Магнитное поле и его характеристики

теория по физике 🧲 магнетизм

Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими частицами.

Основные свойства магнитного поля

Вектор магнитной индукции

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.

Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.

Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.

Напряженность магнитного поля

μ — магнитная проницаемость среды (у воздуха она равна 1), μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 π · 10 − 7 Гн/м.

Направление вектора магнитной индукции и способы его определения

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции, нужно:

В пространстве между полюсами постоянного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса:

При определении направления вектора магнитной индукции с помощью витка с током следует применять правило буравчика:

При вкручивании острия буравчика вдоль направления тока рукоятка будет вращаться по направлению вектора → B магнитной индукции.

Отсюда следует, что:

Способы обозначения направлений векторов:

Вверх
Вниз
Влево
Вправо
На нас перпендикулярно плоскости чертежа
От нас перпендикулярно плоскости чертежа

Пример №1. На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) вектор магнитной индукции в точке С?

Если мысленно начать вкручивать острие буравчика по направлению тока, то окажется, что вектор магнитной индукции в точке С будет направлен к нам — к наблюдателю.

Магнитное поле прямолинейного тока

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.

Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:

Правило буравчика (правой руки)

Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, направить в сторону тока в проводнике, то остальные 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:

Магнитное поле кругового тока

Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.

Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:

Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:

Модуль напряженности в центре витка:

Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?

Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.

Магнитное поле электромагнита (соленоида)

Соленоид — это катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра.

Число витков в соленоиде N определяется формулой:

l — длина соленоида, d — диаметр проволоки.

Линии магнитной индукции являются замкнутыми, причем внутри соленоида они располагаются параллельно друг другу. Поле внутри соленоида однородно.

Если ток по виткам соленоида идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B внутри соленоида направлен вверх, если по часовой стрелке, то вниз. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом правой руки для витка с током.

Модуль вектора магнитной индукции в центральной области соленоида:

Модуль напряженности магнитного поля в центральной части соленоида:

Алгоритм определения полярности электромагнита

Пример №3. Через соленоид пропускают ток. Определите полюсы катушки.

Ток условно течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Следовательно, ток течет по виткам от точки А к точке В. Мысленно обхватив соленоид пальцами правой руки так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках соленоида, отставим большой палец на угол 90 градусов. Он покажет направление линий магнитной индукции внутри соленоида. Проделав это, увидим, что линии магнитной индукции направлены вправо. Следовательно, они выходят из В, который будет являться северным полюсом. Тогда А будет являться южным полюсом.

На рисунке изображён круглый проволочный виток, по которому течёт электрический ток. Виток расположен в вертикальной плоскости. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен

а) вертикально вверх в плоскости витка

б) вертикально вниз в плоскости витка

в) вправо перпендикулярно плоскости витка

г) влево перпендикулярно плоскости витка

Алгоритм решения

Решение

По условию задачи мы имеем дело с круглым проволочным витком. Поэтому для определения вектора → B магнитной индукции мы будем использовать правило правой руки.

Чтобы применить это правило, нам нужно знать направление течение тока в проводнике. Условно ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Следовательно, на рисунке ток течет по витку в направлении хода часовой стрелки.

Теперь можем применить правило правой руки. Для этого мысленно направим четыре пальца правой руки в направлении тока в проволочном витке. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает относительно рисунка влево. Это и есть направление вектора магнитной индукции.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Магнитная стрелка компаса зафиксирована на оси (северный полюс затемнён, см. рисунок). К компасу поднесли сильный постоянный полосовой магнит и освободили стрелку. В каком положении установится стрелка?

а) повернётся на 180°

б) повернётся на 90° по часовой стрелке

в) повернётся на 90° против часовой стрелки

г) останется в прежнем положении

Алгоритм решения

Решение

Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изначально южный полюс магнитной стрелки находится справа, а северный — слева. Полосовой магнит подносят к ее южному полюсу северной стороной. Поскольку это разноименные полюса, положение магнитной стрелки не изменится.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой вдоль её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рисунок). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.

Алгоритм решения

Решение

Чтобы определить направление тока в соленоиде, посмотрим на расположение полюсов источника тока. Ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. Следовательно, относительно рисунка ток в витках соленоида направлен по часовой стрелке.

Зная направление тока в соленоиде, можно определить его полюса. Северным будет тот полюс, из которого выходят линии магнитной индукции. Определить их направление поможет правило правой руки для соленоида. Мысленно обхватим соленоид так, чтобы направление четырех пальцев правой руки совпадало с направлением тока в витках соленоида. Теперь отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление вектора магнитной индукции. Проделав все манипуляции, получим, что вектор магнитной индукции направлен вниз. Следовательно, внизу соленоида расположен северный полюс, а вверху — южный.

Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Подвешенный полосовой магнит обращен к южному полюсу соленоида северным полюсом. А это значит, что при замыкании электрической цепи он будет растягивать пружину, притягиваясь к соленоиду (двигаться вниз).

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Как узнать полярность магнита: схема детектора магнитной полярности с использованием датчика Холла

Тестер полярности магнита своими руками

Все мы знаем, что у каждого магнита есть два полюса, то есть северный полюс и южный полюс, вне зависимости от природы магнита, будь то неодимовый магнит, кольцевой магнит или дисковый магнит. Мы также знаем, что противоположные полюса магнита притягиваются, а одинаковые полюса отталкиваются. Но иногда трудно сказать, какой из них является южным полюсом, а какой северным полюсом, поэтому для определения полюсов магнита мы соберем простую схему.

В этом проекте мы собираемся создать детектор магнитной полярности, используя датчики Холла и светодиоды. Здесь два датчика эффекта Холла A3144 используются для обнаружения северного полюса и южного полюса, и эти датчики подключены в противоположном направлении. Один датчик обнаруживает северный полюс, а другой датчик обнаруживает южный полюс. Два светодиода используются для индикации северного полюса и южного полюса магнита.

Прежде чем двигаться дальше, мы рассмотрим вкратце кое-какие детали о датчике Холла и эффекте Холла. Эффект Холла связан с движущимся зарядом в магнитном поле. Чтобы понять это на практике, подключите батарею к проводнику, как показано на следующем рисунке. Ток (i) начнет течь через проводник от положительного к отрицательному полюсу батареи.

Поток электронов (е-) будет течь в направлении, противоположном току, то есть от отрицательной клеммы батареи через проводник к положительной клемме батареи. В этот момент, когда мы измеряем напряжение между проводниками, как показано на следующем рисунке, тогда напряжение будет равно нулю, т.е. разность потенциалов будет равна нулю.

Теперь поднесите магнит и создайте магнитное поле между проводниками, как на следующем рисунке.

При этом условии, когда напряжение измеряется на проводнике, возникает некоторое напряжение. Это возникшее напряжение известно как «напряжение Холла», а это явление известно как «эффект Холла». Для его обнаружения нужен датчик Холла.

Датчик Холла – это устройство микроэлектромеханических систем (МЭМС), предназначенное для обнаружения и измерения магнитных полей. Эти датчики могут обнаруживать изменения в магнитном поле, такие как магнитный поток, сила и направление. Когда плотность магнитного потока вокруг датчика изменяется из-за присутствия магнита, датчик обнаруживает его и генерирует выходное напряжение, и благодаря этому выходное состояние светодиода, подключенного к датчику магнитного поля, меняет свое состояние с низкого на высокое. В этом проекте мы используем датчики Холла, чтобы обнаружить северный полюс и южный полюс магнита.

Принципиальная схема детектора магнитной полярности приведена далее. В ней два датчика эффекта Холла используются для обнаружения северного полюса и южного полюсов магнита. Два светодиода используются для индикации северного и южного полюсов. Положительные контакты магнитных датчиков подключены к выводу OUT стабилизатора напряжения 7805, а отрицательные контакты магнитных датчиков подключены к линии заземления 7805. Светодиоды подключены к выводу OUT магнитного датчика. Два подтягивающих резистора подключены между выводами OUT и положительными выводами магнитных датчиков.

Аппаратная часть схемы обнаружения полярности магнита может выглядеть так.

После сборки цепи, как показано на рисунке выше, включите питание установки с использованием батареи 9 В. Первоначально светодиоды будут светиться. Теперь поднесите магнит ближе к магнитным датчикам. Если вы поднесете южный полюс к красному светодиоду, он выключится, как показано на следующем изображении.

И если вы приблизите северный полюс к зеленому светодиоду, он выключится.

Вот так вы можете сделать свой собственный определитель полярности магнита своими руками.

Источник

Как определить полюса мощного магнита?

Два полюса одного мощного магнита

Всем, наверное, известно, что магнит имеет два полюса. Распилив его посередине, получим два отдельных (уже меньших) магнита, и каждый из них будет иметь те же два полюса. Известно и то, что одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные, наоборот, притягиваются. Дабы быстро различить полюса мощных магнитов, их придумали окрасить в разные цвета. В вопросе единых требований по окраске полюсов, правда, нет. Хотя, первоначально, чтобы различить южный и северный полюс магнитов, их окрашивали в красный и синий цвета, соответственно. Сегодня же, полюса могут окрашивать желтый и белый, красный и белый, кроме традиционной окраски, естественно.

В Интернете можно много отыскать информации по поводу того, как различают полюса мощных магнитов. Например, на youtube есть видео, на котором показано новое свойство постоянных неодимовых магнитов. Автор свое ноу-хау называет AG-эффектом. Собственно, на основе несложного, на первый взгляд, эффекта тот же автор собирается распространить в глобальной сети информацию о наиболее простом способе, что позволяет определить южный и северный полюс магнитов. Эффект работает с любым дисковым неодимовым магнитом. Но, чем большим окажется магнит, тем более очевиден данный эффект.

AG-эффект определения южного и северного полюса магнитов

Определение AG-эффекта обозначается эффектом стабилизации тела, которое обладает магнитным полем и находится в состоянии свободного падения, то есть, в магнитном поле планеты Земля. Автор заинтересован в интересных и познавательных, рациональных комментариях по существу затронутого вопроса. Собственно, разделение на южный и северный полюс магнитов, важно потому, что наиболее сильно само магнитное поле магнита проявляется именно у его полюсов. Если говорить о постоянных магнитах, то их изготавливают из железа, стали, чугуна, разных сплавов железа (довольно мощные магниты), также из никеля, кобальта (более слабые).

Как определить полюса мощных магнитов, на самом деле, это не такой уж и простой вопрос. И если магнит не раскрашен в разные цвета, как упоминалось выше, определить связь с истинным магнетизмом будет непросто. Часто магниты вообще даже не маркируют. Тем более, ненужно забывать, что все магниты делят на несколько классов. Постоянный магнит, как уже упоминалось, это – кусок определенного металла, сплава, что обладает определенным магнетизмом, и без постороннего воздействия. Но, есть и электромагниты, где магнитное поле создается посредством проведения электротока через специальные катушки.

Источник

Что такое магнитные полюса, чем отличаются северный и южный магнитный полюс

Магнитный полюс — это полезное понятие из теории магнитного поля, аналогичное понятию электрического заряда. Определения северный и южный по отношению к таким полюсам в рамках этой аналогии соответствуют определениям заряда как положительного и отрицательного.

Точно так же как существует сила отталкивания между двумя электронами и сила притяжения между электроном и протоном, имеется сила отталкивания между двумя северными магнитными полюсами и сила притяжения между северным и южным полюсами.

Магнитные поля можно описывать при помощи линий магнитного потока, или силовых линий. Это понятие связано с гипотетическим поведением единичного северного полюса, движущегося во внешнем магнитном поле.

Если бы существовал такой полюс, то при указанных условиях он стремился бы двигаться в направлении поля в каждой точке пространства и описывал бы траектории, называемые силовыми линиями. Единичный южный полюс движется вдоль силовых линий в направлении, противоположном направлению движения единичного северного полюса.

Движение единичного полюса вдоль силовых линий является следствием действия кулоновской силы, причем влияние одного из двух единичных полюсов заменяется влиянием эквивалентного магнитного поля.

Сила, приложенная к одному полюсу, представляет собой результат взаимодействия его собственного локального поля с полем, существующем в окружающем пространстве.

Хотя напряженность этого внешнего поля чувствуется данным полюсом, расположение источника внешнего поля не обязательно должно быть известным, если рассматривается только сила, действующая на данный полюс.

Внешнее поле просто оказывает влияние на полюс, находящийся в заданной точке пространства. Интенсивность ответной реакции единичного полюса на воздействие внешнего поля определяет количественную меру, по отношению к которой оценивается напряженность этого внешнего поля.

Итак, как электрическое, так и магнитное поле может быть изображено в общем виде при помощи силовых линий. Единичные электрические заряды стремятся двигаться вдоль электрических силовых линий, а единичные магнитные полюса — вдоль магнитных силовых линий. Однако между этими двумя видами силовых линий имеется принципиальное различие.

В частности, существует два типа электрически заряженных частиц — положительные и отрицательные, и частицы каждого типа действуют как источники электрического потока.

Если в пространстве присутствуют частицы обоих типов, то электрические силовые линии начинаются на частицах одного типа и оканчиваются на частицах другого типа. При этих условиях каждая электрическая силовая линия имеет начало, конец и направление.

Если же присутствуют электрически заряженные частицы только одного типа, то электрические силовые линии простираются между этими частицами и бесконечностью. В этом случае каждая силовая линия имеет начало и направление, но не имеет конца.

Магнитная силовая линия в отличие от электрической хотя и имеет направление, но не имеет ни начала, ни конца. Магнитные силовые линии всегда непрерывны. Вследствие этого не может существовать единичный магнитный полюс в виде частицы, аналогичной единичному заряду, который представляется электроном или протоном.

Хотя понятия северного и южного единичных магнитных полюсов полезны для количественного описания магнитных полей, в природе такие частицы существовать не могут. Тем не менее магнитные силовые линии могут выходить из одного конца тела и входить в другой его конец. В этих случаях говорят, что данное тело является магнитно-поляризованным.

Подобным образом тело является электрически поляризованным, если электрические силовые линии выходят из одного его конца и входят в другой конец.

При электрической поляризации электрическая силовая линия начинается в некоторой точке внутри поляризованного тела. Конец силовой линии приписывают некоторому конкретному электрону или конкретному протону. В случае же магнитной поляризации магнитная силовая линия просто проходит через тело, и внутри этого тела нет точек, в которых она начиналась бы или оканчивалась.

В качестве примера рассмотрим магнитное поле, окружающее стержневой магнит. Это поле имеет наибольшую напряженность у двух концов стержня.

На первый взгляд это может означать наличие некоторых источников магнитного поля внутри стержня у его концов — северного полюса у одного конца и южного у другого.

Такое представление складывается, однако, лишь при наблюдении извне, так как на самом деле поле имеет самую большую напряженность в центральной части металлического стержня, а не на его концах. Таким образом, здесь магнитные полюса характеризуют точки входа и выхода силовых линий, а никак не точки их начала или окончания.

Названия северный и южный установились как следствие исторической ассоциации. Магнитное поле земного шара ориентировано так, что его полюсы размещаются физически в непосредственной близости от географических полюсов.

Фактически стрелка компаса во многих точках Земли указывает направление на географический северный полюс. В сознании множества людей эти два совершенно разных понятия (географический и магнитный полюса) слились воедино.

Но даже при использовании принятого соглашения относительно северного и южного полюсов все же остается некоторая неясность в связи с необходимостью различать полюс, ориентирующийся в северном направлении и являющийся истинным северным полюсом магнита, и южный магнитный полюс, который по его свойствам соответствовал бы географическому северному полюсу, если бы действительно физически существовал некий единичный полюс.

Короче говоря, хотя тело может быть поляризовано так, что магнитные силовые линии выходят из одного его конца и входят в другой конец, объектов типа магнитного монополя не существует.

Источник