Источник поля. Магнитное поле. Что служит источником магнитного поля?
Магнитное поле - удивительное и загадочное явление природы. Оно окружает нас повсюду, но откуда оно берется? Давайте разберемся, какие источники порождают это поле и почему оно так важно для нас. Узнаем много нового и полезного!
История открытия магнитного поля
Еще в глубокой древности люди заметили, что некоторые породы камней, которые впоследствии назвали магнитами, притягивают к себе железо. Однако сущность этого явления оставалась неизвестной в течение многих веков. Первым, кто приоткрыл завесу тайны, стал датский физик Ханс Христиан Эрстед.
В 1820 году на одной из лекций Эрстед случайно заметил, что стрелка компаса отклоняется, если рядом пропустить электрический ток. Это наблюдение заинтересовало ученого и он провел специальные опыты, в результате которых пришел к выводу, что электрический ток создает вокруг себя особое магнитное поле . Так была открыта тесная связь между электричеством и магнетизмом.
После Эрстеда многие ученые, такие как Ампер, Фарадей, Максвелл и другие внесли весомый вклад в изучение электромагнитных явлений. К концу XIX века были открыты основные законы, позволяющие описать магнитное поле и его источники.
Характеристики и свойства магнитного поля
Итак, что же представляет собой магнитное поле? Это особая разновидность материи, которая действует на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Основной характеристикой этого поля является вектор магнитной индукции B. Его направление показывает ориентацию силы, действующей со стороны поля на проводник с током или элементарную частицу, а модуль характеризует величину этого воздействия.
Нельзя рассматривать магнитное поле отдельно от электрического, так как они тесно связаны друг с другом. Переменный электрический ток или изменение электрического поля во времени порождает магнитное поле. И наоборот, изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического.
- Магнитное поле имеет вихревой характер - его силовые линии замкнуты и образуют контуры.
- Оно подчиняется принципу суперпозиции - поля от нескольких источников складываются.
- Магнитное поле невозможно экранировать обычными материалами, в отличие от электрического.
Таковы основные особенности удивительного явления природы - магнитного поля. А откуда же оно берет свое начало?
Источники постоянного магнитного поля
Рассмотрим сначала источники постоянного магнитного поля, которое не меняется со временем. К ним относятся:
- Постоянные магниты
- Постоянный электрический ток в проводниках
В постоянных магнитах, например железном, источником магнитного поля являются микроскопические кольцевые токи электронов в атомах. А основным источником магнитного поля в природе, является постоянный электрический ток, текущий в проводниках.
Существуют также вещества - ферромагнетики и ферриты, которые значительно усиливают внешнее магнитное поле. А диамагнетики и сверхпроводники, наоборот ослабляют его.
Переменные магнитные поля
Если электрический ток и поле меняются во времени, то возникает переменное магнитное поле. Оно неразрывно связано с переменным электрическим полем, вместе они образуют единое электромагнитное поле.
B⋅p = μμ0Hp
Здесь Bp - магнитная индукция переменного поля, Hp - его напряженность, μ0 - магнитная постоянная.
Особенностью переменных электромагнитных полей является способность распространяться в пространстве в виде волн. Это позволяет передавать энергию на большие расстояния, что широко используется в радиосвязи и других областях.
| Радиоволны | Инфракрасное излучение | Видимый свет |
| Ультрафиолетовое излучение | Рентгеновское излучение | Гамма-излучение |
Все перечисленные электромагнитные волны отличаются друг от друга только частотой колебаний. Но при этом они подчиняются одним законам и имеют общий источник - ускоренно движущиеся заряженные частицы.
Помимо электромагнитных волн, источником переменных магнитных полей служат также различные технические устройства, в которых используется переменный ток или происходит быстрое движение заряженных частиц.
Генераторы переменного тока
Важнейшим источником переменного магнитного поля являются генераторы переменного тока. Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции - при вращении катушки в магнитном поле постоянных магнитов в ней наводится переменная ЭДС.
Переменный электрический ток от такого генератора создает вокруг себя переменное магнитное поле. А что служит источником магнитного поля в самом генераторе? Это постоянные магниты, расположенные на роторе или статоре.
Электромагниты и соленоиды
Другим распространенным источником переменного магнитного поля служат электромагниты. Это катушки или соленоиды с железным сердечником внутри. При пропускании по обмотке переменного тока сердечник намагничивается и создает вокруг себя переменное магнитное поле.
Такие электромагниты широко используются в электродвигателях, реле, магнитных пускателях и других устройствах автоматики для управления мощными электрическими цепями.
Циклотроны и синхротроны
В ускорителях заряженных частиц типа циклотронов или синхротронов тоже возникают интенсивные переменные магнитные поля. Здесь что служит источником магнитного поля? Это специальные электромагниты, создающие сильное магнитное поле в зоне ускорения частиц.
При движении частиц по кругу под действием этого поля они испускают собственное переменное электромагнитное излучение в виде синхротронного света.
Ядерный магнитный резонанс
Ярким примером применения переменных магнитных полей служит также ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Это физический метод исследования свойств вещества, широко используемый в медицине и науке.
В основе ЯМР лежит резонансное поглощение электромагнитных волн атомными ядрами в постоянном и переменном магнитных полях. Источником этих полей служат специальные электромагниты, включаемые на короткое время для возбуждения колебаний.
Магнитная левитация
Еще одним любопытным применением переменных магнитных полей является магнитная левитация. Это метод бесконтактной подвески и перемещения объектов, основанный на использовании сил отталкивания между магнитами.
Постоянные магниты или ферромагнитные объекты как бы "парят" над источником переменного магнитного поля. Так достигается эффект левитации без механического контакта и трения.
Магнитные муфты и тормоза
Переменные магнитные поля позволяют также передавать вращение между валами без непосредственного контакта - с помощью магнитных муфт. Обычно это сочетание постоянных магнитов на одном валу и электромагнитов на другом.
При включении катушек электромагнитов они начинают притягивать или отталкивать постоянные магниты ротора, заставляя его вращаться. Так достигается бесконтактная магнитная передача крутящего момента.
Магнитогидродинамические генераторы
В магнитогидродинамических (МГД) генераторах для выработки электроэнергии используется взаимодействие переменного магнитного поля с движущейся электропроводящей жидкостью или плазмой.
МГД-генератор состоит из магнитной системы, создающей поперечное переменное магнитное поле, и канала, по которому движется высокотемпературная плазма. Это порождает электрический ток для выработки энергии.
Медицинская магнитотерапия
Наконец, переменные магнитные поля активно применяются в медицине для лечения различных заболеваний. Такой метод называется магнитотерапией или магнитостимуляцией.
Сеансы магнитотерапии проводятся специальными аппаратами, генерирующими слабые переменные импульсные магнитные поля. Они благоприятно влияют на кровообращение, обмен веществ, регенерацию тканей.