מידע בסיסי על השדה המגנטי. שדה מגנטי. מאפייני שדה מגנטי

שדה מגנטינקרא סוג מיוחד של חומר, שונה מחומר, שדרכו מועברת פעולת המגנט לגופים אחרים.

שדה מגנטימתרחש בחלל המקיף מטענים חשמליים נעים ומגנטים קבועים. זה משפיע רק על מטענים נעים. בהשפעת כוחות אלקטרומגנטיים, חלקיקים טעונים נעים מוסטים

מדרכו המקורית בכיוון מאונך לשדה.

שדות מגנטיים וחשמליים אינם ניתנים להפרדה ויוצרים יחד שדה אלקטרומגנטי אחד. כל שינוי שדה חשמלימוביל להופעת שדה מגנטי, ולהפך, כל שינוי בשדה המגנטי מלווה בהופעת שדה חשמלי. השדה האלקטרומגנטי מתפשט במהירות האור, כלומר 300,000 קמ"ש.

פעולתם של מגנטים קבועים ואלקטרומגנטים על גופים פרומגנטיים, הקיום והאחדות הבלתי נפרדת של קטבי המגנטים והאינטראקציה ביניהם ידועים (קטבים מנוגדים מושכים, כמו קטבים דוחים). באופן דומה

עם הקטבים המגנטיים של כדור הארץ, הקטבים של המגנטים נקראים צפון ודרום.

השדה המגנטי מתואר חזותית על ידי קווי כוח מגנטיים, הקובעים את כיוון השדה המגנטי בחלל (איור.1). לשורות אלו אין לא התחלה ולא סוף, כלומר. סגורים.

קווי הכוח של השדה המגנטי של מוליך ישר הם מעגלים קונצנטריים העוטפים את החוט. ככל שהזרם חזק יותר, כך השדה המגנטי סביב החוט חזק יותר. ככל שמתרחקים מחוט נושא זרם, השדה המגנטי נחלש.

בחלל המקיף מגנט או אלקטרומגנט, הכיוון מ הקוטב הצפוני לדרום. ככל שהשדה המגנטי חזק יותר, כך צפיפות קווי השדה גבוהה יותר.

הכיוון של קווי השדה המגנטי נקבע כלל גימלט:.

אורז. 1. שדה מגנטי של מגנטים:

א - ישיר; ב - פרסה

אורז. 2. שדה מגנטי:

a - חוט ישר; b - סליל אינדוקטיבי

אם תבריג את הבורג לכיוון הזרם, אזי קווי הכוח המגנטיים המגנטיים יופנו לאורך הבורג (איור 2 א).

כדי להשיג שדה מגנטי חזק יותר, משתמשים בסלילים אינדוקטיביים עם פיתולי תיל. במקרה זה, השדות המגנטיים של הסיבובים הבודדים של הסליל האינדוקטיבי מצטברים וקווי הכוח שלהם מתמזגים לשטף מגנטי משותף.

קווי שדה מגנטי היוצאים מסליל אינדוקטיבי

בקצה שבו מכוון הזרם נגד כיוון השעון, כלומר קצה זה הוא הקוטב המגנטי הצפוני (איור 2, ב).

כאשר כיוון הזרם בסליל האינדוקטיבי משתנה, ישתנה גם כיוון השדה המגנטי.

שדות מגנטיים מתרחשים באופן טבעי וניתן ליצור אותם באופן מלאכותי. אדם שם לב למאפיינים השימושיים שלהם, אותם למד ליישם בחיי היומיום. מה מקור השדה המגנטי?

כיצד התפתחה תורת השדה המגנטי

התכונות המגנטיות של כמה חומרים הבחינו בימי קדם, אבל המחקר שלהם התחיל באמת באירופה של ימי הביניים. באמצעות מחטי פלדה קטנות גילה מדען מצרפת, Peregrine, את ההצטלבות של קווי כוח מגנטיים בנקודות מסוימות - הקטבים. רק שלוש מאות שנים מאוחר יותר, בהנחיית תגלית זו, גילברט המשיך לחקור אותה ולאחר מכן הגן על השערתו שלכדור הארץ יש שדה מגנטי משלו.

ההתפתחות המהירה של תורת המגנטיות החלה בתחילת המאה ה-19, כאשר אמפר גילה ותיאר את השפעתו של שדה חשמלי על התרחשות שדה מגנטי, וגילוי האינדוקציה האלקטרומגנטית של פאראדיי קבע קשר הפוך.

מהו שדה מגנטי

השדה המגנטי מתבטא בהשפעת הכוח על מטענים חשמליים שנמצאים בתנועה, או על גופים בעלי מומנט מגנטי.

1. מוליכים שדרכם עובר זרם חשמלי;
2. מגנטים קבועים;
3. שדה חשמלי משתנה.

הסיבה השורשית להתרחשות שדה מגנטי זהה לכל המקורות: למטענים חשמליים - אלקטרונים, יונים או פרוטונים - יש מומנט מגנטי משלהם או שהם בתנועה מכוונת.

חָשׁוּב!יוצרים זה את זה שדות חשמליים ומגנטיים המשתנים עם הזמן. קשר זה נקבע על ידי משוואות מקסוול.

מאפייני שדה מגנטי

המאפיינים של השדה המגנטי הם:

1. שטף מגנטי, כמות סקלרית הקובעת כמה קווי שדה מגנטי עוברים בקטע נתון. מסומן באות F. מחושב לפי הנוסחה:

F = B x S x cos α,

כאשר B הוא וקטור האינדוקציה המגנטי, S הוא החתך, α היא זווית הנטייה של הווקטור לאונך הנמשך למישור החתך. יחידת מדידה - וובר (Wb);

1. וקטור האינדוקציה המגנטי (B) מציג את הכוח הפועל על נושאי המטען. הוא מופנה לכיוון הקוטב הצפוני, שם מצביע המחט המגנטית הרגילה. מבחינה כמותית, אינדוקציה מגנטית נמדדת בטסלות (Tl);
2. מתח MP (N). זה נקבע על ידי חדירות מגנטית של מדיות שונות. בחלל ריק, החדירות נתפסת כאחדות. כיוון וקטור העוצמה עולה בקנה אחד עם כיוון האינדוקציה המגנטית. יחידת מדידה - A/m.

כיצד לייצג שדה מגנטי

קל לראות את ביטויי השדה המגנטי בדוגמה של מגנט קבוע. יש לו שני קטבים, ובהתאם לכיוון, שני המגנטים מושכים או דוחים. השדה המגנטי מאפיין את התהליכים המתרחשים במקרה זה:

1. MP מתואר מתמטי כשדה וקטור. ניתן לבנות אותו באמצעות וקטורים רבים של אינדוקציה מגנטית B, שכל אחד מהם מכוון לכיוון הקוטב הצפוני של מחט המצפן ובעל אורך בהתאם לכוח המגנטי;
2. דרך חלופית לייצוג היא שימוש בקווי כוח. קווים אלו לעולם אינם מצטלבים, לעולם אינם מתחילים או נעצרים בשום מקום, ויוצרים לולאות סגורות. קווי ה-MF משתלבים באזורים תכופים יותר שבהם השדה המגנטי החזק ביותר.

חָשׁוּב!צפיפות קווי השדה מעידה על עוצמת השדה המגנטי.

למרות שלא ניתן לראות את ה-MF במציאות, ניתן לדמיין בקלות את קווי הכוח בעולם האמיתי על ידי הנחת סיבי ברזל ב-MF. כל חלקיק מתנהג כמו מגנט זעיר עם קוטב צפוני ודרום. התוצאה היא תבנית דומה לקווי כוח. אדם לא מסוגל להרגיש את ההשפעה של MP.

מדידת שדה מגנטי

מכיוון שמדובר בכמות וקטורית, ישנם שני פרמטרים למדידת MF: כוח וכיוון. קל למדוד כיוון עם מצפן המחובר לשדה. דוגמה לכך היא מצפן המוצב בשדה המגנטי של כדור הארץ.

מדידה של מאפיינים אחרים היא הרבה יותר קשה. מגנומטרים מעשיים הופיעו רק במאה ה-19. רובם פועלים באמצעות הכוח שהאלקטרון מרגיש כשהוא נע בשדה המגנטי.

מדידה מדויקת מאוד של שדות מגנטיים קטנים הפכה מעשית מאז הגילוי ב-1988 של עמידות מגנטית ענקית בחומרים שכבות. תגלית זו בפיזיקה הבסיסית יושמה במהירות על טכנולוגיית דיסק קשיח מגנטי לאחסון נתונים במחשבים, וכתוצאה מכך גדלה פי אלף בקיבולת האחסון תוך שנים ספורות.

במערכות מדידה מקובלות, MF נמדד בבדיקות (T) או בגאוס (G). 1 T = 10000 גאוס. לעתים קרובות משתמשים בגאוס מכיוון שהטסלה היא שדה גדול מדי.

מעניין.מגנט קטן למקרר יוצר MF השווה ל-0.001 T, והשדה המגנטי של כדור הארץ, בממוצע, הוא 0.00005 T.

אופי השדה המגנטי

מגנטיות ושדות מגנטיים הם ביטויים של הכוח האלקטרומגנטי. ישנן שתי דרכים אפשריות כיצד לארגן מטען אנרגיה בתנועה, וכתוצאה מכך, שדה מגנטי.

הראשון הוא לחבר את החוט למקור זרם, נוצר MF סביבו.

חָשׁוּב!ככל שהזרם (מספר המטענים בתנועה) עולה, ה-MP גדל באופן יחסי. ככל שמתרחקים מהחוט, השדה פוחת עם המרחק. זה מתואר בחוק אמפר.

חומרים מסוימים בעלי חדירות מגנטית גבוהה יותר מסוגלים לרכז שדות מגנטיים.

מכיוון שהשדה המגנטי הוא וקטור, יש צורך לקבוע את הכיוון שלו. עבור זרם רגיל הזורם דרך חוט ישר, ניתן למצוא את הכיוון על ידי כלל יד ימין.

כדי להשתמש בכלל, יש לדמיין שהחוט נתפס ביד ימין, והאגודל מציין את כיוון הזרם. ואז ארבע האצבעות האחרות יראו את כיוון וקטור האינדוקציה המגנטי סביב המוליך.

הדרך השנייה ליצור MF היא להשתמש בעובדה שאלקטרונים מופיעים בחומרים מסוימים שיש להם מומנט מגנטי משלהם. כך פועלים מגנטים קבועים:

1. למרות שלעתים קרובות יש לאטומים אלקטרונים רבים, הם מחוברים לרוב בצורה כזו שהשדה המגנטי הכולל של הזוג מתבטל. אומרים שלשני אלקטרונים שזווגים בדרך זו יש ספינים מנוגדים. לכן, כדי למגנט משהו צריך אטומים שיש להם אלקטרונים אחד או יותר עם אותו ספין. למשל, לברזל יש ארבעה אלקטרונים כאלה והוא מתאים לייצור מגנטים;
2. מיליארדי אלקטרונים באטומים יכולים להיות מכוונים אקראית, ולא יהיה שדה מגנטי משותף, לא משנה כמה אלקטרונים לא מזווגים יש לחומר. זה חייב להיות יציב בטמפרטורה נמוכה על מנת לספק כיוון אלקטרוני מועדף כולל. החדירות המגנטית הגבוהה גורמת למגנטיזציה של חומרים כאלה בתנאים מסוימים מחוץ להשפעת השדה המגנטי. אלה הם פרומגנטים;
3. חומרים אחרים עשויים להפגין תכונות מגנטיות בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. השדה החיצוני משמש להשוואת כל ספינים של האלקטרונים, שנעלם לאחר הסרת ה-MF. חומרים אלו הם פרמגנטיים. מתכת דלת מקרר היא דוגמה לפרמגנט.

כדור הארץ יכול להיות מיוצג בצורה של לוחות קבלים, שלמטען שלהם יש את הסימן ההפוך: "מינוס" - על פני כדור הארץ ו"פלוס" - ביונוספירה. ביניהם יש אוויר אטמוספרי כאטם מבודד. הקבל הענק שומר על מטען קבוע עקב השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ. באמצעות ידע זה, ניתן ליצור תכנית להשגת אנרגיה חשמלית מהשדה המגנטי של כדור הארץ. נכון, התוצאה תהיה ערכי מתח נמוכים.

חייב לקחת:

• מכשיר הארקה;
• הכבל;
• שנאי טסלה, המסוגל לייצר תנודות בתדר גבוה וליצור פריקת קורונה, המייננת את האוויר.

סליל טסלה יפעל כפולט אלקטרונים. כל המבנה מחובר יחדיו, ועל מנת להבטיח הפרש פוטנציאל מספיק יש להעלות את השנאי לגובה ניכר. כך ייווצר מעגל חשמלי שדרכו יזרום זרם קטן. אי אפשר להשיג כמות גדולה של חשמל באמצעות המכשיר הזה.

חשמל ומגנטיות שולטים ברבים מהעולמות הסובבים את האדם: מהתהליכים הבסיסיים ביותר בטבע ועד למכשירים אלקטרוניים חדישים.

וִידֵאוֹ

כשם שמטען חשמלי במנוחה פועל על מטען אחר דרך שדה חשמלי, זרם חשמלי פועל על זרם אחר דרך שדה מגנטי. פעולתו של שדה מגנטי על מגנטים קבועים מצטמצמת לפעולתו על מטענים הנעים באטומים של חומר ויוצרים זרמים מעגליים מיקרוסקופיים.

דוקטרינה של אלקטרומגנטיותמבוסס על שתי הנחות:

• השדה המגנטי פועל על מטענים וזרמים נעים;
• שדה מגנטי נוצר סביב זרמים ומטענים נעים.

אינטראקציה של מגנטים

מגנט קבוע(או מחט מגנטית) מכוון לאורך המרידיאן המגנטי של כדור הארץ. הקצה המצביע צפונה נקרא הקוטב הצפוני(נ) והקצה ההפוך הוא קוטב דרומי(S). כאשר מתקרבים שני מגנטים זה לזה, נציין שהקטבים הדומים להם דוחים, והמנוגדים מושכים ( אורז. אחד ).

אם נפריד את הקטבים על ידי חיתוך המגנט הקבוע לשני חלקים, אז נגלה שלכל אחד מהם יהיה גם שני מוטות, כלומר יהיה מגנט קבוע ( אורז. 2 ). שני הקטבים - צפון ודרום - בלתי נפרדים זה מזה, שווים.

השדה המגנטי שנוצר על ידי כדור הארץ או מגנטים קבועים מתואר, כמו השדה החשמלי, על ידי קווי כוח מגנטיים. תמונה של קווי השדה המגנטי של כל מגנט ניתן לקבל על ידי הנחת דף נייר עליו יוצקים סיבי ברזל בשכבה אחידה. נכנסים לשדה מגנטי, הנסורת מתמגנטת - לכל אחד מהם יש קוטב צפון ודרום. קטבים מנוגדים נוטים להתקרב זה לזה, אך הדבר נמנע על ידי חיכוך של נסורת על הנייר. אם תקישו על הנייר עם האצבע, החיכוך יקטן והתיירות יימשכו זה לזה, ויצרו שרשראות המייצגות קווים של שדה מגנטי.

על אורז. 3 מציג את המיקום בשדה של מגנט ישיר של נסורת וחצים מגנטיים קטנים המציינים את כיוון קווי השדה המגנטי. עבור כיוון זה, נלקח כיוון הקוטב הצפוני של המחט המגנטית.

הניסיון של אורסטד. זרם שדה מגנטי

בתחילת המאה ה- XIX. מדען דני אורסטדעשה תגלית חשובה על ידי גילוי פעולת זרם חשמלי על מגנטים קבועים . הוא הניח חוט ארוך ליד המחט המגנטית. כאשר הועבר זרם דרך החוט, החץ הסתובב, מנסה להיות מאונך אליו ( אורז. ארבע ). זה יכול להיות מוסבר על ידי הופעת שדה מגנטי סביב המוליך.

קווי הכוח המגנטיים של השדה הנוצרים על ידי מוליך ישיר עם זרם הם מעגלים קונצנטריים הממוקמים במישור מאונך אליו, עם מרכזים בנקודה שדרכה עובר הזרם ( אורז. 5 ). כיוון הקווים נקבע על ידי כלל הבורג הנכון:

אם הבורג מסובב לכיוון קווי השדה, הוא ינוע לכיוון הזרם במוליך .

הכוח המאפיין את השדה המגנטי הוא וקטור אינדוקציה מגנטי B . בכל נקודה, הוא מכוון משיק לקו השדה. קווי שדה חשמליים מתחילים במטענים חיוביים ומסתיימים בשליליים, והכוח הפועל בשדה זה על מטען מופנה באופן משיק לישר בכל אחת מנקודותיו. בניגוד לשדה החשמלי, קווי השדה המגנטי סגורים, דבר הנובע מהיעדר "מטענים מגנטיים" בטבע.

השדה המגנטי של הזרם אינו שונה מהותית מהשדה שנוצר על ידי מגנט קבוע. במובן זה, אנלוגי של מגנט שטוח הוא סולנואיד ארוך - סליל של חוט, שאורכו גדול בהרבה מקוטרו. דיאגרמה של קווי השדה המגנטי שהוא יצר, מתוארת ב אורז. 6 , דומה לזה של מגנט שטוח ( אורז. 3 ). העיגולים מציינים את קטעי החוט היוצרים את פיתול הסולנואיד. הזרמים הזורמים דרך החוט מהצופה מסומנים בצלבים, והזרמים בכיוון ההפוך - לכיוון הצופה - מסומנים בנקודות. אותם ייעודים מקובלים עבור קווי שדה מגנטי כאשר הם מאונכים למישור הציור ( אורז. 7 א, ב).

כיוון הזרם בפיתול הסולנואיד וכיוון קווי השדה המגנטי בתוכו קשורים גם הם על ידי כלל הבורג הנכון, שבמקרה זה מנוסח באופן הבא:

אם אתה מסתכל לאורך ציר הסולנואיד, אז הזרם הזורם בכיוון השעון יוצר בו שדה מגנטי, שכיוונו עולה בקנה אחד עם כיוון התנועה של הבורג הימני ( אורז. שמונה )

בהתבסס על כלל זה, קל להבין שהסולנואיד המוצג ב אורז. 6 , קצהו הימני הוא הקוטב הצפוני, וקצהו השמאלי הוא הקוטב הדרומי.

השדה המגנטי בתוך הסולנואיד הוא הומוגני - לוקטור האינדוקציה המגנטי יש ערך קבוע שם (B = const). מבחינה זו, הסולנואיד דומה לקבל שטוח, שבתוכו נוצר שדה חשמלי אחיד.

הכוח הפועל בשדה מגנטי על מוליך עם זרם

נקבע בניסוי שכוח פועל על מוליך נושא זרם בשדה מגנטי. בשדה אחיד, מוליך ישר באורך l, שדרכו זורם זרם I, הממוקם בניצב לווקטור השדה B, חווה את הכוח: F = I l B .

כיוון הכוח נקבע שלטון יד שמאל:

אם ארבע האצבעות המושטות של יד שמאל ממוקמות בכיוון הזרם במוליך, וכף היד מאונכת לווקטור B, אזי האגודל הנסוג יציין את כיוון הכוח הפועל על המוליך. (אורז. 9 ).

יש לציין שהכוח הפועל על מוליך עם זרם בשדה מגנטי אינו מכוון למשיק לקווי הכוח שלו, כמו כוח חשמלי, אלא בניצב אליהם. מוליך הממוקם לאורך קווי הכוח אינו מושפע מהכוח המגנטי.

המשוואה F = IlBמאפשר לתת מאפיין כמותי של השראת השדה המגנטי.

יַחַס אינו תלוי בתכונות המוליך ומאפיין את השדה המגנטי עצמו.

המודול של וקטור האינדוקציה המגנטי B שווה מספרית לכוח הפועל על מוליך ביחידת אורך הממוקם בניצב לו, שדרכו זורם זרם של אמפר אחד.

במערכת SI, יחידת השראת השדה המגנטי היא טסלה (T):

שדה מגנטי. טבלאות, דיאגרמות, נוסחאות

(אינטראקציה של מגנטים, ניסוי אורסטד, וקטור אינדוקציה מגנטי, כיוון וקטור, עיקרון סופרפוזיציה. ייצוג גרפי של שדות מגנטיים, קווים של אינדוקציה מגנטית. שטף מגנטי, אנרגיה אופיינית לשדה. כוחות מגנטיים, כוח אמפר, כוח לורנץ. תנועת מטען. חלקיקים בשדה מגנטי. תכונות מגנטיות של חומר, השערת אמפר)

קביעת השדה המגנטי. המקורות שלו

הַגדָרָה

שדה מגנטי הוא אחת הצורות של שדה אלקטרומגנטי הפועל רק על גופים נעים בעלי מטען חשמלי או גופים ממוגנטים, ללא קשר לתנועתם.

המקורות של שדה זה הם זרמים חשמליים ישירים, מטענים חשמליים הנעים (גופים וחלקיקים), גופים ממוגנטים, שדות חשמליים מתחלפים. מקורות של שדה מגנטי קבוע הם זרמים ישרים.

מאפייני שדה מגנטי

בתקופה שבה רק החל חקר התופעות המגנטיות, החוקרים הקדישו תשומת לב מיוחדת לקיומם של קטבים בסורגים ממוגנטים. בהם, המאפיינים המגנטיים היו בולטים במיוחד. ניתן היה לראות בבירור שהקטבים של המגנט שונים. קטבים מנוגדים נמשכו, וכמו קטבים נהדפו. הילברט ביטא את הרעיון של קיומם של "מטענים מגנטיים". ייצוגים אלה נתמכו ופותחו על ידי קולומב. על בסיס הניסויים של קולומב, הכוח האופייני לשדה המגנטי הפך לכוח שבו פועל השדה המגנטי על מטען מגנטי השווה לאחדות. קולומב הפנה את תשומת הלב להבדלים המהותיים בין התופעות בחשמל ובמגנטיות. ההבדל כבר בא לידי ביטוי בכך שניתן לחלק מטענים חשמליים ולקבל גופים עם עודף מטען חיובי או שלילי, בעוד שאי אפשר להפריד בין הקוטב הצפוני והדרומי של מגנט ולקבל גוף בעל קוטב אחד בלבד. . מחוסר האפשרות לחלק את המגנט ל"צפוני" או "דרומי" בלבד החליט קולומב ששני סוגי המטענים הללו אינם ניתנים להפרדה בכל חלקיק יסודי של החומר הממגנט. לפיכך, הוכר שכל חלקיק חומר - אטום, מולקולה או קבוצה מהם - הוא משהו כמו מיקרו מגנט בעל שני קטבים. המגנטיזציה של הגוף במקרה זה היא תהליך ההתמצאות של המגנטים היסודיים שלו בהשפעת שדה מגנטי חיצוני (אנלוגי לקיטוב של דיאלקטריים).

האינטראקציה של זרמים מתממשת באמצעות שדות מגנטיים. אורסטד גילה ששדה מגנטי נרגש על ידי זרם ויש לו השפעה מכוונת על מחט מגנטית. המוליך של אורסטד עם הזרם היה ממוקם מעל המחט המגנטית, שיכולה להסתובב. כאשר הזרם זרם במוליך, החץ הסתובב בניצב לחוט. שינוי בכיוון הזרם גרם לכיוון מחדש של החץ. מהניסוי של אורסטד עלה כי לשדה המגנטי יש כיוון והוא חייב להיות מאופיין בכמות וקטורית. כמות זו נקראה אינדוקציה מגנטית וסומנה: $\overrightarrow(B).$ $\overrightarrow(B)$ דומה לווקטור העוצמה של השדה החשמלי ($\overrightarrow(E)$). האנלוגי של וקטור התזוזה $\overrightarrow(D)\$ עבור השדה המגנטי הוא הווקטור $\overrightarrow(H)$, הנקרא וקטור של עוצמת השדה המגנטי.

שדה מגנטי משפיע רק על מטען חשמלי נע. שדה מגנטי נוצר על ידי הזזת מטענים חשמליים.

השדה המגנטי של מטען נע. השדה המגנטי של סליל עם זרם. עקרון סופרפוזיציה

לשדה המגנטי של מטען חשמלי שנע במהירות קבועה יש את הצורה:

\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1\ימין),\]

כאשר $(\mu )_0=4\pi \cdot (10)^(-7)\frac(H)(m)(v\SI)$ הוא הקבוע המגנטי, $\overrightarrow(v)$ הוא המהירות תנועת מטען, $\overrightarrow(r)$ הוא וקטור הרדיוס שקובע את מיקום המטען, q הוא ערך המטען, $\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right]$ הוא המכפלה הווקטורית .

אינדוקציה מגנטית של אלמנט עם זרם במערכת SI:

כאשר $\ \overrightarrow(r)$ הוא וקטור הרדיוס שנמשך מהאלמנט הנוכחי לנקודה הנבדקת, $\overrightarrow(dl)$ הוא האלמנט של המוליך עם הזרם (הכיוון ניתן לפי כיוון הזרם ), $\vartheta$ היא הזווית בין $ \overrightarrow(dl)$ לבין $\overrightarrow(r)$. כיוון הווקטור $\overrightarrow(dB)$ מאונך למישור המכיל $\overrightarrow(dl)$ ו-$\overrightarrow(r)$. נקבע על ידי כלל הבורג הנכון.

עבור שדה מגנטי, עקרון הסופרפוזיציה מתקיים:

\[\overrightarrow(B)=\sum((\overrightarrow(B))_i\left(3\right),)\]

כאשר $(\overrightarrow(B))_i$ הם שדות בודדים שנוצרים על ידי מטענים נעים, $\overrightarrow(B)$ הוא האינדוקציה הכוללת של השדה המגנטי.

דוגמה 1

משימה: מצא את היחס בין הכוחות של האינטראקציה המגנטית והקולומבית של שני אלקטרונים שנעים באותה מהירות $v$ במקביל. המרחק בין החלקיקים קבוע.

\[\overrightarrow(F_m)=q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(B)\right]\left(1.1\right).\]

השדה שהאלקטרון הנע השני יוצר הוא:

\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1.2\ימין).\]

תנו למרחק בין אלקטרונים להיות $a=r\ (קבוע)$. אנו משתמשים בתכונה האלגברית של המכפלה הווקטורית (זהות לגראנז' ($\left[\overrightarrow(a)\left[\overrightarrow(b)\overrightarrow(c)\right]\right]=\overrightarrow(b)\left (\overrightarrow(a)\overrightarrow(c)\right)-\overrightarrow(c)\left(\overrightarrow(a)\overrightarrow(b)\right)$))

\[(\overrightarrow(F))_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2)(a^3)\left[\overrightarrow(v)\left[\overrightarrow (v)\overrightarrow(a)\right]\right]=\left(\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)-\overrightarrow(a)\left(\overrightarrow (v)\overrightarrow(v)\right)\right)=-\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2\overrightarrow(a)v^2)(a^3) \ ,\]

$\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)=0$ כי $\overrightarrow(v\bot)\overrightarrow(a)$.

מודול כוח $F_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2),\ $where $q=q_e=1.6\cdot 10^( -19 )Cl$.

מודול כוח הקולומב הפועל על אלקטרון בשדה שווה ל:

בוא נמצא את יחס הכוחות $\frac(F_m)(F_q)$:

\[\frac(F_m)(F_q)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2):\frac(q^2)((4) \pi (\varepsilon )_0a)^2)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.\]

תשובה: $\frac(F_m)(F_q)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.$

דוגמה 2

משימה: זרם ישר של כוח I מסתובב לאורך סליל עם זרם בצורת מעגל ברדיוס R. מצא את האינדוקציה המגנטית במרכז המעגל.

אנו בוחרים קטע יסודי על מוליך נושא זרם (איור 1), כבסיס לפתרון הבעיה, אנו משתמשים בנוסחה לאינדוקציה של אלמנט סליל עם זרם:

כאשר $\ \overrightarrow(r)$ הוא וקטור הרדיוס שנמשך מהאלמנט הנוכחי לנקודה הנבדקת, $\overrightarrow(dl)$ הוא האלמנט של המוליך עם הזרם (הכיוון ניתן לפי כיוון הזרם ), $\vartheta$ היא הזווית בין $ \overrightarrow(dl)$ לבין $\overrightarrow(r)$. בהתבסס על איור. 1 $\vartheta=90()^\circ $, לכן (2.1) יפושט, בנוסף, המרחק ממרכז המעגל (הנקודה שבה אנו מחפשים את השדה המגנטי) של אלמנט המוליך עם זרם הוא קבוע ושווה לרדיוס הסליל (R), ולכן יש לנו:

כל האלמנטים הנוכחיים ייצרו שדות מגנטיים המכוונים לאורך ציר ה-x. משמעות הדבר היא שניתן למצוא את וקטור אינדוקציית השדה המגנטי המתקבל כסכום ההשלכות של וקטורים בודדים $\ \ \overrightarrow(dB).$ לאחר מכן, על פי עקרון הסופרפוזיציה, ניתן לקבל את סך אינדוקציית השדה המגנטי על ידי מעבר אל האינטגרל:

החלפה של (2.2) ב-(2.3), נקבל:

תשובה: $B$=$\frac((\mu )_0)(2)\frac(I)(R).$

המונח "שדה מגנטי" פירושו בדרך כלל מרחב אנרגיה מסוים שבו באים לידי ביטוי כוחות האינטראקציה המגנטית. הם משפיעים על:

חומרים בודדים: פרימגנטים (מתכות - בעיקר ברזל יצוק, ברזל וסגסוגות שלהם) וסוג הפריטים שלהם, ללא קשר למצב;

העברת מטענים של חשמל.

גופים פיזיקליים בעלי מומנט מגנטי כולל של אלקטרונים או חלקיקים אחרים נקראים מגנטים קבועים. האינטראקציה שלהם מוצגת בתמונה. קווי מתח מגנטיים.

הם נוצרו לאחר הבאת מגנט קבוע לצד ההפוך של יריעת קרטון עם שכבה אחידה של סיבי ברזל. בתמונה ניתן לראות סימון ברור של הקוטב הצפוני (N) והדרומי (S) עם כיוון קווי הכוח ביחס לכיוונם: היציאה מהקוטב הצפוני והכניסה לדרום.

כיצד נוצר שדה מגנטי

מקורות השדה המגנטי הם:

מגנטים קבועים;

חיובים ניידים;

שדה חשמלי משתנה בזמן.

כל ילד בגן מכיר את פעולתם של מגנטים קבועים. הרי הוא כבר היה צריך לפסל תמונות-מגנטים על המקרר, שנלקחו מחבילות עם כל מיני דברים טובים.

למטענים חשמליים בתנועה יש בדרך כלל אנרגיית שדה מגנטי גבוהה בהרבה מזו. זה מצוין גם בקווי כוח. הבה ננתח את הכללים לתכנון שלהם עבור מוליך ישר עם זרם I.

קו שדה מגנטי מצויר במישור המאונך לזרם הזרם כך שבכל נקודה הכוח הפועל על הקוטב הצפוני של המחט המגנטית מכוון למשיק לקו זה. זה יוצר מעגלים קונצנטריים סביב המטען הנע.

כיוון הכוחות הללו נקבע על ידי הכלל הידוע של בורג או גימלט עם פיתול חוט ימני.

כלל גימלט

יש צורך למקם את הגימלט בקואקסיאלית עם הווקטור הנוכחי ולסובב את הידית כך שתנועת התרגום של הגימלט תחפוף לכיוונו. ואז הכיוון של קווי הכוח המגנטיים יוצג על ידי סיבוב הידית.

במוליך הטבעת, התנועה הסיבובית של הידית עולה בקנה אחד עם כיוון הזרם, ותנועת התרגום מצביעה על כיוון האינדוקציה.

קווי שדה מגנטי תמיד יוצאים מהקוטב הצפוני ונכנסים לדרום. הם ממשיכים בתוך המגנט ולעולם אינם פתוחים.

כללים לאינטראקציה של שדות מגנטיים

שדות מגנטיים ממקורות שונים מתווספים זה לזה, ויוצרים את השדה המתקבל.

במקרה זה, מגנטים בעלי קטבים מנוגדים (N - S) נמשכים זה לזה, ועם אותם קטבים (N - N, S - S) הם נדחים. כוחות האינטראקציה בין הקטבים תלויים במרחק ביניהם. ככל שהקטבים מוזזים קרוב יותר, כך הכוח שנוצר גדול יותר.

מאפיינים עיקריים של השדה המגנטי

אלו כוללים:

וקטור אינדוקציה מגנטי (B);

שטף מגנטי (F);

הצמדת שטף (Ψ).

עוצמת או כוח הפגיעה של השדה נאמדים לפי הערך וקטור אינדוקציה מגנטי. הוא נקבע על פי ערך הכוח "F" שנוצר על ידי הזרם העובר "I" דרך מוליך באורך "l". B \u003d F / (I ∙ l)

יחידת המדידה של אינדוקציה מגנטית במערכת SI היא טסלה (לזכרו של הפיזיקאי המדען שחקר תופעות אלו ותיאר אותן בשיטות מתמטיות). בספרות הטכנית הרוסית הוא מכונה "Tl", ובתיעוד בינלאומי הסמל "T" מאומץ.

1 T הוא אינדוקציה של שטף מגנטי אחיד שכזה הפועל בכוח של 1 ניוטון למטר מאורך מוליך ישר בניצב לכיוון השדה כאשר זרם של 1 אמפר עובר דרך המוליך הזה.

1Tl=1∙N/(A∙m)

כיוון הווקטור B נקבע על ידי שלטון יד שמאל.

אם תניח את כף יד שמאל בשדה מגנטי כך שקווי הכוח מהקוטב הצפוני ייכנסו לכף היד בזווית ישרה, ותניח ארבע אצבעות לכיוון הזרם במוליך, אז האגודל הבולט ציין את כיוון הכוח על מוליך זה.

במקרה בו המוליך עם הזרם החשמלי אינו ממוקם בזווית ישרה לקווי השדה המגנטי, אזי הכוח הפועל עליו יהיה פרופורציונלי לגודל הזרם הזורם ולחלק המרכיב של הקרנת אורך המוליך. עם זרם על מישור הממוקם בכיוון הניצב.

הכוח הפועל על הזרם החשמלי אינו תלוי בחומרים מהם עשוי המוליך ובשטח החתך שלו. גם אם המוליך הזה לא קיים כלל, והמטענים הנעים יתחילו לנוע בתווך אחר בין הקטבים המגנטיים, אז הכוח הזה לא ישתנה בשום צורה.

אם בתוך השדה המגנטי בכל הנקודות לוקטור B יש אותו כיוון וגודל, אז שדה כזה נחשב אחיד.

כל סביבה שיש לה, משפיעה על הערך של וקטור האינדוקציה B.

שטף מגנטי (F)

אם ניקח בחשבון את מעבר האינדוקציה המגנטית דרך אזור S מסוים, אזי האינדוקציה המוגבלת בגבולותיה תיקרא שטף מגנטי.

כאשר השטח נוטה בזווית כלשהי α לכיוון האינדוקציה המגנטית, אז השטף המגנטי יורד בערך הקוסינוס של זווית הנטייה של השטח. הערך המרבי שלו נוצר כאשר השטח מאונך לאינדוקציה החודרת שלו. Ф=В·S

יחידת המדידה לשטף מגנטי היא 1 וובר, אשר נקבעת על ידי מעבר של אינדוקציה של 1 טסלה דרך שטח של מטר מרובע אחד.

הצמדת שטף

מונח זה משמש להשגת הכמות הכוללת של השטף המגנטי שנוצר ממספר מסוים של מוליכים נושאי זרם הנמצאים בין הקטבים של מגנט.

במקרה שבו אותו זרם I עובר דרך פיתול הסליל עם מספר הסיבובים n, אז השטף המגנטי הכולל (המקושר) מכל הסיבובים נקרא הצמדת השטף Ψ.

Ψ=n F . יחידת הצמדת השטף היא 1 וובר.

כיצד נוצר שדה מגנטי מחשמל מתחלף

השדה האלקטרומגנטי המקיים אינטראקציה עם מטענים חשמליים וגופים בעלי מומנטים מגנטיים הוא שילוב של שני שדות:

חשמלי;

מַגנֶטִי.

הם קשורים זה בזה, מייצגים שילוב אחד של השני, וכאשר אחד משתנה עם הזמן, סטיות מסוימות מתרחשות בשני. לדוגמה, בעת יצירת שדה חשמלי סינוסואיד לסירוגין במחולל תלת פאזי, אותו שדה מגנטי נוצר בו זמנית עם המאפיינים של הרמוניות מתחלפות דומות.

תכונות מגנטיות של חומרים

ביחס לאינטראקציה עם שדה מגנטי חיצוני, חומרים מחולקים ל:

אנטי-פרומגנטיםעם רגעים מגנטיים מאוזנים, שבגללם נוצרת מידה קטנה מאוד של מגנטיזציה של הגוף;

diamagnets בעלי תכונה למגנט את השדה הפנימי כנגד פעולת החיצוני. כאשר אין שדה חיצוני, אז הם אינם מציגים תכונות מגנטיות;

פרמגנטים בעלי תכונות של מגנטיזציה של השדה הפנימי לכיוון השדה החיצוני, שיש להם מידה קטנה;

פרומגנטים, שהם מגנטיים ללא שדה חיצוני מופעל בטמפרטורות מתחת לנקודת Curie;

פרימגנטים בעלי מומנטים מגנטיים שאינם מאוזנים בגודל ובכיוון.

כל התכונות הללו של חומרים מצאו יישומים שונים בטכנולוגיה המודרנית.

מעגלים מגנטיים

כל השנאים, השראות, המכונות החשמליות והתקנים רבים אחרים פועלים על בסיס.

לדוגמה, באלקטרומגנט עובד, השטף המגנטי עובר דרך מעגל מגנטי העשוי מפלדות פרומגנטיות ואוויר עם תכונות לא פרומגנטיות בולטות. השילוב של אלמנטים אלה מרכיב את המעגל המגנטי.

לרוב המכשירים החשמליים יש מעגלים מגנטיים בעיצובם. קרא עוד על זה במאמר זה -