Какво са магнитните полета?

1. Магнитното поле се описва математически като векторно поле. Това векторно поле може да бъде представено графично като множество вектори, начертани върху решетка. Всеки вектор сочи в посоката, в която би сочил компас, а дължината на вектора зависи от големината на магнитната сила.

   Обясни за компасите

   Компасът не е нищо повече от малък магнит, окачен така, че да може свободно да се върти в отговор на магнитно поле. Подобно на всички магнити, компасната игла има северен полюс и южен полюс, които се привличат и отблъскват от полюсите на други магнити. Когато компасът е поставен в силно магнитно поле, силите на привличане и отблъскване завъртат иглата, докато приеме посоката на полето.

   Разполагането на много малки компаси в решетката и поставянето на решетката в магнитно поле илюстрира тази техника. Единствената разлика тук е, че компасът не показва силата на полето.

   Фигура 1: Векторно поле на прав магнит.

2. Алтернативен начин за представяне на информацията, съдържаща се във векторно поле, е използването на силови линии. Тук премахваме шаблона на решетката и свързваме векторите с гладки линии. Можем да начертаем колкото линии искаме.

   Фигура 2: Силови линии прав магнит

   Представянето със силови линии има някои полезни свойства:

• Силовите линии на магнитното поле никога не се пресичат.
  • Силовите линии на магнитното поле естествено се събират нагъсто в райони, където магнитното поле е най-силно. Това означава, че плътността на силовите линии показва силата на полето.
  • Линиите на магнитното поле не започват и не свършват никъде, те винаги образуват затворени контури и продължават вътре в магнитен материал (макар че понякога не се чертаят по този начин).
  • Необходим ни е начин да означаваме посоката на полето. Това обикновено се прави чрез чертане на стрелките по линиите. Понякога върховете на стрелките не се чертаят и посоката трябва да бъде обозначена по друг начин. По исторически причини практиката е да обозначаваме един район "север", а друг "юг" и да чертаем линиите на полето само от тези "полюси". Полето се приема, че следва линиите от север на юг. Означенията "N" и "S" обикновено се поставят в краищата на източника на магнитно поле, въпреки че строго погледнато това е произволно и няма нищо специално в тези места.

    Обясни магнитното поле на Земята

    Магнитното поле на Земята се дължи на движещо се желязо в ядрото на Земята. Полюсите на земното магнитно поле не са задължително съобразени с географските полюси. Понастоящем те са отместени с около 10${}^{\circ }$‍ и могат да се обърнат по време на геоложки периоди от време. В момента магнитният южен полюс се намира близо до географския северен полюс. Ето защо северният полюс на компаса ще сочи към него (срещуположните полюси се привличат).
  • Линиите на полето могат да бъдат визуализирани доста лесно в реалния живот. Това често се прави с железни стружки, пуснати на повърхност близо до нещо магнитно. Всяка стружка се държи като малък магнит със северен и южен полюс. Стружките естествено се разделят една от друга, понеже еднаквите полюси се отблъскват. Резултатът е модел, който наподобява линиите на полето. Докато цялостният модел винаги ще е еднакъв, точната позиция и плътност на линиите стружки зависи от това как падат стружките, от техния размер и магнитни свойства.

    Фигура 3: Силови линии на магнитно поле около прав магнит, визуализирани с железни стружки.

Как измерваме магнитните полета?

Какъв е произходът на магнитното поле?

1. Пропускаме ток през проводник, например, като го свързваме с батерия. Когато увеличаваме тока (количеството движещ се заряд), полето се увеличава пропорционално. Когато се отдалечаваме от проводника, виждаме, че полето намалява пропорционално на разстоянието. Тези закономерности са описани от закона на Ампер. Той гласи, че магнитното поле на разстояние $r$‍ от дълъг прав проводник, по който тече ток $I$‍, е равно на:

Тук ${\mu }_0$‍ е специална константа, известна като магнитна проницаемост на вакуума. ${\mu }_0=4\pi \cdot {10}^{-7}\mathrm{T}\cdot \mathrm{m}/\mathrm{A}$‍. Някои материали имат способността да съсредоточават магнитни полета – това са материали с висока проницаемост.

Тъй като магнитното поле е вектор, трябва също така да знаем посоката. За ток, протичащ през прав проводник, това може да се намери чрез правилото за свитите пръсти на дясната ръка. За да използваш това правило, представи си, че хващаш проводника с дясната си ръка, като палецът ти сочи по посоката на тока (спомни си, че за посока на тока се приема посоката на положителните заряди или ако се движат само отрицателни заряди – посоката, противоположна на посоката на движението им). Пръстите показват посоката на магнитното поле, което обвива жицата.

Обясни

Правилото за захвата с дясната ръка е едно удобно улеснение, което на практика има много по-фундаментален произход като векторно произведение. Също е познато и като правилото на чашата за кафе или правилото за отварачката.

Правилото за свитите пръсти на дясната ръка, използвано за намиране посоката на магнитното поле (B), в зависимост от посоката на тока (I). [3]

2. Можем да използваме факта, че електроните (които са заредени) изглежда
   Обяснение

   За да разберем какво представлява магнитното поле около магнити, можем да си представим един електрон като твърда заредена топка, която се върти около твърдо ядро. Но това води до погрешно разбиране, че различните електрони могат да се въртят при много различни скорости и да произведат много различни магнитни полета. Оказва се, че това не е вярно; има само няколко възможни стойности за ъгловия импулс на електрона, които са описани от квантовата структура на атома.
   са в някакво движение около ядрата на атомите. По този начин работят постоянните магнити. Както знаем от опит, само някои „специални“ материали могат да станат магнити и някои магнити са много по-силни от други. Така че са необходими някои специфични условия:

• Макар че атомите често имат много електрони, те най-вече "се сдвояват" по такъв начин, че общото магнитно поле на двойка изчезва. Два електрона, свързани по този начин, се казва, че имат противоположни спинове. Така че ако искаме нещо да бъде магнитно, имаме нужда от атоми, които имат един или повече несдвоени електрони с един и същи спин. Желязото например е „специален“ материал, който има четири такива електрона и следователно е подходящ за изработване на магнити.

  Обясни „сдвояването“

  Физичното обяснение, което описва това сдвояване, е дадено от Волфганг Паули през 1925 г. и е познато като принцип на Паули за изключването.
  • Дори мъничко парче материал съдържа милиарди атоми. Ако всички те са случайно ориентирани, общото поле ще бъде нула, независимо от това колко несдвоени електрони има материалът. Материалът трябва да бъде достатъчно стабилен при стайна температура, за да се постигне цялостна предпочитана ориентация. Ако се установи трайно такава, тогава имаме постоянен магнит, познат още като феромагнит.
  • Някои материали могат да бъдат достатъчно добре подредени, за да бъдат магнитни, само когато се намират в присъствието на външно магнитно поле. Външното поле служи за насочване на спиновете на всички електрони нагоре, но това изравняване изчезва след премахването на външното поле. Тези видове материали са известни като парамагнитни.
    Металът на вратата на хладилник е пример за парамагнит. Самата врата на хладилника не е магнитна, но се държи като магнит, когато върху нея е поставен магнит за хладилници. После те се привличат помежду си достатъчно силно, за да държат без проблем списъка за пазаруване, поставен между тях.

Компенсиране на полето на Земята

Какъв ток (големина и посока) би бил необходим, за да неутрализира магнитното поле на Земята и да „обърка“ компаса?

Решение

Първо трябва да представим закона на Ампер за прав проводник по отношение на тока:

$B=\frac{{\mu }_{0}I}{2\pi r}$‍

$I=B\frac{2\pi r}{{\mu }_0}$‍

Както е показано на диаграмата, разстоянието $r$‍ от компаса до проводника е $0,05\mathrm{m}$‍. Като заместим със стойностите, получаваме:

$\begin{array}{rl}I& =(5\cdot {10}^{-5}\mathrm{T})\frac{(2\pi )\cdot (0,05\mathrm{m})}{4\pi \cdot {10}^{-7}\mathrm{T}\cdot \mathrm{m}/\mathrm{A}}\\ & =12,5\mathrm{A}\end{array}$‍

Това е доста голям ток. Едно типично лабораторно захранване може да доставя само до $3\mathrm{A}$‍. Трябва също да намерим посоката на полето. Ако използваме правилото за свитите пръсти на дясната ръка, трябва да насочим палеца надолу, за да сочат пръстите ни в посока, обратна на посоката на движение на компаса. Така че на фигура 5 токът трябва да тече към страницата.

Приеми, че захранването ни е ограничено до общо $1,25\mathrm{A}$‍. Можеш ли да предложиш алтернативна конфигурация на експеримента, която да има същия ефект върху компаса?

Решение

Имаме две възможности:

1. Можем просто да намалим разстоянието между проводника и центъра на компаса. Ако сме ограничени до $1,25\mathrm{A}$‍ (една десета от това, което имахме преди), тогава разстоянието ще трябва да бъде намалено пропорционално, т.е. $5\mathrm{mm}$‍. Естествено това предполага, че тялото на компаса има радиус от $5\mathrm{mm}$‍ или по-малко.
2. Бихме могли да увеличим магнитното поле, като добавим повече проводници, по всеки от които тече същия ток. Тъй като токът в дълъг проводник е еднакъв навсякъде, по принцип можем да постигнем това с едно дълго парче проводник, което да позволи на тока да направи 10 "прехода". Това обаче работи, само ако токът е в една и съща посока във всеки "преход", в противен случай полетата ще бъдат в противоположни посоки и ще се компенсират. Най-добрият начин да се постигне това е да се направи вертикална намотка с 10 намотавания и радиус, достатъчно голям, че магнитното поле от противоположната страна на серпентината да е достатъчно малко, за да бъде незначително от гледна точка на компаса.

Източници