Магнитное поле: определение, причины, формула, единицы и измерения (с примерами)

Поля вокруг нас. Будь то гравитационное поле, вызванное массой Земли, или электрические поля, создаваемые заряженными частицами, такими как электроны, повсюду есть невидимые поля, представляющие потенциалы и невидимые силы, способные перемещать объекты с соответствующими характеристики.

Например, электрическое поле в области означает, что заряженный объект может отклониться от своего первоначального пути, когда он входит в область, и гравитационное поле из-за массы Земли удерживает вас на поверхности Земли, если вы не предпримете каких-либо действий, чтобы преодолеть его влияние.

Магнитные поля являются причиной магнитных сил, а объекты, которые оказывают магнитное воздействие на другие объекты, делают это, создавая магнитное поле. Магнитные поля можно обнаружить по отклонению стрелок компаса, которые совпадают с силовыми линиями (магнитный север стрелки указывает на магнитный юг). Если вы изучаете электричество и магнетизм, изучение магнитных полей и магнитной силы станет важным шагом на вашем пути.

В физике в целом поля - это векторы со значениями в каждой области пространства, которые говорят вам, насколько сильным или слабым является эффект в этой точке, и о направлении эффекта. Например, объект с массой, такой как солнце, создает гравитационное поле, и в результате на другие объекты с массой, попадающие в это поле, действует сила. Вот как гравитационное притяжение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг себя.

Дальше в солнечной системе, например, на орбите Урана, действует та же сила, но сила намного ниже. Он всегда направлен прямо на солнце; если вы представите набор стрел, окружающих солнце, все они указывают на него, но с большей длиной на близком расстоянии (более сильная сила) и меньшая длина на больших расстояниях (более слабая сила), вы в основном вообразили гравитационное поле в солнечной система.

Таким же образом объекты с зарядом создают электрические поля, а движущиеся заряды создаютмагнитные поля, которая может вызвать магнитную силу в соседнем заряженном объекте или других магнитных материалах.

Эти поля немного сложнее по форме, чем гравитационные поля, так как они имеют петлеобразное магнитное поле. силовые линии, выходящие из положительного (или северного полюса) и заканчивающиеся на отрицательном (или южном полюсе), но они заполняют те же основные роль. Они похожи на силовые линии, которые говорят вам, как будет вести себя объект, помещенный в определенное место. Вы можете четко визуализировать это, используя железные опилки, которые будут совпадать с внешним магнитным полем.

Магнитные полявсегда​ ​дипольные поля, поэтому магнитных монополей нет. Обычно магнитные поля обозначаются буквойB, но если магнитное поле проходит через магнитный материал, он может поляризоваться и генерировать собственное магнитное поле. Это второе поле вносит вклад в первое поле, и их комбинация обозначается буквойЧАС, где

с μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H / m (т.е. магнитная проницаемость свободного пространства) и K_м относительная проницаемость рассматриваемого материала.

Величина магнитного поля, проходящего через данную область, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока связана с локальной напряженностью поля. Поскольку магнитные поля всегда диполярны, чистый магнитный поток через замкнутую поверхность равен 0. (Любые линии поля, выходящие из поверхности, обязательно войдут в нее снова, погаснув.)

Единицей измерения напряженности магнитного поля в системе СИ является тесла (Тл), где:

1 тесла = 1 T = 1 кг / А с² = 1 В · с / м² = 1 Н / Д м

Другой широко используемой единицей измерения напряженности магнитного поля является гаусс (Гс), где:

1 гаусс = 1 г = 10⁻⁴ Т

Тесла - довольно большая единица, поэтому во многих практических ситуациях более полезным выбором будет гаусс - например, магнит на холодильник будет иметь силу около 100 Гс, в то время как магнитное поле Земли на поверхности Земли будет около 0,5 г.

Электричество и магнетизм фундаментально взаимосвязаны, потому что магнитные поля генерируются движущимся зарядом. (например, электрические токи) или изменяющиеся электрические поля, в то время как изменяющееся магнитное поле генерирует электрическое поле.

В стержневом магните или подобном магнитном объекте магнитное поле возникает из нескольких магнитных «доменов». выравниваются, что, в свою очередь, создается движением заряженных электронов вокруг ядер их атомы. Эти движения создают небольшие магнитные поля внутри домена. В большинстве материалов домены будут иметь случайное выравнивание и компенсировать друг друга, но в некоторых материалов, магнитные поля в соседних доменах выравниваются, и это производит более крупномасштабные магнетизм.

Магнитное поле Земли также создается движущимся зарядом, но в данном случае именно движение расплавленного слоя, окружающего ядро ​​Земли, создает магнитное поле. Это объясняетсятеория динамо, который описывает, как вращающаяся электрически заряженная жидкость создает магнитное поле. Внешнее ядро ​​Земли содержит постоянно движущееся жидкое железо, а электроны движутся через жидкость и создают магнитное поле.

Солнце также имеет магнитное поле, и объяснение того, как это работает, очень похоже. Однако разные скорости вращения разных частей Солнца (то есть жидкообразного материала на разных широтах) приводят к силовым линиям запутаться с течением времени, а также со многими явлениями, связанными с Солнцем, такими как солнечные вспышки и солнечные пятна, а также примерно 11-летняя солнечная цикл. Солнце имеет два полюса, как стержневой магнит, но движение солнечной плазмы и постепенно возрастающая солнечная активность заставляют магнитные полюса переворачиваться каждые 11 лет.

Магнитные поля из-за различного расположения движущегося заряда должны определяться индивидуально, но есть много стандартных формул, которые вы можете использовать, чтобы вам не приходилось каждый раз изобретать велосипед. время. Вы можете получить формулы практически для любого расположения движущегося заряда, используя закон Био-Савара или закон Ампера-Максвелла. Однако полученные формулы для простых схем электрического тока настолько широко используются и цитируются, что вы можете просто относитесь к ним как к «стандартным формулам», а не выводите каждый раз из закона Био-Савара или Ампера-Максвелла.

Магнитное поле прямолинейного тока определяется по закону Ампера (более простая форма закона Ампера-Максвелла) как:

Гдеμ​₀ определено ранее,яток в амперах иррасстояние от провода, на котором вы измеряете магнитное поле.

Магнитное поле в центре токовой петли определяется выражением:

Гдер- радиус петли, а остальные символы определены ранее.

Наконец, магнитное поле соленоида определяется выражением:

ГдеNэто количество витков иLдлина соленоида. Магнитное поле соленоида в основном сосредоточено в центре катушки.

Научиться пользоваться этими (и подобными им) уравнениями - главное, что вам нужно сделать при вычислении магнитного поля. или результирующая магнитная сила, поэтому пример каждого из них поможет вам решить те проблемы, с которыми вы, вероятно, столкнетесь сталкиваться.

Для длинного прямого провода, по которому течет ток 5 ампер (т. Е. I = 5 А), какова напряженность магнитного поля на расстоянии 0,5 м от провода?

Использование первого уравнения с I = 5 A и r = 0,5 м дает:

Теперь для токовой петли с током I = 10 А и радиусом r = 0,2 м, каково магнитное поле в центре петли? Второе уравнение дает:

Наконец, какова напряженность магнитного поля в центре соленоида с N = 15 витками на длине L = 0,1 м, по которому проходит ток 4 А?

Третье уравнение дает:

Другой пример расчета магнитного поля может работать немного иначе - например, сообщая вам поле в центре соленоид и ток, но запрашивая отношение N / L - но пока вы знакомы с уравнениями, у вас не будет проблем отвечая на них.