Одним из основных понятий, используемых в физике, является магнитное поле. Оно воздействует на перемещающиеся электрические заряды. Незаметно и не ощущается человеком, однако его наличие можно выявить с помощью магнита или железа. Также достаточно легко понять, какое магнитное поле называется однородным и неоднородным.
Определение и способы обнаружения магнитного поля
Когда мы сталкиваемся с понятием магнитного поля, у нас возникает вопрос касательно того, какое это магнитное поле, однородное или неоднородное оно. Прежде чем дать ответ на такой вопрос, следует дать начальные определения терминам.
Магнитное поле полагается считать особым видом материи, существующим возле перемещающихся электрических зарядов, в особенности возле проводников с током. Обнаружить можно, используя магнитную стрелку или железные опилки.
Однородное поле
Встречается внутри полосового магнита и в соленоиде, когда его длина намного больше диаметра. В таком случае по правилу буравчика контуры магнитного поля будут направляться против часовой стрелки.
Магнитные линии параллельны и прямые, пустота между ними всегда одинакова, сила влияния на магнитную стрелку не различается во всех точках по своей величине и направлению.
Неоднородное поле
В случае с неоднородным полем магнитные линии будут искривляться, пустота между ними различается по величине, сила воздействия на магнитную стрелку различается в разных точках поля по своей величине и направлению. Также сила, действующая на помещённую в поле полосового магнита стрелку, действует в различные точки с разными по модулю и направлению силами. Это называют неоднородным полем. Линии такого поля искривлены, частота меняется от точки к точке.
Обнаружить такого рода поле возможно возле прямого проводника с током, полосового магнита и соленоида.
Что такое магнитные линии
В первую очередь при возникновении задачи следует определить, какое магнитное поле, однородное или неоднородное, образуется, следует узнать о магнитных линиях, по форме которых становится понятна характеристика поля.
Чтобы изобразить магнитное поле, стали использовать магнитные линии. Они являются воображаемыми полосами, расположенными вдоль магнитной стрелки и размещенными в магнитном поле. Провести магнитную линию возможно сквозь любую точку поля, она будет иметь направление и всегда замыкаться.
Направление
Выходят из северного полюса магнита и направляются в южный. Изнутри самого магнита все строго наоборот. Сами линии не обладают началом или концом, сомкнуты или проходят из бесконечности в бесконечность.
За пределами магнита линии располагаются максимально густо возле полюсов. Из этого становится ясно, что наиболее сильно воздействие поля вблизи полюсов, и по мере удаления от низа оно слабеет. Учитывая, что магнитные полосы искривлены, то направление силы, которая действует на магнитную стрелку, тоже изменяется.
Как изобразить
Чтобы понять, чем отличаются однородные магнитные поля от неоднородных, необходимо их научиться изображать, используя магнитные линии.
Следует рассмотреть названный выше пример возникновения однородного магнитного поля в так называемом соленоиде, который представляет собой проволочную цилиндрическую катушку, через какую пускают ток. Внутри него магнитное поле может считаться однородным, при условии что длина намного больше диаметра (вне катушки поле будет неоднородным, магнитные линии будут располагаться так же, как и у полосового магнита).
Однородное поле также располагается в центре постоянного полосового магнита. В какой-либо ограниченной области в пространстве возможно воспроизвести и однородное магнитное поле, в котором силы воздействия на намагниченную стрелку будут одинаковы по модулю и направлению.
Чтобы изобразить магнитное поле, используют следующий пример. Если линии расположатся перпендикулярно к чертежной плоскости и направляются от смотрящего, то их изображают крестиками, если на смотрящего - точками. Как и с током, каждый крестик является как бы видимым хвостовым оперением летящей от смотрящего стрелы, а точка - острее стрелы, которая летит к нам.
Также требование "Изобразите однородное и неоднородное магнитное поле" легко выполнимо. Попросту нарисуйте эти магнитные линии, учитывая характеристики поля (однородность и неоднородность).
Однако существование неоднородных полей сильно усложняет задачу. В таком варианте получение какого-либо физического результата с использованием общего уравнения маловероятно.
Отличия
Ответ на вопрос о том, чем отличаются однородные магнитные поля от неоднородных, достаточно легко дать. В первую очередь это зависит от магнитных линий. В случае с однородным полем расстояние между ними будет одинаково, и они будут равномерно располагаться, с одной и той же силой действуя на приборы в любой точке. Для неоднородных полей все строго наоборот. Линии неравномерно расположены, в различных местах действуют с неодинаковой силой на приборы.
На практике достаточно часто встречается неоднородное поле, о чем также следует помнить, поскольку однородные поля могут встречаться разве что внутри предмета, вроде магнита или соленоида. Наружные же наблюдения зафиксируют неоднородность.
Обнаружение поля
Поняв, что такое однородные и неоднородные магнитные поля, и определения их разобрав, следует узнать, каким способом можно обнаружить их.
Наиболее простым для этого является опыт, проведенный Эрстедом. Заключается он в использовании магнитной стрелки, которая помогает определить существование электрического тока. Как только ток будет передвигаться по проводнику, расположенная рядом стрелка придет в движение, за счет того что существуют однородные и неоднородные магнитные поля.
Взаимодействие проводников с током
У каждого проводника с током наблюдается свое магнитное поле, воздействующее с определенной силой на ближайший. В зависимости от направления тока, проводники будут притягиваться или отталкиваться друг от друга. Поля, возникшие от различных источников, будут складываться и образовывать единое результирующее поле.
Как создаются и для чего
Примеры однородного и неоднородного магнитного поля, применяемые в электронно-лучевых приборах, создаются катушками, которые пропускают ток. Для получения необходимой формы магнитного поля применяют полочные наконечники и магнитные экраны, сделанные из материй, имеющих сильную магнитную проницаемость.
Влияние неоднородных магнитных полей способно изменить протекание необратимых явлений физико-химического характера, в основном гетерогенного процесса. Появление турбулентной диффузии ведет к увеличению на несколько порядков скорости перемещения газа из какой-либо жидкости к поверхности в виде микропузырьков. Эффект локальной дегидратации ионов и частиц обусловлен интенсификацией процесса микрокристаллизации. В проточных средах высокоэнергетические реакции способны создавать свободные радикалы, атомарный кислород, перекиси и азотистые соединения. Случается коагуляция, и в жидкости оказываются продукты, вызванные эрозионным разрушением.
Во время гидродинамической кавитации большая величина возникающих пузырьков и каверн усложняет их унос жидкостью из территории пониженного давления в зону большего давления, где ведется коллапсирование пузырьков. Во время коллапса пузырька малой величины имеется малое содержание воздуха и возникает сильная химическая реакция, схожая с плазменным разрядом. Присутствие неоднородных магнитных полей ведет к неустойчивости каверн, их распаду и возникновению мелкомасштабных вихрей и пузырьков. Учитывая, что давление в центре такого вихря понижено, он конверсирует газовые пузырьки незначительного размера.
Во время измерения индукции в неоднородном магнитном поле следует помнить, что напряжение Холла пропорционально усредненной величине индукции поля в пределах территории, ограниченной поверхностью преобразователя.
Чтобы сфокусировать параксиальные пучки, также используют неоднородные магнитные поля, образовываемые короткими катушками, являющимся многослойными соленоидами, длина коих соизмерима с их диаметром. На электрон, попадающий в такое поле, действуют силы, меняющие его направление. Электрон под влиянием такой силы приближается к оси линзы, при том плоскость, в которой находится его траектория, искривляется. Электрон продвигается по спиралевидному отрезку, который пересекает оси линзы в заданной точке.
Пространственный фактор увеличения вызван пространственным рассредотачиванием неоднородных полей на территории гетерогенной системы, запиленной жидкостью. Чтобы получить инверсию населенности уровней методом разделения, применяют неоднородные поля, созданные многополосным магнитом. Форма полюсов подобна стержням в квадрупольном конденсаторе молекулярного генератора на аммиаке.
Способы использования
Магнитно-порядковый способ дефектоскопии базируется на тяге магнитных частиц силами неоднородных полей, появляющихся над дефектами. По скоплению такого порошка выясняют присутствие дефекта, его величину и положение на проверяемой детали.
Немалым недостатком метода молекулярных пучков с применением сильных неоднородных магнитных полей считается малый эффект расщепления. Имеется простой и кажущийся неправдоподобным метод увеличения этого эффекта. Заключается он в применении легкого наружного магнитного поля. Последнее даст возможность увеличить область использования ядерных прецессионных магнитометров в сторону неоднородных магнитных полей.
Преимуществом такого метода является высокая разрешающая способность, дающая возможность фиксировать неоднородные магнитные поля, соразмерные с величиной частиц магнитного слоя ленты, а также возможность нахождения повреждений на сложных поверхностях и в тесных проемах.
Недостатками являются необходимость вторичной обработки информации, фиксируются лишь частицы магнитных полей вдоль ленты, сложность размагничивания и сохранения ленты, и необходимо предотвращать влияние внешних магнитных полей.
Магнитное поле однородное и неоднородное встречаются достаточно часто, несмотря на то, что незаметны простому обывателю. Примеры однородного и неоднородного магнитного поля можно обнаружить в полосовых магнитах и соленоидах. При этом заметить их можно, используя простейшую магнитную стрелку или железные опилки.
