If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Что такое магнитные поля?

Узнайте, что такое магнитные поля и как их находить.

Что такое магнитное поле?

Магнитное поле — это картинка, которую мы используем для описания пространственного распределения магнитной силы вокруг магнита и внутри него.
Многие из нас имели дело с магнитами в повседневной жизни и понимают, что между ними могут возникать силы. Мы знаем, что у магнитов есть два полюса, и в зависимости от ориентации два магнита могут либо притягиваться (противоположными полюсами), либо отталкиваться (одинаковыми полюсами). Также мы знаем, что вокруг магнита есть некая область, в которой эти силы возникают. Магнитное поле как раз и описывает эту область.
Есть два наиболее распространённых способа изобразить магнитное поле:
  1. Магнитное поле можно описать математически как векторное поле. Его можно изобразить непосредственно как упорядоченное в виде сетки множества векторов. Каждый вектор будет направлен в сторону стрелки компаса в данной точке, а длина зависит от величины магнитной силы.
    Этот способ можно представить как большое количество маленьких компасов, выложенных в определённом порядке. Разница лишь в том, что компас не умеет показывать силу поля.
    Рисунок 1. Диаграмма векторного поля для прямоугольного магнита.
    1. Есть другой способ изображения информации в векторном поле — при помощи силовых линий. Здесь мы вместо сетчатой структуры соединяем векторы плавными линиями. При этом мы можем нарисовать столько линий, сколько захотим.
      Рисунок 2. Диаграмма силовых линий для прямоугольного магнита.
      У описания магнитного поля силовыми линиями есть ряд важных преимуществ:
  2. Силовые линии магнитного поля не пересекаются.
    • Магнитные линии тем плотнее располагаются, чем сильнее индукция магнитного поля. Иными словами, индукция магнитного поля соответствует плотности силовых линий.
    • Силовые линии не начинаются из ниоткуда и не обрываются, они всегда образуют замкнутые циклы и продолжаются даже внутри магнита (хотя часто их внутренние фрагменты опускают).
  3. Нам нужно как-то показать направление поля. Обычно это делается в виде стрелочек, расставленных вдоль силовых линий. Иногда обходятся без этих стрелочек и указывают направление как-то иначе. Исторически полюса магнита обозначаются как «север» и «юг», а силовые линии изображаются идущими от одного полюса к другому. В таком случае силовые линии всегда считаются направленными с севера на юг. На концах источника магнитного поля часто подписаны буквы N (север) и S (юг), хотя, строго говоря, эти обозначения произвольны и там ничего особенного нет.
    • Силовые линии магнитного поля легко визуализировать. Это обычно делается при помощи магнитных опилок, рассыпанных на ровной поверхности неподалёку от источника магнитного поля. Каждая опилка начинает вести себя как крошечный магнит с южным и северным полюсами. Опилки начинают разделяться на отдельные области, поскольку одинаковые полюса отталкиваются. В результате образуется рисунок, напоминающий силовые линии магнитного поля. Хотя основная картина будет всегда одинаковой, но точное положение и плотность линий будет зависеть от того, как именно были рассыпаны опилки, от их размера и магнитных свойств.
      Рисунок 3. Железные опилки выстраиваются вдоль силовых линий прямоугольного магнита.

Как измерить магнитное поле?

Поскольку магнитное поле — величина векторная, для его описания нам требуется определить две вещи: силу и направление.
Направление узнать легко. Мы можем положить магнитный компас, стрелка которого остановится вдоль силовой линии. Магнитные компасы применялись для навигации (используя магнитное поле Земли) с XI века.
Любопытно, но измерить силу гораздо сложнее. Применимые на практике магнитометры появились только в XIX веке. Большинство магнитометров рассчитывают силу, действующую на движущийся в магнитном поле электрон.
Очень точные измерения слабого магнитного поля стали возможны только с открытием в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления в материалах, составленных из особых тонких плёнок. Это открытие из области фундаментальной физики тут же нашло применение в хранении компьютерной информации на жёстких дисках. В результате плотность записи информации на магнитных носителях возросла в тысячу раз всего за несколько лет после первого внедрения новой технологии (от 0,1 до 100 Гб/дюйм2 от 1991 до 2003 годов [2]). В 2007 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг получили за это открытие Нобелевскую премию по физике.
В системе СИ сила (индукция) магнитного поля измеряется в тесла (обозначается Тл, названа в честь Николы Теслы). Тесла определяется как величина силы, воздействующей на движущийся заряд со стороны магнитного поля. Небольшой магнит, который вешают на холодильник, создаёт индукцию около 0,001 Тл, а индукция магнитного поля Земли — около 5105 Тл. Иногда используется альтернативная единица измерения — гаусс (обозначается как Гс). Преобразовать одну единицу измерения в другую очень легко: 1 Тл=104 Гс. Причина использования единицы измерения гаусс заключается в том, что 1 тесла — это слишком большая индукция.
В формулах величина магнитной индукции обозначается символом B. Иногда вы можете встретить термин «напряжённость магнитного поля», который обозначается символом H. И B, и H измеряются в одних и тех же единицах, но напряжённость учитывает магнитное поле, сосредоточенное внутри магнетика. Для решения простых задач, в которых действие происходит в воздухе, эта разница несущественна.

Как возникает магнитное поле?

Магнитные поля появляются там, где движутся заряды. Если больший заряд будет двигаться с большей скоростью, то и сила магнитного поля возрастёт.
Магнетизм и магнитные поля — это одна из составляющих электромагнитной силы, одной из четырёх базовых сил в природе.
Есть два основных способа, которыми мы можем организовать движение заряда, чтобы он порождал полезное магнитное поле.
  1. Мы пускаем ток по проводнику, например, подсоединив его к батарее. Увеличивая силу тока (то есть количество движущегося заряда), мы пропорционально усиливаем магнитное поле. Затем двигаясь дальше от проводника, замечаем, что сила магнитного поля падает пропорционально расстоянию. Эти явления описываются законом Ампера. Проще говоря, индукция магнитного поля на расстоянии r от длинного проводника, по которому течёт ток I, вычисляется по формуле:
B=μ0I2πr
Здесь μ0 — это специальная постоянная, называющаяся магнитной проницаемостью вакуума. μ0=4π107 Тлм/А. Некоторые материалы могут концентрировать магнитные поля, то есть иметь бо́льшую магнитную проницаемость.
Поскольку магнитное поле — это вектор, нам необходимо узнать его направление. Для общепринятого направления тока, текущего по прямому проводнику, его можно найти при помощи правила сжатой правой руки. Представьте, что вы обхватываете правой рукой проводник, при этом большой палец указывает вдоль направления тока. Тогда остальные пальцы укажут направление магнитного поля, вокруг проводника.
Рисунок 4. Правило сжатой правой руки используется для определения направления магнитного поля (B) в зависимости от направления тока (I).[3]
  1. Мы можем воспользоваться тем фактом, что электроны (заряженные частицы) движутся
    вокруг атомного ядра. Именно на этом основан принцип работы постоянных магнитов. Как мы знаем из личного опыта, лишь некоторые «особые» материалы можно намагнитить, причём одни магниты получаются сильнее других. Значит, для этого требуется выполнение нескольких условий.
  2. Хотя есть атомы с большим количеством электронов, значительная часть из них образует пары, в которых магнитное поле гасится. Про такие пары электронов говорят, что у них противоположный спин, то есть направление вращения. Значит, чтобы материал мог стать магнитом, необходимо наличие одного или нескольких непарных электронов с одинаковым спином. Например, железо — один из таких «особых» материалов, у которого есть четыре непарных электрона, значит, он хорошо подходит для создания магнитов.
  3. Даже в самом крошечном куске материала содержатся миллиарды атомов. Если все они ориентированы произвольно, то общее поле гасится, вне зависимости от количества непарных электронов. Значит, материал должен быть стабилен при комнатной температуре, чтобы общая ориентация атомов сохранялась. Если удаётся добиться постоянной ориентации электронов, получается постоянный магнит, также называемый ферромагнетиком. *
    • Некоторые материалы могут становиться магнетиками только в присутствии внешнего магнитного поля. Оно ориентирует вращение электронов в нужном направлении, но в отсутствие внешнего поля общая ориентация исчезает. Такие материалы называются парамагнетиками.
      Металлическая дверца холодильника служит хорошим примером парамагнетика. Сама дверца не является магнитом, но притягивает приложенный к ней магнит. Возникает взаимная сила притяжения, способная удержать между дверцей и магнитом, например, список покупок.

Гашение поля Земли

На рисунке 5 показан компас рядом с вертикальным проводником. Если по проводнику не течёт ток, компас указывает на север, согласно магнитному полю Земли (при условии, что его индукция равна 5105 Тл).
Рисунок 5. Опыт с компасом и проводником (вид сверху, ток по проводнику не течёт).
Задание 1a:
В каком направлении и какой силы необходимо пустить ток по проводнику, чтобы погасить магнитное поле Земли и «запутать» компас?
Задание 1б:
Представьте, что источник тока ограничен 1,25 А. Можете предложить альтернативный опыт, который окажет на компас точно такой же эффект?

Ссылки

[1] Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Practical Physics, The MacMillan Co., USA, p. 242, fig. 200 (public domain)
[2] UK Success Stories in Industrial Mathematics. Philip J. Aston, Anthony J. Mulholland, Katherine M.M. Tant. Springer, Feb 4, 2016
[3] This is a file from the Wikimedia Commons. This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic and 1.0 Generic license.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.