หัวข้อ ใช้ตัวเข้ารหัส : อันตรกิริยาของแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กของตัวนำกับกระแส

คุณสมบัติของแม่เหล็กของสสารเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วสำหรับผู้คนมาเป็นเวลานาน แม่เหล็กได้ชื่อมาจากเมืองโบราณของแมกนีเซีย: แร่ (ภายหลังเรียกว่าแร่เหล็กแม่เหล็กหรือแมกนีไทต์) แพร่หลายในบริเวณใกล้เคียงซึ่งชิ้นส่วนดึงดูดวัตถุเหล็ก

ปฏิกิริยาของแม่เหล็ก

แม่เหล็กแต่ละด้านอยู่ 2 ด้าน ขั้วโลกเหนือและ ขั้วโลกใต้. แม่เหล็กสองตัวถูกดึงดูดเข้าหากันโดยขั้วตรงข้ามและผลักกันด้วยขั้วที่เหมือนกัน แม่เหล็กสามารถทำหน้าที่ซึ่งกันและกันได้แม้ผ่านสุญญากาศ! ทั้งหมดนี้ชวนให้นึกถึงปฏิกิริยาของประจุไฟฟ้าอย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาของแม่เหล็กไม่ใช่ไฟฟ้า. นี่คือหลักฐานจากข้อเท็จจริงการทดลองต่อไปนี้

แรงแม่เหล็กจะอ่อนตัวลงเมื่อแม่เหล็กถูกทำให้ร้อน ความแรงของปฏิกิริยาของประจุจุดไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

แรงแม่เหล็กจะลดลงจากการเขย่าแม่เหล็ก ไม่มีอะไรคล้ายกันเกิดขึ้นกับร่างกายที่มีประจุไฟฟ้า

ประจุไฟฟ้าที่เป็นบวกสามารถแยกออกจากประจุลบได้ (เช่น เมื่อร่างกายถูกทำให้เป็นไฟฟ้า) แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกขั้วของแม่เหล็ก: หากคุณตัดแม่เหล็กออกเป็นสองส่วน ขั้วก็จะปรากฏขึ้นที่ตำแหน่งที่ตัดด้วย และแม่เหล็กจะแตกออกเป็นแม่เหล็กสองอันที่มีขั้วตรงข้ามกันที่ปลาย แบบเดียวกับขั้วแม่เหล็กเดิม)

ดังนั้นแม่เหล็ก เสมอไบโพลาร์มีอยู่ในรูปเท่านั้น ไดโพล. ขั้วแม่เหล็กแยก (เรียกว่า โมโนโพลแม่เหล็ก- ไม่มีแอนะล็อกของประจุไฟฟ้า) ในธรรมชาติ (ในกรณีใด ๆ พวกเขายังไม่ได้รับการตรวจพบการทดลอง) นี่อาจเป็นความไม่สมมาตรที่น่าประทับใจที่สุดระหว่างไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก

เช่นเดียวกับวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า แม่เหล็กจะทำหน้าที่เกี่ยวกับประจุไฟฟ้า อย่างไรก็ตามแม่เหล็กจะทำงานเฉพาะกับ ย้ายค่าใช้จ่าย; หากประจุหยุดนิ่งเมื่อเทียบกับแม่เหล็ก จะไม่มีแรงแม่เหล็กกระทำต่อประจุ ในทางตรงกันข้าม ร่างกายที่ใช้ไฟฟ้าจะทำหน้าที่เกี่ยวกับประจุใดๆ ไม่ว่าจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหวก็ตาม

ตามแนวคิดสมัยใหม่ของทฤษฎีการกระทำระยะสั้น ปฏิกิริยาของแม่เหล็กจะดำเนินการผ่าน สนามแม่เหล็ก กล่าวคือแม่เหล็กสร้างสนามแม่เหล็กในพื้นที่โดยรอบซึ่งทำหน้าที่กับแม่เหล็กอื่นและทำให้เกิดแรงดึงดูดหรือแรงผลักที่มองเห็นได้ของแม่เหล็กเหล่านี้

ตัวอย่างของแม่เหล็กคือ เข็มแม่เหล็กเข็มทิศ. ด้วยความช่วยเหลือของเข็มแม่เหล็ก เราสามารถตัดสินการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กในพื้นที่ที่กำหนดของพื้นที่ เช่นเดียวกับทิศทางของสนาม

โลกของเราเป็นแม่เหล็กขนาดยักษ์ ไม่ไกลจากขั้วโลกเหนือทางภูมิศาสตร์ของโลกคือขั้วแม่เหล็กใต้ ดังนั้นปลายด้านเหนือของเข็มทิศหันไปทางขั้วแม่เหล็กใต้ของโลกชี้ไปทางทิศเหนือทางภูมิศาสตร์ ดังนั้น อันที่จริง ชื่อ "ขั้วเหนือ" ของแม่เหล็กจึงเกิดขึ้น

เส้นสนามแม่เหล็ก

เราจำได้ว่าสนามไฟฟ้าได้รับการตรวจสอบโดยใช้ประจุทดสอบขนาดเล็กโดยการกระทำที่สามารถตัดสินขนาดและทิศทางของสนามได้ อะนาล็อกของประจุทดสอบในกรณีของสนามแม่เหล็กคือเข็มแม่เหล็กขนาดเล็ก

ตัวอย่างเช่น คุณสามารถรับแนวคิดทางเรขาคณิตของสนามแม่เหล็กได้ หากคุณวางใน จุดต่างๆช่องว่างเป็นเข็มเข็มทิศขนาดเล็กมาก ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าลูกศรจะเรียงกันเป็นแถว - ที่เรียกว่า เส้นสนามแม่เหล็ก. ให้เรากำหนดแนวคิดนี้ในรูปแบบ สามถัดไปคะแนน

1. เส้นของสนามแม่เหล็กหรือเส้นแรงแม่เหล็กเป็นเส้นตรงในอวกาศซึ่งมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้: เข็มเข็มทิศขนาดเล็กที่วางไว้ที่จุดแต่ละจุดของเส้นดังกล่าวจะถูกวางในแนวสัมผัสกับเส้นนี้.

2. ทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็กคือทิศทางของปลายด้านเหนือของเข็มทิศซึ่งอยู่ที่จุดของเส้นนี้.

3. ยิ่งเส้นหนาขึ้นเท่าใด สนามแม่เหล็กก็จะยิ่งแรงขึ้นในพื้นที่ที่กำหนด.

บทบาทของเข็มเข็มทิศสามารถทำได้สำเร็จโดยการตะไบเหล็ก: ในสนามแม่เหล็ก ตะไบเล็ก ๆ จะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและมีพฤติกรรมเหมือนกับเข็มแม่เหล็ก

เลยเอาตะไบเหล็กเทรอบๆ แม่เหล็กถาวรเราจะเห็นรูปแบบเส้นสนามแม่เหล็กโดยประมาณดังต่อไปนี้ (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. สนามแม่เหล็กถาวร

ขั้วเหนือของแม่เหล็กแสดงเป็นสีน้ำเงินและตัวอักษร ; ขั้วโลกใต้ - สีแดงและตัวอักษร โปรดทราบว่าเส้นสนามออกจากขั้วเหนือของแม่เหล็กและเข้าสู่ขั้วใต้ เนื่องจากเส้นจะชี้ไปที่ขั้วใต้ของแม่เหล็กที่ปลายด้านเหนือของเข็มทิศจะชี้

ประสบการณ์ของ Oersted

แม้ว่าไฟฟ้าและ ปรากฏการณ์แม่เหล็กเป็นที่รู้จักของคนมาตั้งแต่สมัยโบราณไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขา เป็นเวลานานไม่ได้สังเกต เป็นเวลาหลายศตวรรษ การวิจัยเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กดำเนินการควบคู่กันไปอย่างเป็นอิสระจากกัน

ข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งว่าปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กนั้นสัมพันธ์กันจริง ๆ ถูกค้นพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 2363 ในการทดลองที่มีชื่อเสียงของเออร์สเต็ด

แบบแผนของการทดลองของ Oersted แสดงในรูปที่ 2 (ภาพจาก rt.mipt.ru) เหนือเข็มแม่เหล็ก ( และ - ขั้วเหนือและใต้ของลูกศร) เป็นตัวนำโลหะที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายกระแสไฟ หากคุณปิดวงจร ลูกศรจะเปลี่ยนแนวตั้งฉากกับตัวนำ!
การทดลองง่ายๆ นี้ชี้ตรงถึงความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็ก การทดลองที่ทำตามประสบการณ์ของ Oersted ได้สร้างรูปแบบต่อไปนี้อย่างแน่นหนา: สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าและกระทำต่อกระแส.

ข้าว. 2. การทดลองของ Oersted

รูปภาพของเส้นสนามแม่เหล็กที่เกิดจากตัวนำที่มีกระแสขึ้นอยู่กับรูปร่างของตัวนำ

สนามแม่เหล็กของเส้นลวดตรงที่มีกระแส

เส้นสนามแม่เหล็กของเส้นลวดที่มีกระแสเป็นเส้นตรงเป็นวงกลมที่มีจุดศูนย์กลาง จุดศูนย์กลางของวงกลมเหล่านี้อยู่บนเส้นลวด และระนาบของวงกลมเหล่านี้ตั้งฉากกับเส้นลวด (รูปที่ 3)

ข้าว. 3. สนามของสายตรงที่มีกระแส

มีกฎทางเลือกสองข้อในการกำหนดทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็กกระแสตรง

กฎเข็มชั่วโมง. เมื่อดูเส้นสนามทวนเข็มนาฬิกาเพื่อให้กระแสไหลเข้าหาเรา.

กฎสกรู(หรือ กฎของกิมเล็ต, หรือ กฎเหล็กไขจุก- มันใกล้ชิดกับใครบางคน ;-)) เส้นสนามไปที่ที่ต้องหมุนสกรู (ที่มีเกลียวขวาแบบธรรมดา) เพื่อเคลื่อนไปตามเกลียวในทิศทางของกระแส.

ใช้กฎใดก็ได้ที่เหมาะกับคุณที่สุด ดีกว่าที่จะทำความคุ้นเคยกับกฎตามเข็มนาฬิกา - คุณจะเห็นเองในภายหลังว่ามันมีความเป็นสากลและใช้งานง่ายกว่า (แล้วจำไว้ด้วยความกตัญญูในปีแรกของคุณเมื่อคุณศึกษาเรขาคณิตวิเคราะห์)

ในรูป 3 สิ่งใหม่ๆ ก็ปรากฏขึ้นเช่นกัน นี่คือเวกเตอร์ที่เรียกว่า การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก, หรือ การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก. เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กเป็นแอนะล็อกของเวกเตอร์ความเข้ม สนามไฟฟ้า: เขาทำหน้าที่ ลักษณะอำนาจสนามแม่เหล็ก กำหนดแรงที่สนามแม่เหล็กกระทำต่อประจุที่เคลื่อนที่

เราจะพูดถึงแรงในสนามแม่เหล็กในภายหลัง แต่สำหรับตอนนี้ เราจะทราบเพียงว่าขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็กนั้นถูกกำหนดโดยเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ในแต่ละจุดในอวกาศ เวกเตอร์จะมุ่งไปในทิศทางเดียวกับปลายด้านเหนือของเข็มทิศที่วางไว้ ณ จุดนี้ กล่าวคือ สัมผัสกับเส้นสนามในทิศทางของเส้นนี้ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กวัดเป็น teslach(ทล.).

ในกรณีของสนามไฟฟ้า สำหรับการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก หลักการทับซ้อน. มันอยู่ในความจริงที่ว่า การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้น ณ จุดที่กำหนดโดยกระแสต่าง ๆ จะถูกเพิ่มด้วยเวกเตอร์และให้เวกเตอร์ที่เป็นผลลัพธ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก:.

สนามแม่เหล็กของขดลวดที่มีกระแส

ให้​เรา​พิจารณา​ม้วน​กลม​ที่​เวียน​อยู่​เรื่อย ๆ กระแสตรง.. เราไม่แสดงที่มาที่สร้างกระแสในรูป

รูปภาพของเส้นสนามของตาเราจะมีรูปแบบโดยประมาณดังต่อไปนี้ (รูปที่ 4)

ข้าว. 4. สนามของขดลวดกับกระแส

เป็นสิ่งสำคัญสำหรับเราที่จะสามารถกำหนดได้ว่าสนามแม่เหล็กมุ่งตรงไปยังพื้นที่ครึ่งหนึ่ง (เทียบกับระนาบของขดลวด) เรามีกฎทางเลือกสองข้อ

กฎเข็มชั่วโมง. เส้นสนามไปที่นั่นโดยมองจากที่ที่กระแสดูเหมือนจะหมุนเวียนทวนเข็มนาฬิกา.

กฎสกรู. เส้นสนามจะไปที่ที่สกรู (ที่มีเกลียวขวาแบบธรรมดา) จะเคลื่อนที่หากหมุนไปในทิศทางของกระแส.

อย่างที่คุณเห็น บทบาทของกระแสและภาคสนามจะกลับกัน - เมื่อเปรียบเทียบกับสูตรของกฎเหล่านี้สำหรับกรณีของกระแสตรง

สนามแม่เหล็กของขดลวดที่มีกระแส

ม้วนจะกลายเป็นถ้าแน่นขดเป็นม้วนให้ม้วนลวดเป็นเกลียวยาวพอสมควร (รูปที่ 5 - รูปภาพจากเว็บไซต์ en.wikipedia.org) ขดลวดอาจมีหลายสิบ หลายร้อย หรือหลายพันรอบ ขดลวดเรียกอีกอย่างว่า โซลินอยด์.

ข้าว. 5. คอยล์ (โซลินอยด์)

อย่างที่เราทราบสนามแม่เหล็กของการหมุนครั้งเดียวนั้นดูไม่ง่ายนัก ฟิลด์? การหมุนของขดลวดแต่ละอันซ้อนทับกันและดูเหมือนว่าผลลัพธ์ควรเป็นภาพที่สับสนมาก อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่กรณี: สนามของขดลวดยาวมีโครงสร้างที่เรียบง่ายอย่างไม่คาดคิด (รูปที่ 6)

ข้าว. 6. สนามคอยล์กับกระแส

ในรูปนี้ กระแสในขดลวดจะหมุนทวนเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากด้านซ้าย (ซึ่งจะเกิดขึ้นหากในรูปที่ 5 ปลายด้านขวาของขดลวดเชื่อมต่อกับ "บวก" ของแหล่งกำเนิดกระแส และปลายด้านซ้ายเป็น "ลบ") เราจะเห็นว่าสนามแม่เหล็กของขดลวดมีคุณสมบัติเฉพาะสองประการ

1. ภายในขดลวดห่างจากขอบสนามแม่เหล็กคือ เป็นเนื้อเดียวกัน: ในแต่ละจุด เวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะมีขนาดและทิศทางเท่ากัน เส้นสนามเป็นเส้นตรงขนานกัน พวกเขาโค้งงอเฉพาะใกล้ขอบของขดลวดเมื่อออกไป

2. นอกคอยล์สนามใกล้ศูนย์ ยิ่งขดลวดหมุนมากเท่าไร สนามภายนอกก็ยิ่งอ่อนลงเท่านั้น

โปรดทราบว่าขดลวดที่ยาวเป็นอนันต์ไม่ปล่อยสนามเลย: ไม่มีสนามแม่เหล็กนอกขดลวด ภายในขดลวดดังกล่าวสนามมีความสม่ำเสมอทุกหนทุกแห่ง

มันไม่ทำให้คุณนึกถึงอะไรเหรอ? ขดลวดเป็นคู่ขนาน "แม่เหล็ก" ของตัวเก็บประจุ คุณจำได้ว่าตัวเก็บประจุสร้างเนื้อเดียวกัน สนามไฟฟ้าซึ่งเส้นจะงอใกล้กับขอบของเพลตเท่านั้นและนอกตัวเก็บประจุสนามนั้นอยู่ใกล้กับศูนย์ ตัวเก็บประจุที่มีเพลตอนันต์ไม่ปล่อยสนามเลย และสนามจะมีความสม่ำเสมอในทุกที่ที่อยู่ภายใน

และตอนนี้ - ข้อสังเกตหลัก โปรดเปรียบเทียบรูปภาพของเส้นสนามแม่เหล็กภายนอกขดลวด (รูปที่ 6) กับเส้นสนามของแม่เหล็กในรูปที่ หนึ่ง . มันก็เหมือนกันไม่ใช่เหรอ? และตอนนี้เรามาถึงคำถามที่คุณอาจมีเมื่อนานมาแล้ว: หากสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยกระแสและกระทำกับกระแสแล้วอะไรเป็นสาเหตุของการปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กใกล้กับแม่เหล็กถาวร ท้ายที่สุดแล้ว แม่เหล็กนี้ดูเหมือนจะไม่ใช่ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า!

สมมติฐานของแอมแปร์ กระแสน้ำเบื้องต้น

ในตอนแรก คิดว่าปฏิกิริยาของแม่เหล็กเกิดจากประจุแม่เหล็กพิเศษที่กระจุกตัวที่ขั้ว แต่ต่างจากไฟฟ้า ไม่มีใครสามารถแยกประจุแม่เหล็กได้ ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะแยกขั้วแม่เหล็กเหนือและใต้ออกจากกัน - ขั้วนั้นมักมีอยู่ในแม่เหล็กเป็นคู่

ประสบการณ์ของ Oersted ทำให้เกิดความสงสัยเกี่ยวกับประจุแม่เหล็กมากขึ้น เมื่อปรากฎว่าสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้า ยิ่งกว่านั้นปรากฎว่าสำหรับแม่เหล็กใด ๆ สามารถเลือกตัวนำที่มีกระแสของการกำหนดค่าที่เหมาะสมได้ดังนั้นสนามของตัวนำนี้จึงเกิดขึ้นพร้อมกับสนามแม่เหล็ก

แอมแปร์หยิบยกสมมติฐานที่เป็นตัวหนา ไม่มีประจุแม่เหล็ก การกระทำของแม่เหล็กอธิบายได้ด้วยกระแสไฟฟ้าที่ปิดอยู่ภายใน.

กระแสเหล่านี้คืออะไร? เหล่านี้ กระแสน้ำเบื้องต้นหมุนเวียนภายในอะตอมและโมเลกุล เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอม สนามแม่เหล็กของวัตถุใด ๆ ประกอบด้วยสนามแม่เหล็กของกระแสพื้นฐานเหล่านี้

กระแสน้ำเบื้องต้นสามารถสุ่มหาได้สัมพันธ์กัน จากนั้นสนามของพวกมันจะหักล้างกันและร่างกายก็ไม่แสดงคุณสมบัติของแม่เหล็ก

แต่ถ้ามีการประสานกันของกระแสน้ำเบื้องต้นแล้วทุ่งของพวกมันก็รวมกันเสริมกำลังซึ่งกันและกัน ร่างกายกลายเป็นแม่เหล็ก (รูปที่ 7 สนามแม่เหล็กจะพุ่งเข้าหาเรา ขั้วเหนือของแม่เหล็กจะพุ่งเข้าหาเราด้วย)

ข้าว. 7. กระแสแม่เหล็กเบื้องต้น

สมมติฐานของแอมแปร์เกี่ยวกับกระแสเบื้องต้นทำให้คุณสมบัติของแม่เหล็กกระจ่างขึ้น การให้ความร้อนและการเขย่าแม่เหล็กจะทำลายการจัดเรียงของกระแสเบื้องต้นและคุณสมบัติของแม่เหล็กก็อ่อนลง การแยกตัวออกจากขั้วแม่เหล็กนั้นชัดเจน: ตรงจุดที่แม่เหล็กถูกตัด เราจะได้กระแสพื้นฐานแบบเดียวกันที่ปลาย ความสามารถของวัตถุที่จะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กนั้นอธิบายได้จากการจัดแนวประสานของกระแสเบื้องต้นที่ "หมุน" อย่างถูกต้อง (อ่านเกี่ยวกับการหมุนของกระแสวงกลมในสนามแม่เหล็กในแผ่นถัดไป)

สมมติฐานของแอมแปร์กลับกลายเป็นว่าถูกต้อง - มันแสดงให้เห็น พัฒนาต่อไปฟิสิกส์. แนวความคิดเกี่ยวกับกระแสน้ำเบื้องต้นได้กลายเป็นส่วนสำคัญของทฤษฎีอะตอม ซึ่งพัฒนาขึ้นในศตวรรษที่ 20 เกือบร้อยปีหลังจากการคาดเดาอันยอดเยี่ยมของ Ampère

มาทำความเข้าใจกันว่าสนามแม่เหล็กคืออะไร ท้ายที่สุดแล้ว หลายคนอาศัยอยู่ในสนามแห่งนี้มาทั้งชีวิตและไม่ได้คิดถึงเรื่องนี้เลย ถึงเวลาแก้ไข!

สนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็ก – ชนิดพิเศษเรื่อง. มันแสดงให้เห็นในการกระทำของประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่และวัตถุที่มีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเอง (แม่เหล็กถาวร)

สำคัญ: สนามแม่เหล็กไม่ทำปฏิกิริยากับประจุคงที่! สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นด้วยการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า หรือโดยสนามไฟฟ้าที่แปรตามเวลา หรือโดยโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนในอะตอม นั่นคือลวดใดๆ ที่กระแสไหลผ่านก็จะกลายเป็นแม่เหล็กเช่นกัน!

วัตถุที่มีสนามแม่เหล็กเป็นของตัวเอง

แม่เหล็กมีขั้วที่เรียกว่าทิศเหนือและทิศใต้ การกำหนด "ภาคเหนือ" และ "ภาคใต้" ให้ไว้เพื่อความสะดวกเท่านั้น (เป็นไฟฟ้า "บวก" และ "ลบ")

สนามแม่เหล็กแสดงโดย เส้นแรงแม่เหล็ก. เส้นแรงต่อเนื่องและปิด และทิศทางของมันสอดคล้องกับทิศทางของกองกำลังภาคสนามเสมอ หากเศษโลหะกระจัดกระจายรอบแม่เหล็กถาวร อนุภาคโลหะจะแสดงภาพเส้นสนามแม่เหล็กที่โผล่ออกมาจากทิศเหนือและเข้าสู่ขั้วใต้อย่างชัดเจน ลักษณะกราฟิกของสนามแม่เหล็ก - เส้นแรง

ลักษณะของสนามแม่เหล็ก

ลักษณะสำคัญของสนามแม่เหล็กคือ การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก, สนามแม่เหล็กและ การซึมผ่านของแม่เหล็ก. แต่มาพูดถึงทุกอย่างตามลำดับ

ทันทีที่เราทราบว่าหน่วยการวัดทั้งหมดจะได้รับในระบบ SI.

การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บี – เวกเตอร์ ปริมาณทางกายภาพซึ่งเป็นลักษณะกำลังหลักของสนามแม่เหล็ก เขียนแทนด้วยตัวอักษร บี . หน่วยวัดการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก - เทสลา (Tl).

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กบ่งชี้ว่าสนามมีความแรงเพียงใดโดยการพิจารณาแรงที่มันกระทำต่อประจุ พลังนี้เรียกว่า ลอเรนซ์ ฟอร์ซ.

ที่นี่ q - ค่าใช้จ่าย, วี - ความเร็วในสนามแม่เหล็ก บี - การเหนี่ยวนำ F คือแรงลอเรนซ์ที่สนามกระทำต่อประจุ

F- ปริมาณทางกายภาพที่เท่ากับผลคูณของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กโดยพื้นที่ของรูปร่างและโคไซน์ระหว่างเวกเตอร์การเหนี่ยวนำและค่าปกติกับระนาบของรูปร่างที่ไหลผ่าน สนามแม่เหล็ก- ลักษณะสเกลาร์ของสนามแม่เหล็ก

เราสามารถพูดได้ว่าฟลักซ์แม่เหล็กเป็นตัวกำหนดจำนวนเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เจาะพื้นที่หนึ่งหน่วย ฟลักซ์แม่เหล็กวัดเป็น เวเบอรัค (WB).

การซึมผ่านของแม่เหล็กคือสัมประสิทธิ์ที่กำหนดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวกลาง หนึ่งในพารามิเตอร์ที่การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามขึ้นอยู่กับการซึมผ่านของแม่เหล็ก

โลกของเราเป็นแม่เหล็กขนาดใหญ่มาหลายพันล้านปีแล้ว การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กโลกแตกต่างกันไปตามพิกัด ที่เส้นศูนย์สูตร มันคือประมาณ 3.1 คูณ 10 กำลังลบกำลังห้าของเทสลา นอกจากนี้ยังมีความผิดปกติทางแม่เหล็กซึ่งค่าและทิศทางของสนามแตกต่างอย่างมากจากพื้นที่ใกล้เคียง หนึ่งในความผิดปกติทางแม่เหล็กที่ใหญ่ที่สุดในโลก - Kurskและ ความผิดปกติของแม่เหล็กบราซิล.

ต้นกำเนิดของสนามแม่เหล็กโลกยังคงเป็นปริศนาสำหรับนักวิทยาศาสตร์ สันนิษฐานว่าแหล่งกำเนิดของสนามคือแกนโลหะเหลวของโลก แกนกลางกำลังเคลื่อนที่ ซึ่งหมายความว่าโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลที่หลอมเหลวกำลังเคลื่อนที่ และการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุคือสิ่งที่เป็นอยู่ ไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ปัญหาคือว่าทฤษฎีนี้ จีโอไดนาโม) ไม่ได้อธิบายว่าสนามมีความเสถียรอย่างไร

โลกเป็นไดโพลแม่เหล็กขนาดใหญ่ขั้วแม่เหล็กไม่ตรงกับเสาที่ตั้งทางภูมิศาสตร์แม้ว่าจะอยู่ใกล้กันก็ตาม นอกจากนี้ ขั้วแม่เหล็กของโลกกำลังเคลื่อนที่ การกระจัดของพวกเขาได้รับการบันทึกตั้งแต่ปี พ.ศ. 2428 ตัวอย่างเช่น ในช่วงร้อยปีที่ผ่านมา ขั้วแม่เหล็กในซีกโลกใต้ได้เคลื่อนตัวไปเกือบ 900 กิโลเมตร และขณะนี้อยู่ในมหาสมุทรใต้ ขั้วโลกของซีกโลกอาร์กติกกำลังเคลื่อนตัวข้ามมหาสมุทรอาร์กติกไปยังความผิดปกติทางแม่เหล็กของไซบีเรียตะวันออก ความเร็วของการเคลื่อนที่ (ตามข้อมูลในปี 2547) อยู่ที่ประมาณ 60 กิโลเมตรต่อปี ขณะนี้มีการเร่งความเร็วของการเคลื่อนที่ของเสา - โดยเฉลี่ยแล้วความเร็วเพิ่มขึ้น 3 กิโลเมตรต่อปี

ความสำคัญของสนามแม่เหล็กโลกสำหรับเราคืออะไร?ประการแรก สนามแม่เหล็กของโลกปกป้องโลกจากรังสีคอสมิกและลมสุริยะ อนุภาคที่มีประจุจากห้วงอวกาศจะไม่ตกลงสู่พื้นโดยตรง แต่ถูกแม่เหล็กขนาดยักษ์เบี่ยงเบนไปและเคลื่อนที่ไปตามเส้นแรงของมัน ดังนั้นสิ่งมีชีวิตทั้งหมดจึงได้รับการปกป้องจากรังสีที่เป็นอันตราย

ในช่วงประวัติศาสตร์ของโลก มีอยู่หลายครั้ง ผกผัน(การเปลี่ยนแปลง) ของขั้วแม่เหล็ก การผกผันของเสาคือเมื่อพวกเขาเปลี่ยนสถานที่ ครั้งสุดท้ายที่ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 800,000 ปีก่อน และประวัติศาสตร์ของโลกมีการพลิกกลับของ geomagnetic มากกว่า 400 ครั้ง นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่าด้วยการเร่งความเร็วที่สังเกตได้ของการเคลื่อนที่ของขั้วแม่เหล็ก การกลับขั้วครั้งต่อไปควรเป็น คาดว่าในอีกสองสามพันปีข้างหน้า

โชคดีที่ไม่คาดว่าจะมีการพลิกกลับของขั้วในศตวรรษของเรา ดังนั้นคุณสามารถนึกถึงความรื่นรมย์และสนุกกับชีวิตในสนามคงที่เก่าที่ดีของโลกโดยพิจารณาคุณสมบัติหลักและลักษณะเฉพาะของสนามแม่เหล็ก และเพื่อให้คุณสามารถทำได้ มีผู้เขียนของเรา ซึ่งคุณสามารถมอบส่วนหนึ่งของปัญหาการศึกษาด้วยความมั่นใจในความสำเร็จ! และงานประเภทอื่นๆ สามารถสั่งซื้อได้ที่ลิงค์

เส้นสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็ก เช่นเดียวกับสนามไฟฟ้า สามารถแสดงเป็นกราฟได้โดยใช้เส้นแรง เส้นสนามแม่เหล็กหรือเส้นเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กคือเส้นสัมผัสที่แต่ละจุดตรงกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก

เอ)	ข)	ใน)

ข้าว. 1.2. เส้นแรงของสนามแม่เหล็กกระแสตรง (a)

กระแสไฟแบบวงกลม (b), โซลินอยด์ (c)

เส้นแรงแม่เหล็กเช่นเส้นไฟฟ้าไม่ตัดกัน พวกมันถูกดึงด้วยความหนาแน่นจนจำนวนเส้นที่ตัดกับพื้นผิวของหน่วยตั้งฉากกับพวกมันในแนวตั้งฉากกับพวกมันเท่ากับ (หรือสัดส่วนกับ) ขนาดของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กในสถานที่ที่กำหนด

ในรูป 1.2 เอเส้นแรงของสนามกระแสตรงจะปรากฏขึ้นซึ่งเป็นวงกลมศูนย์กลางซึ่งจุดศูนย์กลางอยู่ที่แกนปัจจุบันและทิศทางถูกกำหนดโดยกฎของสกรูขวา (กระแสในตัวนำจะถูกส่งไปยัง ผู้อ่าน)

เส้นของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสามารถ "แสดง" ได้โดยใช้ตะไบเหล็กที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในสนามภายใต้การศึกษาและทำตัวเหมือนเข็มแม่เหล็กขนาดเล็ก ในรูป 1.2 ขแสดงเส้นแรงของสนามแม่เหล็กของกระแสวงกลม สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์แสดงในรูปที่ 1.2 ใน.

เส้นแรงของสนามแม่เหล็กถูกปิด สนามที่มีเส้นแรงปิดเรียกว่า กระแสน้ำวน. เห็นได้ชัดว่าสนามแม่เหล็กเป็นสนามกระแสน้ำวน นี่คือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสนามแม่เหล็กกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสถิต

ในสนามไฟฟ้าสถิต เส้นแรงเปิดอยู่เสมอ โดยเริ่มต้นและสิ้นสุดที่ ค่าไฟฟ้า. เส้นแรงแม่เหล็กไม่มีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด สิ่งนี้สอดคล้องกับความจริงที่ว่าไม่มีประจุแม่เหล็กในธรรมชาติ

1.4. กฎหมาย Biot-Savart-Laplace

นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส J. Biot และ F. Savard ในปี 1820 ได้ทำการศึกษาสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสน้ำที่ไหลผ่านเส้นลวดเส้นเล็ก รูปทรงต่างๆ. Laplace วิเคราะห์ข้อมูลการทดลองที่ได้รับจาก Biot และ Savart และสร้างความสัมพันธ์ที่เรียกว่ากฎหมาย Biot–Savart–Laplace

ตามกฎหมายนี้ การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กของกระแสใดๆ สามารถคำนวณเป็นผลรวมเวกเตอร์ (การซ้อน) ของการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยส่วนเบื้องต้นแต่ละส่วนของกระแส สำหรับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามที่สร้างขึ้นโดยองค์ประกอบปัจจุบันที่มีความยาว Laplace ได้สูตร:

, (1.3)

โดยที่เวกเตอร์คือโมดูโลเท่ากับความยาวขององค์ประกอบตัวนำและสอดคล้องกับทิศทางของกระแส (รูปที่ 1.3) คือเวกเตอร์รัศมีที่ลากจากองค์ประกอบไปยังจุดที่ ; คือ โมดูลัสของเวกเตอร์รัศมี

เมื่อประมาณสองพันห้าร้อยปีที่แล้ว มีคนค้นพบว่า หินธรรมชาติมีความสามารถในการดึงดูดธาตุเหล็ก คุณสมบัตินี้อธิบายได้จากการปรากฏตัวของวิญญาณที่มีชีวิตในหินเหล่านี้และ "ความรัก" ที่มีต่อเหล็ก

วันนี้เรารู้แล้วว่าหินเหล่านี้คือ แม่เหล็กธรรมชาติและสนามแม่เหล็กซึ่งไม่ใช่ตำแหน่งพิเศษของเตารีดเลยทำให้เกิดเอฟเฟกต์เหล่านี้ สนามแม่เหล็กคือสสารชนิดพิเศษที่แตกต่างจากสสารและมีอยู่รอบๆ ตัวแม่เหล็ก

แม่เหล็กถาวร

แม่เหล็กธรรมชาติหรือแม่เหล็กไม่แรงมาก คุณสมบัติของแม่เหล็ก. แต่มนุษย์ได้เรียนรู้ที่จะสร้างแม่เหล็กประดิษฐ์ที่มีความเข้มของสนามแม่เหล็กมากขึ้น พวกเขาทำจากโลหะผสมพิเศษและถูกดึงดูดโดยสนามแม่เหล็กภายนอก หลังจากนั้น คุณสามารถใช้มันได้ด้วยตัวเอง

เส้นสนามแม่เหล็ก

แม่เหล็กใด ๆ มีสองขั้วเรียกว่าขั้วเหนือและขั้วใต้ ที่ขั้วความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กจะสูงสุด แต่ระหว่างขั้วทั้งสอง สนามแม่เหล็กก็ตั้งอยู่โดยพลการไม่ได้เช่นกัน แต่อยู่ในรูปแบบของแถบหรือเส้น เรียกว่าเส้นสนามแม่เหล็ก การตรวจจับนั้นค่อนข้างง่าย - เพียงแค่วางตะไบเหล็กที่กระจัดกระจายในสนามแม่เหล็กแล้วเขย่าเล็กน้อย พวกมันจะไม่ถูกระบุตำแหน่งโดยพลการ แต่จะเกิดอย่างที่เป็นอยู่ รูปแบบของเส้นที่เริ่มต้นที่ขั้วหนึ่งและสิ้นสุดที่อีกขั้วหนึ่ง เส้นเหล่านี้มาจากขั้วหนึ่งและเข้าสู่อีกขั้วหนึ่ง

ตะไบเหล็กในสนามแม่เหล็กนั้นถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและวางตามแนวแรงแม่เหล็ก นี่คือวิธีการทำงานของเข็มทิศ โลกของเราเป็นแม่เหล็กขนาดใหญ่ เข็มเข็มทิศจับสนามแม่เหล็กของโลกและหมุนไปตามเส้นแรง โดยปลายด้านหนึ่งชี้ไปที่ขั้วแม่เหล็กเหนือ อีกด้านหนึ่งไปทางทิศใต้ ขั้วแม่เหล็กของโลกอยู่นอกภูมิศาสตร์เล็กน้อย แต่เมื่อเดินทางออกจากขั้ว สิ่งนี้ไม่ สำคัญไฉนและเราถือว่าพวกมันเหมือนกัน

แม่เหล็กแปรผัน

ขอบเขตของแม่เหล็กในสมัยของเรานั้นกว้างมาก สามารถพบได้ในมอเตอร์ไฟฟ้า โทรศัพท์ ลำโพง วิทยุ แม้แต่ในทางการแพทย์ ตัวอย่างเช่น เมื่อคนกลืนเข็มหรือวัตถุที่เป็นเหล็ก ก็สามารถเอาออกได้โดยไม่ต้องผ่าตัดด้วยหัววัดแม่เหล็ก

> เส้นสนามแม่เหล็ก

วิธีการตรวจสอบ เส้นสนามแม่เหล็ก: แผนภาพความแรงและทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็ก โดยใช้เข็มทิศกำหนดขั้วแม่เหล็ก วาด

เส้นสนามแม่เหล็กมีประโยชน์สำหรับการแสดงความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กด้วยสายตา

ภารกิจการเรียนรู้

• สัมพันธ์ความแรงของสนามแม่เหล็กกับความหนาแน่นของเส้นสนามแม่เหล็ก

ประเด็นสำคัญ

• ทิศทางของสนามแม่เหล็กจะแสดงเข็มเข็มทิศที่สัมผัสเส้นสนามแม่เหล็ก ณ จุดใดๆ ที่ระบุ
• ความแรงของสนาม B จะแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างเส้น เป็นสัดส่วนที่แน่นอนกับจำนวนเส้นต่อหน่วยพื้นที่ เส้นหนึ่งไม่เคยข้ามอีกเส้นหนึ่ง
• สนามแม่เหล็กมีเอกลักษณ์เฉพาะในทุกจุดในอวกาศ
• เส้นจะไม่ถูกขัดจังหวะและสร้างลูปปิด
• เส้นที่ทอดยาวจากขั้วโลกเหนือไปขั้วโลกใต้

เงื่อนไข

• เส้นสนามแม่เหล็กคือการแสดงภาพขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็ก
• B-field เป็นคำพ้องความหมายสำหรับสนามแม่เหล็ก

เส้นสนามแม่เหล็ก

เมื่อตอนเป็นเด็ก อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ถูกกล่าวขานว่าชอบดูเข็มทิศ โดยคิดว่าเข็มรู้สึกอย่างไรเมื่อไม่มีการสัมผัสทางร่างกายโดยตรง การคิดอย่างลึกซึ้งและความสนใจอย่างจริงจัง นำไปสู่ความจริงที่ว่าเด็กโตขึ้นและสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพปฏิวัติของเขา

เนื่องจากแรงแม่เหล็กส่งผลต่อระยะทาง เราจึงคำนวณสนามแม่เหล็กเพื่อเป็นตัวแทนของแรงเหล่านี้ กราฟิกแบบเส้นมีประโยชน์ในการแสดงภาพความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็ก การยืดตัวของเส้นแสดงถึงทิศทางทิศเหนือของเข็มเข็มทิศ สนามแม่เหล็กเรียกว่าสนามบี

(a) - หากใช้เข็มทิศขนาดเล็กเพื่อเปรียบเทียบสนามแม่เหล็กรอบแท่งแม่เหล็ก จะแสดง ทิศทางที่ถูกต้องจากขั้วโลกเหนือไปใต้ (b) - การเพิ่มลูกศรสร้าง เส้นต่อเนื่องสนามแม่เหล็ก. ความแข็งแรงเป็นสัดส่วนกับความใกล้ชิดของเส้น (c) - หากตรวจสอบด้านในของแม่เหล็กได้ เส้นจะแสดงเป็นวงปิด

ไม่มีอะไรยากในการจับคู่สนามแม่เหล็กของวัตถุ ขั้นแรก คำนวณความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กที่ตำแหน่งต่างๆ ทำเครื่องหมายจุดเหล่านี้ด้วยเวกเตอร์ที่ชี้ไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กในพื้นที่ด้วยขนาดที่แปรผันตามความแรงของมัน คุณสามารถรวมลูกศรและสร้างเส้นสนามแม่เหล็กได้ ทิศทาง ณ จุดใดๆ จะขนานกับทิศทางของเส้นสนามที่ใกล้ที่สุด และความหนาแน่นในพื้นที่สามารถแปรผันตามความแรงได้

เส้นแรงของสนามแม่เหล็กคล้ายกับเส้นชั้นความสูงบน แผนที่ภูมิประเทศเพราะพวกเขาแสดงบางสิ่งอย่างต่อเนื่อง กฎของสนามแม่เหล็กหลายข้อสามารถกำหนดเงื่อนไขง่ายๆ ได้ เช่น จำนวนเส้นสนามผ่านพื้นผิว

ทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็ก แทนด้วยการจัดตำแหน่งตะไบเหล็กบนกระดาษที่วางอยู่เหนือแท่งแม่เหล็ก

ปรากฏการณ์ต่างๆ ส่งผลต่อการแสดงเส้น ตัวอย่างเช่น ตะไบเหล็กบนเส้นสนามแม่เหล็กจะสร้างเส้นที่สอดคล้องกับเส้นแม่เหล็ก พวกเขายังแสดงด้วยสายตาในแสงออโรร่า

เข็มทิศขนาดเล็กที่ส่งเข้าไปในสนามจะวางขนานกับเส้นสนามโดยที่ขั้วโลกเหนือชี้ไปที่ B

วงเวียนขนาดเล็กสามารถใช้เพื่อแสดงฟิลด์ (a) - สนามแม่เหล็กของวงจรกระแสไฟแบบวงกลมคล้ายกับสนามแม่เหล็ก (b) - เส้นลวดที่ยาวและตรงก่อให้เกิดสนามที่มีเส้นสนามแม่เหล็กสร้างวงเป็นวงกลม (c) - เมื่อเส้นลวดอยู่ในระนาบของกระดาษ สนามจะปรากฏในแนวตั้งฉากกับกระดาษ สังเกตว่าสัญลักษณ์ใดที่ใช้สำหรับกล่องที่ชี้เข้าและออก

การศึกษารายละเอียดของสนามแม่เหล็กช่วยให้ได้กฎที่สำคัญหลายประการ:

• ทิศทางของสนามแม่เหล็กสัมผัสกับเส้นสนาม ณ จุดใด ๆ ในอวกาศ
• ความแรงของสนามเป็นสัดส่วนกับระยะใกล้ของเส้น เป็นสัดส่วนที่แน่นอนกับจำนวนเส้นต่อหน่วยพื้นที่
• เส้นของสนามแม่เหล็กไม่เคยชนกัน ซึ่งหมายความว่า ณ จุดใด ๆ ในอวกาศ สนามแม่เหล็กจะมีลักษณะเฉพาะ
• เส้นยังคงต่อเนื่องและติดตามจากขั้วโลกเหนือไปยังขั้วโลกใต้

กฎข้อสุดท้ายอยู่บนพื้นฐานของความจริงที่ว่าไม่สามารถแยกเสา และนี่แตกต่างจากเส้นสนามไฟฟ้าซึ่งจุดสิ้นสุดและจุดเริ่มต้นถูกทำเครื่องหมายด้วยประจุบวกและลบ