem att komma in i den lägre atmosfären, där de kan vara farliga. Med tanke på rörelsen av en laddad partikel i ett magnetfält under inverkan av Lorentz-kraften, såg vi att den börjar röra sig längs en spirallinje längs linjen för magnetfältsinduktion. Detta är vad som händer med laddade partiklar i övre skikten atmosfär. När de rör sig längs linjerna "går de" till polerna och går in i atmosfären nära de geografiska polerna. När de interagerar med molekyler uppstår ett sken (emission av ljus från atomer), vilket skapar norrsken. De observeras inte på icke-polära breddgrader.

Tangentmätinstrument. För att mäta storleken på induktionen av ett okänt magnetfält (till exempel jorden), är det rimligt att föreslå ett sätt att jämföra detta fält med något känt. Till exempel med ett långt framåtströmfält. Tangent metod ger ett sätt att jämföra. Anta att vi någon gång vill mäta den horisontella komponenten av jordens magnetfält. Låt oss placera en lång vertikal tråd bredvid den så att dess mitt är nära denna punkt och längden är mycket större än avståndet till den (figur, ovanifrån).

Om strömmen inte flyter i tråden, kommer den magnetiska nålen vid observationspunkten att etableras längs jordens fält (i figuren - uppåt, längs österut). Vi kommer att öka strömmen i tråden. Pilen börjar avvika åt vänster. Eftersom det aktuella fältet V T visas, riktat horisontellt i figuren. Hela fältet riktas längs rektangelns diagonal, som krävs av regeln att addera vektorerna B och B T. När strömmen når ett visst värde I 0 blir vinkeln som bildas av pilen 45 0 . Det betyder att jämställdheten В З \u003d В Т uppfylldes, men fältet В Т är känt för oss. Genom att mäta x och I 0 med en amperemeter kan man räkna ut V T, och därför V Z. Metoden kallas tangent eftersom villkoret är uppfyllt.

Källor permanenta magnetiska fält (PMF) arbetsplatser är permanentmagneter, elektromagneter, högströmssystem likström(DC transmissionsledningar, elektrolytbad, etc.).

Permanenta magneter och elektromagneter används ofta i instrumentering, magnetbrickor för kranar, magnetiska separatorer, magnetiska vattenbehandlingsanordningar, magnetohydrodynamiska generatorer (MHD), kärnmagnetisk resonans (NMR) och elektronparamagnetisk resonans (EPR), såväl som i fysioterapipraktik.

Main fysiska parametrar som kännetecknar PMP är fältstyrka (N), magnetiskt flöde (F) och magnetisk induktion (V). I SI-systemet är måttenheten för magnetfältets styrka ampere per meter (A/m), magnetiskt flöde - Weber (Wb ), magnetisk flödestäthet (magnetisk induktion) - tesla (Tl ).

Förändringar i hälsotillståndet för personer som arbetar med PMF-källor avslöjades. Oftast visar sig dessa förändringar i form av vegetativ dystoni, astenovegetativa och perifera vasovegetativa syndrom, eller en kombination därav.

Enligt gällande standard i vårt land ("Max acceptabla nivåer exponering för konstanta magnetfält vid arbete med magnetiska enheter och magnetiska material ”Nr 1742-77), PMF-intensiteten på arbetsplatser bör inte överstiga 8 kA/m (10 mT). Tillåtna PMF-nivåer som rekommenderas av Internationella kommittén för icke-joniserande strålning (1991) är differentierade efter kontingenten, exponeringsplatsen och tidpunkten för arbetet. För proffs: 0,2 Tl - när de utsätts för en hel arbetsdag (8 timmar); 2 Tl - med en kortvarig effekt på kroppen; 5 Tl - med kortsiktig påverkan på händerna. För befolkningen bör nivån av kontinuerlig exponering för PMF inte överstiga 0,01 T.

RF EMP-källor används ofta i de flesta fall olika branscher nationalekonomi. De används för att överföra information på avstånd (sändningar, radiotelefonkommunikation, TV, radar, etc.). Inom industrin används elektromagnetisk strålning av radiovågsområdet för induktion och dielektrisk uppvärmning av material (härdning, smältning, lödning, svetsning, metallavsättning, uppvärmning av interna metalldelar elektrovakuumanordningar i processen för pumpning, torkning av trä, uppvärmning av plast, limning av plastföreningar, värmebehandling mat produkter och så vidare.). EMR används ofta i vetenskaplig forskning(radiospektroskopi, radioastronomi) och medicin (fysioterapi, kirurgi, onkologi). I ett antal fall förekommer EMR som en sida oanvänd faktor, till exempel nära luftledningar (OL), transformatorstationer, elektriska apparater, bl.a. hushållsändamål. De viktigaste källorna till EMF RF-strålning i miljö fungera som antennsystem för radarstationer (RLS), radio- och tv- och radiostationer, inklusive mobilradiosystem och luftledningar.

Människo- och djurkroppen är mycket känslig för effekterna av RF EMF.

Kritiska organ och system inkluderar: centrala nervsystem, ögon, könskörtlar och enligt vissa författare det hematopoetiska systemet. Den biologiska effekten av dessa strålningar beror på våglängden (eller strålningsfrekvensen), genereringsläget (kontinuerligt, pulserande) och förhållanden för exponering för kroppen (konstant, intermittent; allmänt, lokalt; intensitet; varaktighet). Det noteras att den biologiska aktiviteten minskar med ökande våglängd (eller minskande frekvens) av strålning. De mest aktiva är centi-, deci- och metervågsband. Skador orsakade av RF EMR kan vara akuta eller kroniska. Akuta sådana uppstår under inverkan av betydande värmestrålningsintensiteter. De är extremt sällsynta - vid olyckor eller grova brott mot säkerhetsföreskrifter vid radarn. För yrkesmässiga villkor mer karakteristiska är kroniska lesioner, som i regel upptäcks efter flera års arbete med mikrovågs-EMR-källor.

Main normativa dokument som reglerar de tillåtna nivåerna av exponering för RF EMR är: GOST 12.1.006 - 84 "SSBT. Elektromagnetiska fält av radiofrekvenser.

Tillåtna nivåer "och SanPiN 2.2.4 / 2.1.8.055-96" elektromagnetisk strålning radiofrekvensband". De normaliserar energiexponeringen (EE) för elektriska (E) och magnetiska (H) fält, samt energiflödestätheten (PEF) för en arbetsdag (tabell 5.11).

Tabell 5.11.

Maximalt tillåtet nivåer (MPL) per arbetsdag för anställda

Med EMI RF

Parameter	Frekvensband, MHz
namn	måttenhet	0,003-3	3-30	30-300	300-300000
EE E	(W/m) 2*h				-
eh n	(A/m) 2 *h		-	-	-
ppe	(μW/cm 2) * h	-	-	-

För hela befolkningen under kontinuerlig exponering fastställs följande maximala styrkanivåer elektriskt fält, V/m:

Frekvensområde MHz

0,03-0,30........................................................... 25

0,3-3,0.............................................................. 15

3-30.................................................................. 10

30-300............................................................... 3*

300-300000...................................................... 10

* Förutom TV-stationer, vars fjärrkontroller är differentierade enligt

beroende på frekvensen från 2,5 till 5 V/m.

Antalet enheter som arbetar inom radiofrekvensområdet inkluderar videoskärmar av persondatorterminaler. Nu för tiden personliga datorer(PC) används ofta i produktion, i vetenskaplig forskning, i medicinska institutioner, hemma, på universitet, skolor och till och med förskolor. När de används i produktionen av datorer, beroende på tekniska uppgifter, kan de påverka människokroppen under lång tid (inom en arbetsdag). PÅ levnadsvillkor PC-användningstiden är i allmänhet utom kontroll.

För PC-videodisplayterminaler (VDT) är följande EMI-fjärrkontroller installerade (SanPiN 2.2.2.542-96 “Hygieniska krav för videodisplayterminaler, personliga elektroniska datorer och arbetsorganisation”) - tabell. 5.12.

Tabell 5.12. Högsta tillåtna nivåer av EMP som genereras av VDT