Магниты их свойства, правило буравчика и левой руки

Введение

В настоящее время исследователи уделяют большое внимание магнитному волшебству. В этой статье мы изучим свойства магнитов и то, как они работают, используя правило буравчика и левой руки, чтобы окунуться в захватывающий мир магнитов. От притяжения до отталкивания мы раскроем тайны магнитной физики, рассматривая исключительные стороны этого явления.

Определение магнетизма

Магнетизм — это взаимодействие, которое происходит между движущимися электрическими зарядами через магнитное поле. Это явление, вместе с электричеством, представляет собой одну из форм электромагнитного взаимодействия. Согласно квантовой теории поля, электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством бозона, известного как фотон (частица, которую можно рассматривать как квант электромагнитного поля).

Общая информация

Магнитная стрелка компаса может устанавливаться в магнитном поле Земли таким образом, что один из ее концов указывает на север, а другой на юг. Этот уникальный элемент является результатом движения электрических зарядов внутри атомов стрелки. На стрелке N — северный полюс, а S — южный полюс.

Разнообразная форма магнитов, будь то прямоугольная, ромбическая или круглая, является их отличительной чертой. Уникальность магнитов подчеркивается их разнообразной геометрией. Независимо от формы, каждый магнит обладает двумя магнитными полюсами, северным и южным, что позволяет им взаимодействовать с магнитным полем вокруг них и служит важным ориентиром.

Погрузив намагниченный стержень в железные опилки и вынув его, наибольшее количество опилок притянется к концам магнита. Опилок не будет в нейтральной линии, расположенной посередине стержня. Каждая из ниток намагниченного стержня становится отдельным магнитом с разноименными полюсами на концах, когда стержень разделяется на две части.

При дальнейшем дроблении стержня образуются отдельные магниты с северным и южным полюсами.

Таким образом, вывод заключается в том, что создание магнита с одним полюсом (либо N, либо S) невозможно. Каждый созданный магнит всегда имеет северный и южный полюс.

Сталь может притягивать железные предметы, если поместить его недалеко от северного (N) или южного (S) полюса магнита. В этом случае, ближайший к полюсу N магнита конец бруска будет иметь южный полюс (S), а противоположный конец (N) будет иметь южный полюс (S).

Сила взаимодействия возникает, когда два магнита находятся близко друг от друга по полюсам. Эта сила направлена таким образом, что одноименные (например, два северных или два южных) полюса отталкиваются друг от друга, а разноименные (например, северный и южный) полюса притягиваются друг к другу. Это явление демонстрирует основные принципы взаимодействия магнитов и определяет, как они действуют в пространстве.

Вокруг каждого магнитизированного объекта создается магнитное поле, представляющее собой физическую среду, в которой проявляется воздействие магнитных сил.

На вышеуказанном изображении магнитное поле изображено в виде магнитных линий, идущих от северного полюса к южному. Поскольку северные и южные полюсы магнита неразделимы и всегда в паре, каждая магнитная линия образует замкнутую кривую.

Эта деталь подчеркивает тот факт, что магнитные линии не имеют четкого начала или конца. Они образуют замкнутые кривые из-за несовместимости южного и северного полюсов. Это предупреждение напоминает нам о том, что магнитные свойства всегда существуют в парах, что создает уникальные и постоянные взаимодействия в магнитных полях.

При внесении какого-либо тела в магнитное поле, оно пронизывается магнитными линиями, оказывая определенное воздействие на поле. Важно отметить, что различные материалы проявляют разное воздействие на магнитное поле.

В намагниченных телах магнитное поле формируется за счет движения электронов, вращающихся как вокруг ядра атома, так и вокруг своей собственной оси. Орбиты и оси вращения электронов в атомах могут находиться в различных положениях относительно друг друга. В результате, магнитные поля, порождаемые движущимися электронами, распределены по разным направлениям.

В зависимости от взаимного расположения этих магнитных полей они могут либо складываться, либо вычитаться. В первом случае атом обладает магнитным полем или магнитным моментом, во втором — не обладает. Этот феномен позволяет понять, почему некоторые материалы обнаруживают магнитные свойства, в то время как другие остаются немагнитными.

Диамагнитные материалы

Материалы, атомы которых не имеют магнитного момента, и намагнитить которые невозможно, называются диамагнитными.

Большинство веществ, встречающихся в природе, а также некоторые металлы, такие как медь, свинец, цинк, серебро и другие, являются немагнитными. Это означает, что атомы этих материалов не обладают значительным магнитным моментом и не проявляют легкости в намагничивании.

Материалы, у которых атомы обладают определенным магнитным моментом и могут поддаваться намагничиванию, называются парамагнитными. Сюда входят алюминий, олово, марганец и другие вещества.

Ферромагнитные материалы представляют исключение. Атомы в этих материалах обладают сильным магнитным моментом и легко поддаются намагничиванию. К ферромагнитным материалам относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и их сплавы. Эти материалы обладают уникальной способностью удерживать постоянный магнитный момент даже после удаления внешнего магнитного поля.

Магнитное поле электрического тока

Магнитное поле образуется в результате протекания электрического тока вокруг проводника. В результате магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, стремится изменить свое положение таким образом, чтобы оно было перпендикулярно плоскости, проходящей вдоль проводника. Простая практика демонстрирует этот эффект.

Для этого необходимы проводник с электрическим током и свободно вращающаяся магнитная стрелка. Когда магнитная стрелка приближается к проводнику, она стремится выстроить свое положение перпендикулярно направлению тока. Этот опыт демонстрирует наглядно воздействие электрического тока на магнитное поле и подчеркивает важные принципы электромагнетизма, которые необходимы для понимания работы различных устройств, таких как электромагниты и электродвигатели.

Магнитное поле без прохождения тока

Вставив проводник через отверстие в горизонтальном листе картона и пропустив через него ток, можно наблюдать, как железные опилки располагаются в концентрических окружностях с общим центром в точке пересечения проводника и листа картона.

Магнитное поле при прохождении тока в одном направлении

Магнитная стрелка, подвешенная на нити вблизи этого проводника, займет положение, указанное на рисунке выше, выстраиваясь так, чтобы её направление было перпендикулярным к направлению тока в проводнике.

Магнитное поле при прохождении тока в обратном направлении

При изменении направления тока в проводнике, магнитная стрелка изменит свое положение, повернувшись на 180 градусов. Тем не менее, она сохранит свою ориентацию, оставаясь перпендикулярной плоскости, проходящей вдоль проводника.

Правило буравчика

Правило буравчика используется для определения направления магнитных линий формируемого им магнитного поля в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило можно объяснить так: когда проводник зажимается таким образом, что ток направлен от наблюдателя, магнитные линии образуют вращающееся винтовое движение по направлению тока.

Определение правила буравчика

Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращательное движение его рукоятки указывает направление магнитных линий поля, образующегося вокруг этого проводника.

Если по проволоке, согнутой в форме кольца, пропустить ток, то в результате возникнет магнитное поле. При этом, проволока, согнутая спирально и образующая несколько витков, устроенных так, что их оси совпадают, получает название соленоида.

Магнитное поле соленоида

При пропускании тока через обмотку соленоида или один виток проволоки создается магнитное поле, а определение направления этого поля подчинено правилу буравчика.

Правило буравчика при прохождении тока через соленоид

Если расположить ось буравчика перпендикулярно плоскости кольцевого проводника или вдоль оси соленоида и вращать его рукоятку по направлению тока, то поступательное движение этого буравчика укажет направление магнитных линий поля кольца или соленоида.

Магнитное поле, которое образуется при прохождении тока через обмотку соленоида, идентично магнитному полю постоянного магнита. Иными словами, край соленоида, откуда выходят магнитные линии, называется северным полюсом, а его противоположный конец называется южным.

Направление тока определяет направление магнитного поля. Магнитные линии поля, создаваемые током, изменяются вместе с направлением тока в прямолинейном проводнике или катушке.

В однородном магнитном поле во всех точках оно обладает одинаковым направлением и равной интенсивностью. В противном случае, если направление и интенсивность изменяются, поле называется неоднородным.

Графически однородное магнитное поле часто изображают параллельными линиями с одинаковой плотностью. Примером может служить воздушный зазор между двумя разноименными параллельно расположенными полюсами магнита. Это создает визуальное представление о том, как магнитные силовые линии ведут себя в однородном магнитном поле.

Проводник с током в магнитном поле. Магнитная индукция

Когда проводник, по которому текущий электрический ток, вводится в магнитное поле, возникает взаимодействие между магнитным полем и проводником с током, что приводит к перемещению проводника в ту или иную сторону.

Когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует магнитная сила. Это явление объясняется законом Ампера. Магнитная сила, действующая на проводник, можно выразить через магнитную индукцию (B), ток в проводнике (I) и длину проводника (l). Математически это выглядит следующим образом:

F=B⋅I⋅l⋅sin(θ)

где:

• F — магнитная сила, действующая на проводник,
• B — магнитная индукция,
• I — ток в проводнике,
• l — длина проводника в магнитном поле,
• θ — угол между направлением тока и магнитной индукцией.

Это уравнение показывает, как магнитная сила зависит от взаимного расположения проводника, тока и магнитного поля. В случае перпендикулярного расположения тока и магнитного поля (θ=90∘), сила достигает максимума. В случае параллельного (θ=0∘), магнитная сила становится равной нулю.

Перемещение проводника зависит от направления тока, проходящего через него, и направления магнитных силовых линий поля. В результате этого взаимодействия можно определить направление движения проводника в магнитном поле. Следовательно, изменение направления перемещения проводника может быть вызвано изменением направления тока или ориентации магнитных линий.

В магнитном поле магнита (NS) перпендикулярно проводнику протекает ток от нас за плоскость. В результате этого взаимодействия возникает сила Лоренца, создающая момент и стремящаяся поворачивать проводник вокруг своей оси.

Ток, идущий от плоскости рисунка к наблюдателю, обозначается условно точкой, а ток, направляющийся за плоскость рисунка от наблюдателя,— крестом. Всегда все уходящее на изображениях обозначается крестом, а направленное на «смотрящего» — точкой.

В результате тока вокруг проводника образуется магнитное поле. При использовании правила буравчика легко определить, что в этом конкретном случае направление магнитных линий поля совпадает с направлением движения часовой стрелки.

В результате взаимодействия магнитного поля магнита и поля, созданного током в проводнике, формируется результирующее магнитное поле, как показано на приведенном ниже рисунке.

Правило левой руки

Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.

Густота магнитных линий в результирующем поле различна с обеих сторон проводника. Справа от проводника магнитные поля, имея одинаковое направление, складываются, тогда как слева, будучи направленными встречно, частично уничтожают друг друга.

Таким образом, на проводник действует сила, большая справа и меньшая слева. Под воздействием этой неравномерной силы проводник будет перемещаться в направлении силы F. Изменение направления тока в проводнике приведет к изменению направления магнитных линий вокруг него, что в свою очередь изменит направление движения проводника.

Сила, оказывающая воздействие на проводник с током в магнитном поле, зависит от двух важных параметров: силы тока, текущего по проводнику, и интенсивности магнитного поля.

Магнитная индукция

Магнитная индукция (также называемая магнитной напряжённостью) — это векторная характеристика магнитного поля, которая описывает воздействие магнитного поля на магнитные материалы и токи. Магнитная индукция обозначается символом B и измеряется в теслах (T) в системе Международных единиц.

Магнитная индукция в точке пространства может быть определена как отношение магнитной силы (Fm​), действующей на магнитный момент или ток, к величине этого магнитного момента или тока. Математически, магнитная индукция (B) выражается следующим образом:

B = \frac{F_m}{q \cdot v \cdot \sin(\theta)}

где:

• B — магнитная индукция,
• Fm​ — магнитная сила,
• q — величина магнитного момента или тока,
• v — скорость движения магнитного момента или заряда,
• θ — угол между вектором скорости и магнитным полем.

Это определение основывается на втором законе Лапласа для магнитных полей.

О магнитной индукции можно судить, анализируя воздействие магнитного поля на проводник с током, помещенный в него. Если в равномерном магнитном поле проводник длиной 1 м и с током 1 А, ориентированный перпендикулярно магнитным линиям, поддается силе в 1 Н (ньютон), то магнитная индукция этого поля составляет 1 Тл (тесла).

Магнитная индукция является векторной величиной, ее направление совпадает с направлением магнитных линий, причем в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитной линии.

Сила ( F ), воздействующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна магнитной индукции ( B ), току в проводнике ( I ), и его длине ( l ), выражаясь формулой:

F=BIl

Эта зависимость верна только в случае, когда проводник с током ориентирован перпендикулярно линиям равномерного магнитного поля.

Если же проводник с током расположен под углом ( α ) относительно магнитных линий, формула изменится на:

F = BIl \sin(\alpha)

При этом сила будет зависеть от синуса угла ( α ) между проводником и магнитными линиями.

Когда проводник выравнивается вдоль магнитных линий ( α = 0 ), сила ( F ) становится равной нулю, поскольку синус угла ( α ) при ( α = 0 ) равен нулю.