Магнитное поле Земли — Википедия

Обтекание магнитосферы Земли солнечным ветром

Магни́тное по́ле Земли́ или геомагни́тное по́ле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад^[1].

Строение и характеристики магнитного поля Земли[править | править код]

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие основные части^[2]:

• главное поле,
• поля мировых аномалий,
• внешнее магнитное поле.

Главное поле[править | править код]

Земля как магнитный диполь.

Более чем на 90 % оно состоит из поля, источник которого находится внутри Земли, в жидком внешнем ядре, — эта часть называется главным, основным или нормальным полем^[3][4][5]. Оно аппроксимируется в виде ряда по гармоникам — ряда Гаусса, а в первом приближении вблизи поверхности Земли (до трёх её радиусов) близко к полю магнитного диполя, то есть имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг

[2]^[6][3][7][8]. Центр этого диполя смещен относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли на угол около 10°. На такой же угол отстоят от соответствующих географических полюсов геомагнитные полюса — точки пересечения оси диполя с поверхностью Земли^[4]. Их положение в различные моменты времени вычисляется в рамках той или иной модели магнитного поля, определяющей тем или иным образом первые три коэффициента в ряду Гаусса^[3]. Эти глобальные модели — такие как Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF)

[9] и Всемирная магнитная модель (World Magnetic Model, WMM)^[en][10] — создаются различными международными геофизическими организациями, и каждые 5 лет утверждаются и публикуются обновлённые наборы коэффициентов Гаусса, определяющих все данные о состоянии геомагнитного поля и его параметрах^[4]. Так, согласно модели WMM2015, северный геомагнитный полюс (по сути это южный полюс магнита) имеет координаты 80,37° с. ш. и 72,62° з. д., южный геомагнитный полюс — 80,37° ю. ш., 107,38° в. д., наклон оси диполя относительно оси вращения Земли — 9,63°^[3][11].

Поля мировых аномалий[править | править код]

Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности. Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии

[2]^[4][7][8]. Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах^[5].

Существование магнитных полей протяжённых локальных областей внешних оболочек приводит к тому, что истинные магнитные полюса — точки (вернее, небольшие области), в которых силовые линии магнитного поля абсолютно вертикальны, — не совпадают с геомагнитными, при этом они лежат не на самой поверхности Земли, а под ней

[4]^[3][6]. Координаты магнитных полюсов на тот или иной момент времени также вычисляются в рамках различных моделей геомагнитного поля путём нахождения итеративным методом всех коэффициентов в ряду Гаусса. Так, согласно актуальной модели WMM, в 2015 г. северный магнитный полюс находился в точке 86° с. ш., 159° з. д., а южный — 64° ю. ш., 137° в.д^[3]. Значения актуальной модели IGRF12 немного отличаются: 86,3° с. ш., 160° з. д., для северного полюса, 64,3° ю. ш., 136,6° в.д для южного^[11].

Соответственно, магнитная ось — прямая, проходящая через магнитные полюса, — не проходит через центр Земли и не является её диаметром^[6][7].

Положения всех полюсов постоянно смещаются — геомагнитный полюс прецессирует относительно географического с периодом около 1200 лет^[2].

Внешнее магнитное поле[править | править код]

Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в её атмосфере^[2][4]. В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ионосфере — её молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется

плазмосферой. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны^[12].

Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны^[2]. Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу — область околоземного космического пространства, ещё контролируемая магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников

[2]^[4][7][8]; она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. Подсолнечная точка магнитосферы в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов R_⊕; при слабом солнечном ветре это расстояние достигает 15—20 R_⊕, а в период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 R_⊕)^[2]. Вытянутый хвост на ночной стороне имеет диаметр около 40 R_⊕ и длину более 900 R _⊕; начиная с расстояния примерно 8 R_⊕, он разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю^[2][4][7][8].

Искажение магнитного поля Земли под действием солнечного ветра

Геомагнитное поле вследствие специфической конфигурации линий индукции создает для заряженных частиц — протонов и электронов — магнитную ловушку. Оно захватывает и удерживает огромное их количество, так что магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Общая их масса, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг. Они формируют так называемый радиационный пояс, охватывающий Землю со всех сторон, кроме приполярных областей. Его условно разделяют на два — внутренний и внешний. Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина — несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10—15 тыс. км. Частицы радиационного пояса под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно, одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии они совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток

[7].

Магнитосфера не подпускает к земле потоки космических частиц^[8]. Однако в её хвосте, на больших расстояниях от Земли напряженность геомагнитного поля, а следовательно, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность попасть вовнутрь магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Хвост таким образом служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи

[2]. В полярных областях часть потока солнечной плазмы вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, возбуждает их или ионизирует, а при обратном переходе в невозбужденное состояние атомы кислорода излучают фотоны с λ = 0,56 мкм и λ = 0,63 мкм, ионизированные же молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра. При этом наблюдаются полярные сияния, особенно динамичные и яркие во время магнитных бурь. Они происходят при возмущениях в магнитосфере, вызванных увеличением плотности и скорости солнечного ветра при усилении солнечной активности ^[8][7].

Параметры поля[править | править код]

Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли даёт магнитная стрелка, закреплённая таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в кардановом подвесе), — в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.

Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно. Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, —

магнитным меридианом^[6][8]. Таким образом, магнитные меридианы — это проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах^[13]. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением. Оно может быть западным (часто обозначается знаком «−») или восточным (знак «+») в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана ^[6][7][8].

Далее, линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны её поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол — он называется магнитным наклонением^[6][8]. Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора — окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси^[3].

Магнитное склонение и магнитное наклонение определяют направление магнитной индукции поля Земли в каждом конкретном месте. А численное значение этой величины можно найти, зная наклонение и одну из проекций вектора магнитной индукции B{\displaystyle \mathbf {B} } — на вертикальную или горизонтальную ось (последнее оказывается более удобным на практике). Таким образом, три этих параметра — магнитное склонение, наклонение и модуль вектора магнитной индукции B (либо вектора напряжённости магнитного поля H{\displaystyle \mathbf {H} }) — полностью характеризуют геомагнитное поле в данном месте. Их точное знание для максимально большого числа пунктов на Земле имеет чрезвычайно важное значение^[6][8]. Составляются специальные магнитные карты, на которых нанесены изогоны (линии одинакового склонения) и изоклины (линии одинакового наклонения), необходимые для ориентации с помощью компаса^[8].

В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 25 до 65 мкТл (0,25—0,65 Гс) и сильно зависит от географического положения^[3]. Это соответствует средней напряжённости поля около 0,5 Э (40 А/м)^[2]. На магнитном экваторе её величина около 0,34 Э, у магнитных полюсов — около 0,66 Э. В некоторых районах (магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает: в районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э^[7].

Магнитный дипольный момент Земли на 2015 год составлял 7,72⋅10²⁵Гс·см³ (или 7,72⋅10²² А·м²), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,007⋅10²⁵ Гс·см³ в год^[11].

Схема динамо-механизма: конвекционные потоки расплавленного металла во внешнем ядре формируют циркулирующие по замкнутому контуру токи, которые генерируют магнитное поле^[14]. Из-за вращения твёрдого ядра согласно теореме Тейлора-Праудмена^[en] скорость потоков постоянна вдоль вертикальной оси образующихся таким образом столбов Тейлора^[en], заключённых внутри цилиндра, ограничивающего внутреннее ядро, и подобных циклонам и антициклонам в атмосфере Земли^[15][16]. Первичные (по/против часовой стрелки) и вторичные (вертикальные сходящиеся/расходящиеся на экваторе) потоки вытягивают и поворачивают линии магнитного поля, превращая азимутальную компоненту в меридиональную и затем обратно^[17].

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году^[18], предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды. Однако в 1934 году Т. Каулинг^[en][19] доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма. А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теореме^[20]. Даже Альберт Эйнштейн скептически относился к осуществимости такого динамо при условии невозможности существования простых (симметричных) решений. Лишь гораздо позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х гг. несимметричные решения были найдены^[20][15].

С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами. Необходимые условия создаются в ядре Земли: в жидком внешнем ядре, состоящем в основном из железа при температуре порядка 4—6 тысяч кельвин, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие от твёрдого внутреннего ядра тепло (генерируемое благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты). Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора^[en]. Благодаря трению слоёв они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создаётся система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея. Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений^{[14][21][16][22]}. Высказывались предположения, что динамо может возбуждаться за счёт прецессии или приливных сил, то есть что источником энергии является вращение Земли, однако наиболее распространена и разработана гипотеза о том, что это всё же именно термохимическая конвекция^[17].

Математически этот процесс описывается магнитогидродинамическим уравнением индукции^{[en][16][17][23]}

∂B∂t=∇×(u×B)+η∇2B{\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=\mathbf {\nabla } \times (\mathbf {u} \times \mathbf {B} )+\eta \mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {B} },

где u — скорость потока жидкости, B — магнитная индукция, η = 1/μσ — магнитная вязкость^[en] (коэффициент магнитной диффузии), σ — электропроводность жидкости, а μ — магнитная проницаемость, практически не отличающаяся при такой высокой температуре ядра от μ₀ — проницаемости вакуума. Первое слагаемое в правой части соответствует формированию магнитного поля, а второе — его подавлению. При u=0 (без динамо) решение этого уравнения — поле, полностью угасающее через 6⋅10⁴ лет^[23].

Однако для полного описания необходимо записать систему магнитогидродинамических уравнений. В приближении Буссинеска (в рамках которого пренебрегается т. н. вековым охлаждением и все физические характеристики жидкости полагаются постоянными, кроме силы Архимеда, при расчёте которой учитываются изменения плотности вследствие разности температур и — в общем случае — концентрации лёгких элементов) это^[16][17][23]:

ρ0(∂u∂t+u⋅∇u)=−∇P+ρ0ν∇2u+ρg¯−2ρ0Ω×u+J×B{\displaystyle \rho _{0}\left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } \mathbf {u} \right)=-\nabla P+\rho _{0}\nu \mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {u} +\rho {\bar {\mathbf {g} }}-2\rho _{0}\mathbf {\Omega } \times \mathbf {u} +\mathbf {J} \times \mathbf {B} }.

Здесь ρ — плотность, ν — кинематическая вязкость, P=p−ρ02|Ω×r|2{\displaystyle P=p-{\frac {\rho _{0}}{2}}|\mathbf {\Omega } \times \mathbf {r} |^{2}} — «эффективное» давление с учётом центробежной силы (хотя в некоторых моделях она полагается пренебрежимо малой), g¯=g0rR0{\displaystyle {\bar {\mathbf {g} }}=g_{0}{\frac {\mathbf {r} }{R_{0}}}} — сила тяготения (R₀ — радиус внешнего ядра), Ω — угловая скорость вращения мантии, полагаемая равной скорости вращения внутреннего ядра, J=1μ∇×B{\displaystyle \mathbf {J} ={\frac {1}{\mu }}\nabla \times \mathbf {B} } — плотность тока согласно закону Ампера, индекс «0» всюду обозначает значения на границе внешнего ядра. Левая часть уравнения — производная от импульса на единицу объёма, то есть производная по времени от величины ρ₀V, увлекаемой движением жидкости; правая часть — сумма сил, вызывающих это изменение импульса: градиент давления^[en], вязкость, гравитация (сила Архимеда), вращение (сила Кориолиса) и магнитное поле (сила Лоренца)^[16].

Вращение Земли — один из важнейших факторов формирования геомагнитного поля, и его механизм схож с процессами в атмосфере Земли, приводящим к завихрению воздушных масс против часовой стрелки в северном полушарии и в обратном направлении в южном — циклонам и антициклонам. Аналогичные завихрения конвекционных потоков в ядре приводят к тому, что отдельные турбулентные конвекционные движения приобретают крупномасштабную (при усреднении по пульсациям скорости) зеркальную асимметрию и в совокупности приводят к генерации динамо в макроскопических масштабах благодаря электродвижущей силе, направленной уже вдоль, а не перпендикулярно среднему (которое определяется усреднением реального поля по его возможным статистическим реализациям) магнитному полю ⟨ε⟩=α⟨B⟩{\displaystyle \langle \mathbf {\varepsilon } \rangle =\alpha \langle \mathbf {B} \rangle }, где ε — ЭДС, а α — коэффициент пропорциональности, из-за которого этот механизм и получил название альфа-эффект^[22][24]. В общем случае α — тензор, однако зеркальная антисимметрия даёт псевдоскаляр, которого и требует по построению эта формула, так как ε — истинный вектор, а B — псевдовектор^[25]. Динамо, основанное исключительно на α-эффекте, называют α²-динамо, поскольку его действие выражается произведением двух членов, содержащих этот коэффициент^[23], — оно характеризуется практически стационарным полем, испытывающим небольшие кратковременные вариации (порядка сотен лет для Земли) и долговременные полные инверсии (порядка миллиона лет для Земли). Возможен также механизм с действием омега-эффекта (более существенного для Солнца, чем для Земли, однако необходимого для объяснения природы наблюдаемого дрейфа геомагнитных неоднородностей) — это измеряемое градиентом скорости дифференциальное вращение, которое из направленного к наблюдателю полоидального (вытянутого вдоль меридианов, B_S) магнитного поля создаёт скрытое в проводящем ядре планеты тороидальное (вытянутое вдоль параллелей, B_T) поле. Альфа-эффект замыкает цикл генерации — превращая тороидальное поле в полоидальное за счёт вихрей, характеризуемых отрицательной спиральностью (эта характеристика выражается соотношением u⋅∇×u{\displaystyle \mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } \times \mathbf {u} } и непосредственно связана с величиной α) в Северном полушарии и положительной в Южном: восходящие и нисходящие потоки в конвекционных цилиндрах вытягивают и поворачивают B_T-линии в S-направлении^{[26][20][15][17]}. Такая схема обычно называется αω-эффектом, она даёт переменные поля, и при этом B_T>>B_S, тогда как для α²-механизма эти компоненты сравнимы (экспериментально на сегодняшний день удалось получить только грубую оценку |B_S|<|B_T|<100|B_S|). И если источником полоидального поля может быть только альфа-эффект, то тороидального — оба, причём если оба вносят существенный вклад, соответствующий механизм иногда обозначают α²ω. Большинство теоретических моделей магнитного динамо — типа α². В обоих случаях, как альфа, так и омега-эффектов, таким образом снимаются ограничения теоремы Каулинга^[16][23]. Однако существует ряд геометрий течений, для которых динамо также невозможно (например, чисто тороидальное поле скоростей^[23][27]), в то же время при определённых условиях оно возможно и при нулевой суммарной завихрённости ∇×u{\displaystyle \mathbf {\nabla } \times \mathbf {u} } и нулевой спиральности; возможны и другие эффекты, приводящие к возникновению ЭДС, параллельной магнитному полю^[25].

∂T∂t+u⋅∇T=κ∇2T+ϵ{\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } T=\kappa \mathbf {\nabla } ^{2}T+\epsilon },

где T — температура, κ = k/(ρc_p) — температуропроводность (коэффициент тепловой диффузии), k — теплопроводность, c_p — удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении. Последнее слагаемое, ε, пропорционально выделению тепла, генерируемого теми или иными растворёнными в жидкости источниками (такими как радиоактивный распад), на единицу массы. В моделях, учитывающих перенос не только тепла, но и вещества, записывается соответствующее аналогичное уравнение относительно переменной ξ — массовой доли лёгких элементов (считается, что это сера и кислород) в составе ядра:

∂ξ∂t+u⋅∇ξ=κξ∇2ξ+ϵξ{\displaystyle {\frac {\partial \xi }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } \xi =\kappa _{\xi }\mathbf {\nabla } ^{2}\xi +\epsilon _{\xi }},

где κ_ξ — коэффициент (молекулярной) диффузии. В большинстве моделей динамо, однако для простоты разность температур и концентраций лёгких элементов объединяются в одну отвечающую за плавучесть переменную.

∇⋅u=0{\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {u} =0}.

∇⋅B=0{\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {B} =0}.

ρ=ρ0[1−α(T−T0)]{\displaystyle \rho =\rho _{0}\left[1-\alpha (T-T_{0})\right]},

где α — коэффициент линейного теплового расширения (обозначение совпадает с коэффициентом пропорциональности в уравнении для альфа-эффекта). В общем случае, при учёте массопереноса, в квадратных скобках присутствует также слагаемое αξ(ξ−ξ0){\displaystyle \alpha _{\xi }(\xi -\xi _{0})}. Здесь α=−1ρ(∂ρ∂T)P,ξ

ru.wikipedia.org

Магнитное поле.

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКАЙ И ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Курсовая работа по физике.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.

Выполнил студент группы фпо–3

Казанцев Н.Н.

Руководитель доцент кафедры ТОФ

Грызов Ю.В.

ЛИПЕЦК

2000.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Основные свойства магнитного поля:

1. магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды).

Открыл магнитное поле в 1820 г. датский физик Х.К. Эрстед.

Магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину принято обозначать буквой В. Логично было бы по аналогии с напряжённостью электрического поле Е назвать В напряжённостью магнитного поля. Однако по историческим причинам основную силовую характеристику магнитного поля назвали магнитной индукцией. Название же «напряжённость магнитного поля» оказалась присвоенной вспомогательной характеристике D электрического поля.

Магнитное поле, в отличии от электрического, не оказывает действие на покоящийся заряд. Сила возникает лишь тогда, когда заряд движется.

Итак, движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства – создают в нём магнитное поле. Это проявляется в том, что на движущиеся в нём заряды (токи) действуют силы.

Опыт даёт. Что для магнитного, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции:

поле В, порождаемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме полей B_I, порождаемых каждым зарядом (током) в отдельности:

.

II. Общая характеристика магнитного поля земли.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Человечество начало ис­пользовать магнитное поле Земли давно. Уже в начале XII—XIII вв. получает широкое распространение в мореходстве компас. Однако в те времена считалось, что стрелку компаса ориентирует Полярная звезда и её магнетизм. Предположение о существовании магнитного поля Земли впервые высказал в 1600 г. английский естествоиспытатель Гильберт.

В любой точке пространства, окружающего Землю, и на её поверхности об­наруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окру­жающем Землю, создаётся магнитное поле, силовые линии которого изобра­жены на рис.1.

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Се­верный маг­нитный полюс N лежит в южном полушарии, вблизи берегов Ан­тарктиды, а южный магнитный полюс S находится в Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория (Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности со скоростью около 5 за год из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстаёт от него на 430 км. Магнитное поле Земли не симметрично. Благодаря тому, что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом.

Основная часть магнитного поля Земли, по современным воззрениям, имеет внутриземное происхождение. Магнитное поле Земли создаётся её ядром. Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл – проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют, т.к. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.

Незначительная часть магнитного поля (около 1%) имеет внеземное проис­хождение. Возникновение этой части приписывают электрическим токам, те­кущим в проводящих слоях ионосферы и поверхности Земли. Эта часть магнитного поля Земли подвержена слабому изменению со време­нем, которое называется вековой вариацией. Причины существования электрических токов в вековой вариации неизвестны.

В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от южного полюса к северному. Плотность линий (напряжённость магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удалённости можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе – солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. В моменты солнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы больших пятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируют атмосферу Земли. Это приводит к возмущению токов текущих в ионосфере Земли и, благодаря этому, происходит изменение магнитного поля Земли. Возникают магнитные бури. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущённое (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую – возмущённое поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1000 радиусов Земли.

Основная часть магнитного поля Земли обнаруживает аномалии в различных районах земной поверхности. Эти аномалии, по-видимому, следует приписать присутствию в земной коре ферромагнитных масс или различию магнитных свойств горных пород. Поэтому изучение магнитных аномалий имеет практи­ческое значение при исследовании полезных ископаемых.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити l (рис.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

В северном полушарии — южный конец будет наклонён к Земле и стрелка со­ставит с го­ризонтом угол наклонения Q (на магнитном экваторе наклонение Q равно нулю). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, назы­вается плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридиа­нов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на земной по­верхности сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена от гео­графического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через стрелку (т.е. магнитный меридиан), с географическим мери­дианом, называется магнитным склонением a (рис. 2). Вектор

полей на­пряжёности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную(рис. 3). Значение углов наклоне­ния и склонения, а также горизонтальной составляющейдают возмож­ность определить величину и направление полной напряжённости магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая, магнитное склонениеa и на­клонение Q называются элементами земного магнетизма. Все элементы зем­ного магнетизма изменяются с течением времени.

studfile.net

Магнитное поле, характеристика магнитного поля

Для понимания того, что является характеристикой магнитного поля, следует дать определения многим явлениям. При этом заранее нужно вспомнить, как и почему оно появляется. Узнать, что является силовой характеристикой магнитного поля. При этом немаловажно то, что подобное поле может встречаться не только у магнитов. В связи с этим не помешает упомянуть характеристику магнитного поля земли.

Возникновение поля

Для начала следует описать возникновение поля. После можно описать магнитное поле и его характеристики. Оно появляется во время перемещения заряженных частиц. Может влиять на перемещающиеся электрические заряды, в особенности на токопроводящие проводники. Взаимодействие между магнитным полем и движущимися зарядами, либо проводниками, по которым течет ток, происходит благодаря силам, именуемым электромагнитными.

Интенсивность или силовая характеристика магнитного поля в определенной пространственной точке определяются с помощью магнитной индукции. Последняя обозначается символом В.

Графическое представление поля

Магнитное поле и его характеристики могут быть представлены в графической форме с помощью линий индукции. Данным определением называют линии, касательные к которым в любой точке будут совпадать с направлением вектора у магнитной индукции.

Названные линии входят в характеристику магнитного поля и применяются для определения его направления и интенсивности. Чем выше интенсивность магнитного поля, тем больше данных линий будет проведено.

Что такое магнитные линии

Магнитные линии у прямолинейных проводников с током имеют форму концентрической окружности, центр которой располагается на оси данного проводника. Направление магнитных линий возле проводников с током определяется по правилу буравчика, которое звучит так: если буравчик будет расположен так, что он будет ввинчиваться в проводник по направлению тока, тогда направление обращения рукоятки соответствует направлению магнитных линий.

У катушки с током направление магнитного поля будет определяться также по правилу буравчика. Также требуется вращать рукоятку по направлению тока в витках соленоида. Направление линий магнитной индукции будет соответствовать направлению поступательного движения буравчика.

Определение однородности и неоднородности является основной характеристикой магнитного поля.

Создаваемое одним током, при равных условиях, поле будет различаться по своей интенсивности в разных средах из-за различающихся магнитных свойств в этих веществах. Магнитные свойства среды характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью. Измеряется в генри на метр (г/м).

В характеристику магнитного поля входит абсолютная магнитная проницаемость вакуума, называемая магнитной постоянной. Значение, определяющее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды будет отличаться от постоянной, именуется относительной магнитной проницаемостью.

Магнитная проницаемость веществ

Это безразмерная величина. Вещества, имеющие значение проницаемости менее единицы, зовутся диамагнитными. В данных веществах поле будет слабее, чем в вакууме. Данные свойства присутствуют у водорода, воды, кварца, серебра и др.

Среды с магнитной проницаемостью, превышающей единицу, зовутся парамагнитными. В данных веществах поле будет сильнее, чем в вакууме. К данным средам и веществам относят воздух, алюминий, кислород, платину.

В случае с парамагнитными и диамагнитными веществами значение магнитной проницаемости не будет зависеть от напряжения внешнего, намагничивающего поля. Это означает, что величина является постоянной для определенного вещества.

К особой группе относятся ферромагнетики. У данных веществ магнитная проницаемость будет достигать нескольких тысяч и более. У названных веществ, имеющих свойство намагничиваться и усиливать магнитное поле, существует широкое использование в электротехнике.

Напряженность поля

Для определения характеристик магнитного поля вместе с вектором магнитной индукции может применяться значение, именуемое напряженностью магнитного поля. Данный термин является векторной величиной, определяющей интенсивность внешнего магнитного поля. Направление магнитного поля в среде с одинаковыми свойствами по всем направлениям вектор напряженности будет совпадать с вектором магнитной индукции в точке поля.

Сильные магнитные свойства у ферромагнитов объясняются присутствием в них произвольно намагниченных малых частей, которые могут быть представлены в виде малых магнитов.

С отсутствующим магнитным полем ферромагнитное вещество может не иметь выраженных магнитных свойств, поскольку поля доменов приобретают разную ориентацию, и их общее магнитное поле равняется нулю.

По основной характеристике магнитного поля, если ферромагнит будет помещен во внешнее магнитное поле, к примеру, в катушку с током, то под влиянием наружного поля домены развернутся по направлению внешнего поля. Притом магнитное поле у катушки усилится, и магнитная индукция увеличится. Если же наружное поле достаточно слабое, то перевернётся лишь часть от всех доменов, магнитные поля которых по направлению близятся к направлению наружного поля. На протяжении увеличения силы внешнего поля число повернутых доменов будет возрастать, и при определенном значении напряжения внешнего поля почти все части будут развернуты так, что магнитные поля расположатся по направлению наружного поля. Данное состояние именуется магнитным насыщением.

Связь магнитной индукции и напряженности

Взаимосвязанность магнитной индукции ферромагнитного вещества и напряженности внешнего поля может изображаться при помощи графика, называемого кривой намагничивания. В месте изгиба графика кривой скорость возрастания магнитной индукции уменьшается. После изгиба, где напряженность достигает определённого показателя, происходит насыщение, и кривая незначительно поднимается, постепенно приобретая форму прямой. На данном участке индукция все еще растет, однако достаточно медленно и лишь за счет возрастания напряженности внешнего поля.

Графическая зависимость данных показателя не является прямой, значит, их отношение не постоянно, и магнитная проницаемость материала не постоянный показатель, а находится в зависимости от наружного поля.

Изменения магнитных свойств материалов

При увеличении силы тока до полного насыщения в катушке с ферромагнитным сердечником и последующим ее уменьшением кривая намагничивания не будет совпадать с кривой размагничивания. С нулевой напряженностью магнитная индукция не будет иметь такое же значение, а приобретет некоторый показатель, именуемый остаточной магнитной индукцией. Ситуация с отставанием магнитной индукции от намагничивающей силы именуется гистерезисом.

Для полного размагничивания ферромагнитного сердечника в катушке требуется дать ток обратной направленности, который создаст необходимую напряженность. Для разных ферромагнитных веществ необходим отрезок различной длины. Чем он больше, тем больший объем энергии необходим для размагничивания. Значение, при котором происходит полное размагничивание материала, именуется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении тока в катушке индукция вновь увеличится до показателя насыщения, но с иным направлением магнитных линий. При размагничивании в обратном направлении будет получена остаточная индукция. Явление остаточного магнетизма применяется при создании постоянных магнитов из веществ с большим показателем остаточного магнетизма. Из веществ, имеющих способность к перемагничиванию, создаются сердечники для электрических машин и приборов.

Правило левой руки

Сила, влияющая на проводник с током, обладает направлением, определяемым по правилу левой руки: при расположении ладони девой руки таким образом, что магнитные линии входят в нее, и четыре пальца вытянуты по направлению тока в проводнике, отогнутый большой палец укажет направление силы. Данная сила перпендикулярна вектору индукции и току.

Перемещающийся в магнитном поле проводник с током считается прообразом электродвигателя, который изменяет электрическую энергию в механическую.

Правило правой руки

Во время движения проводника в магнитном поле внутри него индуцируется электродвижущая сила, которая имеет значение, пропорциональное магнитной индукции, задействованной длине проводника и скорости его перемещения. Данная зависимость называется электромагнитной индукцией. При определении направления индуцированной ЭДС в проводнике используют правило правой руки: при расположении правой руки так же, как в примере с левой, магнитные линии входят в ладонь, а большой палец указывает направление перемещения проводника, вытянутые пальцы укажут направление индуктированной ЭДС. Перемещающийся в магнитном потоке под влиянием внешней механической силы проводник является простейшим примером электрического генератора, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую.

Закон электромагнитной индукции может быть сформулирован по-другому: в замкнутом контуре происходит индуцирование ЭДС, при любой смене магнитного потока, охватываемого данным контуром, ЭДЕ в контуре численно равняется скорости смены магнитного потока, который охватывает данный контур.

Данная форма предоставляет усреднённый показатель ЭДС и указывает на зависимость ЭДС не от магнитного потока, а от скорости его изменения.

Закон Ленца

Также нужно вспомнить закон Ленца: ток, индуцируемый при изменении магнитного поля, проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению. Если витки у катушки пронизываются разными по величине магнитными потоками, то индуцированная по целой катушке ЭДС равняется сумме ЭДЕ в разных витках. Сумма магнитных потоков разных витков катушки именуется потокосцеплением. Единица измерения данной величины, как и магнитного потока, — вебер.

При изменении электрического тока в контуре происходит смена и созданного им магнитного потока. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, внутри проводника происходит индуцирование ЭДС. Она появляется в связи со сменой тока в проводнике, потому данное явление называют самоиндукцией, и индуцированная в проводнике ЭДС именуется ЭДС самоиндукции.

Потокосцепление и магнитный поток находятся в зависимости не от одной только силы тока, но и от величины и формы данного проводника, и магнитной проницаемости окружающего вещества.

Индуктивность проводника

Коэффициент пропорциональности именуется индуктивностью проводника. Он обозначает способность проводника создавать потокосцепление при прохождении сквозь него электричества. Это является одним из основных параметров электрических цепей. Для определенных цепей индуктивность является постоянным показателем. Она будет зависеть от величины контура, его конфигурации и магнитной проницаемости среды. При этом сила тока в контуре и магнитный поток не будут иметь значения.

Вышеописанные определения и явления дают объяснение тому, что является магнитным полем. Также приводятся основные характеристики магнитного поля, с помощью которых можно дать определение данного явления.

fb.ru

Основные характеристики магнитного поля

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 7Следующая ⇒

Магнитное поле это силовое поле, основным свойством которого является способность воздействовать на движущиеся электрические заряды (в т. ч. на проводники с током) , а также на магнитные тела независимо от состояния их движения. Источниками магнитного поля могут быть движущиеся электрические заряды (проводники с током) , намагниченные тела и изменяющиеся во времени электрические поля. Основная количественная характеристика магнитного поля – магнитная индукция В, которая определяет силу, действующую в данной точке поля в вакууме на движущийся электрический заряд и на тела, имеющие магнитный момент.

Магнитная индукция B — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл.

 

µ— относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)

Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.

Магнитный поток рассчитывается по формуле:

Φ_max= B · S

Вопрос №43

Закон Ампера
Закон Ампера — закон взаимодействия постоянных токов. Из закона следует, что параллельные проводники с постоянными токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположном — отталкиваются.

где: B – магнитная индукция; I – сила тока; L – длина участка проводника; sinВ – синус угла между вектором магнитной индукции и проводником.

 

Вопрос №44

Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд. Сила Лоренса

 

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца. Онаперпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости упорядоченного движения заряженных частиц. Ее направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера.

Fл = q * v * B * sin(a)

где q — заряд частицы;
V — скорость заряда;
B — индукции магнитного поля;
a — угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.

 

Вопрос №45

Магнитные свойства вещества.

Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля.

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Вещества, у которых, подобно железу,

μ≫1

— ферромагнетиками.

Важнейшее свойство ферромагнетиков существование у них остаточного магнетизма. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты. Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле- парамагнитными.

Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков нет.

Диамагнетики−вещества, которые выталкиваются из магнитного поля. Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.

Вопрос №46

Магнитные свойства тканей организма.

Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы.

Магнетизм биологических объектов,т.е их магнитные мвойства и магнитны поля, создоваемые ими, получили название биомагнетизм.

Биотоки, возникающие в организме, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей удается измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца (биотоков сердца) создан диагностический метод — магнитокардиографня.

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Это воздействие изучает раздел биофизики, называемыймагнитобиологией.

 

Вопрос №47

Магнитные свойства вещества

Магнитные поля создаются либо постоянными магнитами, либо токами.

Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля.

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Вещества, у которых, подобно железу,

μ≫1

— ферромагнетиками.

Важнейшее свойство ферромагнетиков существование у них остаточного магнетизма. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты. Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле- парамагнитными.

Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков нет.

Диамагнетики−вещества, которые выталкиваются из магнитного поля. Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.

Вопрос №48



infopedia.su

Основные параметры магнитного поля

Параметры магнитного поля

 

 

 

Пространство, где проявляется действие магнитных сил. Графически магнитное поле изображается магнитными силовыми линиями направленными от северного полюса к южному.

Магнитное поле в проводниках с электрическим током

Если по проводнику протекает ток, то вокруг проводника создаётся магнитное поле направление которого определяется по правилу Буравчика.

Соленоид – проводник, свёрнутый в спираль.

Если по соленоиду протекает постоянный ток, то он ведёт себя как обыкновенный магнит, на его торцах образуется северный и южный полюс.

Намагничивающая сила соленоида прямо пропорционально ампер – витков.

Ф = К × I × W

Ф – намагничивание

В радиотехнике применяются соленоиды с сердечниками для увеличения интенсивности магнитного поля.

Ф = К × I × W × µ

µ – магнитная проницаемость

Параметры магнитного поля

Магнитная индукция ( В )

Магнитная индукция, характеризует интенсивность магнитного поля, численно определяемая величиной приложенной силы, с которой она действует на проводник длинной в 1 метр и при этом по проводнику протекает ток в 1А.

Размерность 1Тл (тесла)

Магнитный поток Ф

Количество силовых линий приходится на данную площадь

Ф = B × S     1Вб (Вебер)

Напряжённость магнитного поля (Н)

Н =

Σ × I l

Н – 1

A M

Н – это отношение полного тока пронизывающего данную поверхность к длине магнитной силовой линии.

Магнитная проницаемость (µ) – она показывает , во сколько раз магнитное поле в данном веществе больше или меньше проницаемости в вакууме.

µ (раз)

• µ > 1 – парамагнитные материалы
• µ – диамагнитные материалы
• µ >> 1 – ферромагнитные материалы

Намагничивание ферромагнитного материала

В ферромагнитном сердечнике находится малые по объёму домены, которые хаотично расположены по объёму сердечника, при наличии внешнего поля происходит внешняя переориентация доменов и интенсивность магнитного поля возрастает. Это явление видно по графику.

B = f(Н)

Из графика видно с увеличением Н растёт магнитная индукция.

При некотором значении Н, B наибольшая, наступает магнитное насыщение.

Перемагничивание ферромагнитного материала

Кривая 0,A,B,C,D,F,E обозначает процесс перемагничивания ферромагнитного материала, из графика видно что между A и B имеется некоторое отставание, так называемый магнитный гистерезис.

В зависимости от вида петли гистерезиса, различают магнитные материалы.

Магнитомягкие материалы, – петля гистерезиса узкая магнитная индукция малой величины, такие материалы работают в качестве сердечников трансформаторов и дросселей в цепях переменного тока.

Магнитотвердые материалы – магнитная индукция значительной величины, из таких материалов выполняют постоянные магниты.

В радиотехнике применяют также ферриты с прямой петлёй гистерезиса.

Проводник с током в магнитном поле

Если по проводнику протекает ток, то вокруг него возникает магнитное поле которое взаимодействует с внешним магнитным полем. И в результате проводник какбы выталкивается из магнитного поля.

Такое явление применяется в электродвигателях, тестерах и т.д.

Электрон в магнитном поле (кинескопа)

Если электрон движется в магнитном поле то его собственное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем отклоняющей системы (ОС) и в результате траектория электрона изменяется.

selectelement.ru

Магнитное поле

Магнитное поле – это материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие между проводниками с током или движущимися зарядами.

Свойства магнитного поля:

1. Магнитное поле возникает вокруг любого проводника с током.

2. Магнитное поле действует на любой проводник с током. В результате этого действия прямой проводник двигается в сторону действия силы, а проводник, замкнутый в кольцо (контур), поворачивается на некоторый угол.

3. Магнитное поле не имеет границ, но действие его уменьшается при увеличении расстояния от проводника с током, поэтому действие поля не обнаруживается на больших расстояниях.

4. Взаимодействие токов происходит с конечной скоростью в м/с.

Характеристики магнитного поля:

Для исследования магнитного поля используют пробный контур с током. Он имеет малые размеры, и ток в нём много меньше тока в проводнике, создающем магнитное поле. На противоположные стороны контура с током со стороны магнитного поля действуют силы, равные по величине, но направленные в противоположные стороны, так как направление силы зависит от направления тока. Точки приложения этих сил не лежат на одной прямой. Такие силы называют парой сил. В результате действия пары сил контур не может двигаться поступательно, он поворачивается вокруг своей оси. Вращающее действие характеризуется моментом сил.

, где l – плечо пары сил (расстояние между точками приложения сил).

При увеличении тока в пробном контуре или площади контура пропорционально увеличится момент пары сил. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к величине силы тока в контуре и площади контура – есть величина постоянная для данной точки поля. Называется она магнитной индукцией.

, где — магнитный момент контура с током.

Единица измерения магнитной индукции – Тесла [Тл].

Магнитный момент контура – векторная величина, направление которой зависит от направления тока в контуре и определяется по правилу правого винта: правую руку сжать в кулак, четыре пальца направить по направлению тока в контуре, тогда большой палец укажет направление вектора магнитного момента. Вектор магнитного момента всегда перпендикулярен плоскости контура.

За направление вектора магнитной индукции принимают направление вектора магнитного момента контура, ориентированного в магнитном поле.

Линия магнитной индукции – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, никогда не пересекаются. Линии магнитной индукции прямого проводника с током имеют вид окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление линий магнитной индукции определяют по правилу правого винта. Линии магнитной индукции кругового тока (витка с током) также имеют вид окружностей. Каждый элемент витка длиной можно представить как прямолинейный проводник, который создаёт своё магнитное поле. Для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции (независимого сложения). Суммарный вектор магнитной индукции кругового тока определяется как результат сложения этих полей в центре витка по правилу правого винта.

Если величина и направление вектора магнитной индукции одинаковы в каждой точке пространства, то магнитное поле называют однородным. Если величина и направление вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяются с течением времени, то такое поле называют постоянным.

Величина магнитной индукции в любой точке поля прямо пропорциональна силе тока в проводнике, создающем поле, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до данной точки поля, зависит от свойств среды и формы проводника, создающего поле.

, где Н/А²; Гн/м – магнитная постоянная вакуума,

— относительная магнитная проницаемость среды,

— абсолютная магнитная проницаемость среды.

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества разделяют на три класса:

1. Парамагнетики – вещества, у которых , то есть при помещении их в магнитное поле магнитная индукция увеличивается. При удалении парамагнетиков из магнитного поля их намагниченность не сохраняется.

2. Диамагнетики – вещества, у которых , при помещении их в магнитное поле магнитная индукция уменьшается, намагниченность не сохраняется.

3. Ферромагнетики – вещества, у которых , при удалении этих веществ из магнитного поля их намагниченность сохраняется, и эти вещества становятся постоянными магнитами. Между полюсами подковообразного магнита создаётся однородное магнитное поле (магнитные поля, созданные проводниками с током — неоднородные).

При увеличении абсолютной проницаемости среды увеличивается и магнитная индукция в данной точке поля. Отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости среды – величина постоянная для данной точки поли, е называют напряжённостью.

.

Векторы напряжённости и магнитной индукции совпадают по направлению. Напряжённость магнитного поля не зависит от свойств среды.

Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

, где l – длина проводника, — угол между вектором магнитной индукции и направлением тока.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 90⁰ большой палец укажет направление силы Ампера.

Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.

Если = 90⁰, то F = max, если = 0⁰, то F = 0.

Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.

, где q – заряд, v – скорость его движения, — угол между векторами напряжённости и скорости.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости. Направление определяют по правилу левой руки (пальцы – по движению положительного заряда). Если направление скорости частицы перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, то частица движется по окружности без изменения кинетической энергии.

Так как направление силы Лоренца зависит от знака заряда, то её используют для разделения зарядов.

Магнитный поток – величина, равная числу линий магнитной индукции, которые проходят через любую площадку, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции.

, где — угол между магнитной индукцией и нормалью (перпендикуляром) к площади S.

Единица измерения – Вебер [Вб].

Способы измерения магнитного потока:

1. Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)

2. Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле

3. Изменение силы тока, создающего магнитное поле

4. Изменение расстояния контура от источника магнитного поля

5. Изменение магнитных свойств среды.

Фарадей регистрировал электрический ток в контуре, не содержащим источника, но находившемся рядом с другим контуром, содержащим источник. Причём ток в первом контуре возникал в следующих случаях: при любом изменении тока в контуре А, при относительном перемещении контуров, при внесении в контур А железного стержня, при движении относительно контура Б постоянного магнита. Направленное движение свободных зарядов (ток) возникает только в электрическом поле. Значит, изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, которое и приводит в движение свободные заряды проводника. Это электрическое поле называют индуцированным или вихревым.

Отличия вихревого электрического поля от электростатического:

1. Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.

2. Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.

3. Работа, совершаемая этим полем по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.

4. Энергетической характеристикой вихревого поля является не потенциал, а ЭДС индукции – величина, равная работе сторонних сил (сил не электростатического происхождения) по перемещению единицы заряда по замкнутому контуру.

. Измеряется в Вольтах [В].

Вихревое электрическое поле возникает при любом изменении магнитного поля, независимо от того, есть ли проводящий замкнутый контур или его нет. Контур только позволяет обнаружить вихревое электрическое поле.

Электромагнитная индукция – это возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность.

ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.

.

Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца: индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует любому изменению магнитного потока, породившего этот ток.

Закон Фарадея для электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Токи Фуко – вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках больших размеров, помещённых в изменяющееся магнитное поле. Сопротивление такового проводника мало, так как он имеет большое сечение S, поэтому токи Фуко могут быть большими по величине, в результате чего проводник нагревается.

Самоиндукция – это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём.

Проводник с током создаёт магнитное поле. Магнитная индукция зависит от силы тока, следовательно собственный магнитный поток тоже зависит от силы тока.

, где L – коэффициент пропорциональности, индуктивность.

Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].

Индуктивность проводника зависит от его размеров, формы и магнитной проницаемости среды.

Индуктивность увеличивается при увеличении длины проводника, индуктивность витка больше индуктивности прямого проводника такой же длины, индуктивность катушки (проводника с большим числом витков) больше индуктивности одного витка, индуктивность катушки увеличивается, если в неё вставить железный стержень.

Закон Фарадея для самоиндукции: .

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.

ЭДС самоиндукции порождает ток самоиндукции, который всегда препятствует любому изменению тока в цепи, то есть, если ток увеличивается, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону, при уменьшении тока в цепи, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Чем больше индуктивность катушки, тем больше ЭДС самоиндукции возникает в ней.

Энергия магнитного поля равна работе, которую совершает ток для преодоления ЭДС самоиндукции за время, пока ток возрастает от нуля до максимального значения.

.

Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей.

Электрическая колебательная система (колебательный контур) состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Условия возникновения колебаний:

1. Систему надо вывести из состояния равновесия, для этого сообщают заряд конденсатору. Энергия электрического поля заряженного конденсатора:

.

2. Система должна возвращаться в состояние равновесия. Под действием электрического поля заряд переходит с одной пластины конденсатора на другую, то есть в цепи возникает электрический ток, которые идёт по катушке. При увеличении тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону. Когда ток в катушке уменьшается, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Таким образом, ток самоиндукции стремиться возвратить систему к состоянию равновесия.

3. Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.

Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называют свободными.

Для любой электрической цепи выполняется закон Ома, согласно которому ЭДС, действующая в контуре, равна сумме напряжений на всех участках цепи. В колебательном контуре источника тока нет, но в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая равна напряжению на конденсаторе.

Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону.

Напряжение на конденсаторе: .

Сила тока в контуре: .

Величина — амплитуда силы тока.

. Отличие от заряда на .

Период свободных колебаний в контуре:

Энергия электрического поля конденсатора:

Энергия магнитного поля катушки:

Энергии электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, но фазы их колебаний разные: когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю.

Полная энергия колебательной системы: .

В идеальном контуре полная энергия не изменяется.

В процессе колебаний энергия электрического поля полностью превращается в энергию магнитного поля и наоборот. Значит энергия в любой момент времени равна или максимальной энергии электрического поля, или максимальной энергии магнитного поля.

Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называют затухающими.

Закон Ома примет вид:

При условии что затухание мало (квадрат собственной частоты колебаний много больше квадрата коэффициента затухания) логарифмический декремент затухания:

При сильном затухании (квадрат собственной частоты колебаний меньше квадрата коэффициента колебаний):

1. В контуре нет конденсатора, т.е. ёмкостное сопротивление контура равно нулю, а электроемкость стремиться к бесконечности. Значит:

2. В контуре отсутствует индуктивность, т.е. она стремиться к нулю.

Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.

3. Зарядка конденсатора от источника постоянной ЭДС также происходит по экспоненциальному закону:

Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивление R при прохождении тока выделяется теплота.

Переходный процесс – процесс, возникающий в электрических цепях при переходе от одного режима работы к другому. Оценивается временем (), в течение которого параметр, характеризующий переходный процесс изменится в е раз.

Для контура с конденсатором и резистором: .

Теория Максвелла об электромагнитном поле:

1 положение:

Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно подобно обычному току вызывает магнитное поле.

Для обнаружения тока смещения рассматривают прохождение тока по системе, в которую включён конденсатор с диэлектриком.

Плотность тока смещения: . Плотность тока направлена в сторону изменения напряжённости.

Первое уравнение Максвелла: — вихревое магнитное поле порождается как токами проводимости (движущимися электрическими зарядами) так и токами смещения (переменным электрическим полем Е).

2 положение:

Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле – основной закон электромагнитной индукции.

Второе уравнение Максвелла: — связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряжённости электрического поля, возникающего при этом.

Любой проводник с током создаёт в пространстве магнитное поле. Если ток постоянный (не изменяется с течением времени), то и связанное с ним магнитное поле тоже постоянное. Изменяющийся ток создаёт изменяющиеся магнитное поле. Внутри проводника с током существует электрическое поле. Следовательно, изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле.

Магнитное поле вихревое, так как линии магнитной индукции всегда замкнуты. Величина напряженности магнитного поля Н пропорциональна скорости изменения напряжённости электрического поля . Направление вектора напряжённости магнитного поля связано с изменением напряжённости электрического поля правилом правого винта: правую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения напряжённости электрического поля, тогда согнутые 4 пальца укажут направление линий напряжённости магнитного поля.

Любое изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле, линии напряжённости которого замкнуты и расположены в плоскости, перпендикулярной напряжённости магнитного поля.

Величина напряжённости Е вихревого электрического поля зависит от скорости изменения магнитного поля . Направление вектора Е связано с направлением изменения магнитного пол Н правилом левого винта: левую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения магнитного поля, согнутые четыре пальца укажут направление линий напряжённости вихревого электрического поля.

Совокупность связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей представляют электромагнитное поле. Электромагнитное поле не остаётся в месте зарождения, а распространяется в пространстве в виде поперечной электромагнитной волны.

Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей.

Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.

Уравнение электромагнитной волны:

— циклическая частота электромагнитных колебаний

t – время от начала колебаний

l – расстояние от источника волны до данной точки пространства

— скорость распространения волны

— время движения волны от источника до данной точки.

Векторы Е и Н в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны.

Источник электромагнитных волн – проводники, по которым протекают быстропеременные токи (макроизлучатели), а также возбуждённые атомы и молекулы (микроизлучатели). Чем больше частота колебаний, тем лучше излучаются в пространстве электромагнитные волны.

Свойства электромагнитных волн:

1. Все электромагнитные волны – поперечные

2. В однородной среде электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью, которая зависит от свойств среды:

— относительная диэлектрическая проницаемость среды

— диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/м, Кл²/нм²

— относительная магнитная проницаемость среды

— магнитная постоянная вакуума, Н/А²; Гн/м

3. Электромагнитные волны отражаются от препятствий, поглощаются, рассеиваются, преломляются, поляризуются, дифрагируют, интерферируют.

4. Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмных плотностей энергии электрического и магнитного полей:

5. Плотность потока энергии волн – интенсивность волны:

— вектор Умова-Пойнтинга.

Все электромагнитные волны расположены в ряд по частотам или длинам волн (). Этот ряд – шкала электромагнитных волн.

1. Низкочастотные колебания. 0 – 10⁴ Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются

2. Радиоволны. 10⁴ – 10¹³ Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.

3. Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.

4. Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм

5. Ультрафиолетовое излучение. 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.

6. Рентгеновское излучение. 80 – 10^-5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.

7. Гамма-излучение. Возникает при распаде ядер атомов.

studfile.net