Существование магнитного поля тока было открыто в

Как устроены магнитные цепи?

Магнитную цепь, на самом деле, не так сложно представить, как может показаться человеку, который о них впервые слышит. Обычно магнитные цепи представляют из себя некоторые фигуры из ферромагнитного сердечника с источником или несколькими источниками ПОтока. Пожалуй, один из самых простых примеров с одним источником, который можно взять на вооружение, проиллюстрирован ниже:

Перед продолжением обусловимся, что среди электротехников сердечник называют магнитопроводом. Часть магнитопровода, на которой отсутствуют обмотки и которая служит для замыкания магнитной цепи, называется «ярмо».

Начнем с тороидального сердечника. Такой тороидальный сердечник может служить формой для катушки, как бы странно это не звучало. Но что за катушка? Ну, первое что приходит в голову – провод, образующий витки. Хорошо, но какого его предназначение? Вернемся к электрическим цепям и вспомним, что существуют источники тока / напряжения, так называемые активные элементы. Так вот, в магнитных цепях роль источника выполняют катушки с током, накрученные на основной элемент магнитной цепи – ферромагнитный магнитопровод.

Вспомним теперь про ферромагнитные материалы. Почему именно они? Дело в том, что благодаря высокому значению магнитной проницаемости, что сигнализирует о хорошей намагниченности ферромагнетика, силовые линии магнитного поля практически не выходят за пределы сердечника, либо не выходят вовсе. Однако это будет справедливо лишь тогда, когда наш сердечник замкнутый, либо имеет небольшие зазоры. То есть, ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, когда как у парамагнетиков и диамагнетиков они значительно слабее, что можно наблюдать на следующем графике зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля:

Вещества, которые входят в конструкцию магнитопровода, могут обладать не только сильномагнитными свойствами, но также и слабомагнитными. Однако мы рассматриваем сердечник из ферромагнитного материала.

Ещё из школьного курса мы представляем себе картину с линиями магнитной индукции соленоида, мы можем визуально представить его поле и понимаем, что концентрация силовых линий, их насыщенность, наибольшая в центре рассматриваемого соленоида

Тут очень важно вспомнить правило буравчика, чтобы правильно указать направление силовых линий

Отсюда становится ясно, что катушки-источники порождают магнитное поле, а следовательно и поток линий магнитной индукции. Такие линии будут циркулировать по нашему сердечнику, словно повторяя его форму

Именно поэтому нам важно условие замкнутости сердечника и материал, из которого он сделан. Положим, что наш воображаемый сердечник замкнут

Из этого следует, что и силовые линии замкнуты, а следовательно выполняется теорема Гаусса для магнитного поля, которая гласит: поток линий магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю. Стоит учесть, что поток адаптируется под площадь сечения.*

Ну и в конечном счете ферромагнитный сердечник поток куда-то передает! Аналогичным образом замкнутый проводник позволяет передать электрический ток.

Отлично! Мы разобрались с тем, что такое магнитные цепи и даже вспомнили про теорему Гаусса и ферромагнетики. Теперь поговорим о том, какие следствия вытекают из теоремы Гаусса и возможности пренебрежения полем вне сердечника и в зазорах.

1] Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ через произвольные сечения будут равны между собой.

2] В узле (разветвлении) сердечника алгебраическая сумма потоков (с учетом их направлений) будет равна нулю… Мне одному это что-то напоминает?

То есть мы окончательно сформулировали, что замкнутая (или почти замкнутая) система из ферромагнитных сердечников может рассматриваться как проводящая цепь. В нашем случае – магнитная.

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

Магнитные линии не поддаются гравитации.
Никогда не пересекаются между собой.
Всегда образуют замкнутые петли.
Имеют определенное направление с севера на юг.
Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

История открытия магнитного поля

В Древнем Китае свойства магнетизма использовали для создания компасов. Магическими способностями объясняли природные явления, пытались лечить заболевания.

Английский физик Уильям Гильберт в XVI веке провел систематические исследования магнитов. Он изучил особенности взаимодействия постоянных магнитов, а также установил, что Земля — это большой магнит.

Серия экспериментов и открытий в XIX веке доказали природную связь магнетизма и электричества.

Ханс Кристиан Эрстед, датский физик, в 1820 году обнаружил, что магнитная стрелка изменяет свою ориентацию вблизи проводника с током. Это происходит из-за направленного движения заряженных частиц в проводнике (электрический ток).

Опыты Генри Роуланда подтвердили открытую Эрстедом связь магнитного поля с движущимися электрически заряженными частицами или телами.

Магнитные явления объединены с электрическими, но не идентичны им, что подтверждается опытами.

Влияние проводника с током на магнитную стрелку или на другой проводник с током происходит при отсутствии непосредственного контакта между ними, благодаря наличию магнитного поля.

Влияние на открытие столпов науки: Герца, Томпсона и Фарадея

Сам термин «поле» первым ввел Фарадей. Это произошло в 1845 году во время проведения исследований диамагнетизма. Именно этому ученому удалось выявить эффект слабого отталкивания магнитом определенных веществ.

Изначально Фарадей воспринимал поле только как вспомогательный термин. По сути, он считал его сеткой координат, которую образовывали магнитные силовые линии. Она применялась для обозначения характера движения тел около магнитов. К примеру, кусочки диамагнитных веществ – в частности, висмута, передвигались из зон концентрации силовых линий в область их разрежения и размещались перпендикулярно по отношению к линиям.

Чуть позже в 1851-1852 годах термин «поле» стал эпизодически применять английский физик Уильям Томсон. Он сделал это при математическом обозначении результатов ряда опытов Фарадея.

Впоследствии Генрих Рудольф Герц экспериментальным способом подтвердил электромагнитную теорию света Максвелла и привел доказательства наличия электромагнитных волн.

В 1888 году появилась работа Герца «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении». После ее публикации физики по всему миру начали повторять опыты Герца. Это привело к широкому распространению такого понятия, как «волны Герца».

Итоговая работа цикла «О лучах электрической силы», которая была представлена ученым в 1888 году на собрании Берлинской академии наук, стала настоящей сенсацией. Именно этот год считают датой открытия электромагнитных волн. Герцу удалось подтвердить теорию, созданную Максвеллом, экспериментальным способом.

Правило Ленца

Магнитный поток, изменение которого приводит к появлению индукционного тока в контуре, мы будем называть внешним магнитным потоком. А само магнитное поле, которое создаёт этот магнитный поток, мы будем называть внешним магнитным полем.

Зачем нам эти термины? Дело в том, что индукционный ток, возникающий в контуре, создаёт своё собственное магнитное поле, которое по принципу суперпозиции складывается с внешним магнитным полем.

Соответственно, наряду с внешним магнитным потоком через контур будет проходить собственный магнитный поток, создаваемый магнитным полем индукционного тока.

Оказывается, эти два магнитных потока — собственный и внешний — связаны между собой строго определённым образом.

Правило Ленца . Индукционный ток всегда имеет такое направление, что собственный магнитный поток препятствует изменению внешнего магнитного потока .

Правило Ленца позволяет находить направление индукционного тока в любой ситуации.

Рассмотрим некоторые примеры применения правила Ленца.

Предположим, что контур пронизывается магнитным полем, которое возрастает со временем (рис. (3)). Например, мы приближаем снизу к контуру магнит, северный полюс которого направлен в данном случае вверх, к контуру.

Магнитный поток через контур увеличивается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы создаваемый им магнитный поток препятствовал увеличению внешнего магнитного потока. Для этого магнитное поле, создаваемое индукционным током, должно быть направлено против внешнего магнитного поля.

Индукционный ток течёт против часовой стрелки, если смотреть со стороны создаваемого им магнитного поля. В данном случае ток будет направлен по часовой стрелке, если смотреть сверху, со стороны внешнего магнитного поля, как и показано на (рис. (3)).

Рис. 3. Магнитный поток возрастает

Теперь предположим, что магнитное поле, пронизывающее контур, уменьшается со временем (рис. 4). Например, мы удаляем магнит вниз от контура, а северный полюс магнита направлен на контур.

Рис. 4. Магнитный поток убывает

Магнитный поток через контур уменьшается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы его собственный магнитный поток поддерживал внешний магнитный поток, препятствуя его убыванию. Для этого магнитное поле индукционного тока должно быть направлено в ту же сторону , что и внешнее магнитное поле.

В этом случае индукционный ток потечёт против часовой стрелки, если смотреть сверху, со стороны обоих магнитных полей.

Электронная модель Хендрика Лоренца

Серьёзную модель предложил учёный Хендрик Лоренц (рис. 2) так называемую «электронную модель». При образовании кристаллической решётки металлов, от каждого атома металла отрывается по одному внешнему электрону, таким образом, в узлах кристаллической решётки находятся положительные ионы, а в объёме этой решётки почти свободно могут двигаться электроны (рис. 3).

Рис. 2. Хендрик Лоренц

Такая модель является достаточно устойчивой, потому что действуют электростатические силы между положительно заряжённой решёткой и электронным окружением. Именно поэтому металлы достаточно прочны для разряжения, но в то же время, ковки.

Рис. 3. Кристаллическая решетка

Модель, предложенная Лоренцом, хороша хотя бы тем, что достаточно легко объясняла возникновение электрического тока в металлах. При обычных условиях эти электроны находятся в беспорядочном движении вокруг кристаллической решётки. И только при подаче разности потенциалов на конце проводника, когда внутри проводника появляется электрическое поле, кроме этой хаотической составляющей появляется другая – упорядоченная составляющая или направленное движение. Именно это движение, согласно модели Лоренца, представляет собой электрический ток.

Так, со стороны магнитного поля на проводник с током (I), действует сила Ампера перпендикулярная направлению тока и направлению линии магнитного поля. (Рис. 4)

Рис. 4. Направленное движение

«Если электрический ток представляет собой направленное движение зарядов, то не будет ли со стороны магнитного поля действовать такая же сила» – примерно, так рассуждал Лоренц. В выражение для силы Ампера (1.1.) вместо силы тока подставим определение силы тока – отношение перенесенного заряда в проводнике ко времени, за которое было осуществлено данное перенесение.

(1.1)

(1.2)

Также заметим, что отношение элемента длины проводника к интервалу времени – скорость движения заряда.

(1.3)

Тогда выражение принимает вид (6.4.). Модуль силы равен произведению величины магнитной индукции поля на количество переносимого через проводник заряда на скорость частиц, которые переносят заряд и на синус угла между направлением движения заряда и направлением вектора магнитной индукции.

(1.4)

Учтём, что носителями электрического тока в проводнике являются электроны, величина зарядов которых одинакова. Поэтому можно записать, что совокупный заряд, переносимый через поперечное сечение проводника – произведение элементарного заряда на количество электронов переносимых через поперечное сечение проводника.

(1.5)

(1.6)

Вывод приведенной формулы был сугубо формальным, однако, даже такой вывод позволял предположить, что не только на проводник с током, но и на отдельный заряд в магнитном поле будет действовать сила со стороны этого поля. Предположим, что число зарядов равно единице и этот заряд движется не внутри кристаллической решётки, а в свободном пространстве. Возникает вопрос: что произойдёт с этим зарядом, если он войдёт в область, где существует однородное магнитное поле? Согласно нашей гипотезе, на частицу, движущуюся в однородном магнитном поле, должна действовать сила, которая перпендикулярна скорости этой частицы (поскольку именно так будет направлен электрический ток, связанный с движением этих частиц) и перпендикулярна линиям магнитного поля. Величина этой силы будет определяться так:

Открытия Лоренца

Выделим основные открытия Лоренца.

Лоренц установил, что магнитное поле действует на движущуюся в нём частицу, заставляя её двигаться по дуге окружности:

(1.3.)

Поскольку сила Лоренца – центростремительная сила, перпендикулярная направлению скорости. Прежде всего, открытый Лоренцем закон, позволяет определять такую важнейшую характеристику как отношение заряда к массе – удельный заряд.

(1.4.)

Значение удельного заряда – величина уникальная для каждой заряженной частицы, что позволяет их идентифицировать, будь-то электрон, протон или любая другая частица. Таким образом, учёные получили мощный инструмент для исследования. Например, Резерфорд сумел провести анализ радиоактивного излучения и выявил его компоненты, среди которых присутствуют альфа-частицы – ядра атома гелия и бета-частицы – электроны. В ХХ веке появились ускорители, работа которых основана на том, что заряженные частицы ускоряются в магнитном поле. На этом принципе разработан Большой адронный коллайдер. Благодаря открытиям Лоренца наука получила принципиально новый инструмент для физических исследований, открывая дорогу в мир элементарных частиц.

Для того чтобы охарактеризовать влияние учёного на технический прогресс вспомним о том, что из выражения для силы Лоренца вытекает возможность рассчитать радиус кривизны траектории частицы, которая движется в постоянном магнитном поле. При неизменных внешних условиях этот радиус зависит от массы частицы, её скорости и заряда. Таким образом, получаем возможность классифицировать заряжённые частицы по этим параметрам и, следовательно, можем проводить анализ какой-либо смеси. Если смесь веществ в газообразном состоянии ионизировать, разогнать и направить в магнитное поле, то частицы начнут двигаться по дугам окружностей с различными радиусами – частицы будут покидать поле в разных точках и остаётся только зафиксировать эти точки вылета, что реализуется при помощи экрана, покрытого люминофором, который светится при попадании на него заряжённых частиц. Именно по такой схеме работает масс-анализатор. Масс-анализаторы широко применяют в физике и химии для анализа состава смесей.

Это ещё не все технические устройства, которые работают на основе разработок и открытий Ампера и Лоренца, ведь научное знание рано или поздно перестает быть исключительной собственностью учёных и становится достоянием цивилизации, при этом оно воплощается в различных технических устройствах, которые делают нашу жизнь более комфортной.

Домашняя работа.

Задание 1. Ответь на вопросы.

Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует электрический ток?
Какие магнитные явления вам известны?
В чём состоит опыт Эрстеда?
Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?
Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
Что называют магнитной линией магнитного поля?
Для чего вводят понятие магнитной линии поля?
Как на опыте показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока

Задание 2. Проведите опыт.

ОПЫТЫ
С ЖЕЛЕЗНЫМИ ОПИЛКАМИ

Возьмите магнит любой формы, накройте его куском тонкого картона,
посыпьте сверху железными опилками и разровняйте их.
Так интересно наблюдать магнитные поля!
Ведь каждая «опилочка», словно магнитная стрелка, располагается вдоль магнитных линий.
Таким образом становятся «видимыми» магнитные линии магнитного поля вашего магнита.
При передвижении картона над магнитом (или наоборот магнита под картоном)
опилки начинают шевелиться, меняя узоры магнитного поля.

https://www.kursoteka.ru/catalog/school/5
http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
http://class-fizika.narod.ru
https://www.youtube.com/watch?v=aGIWuE1iL28
https://www.youtube.com/watch?v=Tt7hXaukl9U

Электрическое поле

Электрическое поле (ЭП) — материя, созданная заряженными частицами, взаимодействующими между собой.

Количественно ЭП можно характеризовать понятием напряженность электрического поля. Так как сила имеет направленность, то и напряженность имеет направление, поэтому это векторная величина. Данную напряженность можно определить по формуле:

E=F/q , где Е — напряженность ЭП,

F — сила, которая влияет на заряд,

q — величина заряда.

Так же как и МИ, напряженность нескольких электрических полей можно вычислить по принципу суперпозиции.

Виды ЭП:

Статическое (имеет неподвижные заряды).
Магнитное (заряды проходят по проводнику).
Стационарное (если проводник с током не двигается и не изменяется).
Электромагнитное.

Как определить линейно-магнитную направленность

Чтобы определить куда направлены рассматриваемые линии, можно воспользоваться разными доступными способами. Подробнее, как определить направление магнитных линий будет рассказано далее.

Правило буравчика

Самый распространенный метод определения пути рассматриваемых прямых – правило буравчика. Впервые о нем заговорили еще в XIX столетии, когда ученые обнаружили магнитное поле вокруг проводника, подключенного к напряжению.

Также при определении расположения можно найти такие осево-векторные показатели:

магнитной индукции;
размера и пути индукционного тока;
угловой скорости.

Если совместить непрерывное движение буравчика с правой стороны с путем проводникового тока, удастся определить направление линий, о котором говорит путь движения рукоятки.

Данное правило не является общеузнаваемым, так как, по сути, не относится к известным физическим законам. Оно используется, чтобы определить не только путь силовых рассматриваемых прямых, зависящих от пути движения тока. Также его можно использовать для обнаружения направления тока в соленоидных проводах, когда линии магнитной индукции начнут двигаться.

Когда Ампер определил подобную связь, он смог объяснить закон полей, которые вращаются. Это стало причиной создания различных электрических двигателей. Во всей аппаратуре втягивающего типа применяется катушка индуктивности, которая работает по правилу буравчика.

«Правило правой руки»

Определение происходит без использования приборов, а всего лишь рукой. Если повернуть ладонь к полюсу с Севера, а большой палец отклонить под прямым углом, он покажет путь направления проводника. Это приведет к тому, что в замкнутом контуре магнитное поле будет обуславливать электричество, и четыре пальца покажут вектор движения тока.

После двигатели, которые получили электрический ток, меняли его на механическое движение.

«Правило левой руки»

Еще один популярный метод, но уже с применением другой руки. Некоторые люди ошибочно приравнивают его к первому правилу. Для начала нужно выпрямить левую ладонь, и расположить ее вдоль проводника. Пальцы будут показывать, в какую сторону протекает ток. Сквозь раскрытую ладонь будут проходить линии МП. Большой палец повторяет вектор силы. Это основной смысл правила левой руки. Вышеуказанный силовой вектор – это сила Ампера.

Как видите, нет ничего сложного в определении направления индукции магнитного поля. Главное – вспомнить, о чем была школьная программа по физике. Вам не потребуются дополнительные приборы для измерения направлений силовых линий магнитного поля .

Открытие электромагнитной индукции

Например, с помощью электрического поля можно намагнитить железный предмет. Наверное, должна существовать возможность с помощью магнита получить электрический ток.

Сначала Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в неподвижных относительно друг друга проводниках. При возникновении в одной из них тока в другой катушке тоже индуцировался ток. Причем в дальнейшем он пропадал, и появлялся снова лишь при выключении питания одной катушки.

Через некоторое время Фарадей на опытах доказал, что при перемещении катушки без тока в цепи относительно другой, на концы которой подается напряжение, в первой катушке тоже будет возникать электрический ток.

Следующим опытом было введение в катушку магнита, и при этом тоже в ней появлялся ток. Данные опыты показаны на следующих рисунках.

рисунок

Фарадеем была сформулирована основная причина появления тока в замкнутом контуре. В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, которые пронизывают этот контур.

Чем больше будет это изменение, тем сильнее получится индукционный ток

Неважно, каким образом мы добьемся изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать движением контура в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки

А можем, например, изменять силу тока в соседней с контуром катушке, при этом будет изменяться магнитное поле, создаваемое этой катушкой.

Переменный электрический ток

Если постоянный ток, как следует из названия — не меняет своих характеристик и направления в любой точке проводника, то переменный ток не отличается такими свойствами. Переменный ток — это ток, который с определённой периодичностью меняется по направлению, модулю и своей величине. На графике такой ток повторяет линию синуса с цикличными подъёмами и спадами.
Переменный ток очень широко распространён, т.к. его легко получать различными способами, а так же удобно и относительно просто передавать на большие расстояния. На электрических схемах традиционно обозначается значком с двумя волнистыми линиями.

Электромагнитная индукция

Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике (замкнутой цепи) возможно при помощи обратного преобразования из магнитного потока в электрический. Это явление называется электромагнитной индукцией. Возникновение электрического тока в замкнутой цепи возможно только при условии воздействия на проводник в замкнутой цепи переменного/изменяющего магнитного поля. Такие изменения магнитного потока можно представить изменением числа магнитных линий, которые пронизывают контур с током (например катушку). Самый простой случай возникновения электромагнитной индукции в проводнике — это физическое движение/перемещение магнита относительно замкнутого проводника, в котором регистрируется электрический ток во время такого движения магнита. Если рассматривать явление электромагнитной индукции тока на примере классической катушки с намотанным на неё проводником, то полученный таким образом индукционный ток в следствие движения магнита внутри катушки будет зависеть от:

Количества витков катушки
Скорости изменения магнитного потока
Свойств и типа (материала) самого магнита

Интересная и важная особенность, сопровождающая явление электромагнитной индукции тока: когда магнит движется в катушке с проводником, то в зависимости от направления движения будет изменяться и направление течения тока в проводнике. Величина выработанного тока в случае электромагнитной индукции зависит от свойств магнитного поля. Поскольку электрический ток появляется в результате действия электрического поля, то в случае электромагнитной индукции происходит процесс образования электрического поля из магнитного с помощью магнитного потока.

Магнитный поток отвечает за количество направленных магнитных линий, проходящих через ограниченную площадь или контур. Величина обозначается символом Sl (1 вебер ). Величина магнитного потока определяется количеством магнитных линий в нём. Магнитный поток всегда характеризует весь магнит целиком, а не какое-то его отдельное проявление в определённой точке, магнитный поток можно считать энергетическим потенциалом отдельно взятого магнита.
Магнитный поток и впоследствии вырабатываемый в результате электромагнитной индукции ток зависит от некоторых закономерностей:

Магнитный поток прямо пропорционален интенсивности магнитной индукции.
(где Sl — магнитный поток (1 вебер ), B — магнитная индукция (1 Тесла ))
Магнитный поток прямо пропорционален площади поверхности, через которую проходят линии магнитной индукции.
(где Sl — магнитный поток (1 вебер ), S — площадь поверхности)
Воздействие магнитного потока зависит от угла расположения площади поверхности/контура по отношению к источнику магнитного поля.
Сила полученного в результате электромагнитной индукции тока напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.
(где I — сила тока (1 ампер ), Sl — изменяемый магнитный поток (1 вебер ), t — время изменения магнитного потока (1 секунда (с)))

Линии магнитного поля и свойства

Полезно вспомнить общие сведения о магнитном поле. Оно образуется вокруг проводника, по которому двигаются электрические заряды или протекает электрический ток. В этом случае образуется сразу два вида поля — электрическое и магнитное поля. Таким образом, вокруг проводника/провода с током будет наблюдаться и электрическое и одновременно магнитное поле, т.к. они оба возникают при условии протекания электрического тока. Появившись, магнитное поле имеет свойство воздействовать на другие движущиеся электрические заряды, а точнее на сторонний электрический ток, например, протекающий в другом проводнике поблизости от первого. Такое воздействие магнитного поля материально и определяется степенью — оно может быть сильнее или слабее. В автомобиле, для примера, такое взаимодействие можно наблюдать на примере проводки, которая способна оказывать ощутимое влияние друг на друга и создавать наводки/помехи, отчётливо слышимые в динамиках.

Магнитное поле с его сферической формой образуется линиями, которые можно представить вокруг объекта под напряжением и даже увидеть при помощи мелкой металлической крошки. Таких магнитных линий вокруг объекта будет большое количество, вместе они образуют целый спектр. Направление магнитных линий определяется магнитной стрелкой. Магнитные линии всегда замкнуты, поэтому у них нет понятия «начало линии» или «конец линии». Эти линии никогда не пересекаются, не завиваются и не взаимодействуют друг с другом. Магнитные линии в совокупности формируют форму магнитного поля и по их «кучности» в какой-то точке пространства можно судить о силе магнитного воздействия в этом месте.
Если линии располагаются параллельно друг относительно друга и в целом упорядоченно, если их плотность более менее равномерна, то такие линии образуют однородное магнитное поле. Наоборот, если линии искривляются в пространстве и разрежены друг относительно друга, то они своей совокупностью образуют неоднородное магнитное поле. Эти два вида магнитного поля отличаются друг от друга во многом:

Магнитная сила воздействия неоднородного поля различна в той или иной точке пространства, тогда как эта сила одинакова по модулю и направлению у однородного поля.

По взаиморасположению линий в пространстве: у однородного поля линии параллельны друг другу и кучность их одинакова; у неоднородного поля линии искривляются и кучность их различна.

Неоднородное поле находится вне магнита или проводника с электрическим током, тогда как однородное поле образуется внутри магнита.

Однородные магнитные поля чаще всего наблюдаются внутри катушки с большим количеством витков (например в катушке динамика) или внутри обычного полосового магнита, тогда как неоднородное магнитное поле чаще всего располагается вне магнита, например вокруг силового кабеля питания.

Чему равно ЭДС индукции?

Для определения величины возникающей ЭДС рассмотрим контур помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В, по данному контуру свободно может перемещаться проводник длиной l.

Возникновение ЭДС индукции в прямолинейном проводнике.

Под действием силы F проводник начинает двигаться со скоростью v. За некоторое время ∆t проводник пройдёт путь db. Таким образом, затрачиваемая работа на перемещение проводника составит

Так как проводник состоит из заряженных частиц – электронов и протонов, то они также движутся вместе с проводником. Как известно на движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца, которая перпендикулярна к направлению движения частицы и к вектору магнитной индукции В, то есть электроны начинают двигаться вдоль проводника приводя к возникновению электрического тока в нём.

Однако на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила F_т, которая в соответствии с правилом левой руки будет противоположна действию силы F, за счёт которой проводник движется. Так как проводник движется равномерно, то есть с постоянной скоростью, то силы F_т и F равны по абсолютному значению

где В – индукция магнитного поля,

I – сила тока в проводника, возникающая по действием ЭДС индукции,

l – длина проводника.

Так как путь db пройденный проводником зависит от скорости v и времени t, то работа, затрачиваемая на перемещения проводника, в магнитном поле составит

При перемещении проводника в магнитном поле практически вся затрачиваемая на эту работу механическая энергия переходит в электрическую энергию, то есть

Таким образом, преобразовав последнее выражение, получим значение ЭДС индукции при движении прямолинейного проводника в магнитном поле

где В – индукция магнитного поля,

l – длина проводника,

v – скорость перемещения проводника.

Данное выражение соответствует движению проводника перпендикулярно линиям магнитной индукции. Если происходит движение под некоторым углом к линиям магнитной индукции, то выражение приобретает вид

На практике достаточно трудно посчитать скорость перемещения проводника, поэтому преобразуем выражение к следующему виду

где dS – площадка, которую пересекает проводник при своём движении,

dΦ – магнитный поток пронизывающий площадку dS.

Таким образом, ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, который пронизывает контур.

Для обозначения направления движения тока в контуре вводят знак «–», который указывает, что ток в контуре направлен против положительного обхода контура. Таким образом

Зачастую в магнитном поле движется контур, состоящий из множества витков провода, поэтому ЭДС индукции будет иметь вид

где w – количество витков в контуре,

dΨ = wdΦ – элементарное потокосцепление.

Перефразируя предыдущее определение, ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения потокосцепления этого контура.

Взгляд из космоса…

Итак, мы знаем, как ведут себя магнитные полюсы на поверхности Земли во времени и пространстве и где находятся источники главного геомагнитного поля. А как все это выглядит из космоса? Как далеко от Земли космонавт может обнаружить геомагнитное поле и его полюсы своим магнитометром?

В Солнечной системе существует межпланетное магнитное поле, напряженность которого примерно в 10 000 раз меньше земного. Земное поле имеет довольно четкую границу на стороне, обращенной к Солнцу («граница магнитосферы»). Космонавт, подлетая к Земле со стороны Солнца, может по магнитометру определить момент прохождения этой границы. На больших высотах магнитометр чувствителен лишь к дипольному геомагнитному полю, так как недипольная его часть, меньшая по величине и протяженности, быстро затухает с высотой. Если же на этих высотах определить положение магнитного полюса, то его проекция на земную поверхность и будет дипольным полюсом Земли. Дипольные полюсы не совпадают с магнитными, они располагаются примерно в точках с координатами 78° 5′ с. ш., 69° 3′ з. д.; 78° 5′ ю. ш. и 110° 9′ в. д. Это — геомагнитные полюсы. Казалось бы, что эти полюсы, которые на Земле и обнаружить-то нельзя, представляют чиста абстрактный интерес. Но это не так.

С геомагнитными полюсами связано большинство явлений, происходящих в магнитосфере Земли. Например, геомагнитные полюсы контролируют захват частиц солнечной радиации магнитосферой Земли; на них центрируются «зоны наибольшей повторяемости и интенсивности полярных сияний» и т. д. Недаром геомагнитные полюсы так интересуют магнитологов. В этих точках организованы обсерватории Туле (Гренландия) и Восток (Антарктида).

Изучение геофизических процессов на геомагнитных полюсах играет очень важную роль в космических полетах. Поскольку магнитные силовые линии воронкой расходятся из геомагнитных полюсов, там отсутствует опасная для космонавтов радиация, захваченная магнитным полем. При вылете в космос через такую воронку можно уменьшить меры по радиационной защите космонавтов. Наблюдения за магнитным полем на геомагнитных полюсах дают сведения о «погоде» в околоземном космическом пространстве, используются для диагноза и прогноза явлений в полях и частицах наших космических окрестностей. Так изучение сокровенных глубинных процессов Земли сомкнулось с космическими исследованиями.