If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Какво представляват магнитните полета?

Научи какво е магнитно поле и как да го пресмяташ.

Какво са магнитните полета?

Магнитното поле е изображение, което използваме като инструмент за описване как магнитната сила е разпределена в пространството и в магнити.
Повечето от нас познават ежедневните магнитни обекти и си дават сметка, че между тях може да има сили. Разбираме, че магнитите имат два полюса и че в зависимост от ориентацията на два магнита, може да има привличане (противоположни полюси) или отблъскване (еднакви полюси). Осъзнаваме, че има някаква област, която се разпростира около един магнит, където това се случва. Магнитното поле описва тази област.
Има два различни стандартни начина, по които магнитното поле се описва:
  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.
    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 от поле на постоянен 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.
    • 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?

Тъй като магнитното поле е векторна величина, има две неща, които трябва да измерваме, за да го опишем – големината и посоката.
Посоката е лесна за определяне. Можем да използваме магнитен компас, който се настройва към полето. Магнитните компаси се използват за навигация (спрямо магнитното поле на Земята) от XI-ти век насам.
Интересното е, че измерването на силата е значително по-трудно. Използваеми магнитометри се появяват чак през XIX век. Повечето от тези магнитометри работят чрез използване на силата, която електрон изпитва, докато се движи през магнитно поле.
Много точно измерване на малки магнитни полета става възможно едва след откриването през 1988 г. на гигантското магнитосъпротивление в специално наслоени материали. Това откритие във фундаменталната физика е бързо приложено към магнитната технология на твърдите дискове, използвани за съхранение на данни в компютрите. Това води до хилядократно увеличение на капацитета за съхранение на данни само няколко години непосредствено след въвеждането на технологията (от 0,1 до 100 Gbit/inch2 между 1991 и 2003 [2]). През 2007 на Алберт Ферт и Питър Грюнберг е присъдена Нобелова награда за физика за това откритие.
В системата SI магнитното поле се измерва в тесли (отбелязва се като T, по името на Никола Тесла). Единицата Тесла се дефинира чрез големината на магнитната сила, която действа на движещ се електричен заряд. Малко магнитче за хладилник създава магнитно поле около 0,001 T, а магнитното поле на Замята е около 5105 T. Една друга мерна единица също се използва често – гаусът (отбелязван като G). Връзката между тях е лесна, 1 T=104 G. Гаусът се използва често, защото 1 тесла е много силно поле.
В уравнения големината на магнитното поле се означава със символа B. Често се нарича магнитна индукция. Може да срещнеш величина, която се нарича интензитет на магнитното поле, която се означава с H. И B, и H имат една и съща мерна единица, но H отчита ефекта на магнитните полета, концентрирани в магнитни материали. При прости задачи във въздушна среда няма да бъде необходимо да ги различаваш.

Какъв е произходът на магнитното поле?

Магнитните полета възникват при движение на заряд. Колкото по-голям е зарядът и колкото повече се движи зарядът, толкова по-голяма е силата на магнитното поле.
Магнетизмът и магнитните полета са един аспект на електромагнитната сила, една от четирите фундаментални сили в природата.
Има два основни начина, по които можем да осигурим заряд да се движи и да генерира полезно магнитно 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:
B=μ0I2πr
Тук μ0 е специална константа, известна като магнитна проницаемост на вакуума. μ0=4π107 Tm/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.
Фигура 4: Правилото за свитите пръсти на дясната ръка, използвано за намиране на посоката на магнитното поле (B), в зависимост от посоката на тока (I) [3]
  1. Можем да използваме факта, че електроните (които са заредени) изглежда
    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.
    • 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

Фигура 5 показва постановка, в която компас е поставен в близост до вертикален проводник. Когато по проводника не тече ток, компасът сочи на север, както е показано, заради магнитното поле на Земята (приеми, че полето на Земята е 5105 T).
Фигура 5: Експеримент с компас и проводник (гледано отгоре без да протича ток).
Упражнение 1a:
Какъв ток (големина и посока) би бил необходим, за да неутрализира магнитното поле на Земята и да „обърка“ компаса?
Упражнение 1б:
Приеми, че захранването ни е ограничено до общо 1,25 A. Можеш ли да предложиш алтернативна конфигурация на експеримента, която да има същия ефект върху компаса?

Източници

[1] Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Practical Physics, The MacMillan Co., USA, p. 242, fig. 200 (обществено достояние)
[2] UK Success Stories in Industrial Mathematics. Philip J. Aston, Anthony J. Mulholland, Katherine M.M. Tant. Springer, Feb 4, 2016
[3] Това е файл от Wikimedia Commons. Файлът е с лиценз Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic и 1.0 Generic license.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.