МАГНИТНО ПОЛЕ: ИНТЕНЗИВНОСТ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ИЗТОЧНИЦИ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В магнитното поле е влиянието, което се движат електрически заряди имат върху пространството, което ги заобикаля. Зарядите винаги имат електрическо поле, но само тези, които са в движение, могат да генерират магнитни ефекти.

Съществуването на магнетизъм е известно отдавна. Древните гърци описвали минерал, способен да привлича малки парченца желязо: това бил най-ломеният камък или магнетитът.

Фигура 1. Магнетитна проба. Източник: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Мъдреците Талес от Милет и Платон бяха заети да записват магнитни ефекти в своите писания; между другото, те също знаеха статично електричество.

Но магнетизмът не се свързва с електричеството чак през 19 век, когато Ханс Кристиан Ерстед забелязва, че компасът се отклонява в близост до проводяща жица, носеща ток.

Днес знаем, че електричеството и магнетизмът са, така да се каже, две страни на една и съща монета.

Магнитно поле във физиката

Във физиката терминът магнитно поле е векторно количество, с модул (неговата числова стойност), посока в пространството и смисъл. Освен това има две значения. Първият е вектор, понякога се нарича магнитна индукция и е означен с В.

Единицата на В в Международната система от единици е теслата, съкратено Т. Другото количество, наричано още магнитно поле, е Н, известно още като интензивността на магнитното поле и чиято единица е ампер / метър.

И двете количества са пропорционални, но те са дефинирани по този начин, за да се вземат предвид ефектите, които магнитните материали имат върху полетата, които преминават през тях.

Ако материал е поставен в средата на външно магнитно поле, полученото поле ще зависи от това, а също и от собствения магнитен отговор на материала. Ето защо B и H са свързани с:

B = μ _m H

Тук μ _m е константа, която зависи от материала и има подходящи единици, така че при умножение по H резултатът е tesla.

° С

-Магнитното поле е векторна величина, следователно има величина, посока и смисъл.

-Единицата на магнитното поле B в международната система е тесла, съкратено като T, докато H е ампер / метър. Други единици, които често се появяват в литературата, са гаусите (G) и oersted.

-Линиите на магнитното поле винаги са затворени контури, оставяйки северен полюс и влизащи в южен полюс. Полето винаги е допирателно към линиите.

-Магнитните полюси винаги са представени в двойка север-юг. Не е възможно да има изолиран магнитен полюс.

-Винаги произлиза от движението на електрическите заряди.

-Интензивността му е пропорционална на величината на товара или тока, който го произвежда.

-Зависимостта на магнитното поле намалява с обратната страна на квадрата на разстоянието.

-Магнитните полета могат да бъдат постоянни или променливи, както във времето, така и в пространството.

-Магнитното поле е в състояние да упражнява магнитна сила върху движещ се заряд или върху проводник, който носи ток.

Полюси на магнит

Един магнит на бара винаги има два магнитни полюса: северния и южния полюс. Много е лесно да се провери дали полюсите от един и същи знак отблъскват, докато тези от различни типове привличат.

Това е доста подобно на това, което се случва с електрическите заряди. Може също да се отбележи, че колкото по-близо са те, толкова по-голяма е силата, с която се привличат или отблъскват взаимно.

Барните магнити имат отличителен модел на полеви линии. Те са остри извивки, напускащи северния полюс и навлизащи в южния полюс.

Фигура 2. Линии с магнитно поле на магнит на лента. Източник: Wikimedia Commons.

Един прост експеримент за разглеждане на тези линии е да разнесете железни пълнежи върху лист хартия и да поставите бар магнит отдолу.

Интензитетът на магнитното поле е даден като функция от плътността на полевите линии. Те винаги са най-гъсти в близост до полюсите и те се разпространяват, когато се отдалечаваме от магнита.

Магнитът е известен още като магнитен дипол, в който двата полюса са именно северният и южният магнитни полюси.

Но те никога не могат да бъдат разделени. Ако разрежете магнита наполовина, получавате два магнита, всеки със съответния северен и южен полюс. Изолираните полюси се наричат ​​магнитни монополи, но към днешна дата нито един не е изолиран.

Източници

Човек може да говори за различни източници на магнитно поле. Те варират от магнитни минерали, през самата Земя, която се държи като голям магнит, до електромагнитите.

Но истината е, че всяко магнитно поле има своя произход в движението на заредени частици.

По-късно ще видим, че първичният източник на целия магнетизъм се намира в малките течения вътре в атома, главно тези, които се произвеждат поради движението на електроните около ядрото и от квантовите ефекти, присъстващи в атома.

По отношение на неговия макроскопичен произход обаче може да се мисли за природни и изкуствени източници.

Природните източници по принцип не се "изключват", те са постоянни магнити, но трябва да се има предвид, че топлината унищожава магнетизма на веществата.

Що се отнася до изкуствените източници, магнитният ефект може да бъде потиснат и контролиран. Следователно имаме:

-Магнети с естествен произход, направени от магнитни минерали като магнетит и магемит, и двата железни оксида например.

-Електрически токове и електромагнити.

Магнитни минерали и електромагнити

В природата има различни съединения, които проявяват забележителни магнитни свойства. Те са способни да привлекат парчета желязо и никел, например, както и други магнити.

Споменатите железни оксиди като магнетит и магемит са примери за този клас вещества.

Магнитната чувствителност е параметърът, който се използва за количествено определяне на магнитните свойства на скалите. Основните магматични скали са тези с най-голяма податливост, поради високото им съдържание на магнетит.

От друга страна, стига да имате жица, която носи ток, ще има свързано магнитно поле. Тук имаме друг начин за генериране на поле, което в този случай приема формата на концентрични кръгове с жицата.

Посоката на движение на полето се дава от правилото на десния палец. Когато палецът на дясната ръка посочи посоката на тока, четирите останали пръста ще посочат посоката, в която линиите на полето са огънати.

Фигура 3. Правило на десния палец за получаване на посоката и усещането на магнитното поле. Източник: Wikimedia Commons.

Електромагнитът е устройство, което произвежда магнетизъм от електрически токове. Той има предимството да може да включва и изключва по желание. Когато токът спре, магнитното поле изчезва. В допълнение интензивността на полето също може да бъде контролирана.

Електромагнитите са част от различни устройства, включително високоговорители, твърди дискове, двигатели и релета, между другото.

Магнитна сила върху подвижен заряд

Съществуването на магнитно поле B може да бъде проверено с помощта на изпитван електрически заряд q-, който се движи със скорост v. За това е изключено наличието на електрически и гравитационни полета, поне за момента.

В такъв случай силата, изпитвана от заряда q, която се обозначава като F _B, изцяло се дължи на влиянието на полето. Качествено се наблюдава следното:

-Зависимостта на F _B е пропорционална на q и скорост v.

-Ако v е успоредна на вектора на магнитното поле, величината на F _B е нула.

-Магнитната сила е перпендикулярна на v и B.

-Накрая, величината на магнитната сила е пропорционална на sin θ, където θ е ъгълът между вектора на скоростта и вектора на магнитното поле.

Всичко по-горе е валидно както за положителни, така и за отрицателни такси. Единствената разлика е, че посоката на магнитната сила е обърната.

Тези наблюдения са в съответствие с векторния продукт между два вектора, така че магнитната сила, изпитвана от точков заряд q, движеща се със скорост v в средата на магнитно поле, е:

F _B = q v x B

Чийто модул е:

Фигура 4. Правило на дясната ръка за магнитната сила при положителна точкова такса. Източник: Wikimedia Commons.

Как се генерира магнитно поле?

Има няколко начина, например:

-Замагнетизирайте подходящо вещество.

- Преминаване на електрически ток през проводим проводник.

Но произходът на магнетизма в материята се обяснява, като се помни, че той трябва да бъде свързан с движението на зарядите.

Електрон, обикалящ около ядрото, представлява по същество малка затворена верига на тока, но такава, която може да допринесе съществено за магнетизма на атома. В парче магнитен материал има много много електрони.

Този принос към магнетизма на атома се нарича орбитален магнитен момент. Но има и още, защото преводът не е единственото движение на електрона. Той също има магнитен спинов момент, квантов ефект, чиято аналогия е на въртене на електрона по оста му.

Всъщност магнитният момент на завъртане е основната причина за магнетизма на един атом.

Видове

Магнитното поле е в състояние да приема много форми, в зависимост от разпределението на токовете, които го произвеждат. От своя страна, тя може да варира не само в пространството, но и във времето, или и двете едновременно.

-В близост до полюсите на електромагнита има приблизително постоянно поле.

-Също вътре в соленоида се получава високоинтензивно и равномерно поле, като полевите линии са насочени по оста на оста.

-Магнитното поле на Земята се доближава доста добре до полето на магнит, особено в близост до повърхността. По-нататък слънчевият вятър модифицира електрическите токове и видимо го деформира.

-Една жица, която носи ток, има поле под формата на концентрични кръгове с жицата.

По отношение на това дали полето може да варира във времето или не, имаме:

-Статични магнитни полета, когато нито тяхната величина, нито посоката им се променят във времето. Полето на магнит за пръчка е добър пример за този тип поле. Също така тези, които произхождат от проводници, които носят неподвижни токове.

- Променливи полета във времето, ако някоя от техните характеристики варира във времето. Един от начините за получаването им е от генератори с променлив ток, които използват феномена на магнитната индукция. Те се намират в много често използвани устройства, например мобилни телефони.

Законът на Биот-Саварт

Когато е необходимо да се изчисли формата на магнитното поле, произведено чрез разпределение на токове, може да се използва законът на Био-Саварт, открит през 1820 г. от френските физици Жан Мари Био (1774-1862) и Феликс Саварт (1791-1841).).

За някои разпределения на ток с прости геометрии, математически израз за вектора на магнитното поле може да се получи директно.

Да предположим, че имаме проводник с различна дължина dl, който носи електрически ток I. Предполага се, че жицата също е във вакуум. Магнитното поле, което произвежда това разпределение:

-Намалява с обратната част на квадрата на разстоянието до жицата.

-Той е пропорционален на интензивността на тока I, който преминава през жицата.

-Посоката му е тангенциална спрямо обиколката на радиус r, центрирана върху проводника, а посоката му се определя от правилото на десния палец.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B е разлика в магнитното поле.

- I е интензитетът на тока, протичащ през жицата.

- r е разстоянието между центъра на жицата и точката, в която искате да намерите полето.

-r е векторът, който преминава от жицата до точката, в която искате да изчислите полето.

Примери

По-долу са дадени два примера за магнитно поле и техните аналитични изрази.

Магнитно поле, произведено от много дълга праволинейна жица

Чрез закона на Biot-Savart е възможно да се получи полето, произведено от тънък проводник с ограничен проводник, който носи ток I. Като се интегрира по протежение на проводника и се вземе ограничителният случай, в който е много дълъг, величината на полето резултат:

Поле, създадено от намотката Helmholtz

Бобината Helmholtz е съставена от две еднакви и концентрични кръгли намотки, към които се предава същия ток. Те служат за създаване на приблизително равномерно магнитно поле в него.

Фигура 5. Схема на намотките на Хелмхолц. Източник: Wikimedia Commons.

Нейната величина в центъра на намотката е:

Y е насочен по оста на оста. Факторите на уравнението са:

- N представлява броя на завоите на бобините

- Аз съм величината на тока

- μ _o е магнитната пропускливост на вакуума

- R е радиусът на бобините.

Препратки

1. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 1. Кинематика. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
2. Магнитно поле сила H. Възстановено от: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6-то съкратено издание. Учене в Cengage.
4. Магнитно поле и магнитни сили. Възстановено от: physics.ucf.edu.
5. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Физика за наука и инженерство. Том 2. 7-ми. Ed. Cengage Learning.
7. Университета на Виго. Примери за магнетизъм. Възстановени от: quintans.webs.uvigo.es