Що таке магнітне поле визначення. Магнітне поле, його властивості та характеристики

Давайте разом розумітися на тому, що таке магнітне поле. Адже багато людей живуть у цьому полі все життя і навіть не замислюються над ним. Час це виправити!

Магнітне поле

Магнітне поле – особливий видматерії. Воно проявляється у дії на які рухаються електричні зарядиі тіла, які мають власний магнітний момент (постійні магніти).

Важливо: на нерухомі заряди магнітне поле діє! Створюється магнітне поле також рухомими електричними зарядами, або електричним полем, що змінюється в часі, або магнітними моментами електронів в атомах. Тобто будь-який провід, яким тече струм, стає також і магнітом!

Тіло, що має власне магнітне поле.

Магніт має полюси, звані північним і південним. Позначення "північний" та "південний" дано лише для зручності (як "плюс" та "мінус" в електриці).

Магнітне поле зображається за допомогою силових магнітних ліній . Силові лінії безперервні і замкнуті, які напрям завжди збігається з напрямом дії сил поля. Якщо навколо постійного магніту розсипати металеву стружку, то частинки металу покажуть наочну картину силових ліній. магнітного поля, що виходять з північного та входять до південного полюса. Графічна характеристика магнітного поля силові лінії.

Характеристики магнітного поля

Основними характеристиками магнітного поля є магнітна індукція, магнітний потікі магнітна проникність. Але давайте про все по порядку.

Відразу зазначимо, що всі одиниці виміру наводяться у системі СІ.

Магнітна індукція B - Векторна фізична величина, що є основною силовою характеристикою магнітного поля. Позначається буквою B . Одиниця виміру магнітної індукції – Тесла (Тл).

Магнітна індукція показує, наскільки сильним є поле, визначаючи силу, з якою воно діє на заряд. Ця сила називається силою Лоренця.

Тут q - Заряд, v - його швидкість у магнітному полі, B - індукція, F - сила Лоренца, з якою поле діє заряд.

Ф– фізична величина, що дорівнює добутку магнітної індукції на площу контуру та косинус між вектором індукції та нормаллю до площини контуру, через який проходить потік. Магнітний потік – скалярна характеристика магнітного поля.

Можна сказати, що магнітний потік характеризує кількість ліній магнітної індукції, що пронизують одиницю площі. Магнітний потік вимірюється в Веберах (Вб).

Магнітна проникність- Коефіцієнт, що визначає магнітні властивості середовища. Одним із параметрів, від яких залежить магнітна індукція поля, є магнітна проникність.

Наша планета протягом кількох мільярдів років є величезним магнітом. Індукція магнітного поля Землі змінюється в залежності від координат. На екваторі вона дорівнює приблизно 3,1 на 10 мінус п'ятого ступеня Тесла. До того ж існують магнітні аномалії, де значення та напрямок поля суттєво відрізняються від сусідніх областей. Одні з найбільших магнітних аномалій на планеті Курськаі Бразильська магнітні аномалії.

Походження магнітного поля Землі досі залишається загадкою для вчених. Передбачається, що джерелом поля є рідке металеве ядро ​​Землі. Ядро рухається, отже, рухається розплавлений залізо-нікелевий сплав, а рух заряджених частинок - це і є електричний струм, що породжує магнітне поле. Проблема в тому, що ця теорія ( геодинамо) не пояснює того, як поле зберігається стійким.

Земля – величезний магнітний диполь.Магнітні полюси не збігаються з географічними, хоч і перебувають у безпосередній близькості. Більше того, магнітні полюси Землі рухаються. Їхнє зміщення реєструється з 1885 року. Наприклад, за останні сто років магнітний полюс у Південній півкулі змістився майже на 900 кілометрів і зараз перебуває у Південному океані. Полюс арктичної півкулі рухається через Північний Льодовитий океан до Східно-Сибірської магнітної аномалії, швидкість його пересування (за даними 2004 року) склала близько 60 кілометрів на рік. Наразі спостерігається прискорення руху полюсів – у середньому швидкість зростає на 3 кілометри на рік.

Яким є значення магнітного поля Землі для нас?Насамперед магнітне поле Землі захищає планету від космічних променів та сонячного вітру. Заряджені частинки далекого космосу не падають прямо на землю, а відхиляються гігантським магнітом і рухаються вздовж його силових ліній. Таким чином, все живе виявляється захищеним від згубної радіації.

За історію Землі відбувалося кілька інверсій(Змін) магнітних полюсів. Інверсія полюсів- Це коли вони міняються місцями. Останній раз це явище сталося близько 800 тисяч років тому, а всього геомагнітних інверсій в історії Землі було більше 400. Деякі вчені вважають, що з урахуванням прискорення руху магнітних полюсів наступної інверсії полюсів слід очікувати в найближчі пару тисяч років.

На щастя, у нашому столітті зміни полюсів поки що не очікується. А значить, можна думати про приємне і насолоджуватися життям у старому доброму постійному полі Землі, розглянувши основні властивості та характеристики магнітного поля. А щоб Ви могли це робити, існують наші автори, яким можна з впевненістю в успіху доручити частину навчальних турбот! та інші типи робіт ви можете замовити за посиланням.

Про магнітне поле ми ще пам'ятаємо зі школи, ось щойно воно є, “спливає” у спогадах не в кожного. Давайте освіжимо те, що проходили, а можливо, розповімо щось нове, корисне та цікаве.

Визначення магнітного поля

Магнітним полем називають силове поле, яке впливає на електричні заряди (частки), що рухаються. Завдяки цьому силовому полю предмети притягуються одна до одної. Розрізняють два види магнітних полів:

1. Гравітаційне – формується виключно поблизу елементарних частинокі вірується у своїй силі виходячи з особливостей та будови цих частинок.
2. Динамічне, виробляється в предметах з електрозарядами, що рухаються (передавачі струму, намагнічені речовини).

Вперше позначення магнітного поля було запроваджено М.Фарадеем в 1845 року, правда значення його було трохи помилково, оскільки вважалося, як і електричне, і магнітне вплив і взаємодія здійснюється з одного й того матеріального поля. Пізніше 1873 року, Д.Максвелл “презентував” квантову теорію, у якій ці поняття стали розділяти, а раніше виведене силове полі назвали електромагнітним полем.

Як утворюється магнітне поле?

Не сприймаються людським оком магнітні поля різних предметів, а зафіксувати його можуть лише спеціальні датчики. Джерелом появи магнітного силового поля в мікроскопічному масштабі є рух намагнічених (заряджених) мікрочастинок, якими виступають:

• іони;
• електрони;
• протони.

Їх рух відбувається завдяки спіновому магнітному моменту, який є у кожної мікрочастинки.

Магнітне поле, де його можна знайти?

Як би дивно це не звучало, але майже всі навколишні предмети мають власне магнітне поле. Хоча у понятті багатьох магнітне поле є лише у камінчика під назвою магніт, який притягує до себе залізні предмети. Насправді, сила тяжіння є у всіх предметах, тільки проявляється вона у меншій валентності.

Також слід уточнити, що силове поле, яке називається магнітним, з'являється лише за умови, що електричні заряди або тіла рухаються.

Нерухомі заряди мають електричне силове поле (воно може бути присутнім і в зарядах, що рухаються). Виходить, що джерелами магнітного поля є:

• постійні магніти;
• рухомі заряди.

Магнітне полеце матерія, що виникає довкола джерел електричного струму, а також навколо постійних магнітів. У просторі магнітне поле відображається як злягання сил, які здатні вплинути на намагнічені тіла. Ця дія пояснюється наявністю рушійних розрядів на молекулярному рівні.

Магнітне поле формується лише навколо електричних зарядів, що перебувають у русі. Саме тому магнітне та електричне полеє, невід'ємними та разом формують електромагнітне поле. Компоненти магнітного поля взаємопов'язані та впливають один на одного, змінюючи свої властивості.

Властивості магнітного поля:
1. Магнітне поле виникає під вплив рушійних зарядів електричного струму.
2. У будь-якій своїй точці магнітне поле характеризується вектором фізичної величинипід назвою магнітна індукціяяка є силовою характеристикою магнітного поля.
3. Магнітне поле може впливати тільки на магніти, на струмопровідні провідники та заряди, що рухаються.
4. Магнітне поле може бути постійного та змінного типу
5. Магнітне поле вимірюється лише спеціальними приладами і може бути сприйнятим органами чуття людини.
6. Магнітне поле є електродинамічним, оскільки породжується тільки при русі заряджених частинок і впливає тільки на заряди, що знаходяться в русі.
7. Заряджені частинки рухаються перпендикулярною траєкторією.

Розмір магнітного поля залежить від швидкості зміни магнітного поля. Відповідно до цієї ознаки існують два види магнітного поля: динамічне магнітне полеі гравітаційне магнітне поле. Гравітаційне магнітне полевиникає лише поблизу елементарних частинок і формується залежно від особливостей будови цих частинок.

Магнітний моментвиникає в тому випадку, коли магнітне поле впливає на струмопровідну раму. Іншими словами, магнітний момент це вектор, який розташований на ту лінію, яка йде перпендикулярно до рами.

Магнітне поле можна зобразити графічноза допомогою магнітних силових ліній. Ці лінії проводяться в такому напрямку, так щоб напрямок сил поля співпав з напрямком самої силової лінії. Магнітні силові лінії є безперервними та замкнутими одночасно.

Напрямок магнітного поля визначається за допомогою магнітної стрілки. Силові лінії визначають також полярність магніту, кінець із виходом силових ліній це північний полюс, а кінець, із входом цих ліній, це південний полюс.

Дуже зручно наочно оцінити магнітне поле за допомогою звичайної залізної тирси та листка паперу.
Якщо ми на постійний магніт покладемо аркуш паперу, а зверху насипимо тирси, то частинки заліза вишикуються відповідно до силових ліній магнітного поля.

Напрямок силових ліній для провідника зручно визначати за знаменитим правилу буравчикаабо правилу правої руки . Якщо ми обхопимо провідник рукою так, щоб великий палецьдивився у напрямку струму (від мінусу до плюсу), то 4 пальці, що залишилися, покажуть нам напрямок силових ліній магнітного поля.

А напрям сили Лоренца - сили, з якою діє магнітне поле на заряджену частинку або провідник зі струмом, правилу лівої руки.
Якщо ми розташуємо ліву рукув магнітному полі так, що 4 пальці дивилися у напрямку струму в провіднику, а силові лінії входили в долоню, то великий палець вкаже напрямок сили Лоренца, що діє на провідник поміщений в магнітне поле.

На цьому, власне, все. Питання, що з'явилися, обов'язково ставте в коментарях.

Досі ми розглядали магнітне поле, створюване провідниками зі струмом. Однак, магнітне поле створюється і постійними магнітами, У яких електричний струм відсутня, у тому сенсі, що заряджені частинки не здійснюють спрямованого руху по провіднику. Ще до відкриття Ерстеда магнітне поле постійних магнітів намагалося пояснити наявністю магнітних зарядів, що знаходяться в тілі, подібно до того, як електричні заряди створюють електричне поле. Протилежні полюси магніту вважали зосередженням магнітних зарядів різних знаків. Однак першою трудністю була неможливість розділити ці полюси. Після розрізання смугового магніту не виходило окремо північного та південного полюсів- Виходило два магніти, у кожного з яких був і північний, і південний полюс. Пошуки магнітних зарядів («монополів») продовжуються досі, і поки що безуспішно. Ампер запропонував природніше пояснення. Оскільки виток із струмом створює поле, схоже на поле смугового магніту, Ампер припустив, що у речовині, а точніше в атомах, присутні заряджені частинки, що здійснюють круговий рух, і таким чином, створюють кругові «атомні» струми.

Ця ідея добре погодилася із запропонованою згодом моделлю атома Резерфорда. Зрозуміло також, чому речовина у звичайному стані практично не виявляє магнітних властивостей. Для того, щоб поля різних «витків» склалися, вони повинні бути розташовані так, як показано на малюнку, щоб поля були зорієнтовані в одному напрямку. Але через теплового руху, їх напрями орієнтовані хаотично один до одного у всіх напрямках. А оскільки магнітні поля складаються за векторним законом, то сумарне поле дорівнює нулю. Це справедливо для більшості металів та інших речовин. Упорядкувати атомні струми можна лише деяких металах, званих феромагнетиками.Саме в них магнітні властивості виявляються помітно. Багато металів, наприклад мідь та алюміній не виявляють помітних магнітних властивостей, наприклад, не можуть бути намагнічені. Найбільш відомий прикладферомагнетика – залізо. У ньому є досить великі в порівнянні з розміром атома області (10 -6 -10 -4 см) - домени, У яких атомні струми вже суворо впорядковані. Самі області хаотично розташовані один до одного – метал не намагнічений. Поміщаючи їх у магнітне полі, ми можемо перевести домени в упорядкований стан – намагнітити метал, причому, прибравши зовнішнє полі, ми збережемо його намагніченість. У процесі намагнічування домени з орієнтацією атомних струмів уздовж зовнішнього поля зростають, інші зменшуються. Ми бачили, що виток із струмом у магнітному полі повертається силою Ампера так, щоб його магнітне поле встановилося по зовнішньому полю. Це положення рівноваги витка, яке він прагне зайняти. Після того, як зовнішнє поле вимикається, орієнтація атомних струмів зберігається. Деякі сорти стали зберігають намагніченість дуже стійко - їх можна робити постійні магніти. Інші сорти легко перемагнічуються, вони підходять для електромагнітів. Якщо помістити в соленоїд феромагнітний стрижень, то поле, що створюється в ньому, збільшиться в 10-20 тисяч разів.

Таким чином, магнітне поле завжди створюється електричним струмом , або протікають по провіднику, коли заряди переміщуються на відстані у багато разів більше атомних (такі струми називаються макроскопічними), або мікроскопічними(Атомними) струмами.

Магнітне поле Землі.Одним із перших спостережень магнітного поля та використання його в прикладних цілях було виявлення магнітного поля Землі. В стародавньому Китаїмагнітну стрілку (смуговий магніт) використовували визначення напрями північ, що виробляється й у сучасних компасах. Зрозуміло, у внутрішній частині Землі існують деякі струми, які призводять до появи невеликого (приблизно 10 -4 Тл) магнітного поля. Якщо припустити, що воно пов'язане з обертанням Землі, в ній є кругові струми навколо її осі, і відповідне магнітне поле (як поле витка) має бути зорієнтоване всередині Землі вздовж осі її обертання. Лінії індукції мають виглядати, як показано на малюнку.

Видно, що північний магнітний полюс Землі знаходиться поблизу її південного географічного полюса. Лінії індукції замикаються у зовнішньому просторі, причому поблизу поверхні землі вони спрямовані вздовж географічних меридіанів. Саме вздовж них у напрямку північ встановлюється північний кінець магнітної стрілки. З магнітним полем Землі пов'язане ще одне важливе явище. Із космосу в атмосферу землі приходить велика кількістьелементарних частинок, деякі заряджені. Магнітне поле відіграє роль бар'єру для їх потрапляння в нижні шари атмосфери, де вони можуть становити небезпеку. Розглядаючи рух зарядженої частинки в магнітному полі під дією сили Лоренца, ми бачили, що вона починає рухатися гвинтовою лінією вздовж лінії індукції магнітного поля. Це і відбувається із зарядженими частинками в верхніх шарахатмосфери. Рухаючись уздовж ліній, вони «йдуть» до полюсів, і входять у повітря поблизу географічних полюсів. За її взаємодії з молекулами відбувається світіння (випускання світла атомами), що створює північні сяйва. У неполярних широтах не спостерігаються.

Тангенсні вимірювальні прилади.Для вимірювання величини індукції невідомого магнітного поля (наприклад Землі) розумно запропонувати спосіб порівняння цього поля з яким-небудь відомим. Наприклад, із полем довгого прямого струму. Тангенсний методдає такий спосіб порівняння. Припустимо, ми хочемо виміряти горизонтальну складову магнітного поля Землі у певній точці. Розмістимо поруч із нею довгий вертикальний провід, щоб його середина була близько до цієї точки, а довжина була набагато більшою за відстань до неї (малюнок, вид зверху).

Якщо струм у дроті не тече, то магнітна стрілка в точці спостереження встановиться вздовж поля Землі (на малюнку – вгору, вздовж З). Збільшуватимемо струм у дроті. Стрілка починає відхилятися вліво. Оскільки з'являється поле струму Т, спрямоване на малюнку горизонтально. Повне поле спрямоване по діагоналі прямокутника, як того вимагає правило складання векторів З і В Т. Коли струм досягне деякого значення I 0 , кут, утворений стрілкою буде дорівнює 45 0 . Це означає, що виконалася рівність В З = В Т. Але поле В Т нам відомо. Вимірявши x і I 0 за допомогою амперметра, можна обчислити Т, а отже і З. Метод називається тангенсним, тому що виконана умова .

Джерелами постійних магнітних полів (ПМП)на робочих місцях є постійні магніти, електромагніти, сильноточні системи. постійного струму(Лінії передачі постійного струму, електролітні ванни та ін).

Постійні магніти та електромагніти широко використовуються в приладобудуванні, в магнітних шайбах підйомних кранів, в магнітних сепараторах, в пристроях для магнітної обробки води, в магнітогідродинамічних генераторах (МГД), установках ядерного магнітного резонансу (ЯМР) та електронного парамагнітного резонансу у фізіотерапевтичній практиці.

Основними фізичними параметрами, що характеризують ПМП, є напруженість поля (Н), магнітний потік (Ф) та магнітна індукція (В). У системі СІ одиницею вимірювання напруженості магнітного поля є ампер на метр (А/м), магнітного потоку - Вебер (Вб ), щільності магнітного потоку (магнітної індукції) - тесла (Тл ).

Виявлено зміни у стані здоров'я осіб, які працюють із джерелами ПМП. Найчастіше ці зміни виявляються у формі вегетодистоній, астеновегетативного та периферичного вазовегетативного синдромів або їх поєднання.

Відповідно до чинного в нашій країні нормативу («Гранично допустимі рівнівпливу постійних магнітних полів під час роботи з магнітними пристроями та магнітними матеріалами» № 1742-77), напруженість ПМП на робочих місцях не повинна перевищувати 8 кА/м (10 мТл). Допустимі рівні ПМП, рекомендовані Міжнародним комітетом з неіонізуючих випромінювань (1991) диференційовані за контингентом, місцем впливу та часом роботи. Для професіоналів: 0,2 Тл – при дії повний робочий день (8 год); 2 Тл – при короткочасному впливі на тіло; 5 Тл – при короткочасному впливі на руки. Для населення рівень безперервної дії ПМП не повинен перевищувати 0,01 Тл.

Джерела ЕМІ радіочастотного діапазону широко використовуються в самих різних галузях народного господарства. Вони застосовуються передачі інформації на відстані (радіомовлення, радіотелефонний зв'язок, телебачення, радіолокація та інших.). У промисловості ЕМІ радіохвильового діапазону використовуються для індукційного та діелектричного нагріву матеріалів (загартування, плавка, напайка, зварювання, напилення металів, нагрівання внутрішніх металевих частинелектровакуумних приладів у процесі відкачування, сушіння деревини, нагрівання пластмас, склеювання пластикатів, термообробка харчових продуктівта ін.). ЕМІ широко застосовуються в наукових дослідженнях(радіоспектроскопія, радіоастрономія) та медицині (фізіотерапія, хірургія, онкологія). У ряді випадків ЕМІ виникають як побічний фактор, що не використовується, наприклад, поблизу повітряних ліній електропередачі (ПЛ), трансформаторних підстанцій, електроприладів, у тому числі побутового призначення. Основними джерелами випромінювання ЕМП РЧ навколишнє середовищеслужать антенні системи радіолокаційних станцій (РЛС), радіо- та телерадіостанцій, включаючи системи мобільного радіозв'язку та повітряні лінії електропередачі.

Організм людини та тварин дуже чутливий до впливу ЕМП РЧ.

До критичних органів та систем належать: центральна нервова система, очі, гонади, а, на думку деяких авторів, і кровотворна система. Біологічна дія цих випромінювань залежить від довжини хвилі (або частоти випромінювання), режиму генерації (безперервний, імпульсний) та умов впливу на організм (постійне, уривчасте; загальне, місцеве; інтенсивність; тривалість). Відзначено, що біологічна активність зменшується зі збільшенням довжини хвилі (або зниженням частоти) випромінювання. Найбільш активними є санти-, деци та метровий діапазони радіохвиль. Поразки, викликані ЕМІ РЧ, можуть бути гострими та хронічними. Гострі виникають при дії значних теплових інтенсивностей випромінювання. Вони трапляються дуже рідко - при аваріях або грубих порушеннях техніки безпеки на РЛС. Для професійних умовНайбільш характерними є хронічні поразки, що виявляються, як правило, після декількох років роботи з джерелами ЕМІ мікрохвильового діапазону.

Основними нормативними документами, що регламентують допустимі рівні впливу ЕМІ РЧ, є: ГОСТ 12.1.006 – 84 «ССБТ. Електромагнітні поля радіочастот.

Допустимі рівні» та СанПіН 2.2.4/2.1.8.055-96 « Електромагнітні випромінюваннярадіочастотного діапазону». Вони нормується енергетична експозиція (ЕЕ) для електричного (Е) і магнітного (Н) полів, і навіть щільність потоку енергії (ППЭ) протягом робочого дня (табл. 5.11).

Таблиця 5.11.

Гранично-припустимірівні (ПДУ) за робочий день для працюючих

З ЕМІ РЧ

Параметр	Діапазони частот, МГц
Найменування	Одиниця виміру	0,003-3	3-30	30-300	300-300000
ЕЕ Е	(В/м) 2*год				-
е н	(А/м) 2*год		-	-	-
ппе	(мкВт/см 2)* год	-	-	-

Для населення при безперервному впливі встановлені такі ПДУ напруженості електричного поля, В/м:

Діапазон частот МГц

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

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

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

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

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

* Крім телевізійних станцій, ПДУ для яких диференційовані в

Залежно від частоти від 2,5 до 5 В/м.

До апаратів, що працюють в області радіочастотного діапазону, відносяться і відеодисплеї терміналів персональних комп'ютерів. У наш час персональні комп'ютери(ПК) знаходять широке застосування на виробництві, у наукових дослідженнях, у лікувально-профілактичних установах, у побуті, у вузах, школах і навіть у дитячих садках. При використанні з виробництва ПК залежно від технологічних завдань можуть впливати організм людини протягом багато часу (не більше робочого дня). В побутових умовахчас використання ПК взагалі піддається контролю.

Для відеодисплейних терміналів ПК (ВДТ) встановлені наступні ПДУ ЕМІ (СанПіН 2.2.2.542-96 «Гігієнічні вимоги до відеодисплейних терміналів, персональних електронно-обчислювальних машин та організації роботи») – табл. 5.12.

Таблиця 5.12. Гранично допустимі рівні ЕМІ, створюваних ВДТ