Магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами. Как образуются магнитные поля
Магнитные поля играют важную роль в нашей повседневной жизни - от работы электроприборов до навигационных систем. Но как именно образуются эти невидимые линии силы? Давайте разберемся!
Основные понятия о магнитных полях
Магнитное поле - это особый вид материи, который оказывает воздействие на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Оно характеризуется определенным направлением и силой.
Направление магнитного поля показывают с помощью силовых линий - условных линий, проходящих по направлению действия сил поля. Силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный.
Сила магнитного поля называется магнитной индукцией и обозначается буквой B. Она измеряется в теслах (Тл) - чем больше тесла, тем сильнее поле.
Физическая природа магнитных полей
Магнитные поля создаются движением заряженных частиц - электронов, протонов и других. Например, если по проводнику течет электрический ток, то движущиеся в нем электроны порождают вокруг него магнитное поле.
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами.
У постоянных магнитов поле образуется за счет упорядоченного движения электронов по орбитам в атомах. Каждый атом вещества ведет себя как мельчайший магнитик - магнитный момент. В ферромагнитных материалах, таких как железо или никель, магнитные моменты атомов ориентированы параллельно друг другу, что и придает этим веществам магнитные свойства.
Еще один пример создания магнитного поля - проводник с током. Согласно правилу буравчика , если представить ток, текущий по проводу, как движение положительного заряда, то направление линий магнитной индукции вокруг провода совпадает с направлением вращения буравчика, когда он вкручивается по ходу тока в провод.
Так формируется магнитное поле вокруг проводника с током.
Основные законы магнитных полей
Существуют три фундаментальных закона, описывающих поведение и взаимодействие магнитных полей:
- Закон Ампера - описывает силу взаимодействия параллельных проводников с током
- Закон Био-Савара-Лапласа - позволяет рассчитать магнитное поле в любой точке вокруг проводника с током
- Принцип суперпозиции - магнитное поле от нескольких источников равно векторной сумме полей каждого источника в отдельности
Рассмотрим эти законы подробнее.
Закон Ампера
Этот закон гласит, что параллельные проводники с током, текущим в одном направлении, притягиваются, а с током в разных направлениях - отталкиваются.
Например, если взять два длинных провода и пропустить по ним ток в одну сторону, то они начнут приближаться друг к другу. Это и есть проявление закона Ампера - проводники притягиваются благодаря возникающему между ними магнитному взаимодействию.
Закон Био-Савара-Лапласа
Этот закон позволяет вычислить величину магнитной индукции в любой точке пространства вокруг проводника с током. Формула этого закона довольно громоздкая:
Но главный смысл состоит в том, что с увеличением силы тока I или уменьшением расстояния r магнитное поле вокруг проводника становится сильнее. То есть чем ближе к проводу, тем выше индукция B.
Принцип суперпозиции
Если в некоторой области пространства существуют магнитные поля от нескольких источников одновременно, то результирующее поле равно векторной сумме (суперпозиции) всех отдельных полей.
Например, поле от двух параллельных проводов с током численно складывается и усиливает результирующее магнитное поле между ними. Это используется при создании электромагнитов.
Явление электромагнитной индукции
В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что изменение магнитного потока через замкнутый контур приводит к возникновению в нем электродвижущей силы (ЭДС).
Например, если взять кольцо из медного провода и быстро вдвинуть в него магнит, то магнитный поток через кольцо возрастет, что вызовет появление индукционного тока в проводнике. То есть изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, которое и наводит ток в контуре.
Правило Ленца
Русский ученый Эмилий Ленц сформулировал важный принцип, позволяющий определить направление индукционных токов:
Индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.
То есть токи формируют вторичное магнитное поле, которое направлено навстречу первичному полю, чтобы компенсировать его изменения. Именно поэтому при вдвигании магнита в катушку возникает индукционный ток, а при выдвигании - ток в обратную сторону.
Практическое применение
Электромагнитная индукция широко используется в технике для получения переменных токов. Конструкции генераторов и электродвигателей основаны именно на этом явлении - изменения магнитного поля вызывают электрические токи в проводниках и наоборот.
Например, в электрогенераторах магнит вращается относительно неподвижных катушек, благодаря чему магнитный поток через катушки меняется и в них наводится переменный электрический ток.
Роль магнитных полей в современной технике
Магнитные поля находят широкое применение в различных областях науки и техники, в частности:
- Электродвигатели
- Генераторы электроэнергии
- Магнитная запись информации
- Медицинская диагностика (МРТ)
Электродвигатели и генераторы
Магнитные поля лежат в основе работы электродвигателей и электрогенераторов. Как правило, они состоят из подвижной части (ротора), вращающейся внутри неподвижной обмотки (статора).
В двигателях за счет подводимого тока в обмотках статора возникает вращающееся магнитное поле, которое воздействует на ротор, приводя его в движение. В генераторах все наоборот - вращающийся ротор индуцирует переменный ток в неподвижных обмотках.
Магнитная запись данных
Магнитные носители информации, такие как жесткие диски, дискеты, магнитные ленты, используют особенности намагничивания ферромагнитных материалов. В них магнитные домены могут ориентироваться вдоль или против внешнего поля, что и интерпретируется как двоичные 0 и 1 - элементарные ячейки памяти.