Что такое магнитное поле
Все, наверное, знают что такое постоянные магниты — они «липнут» к железу и некоторым другим материалам. Если приблизить два магнита, то они будут притягиваться или отталкиваться — в зависимости от того, как мы их повернем друг относительно друга. Почему и за счет чего так происходит? За счет того, что вокруг магнитов создается магнитное поле. Оно возникает при движении заряженных частиц. Например, вокруг провода, по которому протекает электрический ток, есть магнитное поле. Оно слабое, но оно есть.
Магнитное поле нельзя увидеть, но можно ощутить
Постоянные магниты
Как же тогда с магнитами? Откуда в них магнитное поле, ведь в них нет направленного движения частиц? Все просто. В них магнитное поле создается зарядами частиц. Как известно, любой материал состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц. В некоторых материалах частицы можно расположить так, чтобы положительные были сконцентрированы с одной стороны, отрицательные — с другой. Эти «две стороны» называют полюсами магнита. Отрицательный — северный, обозначается латинской буквой N и закрашивается обычно синим цветом, положительный называют «южный» и обозначается S, закрашивается в красный цвет.
Постоянные магниты и их виды
Причем, стоит помнить, что однополюсных магнитов не бывает. Всегда есть два полюса. Если есть у вас большой магнит, его можно распилить пополам. И вы получите два магнита меньшего размера с двумя полюсами. Если распилите их — получите еще более мелкие двухполюсные магнитики.
Постоянные магниты можно сделать далеко не из всех материалов. Для этих целей подходят всего три вещества: железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Co). Если их выдержать в магнитном поле, частицы «рассортируются» по полюсам, материал станет магнитом. Но не все будут долго сохранять эти свойства. По способности удерживать магнитные свойства, материалы разделают на магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Первые быстро намагничиваются, но и быстро теряют свои свойства. К таким относится железо (не обработанное). Магнитотвердый материал — например, сталь — в магнитном поле надо выдерживать долго. Зато после «выдержки» он становится магнитом на значительный промежуток времени. Можете поэкспериментировать со стальными скрепками.
Что такое магнитное поле
Приближая магниты друг к другу, на некотором расстоянии вы начнете ощущать, как они притягиваются или отталкиваются. Чем ближе подносите, тем сильнее они взаимодействуют. Все потому, что вокруг них существует магнитное поле. И чем ближе к магниту, тем поле сильнее. Причем выглядит это поле как округлые линии, которые выходят из северного полюса и «заходят» в южный.
Магнитное поле можно представить в виде линий
Почему так решили? А потому что можно эти линии увидеть «вживую». Для этого надо провести эксперимент. На лист фанеры положить магнит, насыпать вокруг мелких металлических опилок и лист фанеры немного потрусить. Металлические опилки расположатся именно так, как показано на рисунке ниже справа
Обратите внимание — чем ближе к магниту, тем опилок больше, чем дальше — тем меньше. Это потому что магнитное поле ослабевает по мере удаления
Экспериментальное подтверждение: смотрим на магнитное поле и на взаимодействие полюсов
Опилки помогут понять и правила притяжения или отталкивания полюсов. На левом рисунке мы видим что происходит, если приблизить два противоположных полюса. Они притягиваются. Причем когда процесс завершится, картинка будет один в один как та, что справа. Как видите, они даже немного похожи.
Если поднести поближе два одноименных полюса — юг-юг или север-север — они будут отталкиваться. Это демонстрирует средний рисунок. И чем ближе их подносите, тем сильнее будет ощущаться противодействие.
Действие магнитного поля на ток. Правило левой руки.
Поместим между полюсами магнита проводник, по которому протекает постоянный электрический ток. Мы тотчас же заметим, что проводник будет выталкиваться полем магнита из междуполюсного пространства.
Объяснить это можно следующим образом. Вокруг проводника с током (Рисунок 1.) образуется собственное магнитное поле, силовые линии которого по одну сторону проводника направлены так же, как и силовые линии магнита, а по другую сторону проводника — в противоположную сторону. Вследствие этого с одной стороны проводника (на рисунке 1 сверху) магнитное поле оказывается сгущенным, а с другой его стороны (на рисунке 1 снизу) — разреженным. Поэтому проводник испытывает силу, давящую на него вниз. И если проводник не закреплен, то он будет перемещаться.
Рисунок 1. Действие магнитного поля на ток.
Правило левой руки
Для быстрого определения направления движения проводника с током в, магнитном поле существует так называемое правило левой руки (рисунок 2.).
Рисунок 2. Правило левой руки.
Правило левой руки состоит в следующем: если поместить левую руку между полюсами магнита так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца руки совпадали с направлением тока в проводнике, то большой палец покажет направление движения проводника.
Итак, на проводник, по которому протекает электрический ток, действует сила, стремящаяся перемещать его перпендикулярно магнитным силовым линиям. Опытным путем можно определить величину этой силы. Оказывается, что сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока в проводнике и длине той части проводника, которая находится в магнитном поле (рисунок 3 слева).
Это правило справедливо, если проводник расположен под прямым углом к магнитным силовым линиям.
Рисунок 3. Сила взаимодействия магнитного поля и тока.
Если же проводник расположен не под прямым углом к магнитным силовым линиям, а, например, так, как изображено на рисунке 3 справо, то сила, действующая на проводник, будет пропорциональна силе тока в проводнике и длине проекции части проводника, находящейся в магнитном поле, на плоскость, перпендикулярную магнитным силовым линиям. Отсюда следует, что если проводник параллелен магнитным силовым линиям, то сила, действующая на него, равна нулю. Если же проводник перпендикулярен направлению магнитных силовых линий, то сила, действующая на него, достигает наибольшей величины.
Сила, действующая на проводник с током, зависит еще и от магнитной индукции. Чем гуще расположены магнитные силовые линии, тем больше сила, действующая на проводник с током.
Подводя итог всему изложенному выше, мы можем действие магнитного поля на проводник с током выразить следующим правилом:
Сила, действующая на проводник с током, прямо пропорциональна магнитной индукции, силе тока в проводнике и длине проекции части проводника, находящейся в магнитном поле, на плоскость, перпендикулярную магнитному потоку.
Необходимо отметить, что действие магнитного поля на ток не зависит ни от вещества проводника, ни от его сечения. Действие магнитного поля на ток можно наблюдать даже при отсутствии проводника, пропуская, например, между полюсами магнита поток быстро несущихся электронов.
Действие магнитного поля на ток широко используется в науке и технике. На использовании этого действия основано устройство электродвигателей, превращающих электрическую энергию в механическую, устройство магнитоэлектрических приборов для измерения напряжения и силы тока, электродинамических громкоговорителей, превращающих электрические колебания в звук, специальных радиоламп — магнетронов, катодно-лучевых трубок и т. д. Действием магнитного поля на ток пользуются для измерения массы и заряда электрона и даже для изучения строения вещества.
Похожие материалы:
- Магнитное поле тока. Магнитные силовые линии
- Напряженность магнитного поля
- Магнитная индукция
- Электромагнитная индукция
- Правило правой руки
- Взаимоиндукция
- Самоиндукция
- ЭДС самоиндукции: основные послулаты
- Постоянные магниты
Комментарии
Громова Ева 27.02.2018 18:58 Спасибо большое за статью!
Цитировать
асаев антон 04.09.2014 04:56 спасибо создателю сайта
Цитировать
Обновить список комментариев
Правило буравчика кратко и понятно
Схематичное изображение правила буравчика
В электротехнике ПБ показывает направление ЛМИ с привязкой к вектору электрического тока, проходящего в проводнике, и наоборот — определяет путь электротока в катушке во взаимосвязи с вектором ЛМИ.
Для экспериментального понимания нужно взять штопор или винт с правосторонней резьбой и сначала закручивать, а после откручивать. В первом случае это будет происходить по часовой стрелке и винт (штопор) будет двигаться вверх, а во втором случае вращение будет против часовой стрелки и винт (штопор) будет двигаться вниз. Соответственно этому и направление тока будет следовать поведению винта: вверх в первом случае и вниз во втором случае (показано стрелкой).
Кто должен уступить дорогу?
Ситуаций может быть больше, чем позволят рассмотреть рамки одной статьи, но разберем самые частые и основные – остальные же могут быть легко выведены из этих. Как это выглядит, будет отдельно указано на картинках.
При перестроении по полосам движения
Два автомобиля движутся в одном направлении. Осуществляется перестроение. Кто кого должен пропустить? Всегда ли прав тот, кто с правой стороны? Давайте вспомним п.8.4 ПДД, в соответствии с которым:
- Если перестраиваются оба автомобиля одновременно, преимущество у того, кто движется справа.
- Если один из автомобилей не перестраивается, а продолжает движение по своей полосе, то преимущество у него, вне зависимости от расположения относительно второго ТС (справа или слева).
Отсюда вытекают и еще несколько типичных ситуаций, трактовка которых вызывает сложности.
При сужении дороги
Существует неверное понимание, что в случае сужения дороги всегда применяется норма помехи справа. Это не совсем так – ситуация так же зависит от обстоятельств:
- Если сужение происходит за счет уменьшения левой полосы, преимущества у тех, кто движется по правой.
- Если сужаются обе полосы, т.е. перестроение происходит из обеих полос движения, преимущества так же у тех, кто находится справа.
- Если же сужается правая полоса, т.е. ТС, находящиеся слева, продолжают движение по своей полосе без перестроения, а правые вынуждены «вливаться» в их ряд, то преимущества у участников движения левой полосы.
Разумеется, все это (как и в других случаях) актуально только при отсутствии дополнительных регулирующих факторов – разметки, знаков, светофоров и/или сотрудников ДПС (ГАИ), регулирующих движение.
Во дворах и на стоянках
Во всех этих случаях так же действуют нормы, диктуемые разметкой, знаками и т.п. Однако, если эти факторы отсутствуют, т.е. транспортные средства находятся на неких участках с разрешенным движением, но без дополнительной регулировки, прямо действует правило правой руки, т.е. преимущества всегда у тех, кто находится справа.
При этом очень важным будет точное понимание таких понятий, как перекресток, прилегающая территория, т.е. оценка типа участка дороги, чтобы определить преимущества.
На перекрестке
Пересечение перекрестка регулируется отдельными нормами, но логика в целом та же. Прежде всего, действуют сигналы сотрудника ГИБДД, светофора, знаков и разметки, и только в их отсутствии применяется норма помехи справа, ситуации при которой будем рассматривать далее.
Кроме прочего, есть в ПДД РФ четкие указания на следующие случаи:
При проезде равнозначных перекрестков
Если перекресток не является круговым, то при равнозначных дорогах напрямую действует правило правой руки – то есть преимущество имеют те, кто расположен справа.
При проезде неравнозначных перекрестков
Не вызывают вопросов случаи, когда перестроение происходит с главной на второстепенную, или наоборот. В этих ситуациях преимущество у тех ТС, что располагаются на главной.
Но бывают варианты, когда главная и второстепенная не пересекаются под прямым углом, а поворачивают. Например, главная сворачивает направо, а встречная второстепенная в противоположном направлении. Если выезда с дороги одного типа на другой не происходит, то в рамках однотипной дороги используется норма помехи справа.
При повороте
Если под поворотом подразумевается движение по перекрестку, то и правила его пересечения будут тем же, что описаны выше. Некоторые вопросы появляются при поворотах на прилегающие территории или выездах из них, но в подавляющем большинстве случаев они определены знаками.
Если же регулирующих факторов нет, если ситуация трактуется неоднозначно, лучше применять правило правой руки, и считать, что у всех, находящихся справа, преимущество.
Определение направления вектора магнитной индукции с помощью правила буравчика
В начале 19 века ученые обнаружили, что магнитное поле создается вокруг проводника с протекающим по нему током. Возникшие силовые линии ведут себя по таким же правилам, как и с природным магнитом. Больше того, взаимодействие электрического поля проводника с током и магнитного поля послужило основой электромагнитной динамики.
Понимание ориентации в пространстве сил во взаимодействующих полях позволяет рассчитать осевые вектора:
- Магнитной индукции;
- Величины и направления индукционного тока;
- Угловой скорости.
Такое понимание было сформулировано в правиле буравчика.
Не являясь законом физики, правило буравчика в электротехнике применяется для определения не только направления силовых линий магнитного поля зависящего от вектора тока в проводнике, но и наоборот, определение направления тока в проводах соленоида в связи с вращением линий магнитной индукции.
Понимание этой взаимосвязи позволило Амперу обосновать закон вращающихся полей, что привело к созданию электрических двигателей различного принципа. Вся втягивающая аппаратура, использующая катушки индуктивности, соблюдает правило буравчика.
Правило левой и правой руки в физике — описание
История открытия, правило буравчика
Связь между электричеством и магнетизмом обнаружили только в XIX веке. С тех пор люди имеют представление о магнитном поле. Первым его обнаружил датский физик Х.Эрстед. После его открытия многими учеными была проведена серия опытов, в ходе которых было открыто, что поле это широкого спектра действия (может выходить за рамки объекта) и имеет круговой характер движения. Далее исследовали направление этого движения. Определили, что оно может быть направлено в разные стороны в зависимости от расположения полюсов и сил, действующих на проводник. Так были открыты и сформулированы правила правой и левой руки. Одно из них определяет направление магнитных линий, другое — действующих на проводник сил.
Примечание
Магнитное поле было принято обозначать специальными магнитными линиями (или линиями магнитной индукции): чем «гуще» линии, тем больше значение действующей силы магнитного поля.
Примечание
Магнитные линии замкнутые и не свиваются.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут
Примечание
Зная направление линий, можно определить направление вектора магнитной индукции, и наоборот. Потому что вектор направлен по касательной к каждой точке магнитных линий.
Хоть определение правила буравчика (винта\правой руки) и сформулировано ученым-физиком Петром Буравчиком, название происходит от специального инструмента с «правой» резьбой — буравчика или винта. Было замечено, что при вкручивании его в землю резьба движется по часовой стрелке, то есть вправо. Так было определено направление силовых линий магнитного поля.
Правило левой руки было введено следом. Оно помогает определить направление воздействия на сам проводник.
Какое правило применить
Слова синонимы: рука, винт, буравчик
Вначале разберем слова-синонимы, многие начали спрашивать себя: если тут повествование должно затрагивать буравчик, почему текст постоянно касается рук. Введем понятие правой тройки, правой системы координат. Итого, 5 слов-синонимов.
Потребовалось выяснить векторное произведение векторов, оказалось: в школе это не проходят. Проясним ситуацию любознательным школьникам.
Декартова система координат
Школьные графики на доске рисуют в декартовой системе координат Х-Y. Горизонтальная ось (положительная часть) направлена вправо – надеемся, вертикальная – указывает вверх. Делаем один шаг, получая правую тройку. Представьте: из начала отсчета в класс смотрит ось Z. Теперь школьники знают определение правой тройки векторов.
В Википедии написано: допустимо брать левые тройки, правые, вычисляя векторное произведение, несогласны. Усманов в этом плане категоричен. С разрешения Александра Евгеньевича приведем точное определение: векторным произведением векторов называют вектор, удовлетворяющий трем условиям:
- Модуль произведения равен произведению модулей исходных векторов на синус угла меж ними.
- Вектор результата перпендикулярен исходным (вдвоем образуют плоскость).
- Тройка векторов (по порядку упоминания контекстом) правая.
Правую тройку знаем. Итак, если ось Х – первый вектор, Y – второй, Z будет результатом. Почему назвали правой тройкой? По-видимому, связано с винтами, буравчиками. Если закручивать воображаемый буравчик по кратчайшей траектории первый вектор-второй вектор, поступательное движение оси режущего инструмента станет происходить в направлении результирующего вектора:
- Правило буравчика применяется к произведению двух векторов.
- Правило буравчика качественно указывает направление результирующего вектора этого действия. Количественно длина находится выражением, упомянутым (произведение модулей векторов на синус угла меж ними).
Простые приемы запоминания правил буравчика
Люди забывают, что силу Лоренца проще определять правилом буравчика с левосторонней резьбой. Желающий понять принцип действия электрического двигателя должен как дважды два щелкать подобные орешки. В зависимости от конструкции число катушек ротора бывает значительным, либо схема вырождается, становясь беличьей клеткой. Ищущим знания помогает правило Лоренца, описывающее магнитное поле, где движутся медные проводники.
Для запоминания представим физику процесса. Допустим, движется электрон в поле. Применяется правило правой руки для нахождения направления действия силы. Доказано: частица несет отрицательный заряд. Направление действия силы на проводник находится правилом левой руки, вспоминаем: физики совершенно с левых ресурсов взяли, что электрический ток течет в направлении противоположном тому, куда направились электроны. И это неправильно. Поэтому приходится применять правило левой руки.
Не всегда следует идти такими дебрями. Казалось бы, правила больше запутывают, не совсем так. Правило правой руки часто применяется для вычисления угловой скорости, которая является геометрическим произведением ускорения на радиус: V = ω х r. Многим поможет визуальная память:
- Вектор радиуса круговой траектории направлен из центра к окружности.
- Если вектор ускорения направлен вверх, тело движется против часовой стрелки.
Посмотрите, здесь опять действует правило правой руки: если расположить ладонь так, чтобы вектор ускорения входил перпендикулярно в ладонь, персты вытянуть по направлению радиуса, отогнутый на 90 градусов большой палец укажет направление движения объекта. Достаточно однажды нарисовать на бумаге, запомнив минимум на половину жизни. Картинка действительно простая. Больше на уроке физики не придется ломать голову над простым вопросом – направление вектора углового ускорения.
Аналогичным образом определяется момент силы. Исходит перпендикулярно из оси плеча, совпадает направлением с угловым ускорением на рисунке, описанном выше. Многие спросят: зачем нужно? Почему момент силы не скалярная величина? Зачем направление? В сложных системах непросто проследить взаимодействия. Если много осей, сил, помогает векторное сложение моментов. Можно значительно упростить вычисления.
Электродинамика и магнитостатика
Магнитная индукция представляет собой векторный фактор, который характеризует силовое поле. Величина показывает влияние магнитного фона на отрицательно и положительно заряженные частицы в исследуемом пространстве. Индукция определяет силу влияния поля на заряд, перемещающийся с заданной скоростью. Для этого случая законы применения описываются так:
- Правило винта. Если поступательное круговое движение буравчика совпадает с направлением заряженных электронов в катушке, то путь поворота ручки инструмента будет совпадать с курсом магнитного вектора полярной индукции, направление при этом зависит от тока.
- Принцип правой кисти. Если взять стержень в правую кисть так, что отставленный под прямым углом палец демонстрирует курс тока, то другие пальцы будут соответствовать направлению луча магнитной индукции, продуцируемого током. Путь магнитного вектора индукции прокладывается касательно линии отрезков.
Для подвижного проводника
В стержне из металла находится большое число свободных электронов, движение которых характеризуется как хаотичное. Если катушка движется в силовом электромагнитном поле вдоль линий, то фон отклоняет электроны, перемещающиеся одновременно с проводником. Их движение создает ЭДС (электродвижущую силу) и называется электромагнитной наведенной индукцией.
Ток будет протекать под действием разности потенциалов при подсоединении такой катушки к внешней цепи по замкнутому контуру. При передвижении стержня по направлению силовых линий снижается до нуля воздействие поля на заряды. Не возникает электродвижущая сила, нет напряжения, отсутствует ток электронов.
Вам это будет интересно Описание и разновидности вводно-распределительных устройств (ВРУ)
ЭДС индукции равняется произведению рабочего размера проводника, скорости движения стержня и значения магнитной индукции. Ее направление устанавливается по закону правой руки. Ладонь располагается так, чтобы в нее были направлены линии силового поля, а отогнутый под 90° большой палец ставится вдоль движения стержня. В этом положении четыре распрямленных пальца покажут курс тока индукции.
Нахождение ЭДС по Максвеллу
Электродвижущее давление будет возникать при каждом пересечении стержня и силового поля. Результативным будет перемещение проводника, самого поля или изменение электромагнитных характеристик силового пространства.
ЭДС, полученная в контуре при состыковке его с изменяющимся силовым полем, измеряется скоростью трансформации магнитного потока. Направление индуцированной движущей силы идет так, что продуцируемый ею электрический ток противодействует реконструкции потоков магнитного излучения.
Изменение тока ведет к реформированию создаваемого им магнитного потока. Проходя через пространство, магнитное излучение стыкуется с соседними проводниками и со своим. В стержне наводится электродвижущая сила, которая носит название самоиндукции. Явление означает поддержку тока при его уменьшении и ослабление движения электронов при увеличении силы тока.
Если вращать буравчик по путям завихрения пространства, где возникают векторы, то его движение покажет направление кручения ротора. Это можно проследить, если четыре сжатых пальца правой кисти поставить по курсу завихрения. В этом случае отогнутый палец укажет путь движения ротора.
Для магнитного вектора индукции правила буравчика совпадают с законом Ампера — Максвелла. Но к электротоку через контур добавляется скорость трансформации силового поля через эту конфигурацию, а магнитное поле воспринимается только в случае его перемещения в пределах очертания.
Применение правил левой кисти:
- Ладонь ставится так, чтобы индукционные линии входили в центр внутренней стороны, а пальцы соответствовали токовому направлению. Отставленный большой палец определит путь силы, оказывающий давление на стержень со стороны силового поля. Мощь носит наименование силы Ампера.
- При втором варианте ладонь располагается так, чтобы линии силового поля входили под прямым углом в плоскость руки, а пальцы располагались по направлению перемещения положительных электронов или в противоположную сторону от отрицательных частиц. Тогда палец под углом 90° укажет путь приложения силы Лоренца.
Правило правой кисти для соленоида: нужно взять катушку индуктивности в правую руку так, чтобы пальцы показывали путь тока в оборотах, отставленный под 90° большой палец определит курс магнитных линий во внутренней части устройства. Зная полярность, легко вычислить путь прохождения электрического тока.
