Магнитное поле. Электромагнитная индукция

Людям с давних пор были известны постоянные магниты — тела специальной формы (подкова, брусок, стрелка), изготовленные из магнитного железняка (природное ископаемое). Постоянный магнит имеет 2 полюса (северный и южный), расположенные на его концах. Постоянные магниты притягивают железо и другие ферромагнетики, а также взаимодействуют друг с другом: противоположные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются. До открытия связи между электричеством и магнетизмом постоянные магниты использовались в основном для целей навигации (стрелка компаса) и в качестве «игрушек». В настоящее время постоянные магниты используются в электроизмерительных приборах, электродвигателях, генераторах тока и т.д.

§ 9.1. Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция

То обстоятельство, что взаимодействие полюсов постоянных магнитов сходно с взаимодействием электрических зарядов (одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются) заставило физиков искать связь между электрическими и магнитными явлениями. В 1820 г. было обнаружено 2 явления:

 Магнитная стрелка, установленная около проводника, отклонялась при пропускании по нему электрического тока.

 Проводники, по которым протекают токи, взаимодействуют между собой (рис. 9.1): параллельные проводники притягиваются (а), когда токи направлены в одну сторону, и отталкиваются в противном случае (в). Если в одном из проводников тока нет, то взаимодействие не возникает (рис. 9.1.б).

Рис. 9.1. Взаимодействие проводников с током

На основании этого французский физик Ампер предположил, что взаимодействие магнитов и проводников с током имеет общую природу. В дальнейшем это предположение подтвердилось.

Взаимодействие проводников с током, постоянных магнитов или тока с постоянным магнитом называется магнитным взаимодействием.

Магнитное взаимодействие проводников на расстоянии означает, что вокруг каждого из них возникает силовое поле, которое называют магнитным. Магнитное поле одного проводника действует на другой проводник с током.

Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие движущихся зарядов.

Магнитное поле материально. Оно создается движущимися заряженными частицами. Природными источниками магнитного поля являются движущиеся элементарные частицы, обладающие зарядом.

В макромире магнитное поле создается проводниками с током или постоянными магнитами. Исследования поля постоянных магнитов показали, что своим происхождением оно обязано особому упорядоченному вращению электронов в некоторых кристаллических веществах. При нагревании до определенной температуры упорядоченность вращения пропадает и вещество размагничивается.

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник, зависит от направления тока. В частности,

при изменении направления тока в проводнике сила, действующая на него со стороны магнитного поля, меняет свое направление на противоположенное.

Это свойство магнитного поля иллюстрирует рисунок 9.1. Ток в левом проводнике остается неизменным, поэтому созданное им магнитное поле постоянно. Это поле действует на правый проводник. Когда направление тока в нем изменяется, притяжение (а) сменяется отталкиванием (в).

Зависимость направления магнитной силы от направления тока используют при исследовании магнитного поля с помощью небольшой рамки, по которой пропущен ток (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Возникновение вращающего момента в магнитном поле

По противоположным сторонам рамки токи текут в противоположных направлениях, поэтому на них действуют противоположные силы. Такие силы создают вращающий момент М и стремятся установить рамку в равновесное положение. Величина вращающего момента зависит от ориентации плоскости рамки.

Существует положение, в котором вращающий момент равен М = 0 (равновесное положение).

Если плоскость рамки расположена перпендикулярно к равновесному положению, то вращающий момент максимален — M_max.

Величину M_max используют при выборе характеристики магнитного поля — магнитной индукции.

Величина магнитной индукции равна отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку со стороны поля, к площади рамки (S) и силе тока в ней (I):

B = M_max/(SI).

За направление вектора принимают нормаль к равновесному положению рамки, направленную в соответствии с правилом буравчика (если направление вращения буравчика совпадает с направлением тока в контуре, то направление движения острия указывает направление вектора ).

Единица магнитной индукции в СИ — тесла (Тл).

1 Тл — индукция такого магнитного поля, в котором максимальный вращающий момент, действующий на рамку площади 1 м², равен 1 Нм при силе протекающего тока I = 1 А.

§ 9.2. Магнитные свойства вещества. Магнитная проницаемость. Ферромагнетизм

Мы помним, что напряженность кулоновского поля зависит от диэлектрической проницаемости среды, в которой оно создается. Если в вакууме заряды создают поле с напряженностью Е₀, то в диэлектрической среде напряженность поля будет меньше: Е = Е₀/, где  — диэлектрическая проницаемость среды. Опыт показывает, что магнитная индукция В тоже зависит от свойств среды.

Магнитная индукция в веществе выражается через магнитную индукцию поля в вакууме по формуле:

В = В_о, (9.1)

где  — магнитная проницаемость вещества. Для вакуума  = 1.

Магнитной проницаемостью вещества называется величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в этом веществе отличается по модулю от магнитной индукции в вакууме.

По способности к намагничиванию вещества делятся на три группы:

а) диамагнетики, у которых  < 1 (вода, стекло и др.);

б) парамагнетики, у которых  > 1 (воздух, эбонит и др);

в) ферромагнетики, у которых  >>1 (никель, железо и др.).

У диа- и парамагнетиков отличие магнитной проницаемости от единицы весьма незначительно ( 0,0001). Намагниченность этих веществ при удалении из магнитного поля исчезает. У ферромагнетиков магнитная проницаемость может достигать нескольких тысяч (например, у железа  = 5000–10 000). При удалении из магнитного поля намагниченность ферромагнетиков частично сохраняется. Ферромагнетики используют для изготовления постоянных магнитов.

Ферромагнетизм объясняется магнитными свойствами электронов. Установлено, что электрон обладает собственным магнитным полем. У большинства веществ эти магнитные поля взаимно компенсируются. Однако в некоторых кристаллах благодаря особенностям строения электронных оболочек их атомов возникают условия для параллельной ориентации собственных магнитных полей электронов. В таких кристаллах возникают небольшие области намагниченности — домены, в каждой из которых поля всех электронов направлены в одну сторону.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные поля различных доменов ориентированы хаотично и компенсируют друг друга. Если же ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то домены, намагниченность которых параллельна полю, будут расти за счет поглощения других доменов. Увеличивая внешнее поле, можно добиться того, что в веществе останется один домен (т.е. магнитные поля всех электронов направлены в сторону внешнего поля). Такое состояние называется магнитным насыщением.

Если после того, как ферромагнетик намагничен, устранить внешнее магнитное поле, то начнется распад крупных доменов на более мелкие. Однако полного хаоса при этом не возникнет и достигнутая ранее намагниченность частично сохранится. Это используют при изготовлении постоянных магнитов.

Значительные механические силы, действующие на ферромагнитные тела и постоянные магниты в магнитном поле, находят разнообразные применения в медицине: исправление грудной клетки у детей, удаление ферромагнитных пылинок, опилок, стружки из глаз, магнитные заглушки для предотвращения выделений из искусственного наружного свища ободочной кишки.