Что такое магнитные явления

Электромагнитные явления

Еще со времен Фарадея изучаются электромагнитные явления. Однако взаимодействие электропроводных жидкостей и электромагнитного поля внимание к себе привлекло лишь в последние годы. Основным толчком к изучению данных явлений стала астрофизика. Уже долгие годы предполагается, что основная часть материи во Вселенной находится в состоянии высокоионизированного газа или плазмы. Главные сведенья в области электромагнитной динамики были получены в результате астрофизических исследований.

Роль электромагнитных явлений в физике

В космической физике главная роль принадлежит электромагнитным явлениям, поскольку в космосе существуют магнитные поля, которые прямым образом воздействуют на движение заряженных частиц. Электромагнитные силы при определенных условиях в разы превосходят гравитационные.

Впервые электромагнитные явления были применены для передачи информации. В XIX столетии создается телеграфия. Ее суть была очень проста: любое сообщение, что состояло из цифр и букв, может передаваться при помощи набора знаков, то есть сообщение кодируется.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Все электромагнитные явления подчинены определенным закономерностям, которые характеризуют электромагнитную форму движения материи, что кардинально отличается от механической. В электронных устройствах электромагнитные явления описаны сложными взаимоотношениями и характеризуются величинами, что зависят от пространственных координат и времени. Но такое описание является слишком обширным при исследовании сложных электронных устройств.

Электромагнитные явления не считались автономными. Благодаря усилию многих ученых данные явления были сведены к механическим. Изучение механики и электромагнитных явлений привело к формированию теории относительности: тут четырехмерное пространство и время были представлены единым многообразием, а его разделение на пространство и время – условным.

особенность электромагнитных явлений в системе определена изменением свойств заготовок, при переходе от одной заготовки к другой. Первичные заготовки были полностью ферримагнитными, а остальные либо частично ферримагнитными, либо вовсе немагнитными.

Изучение электромагнитных явлений требовало длительного непрерывного труда и напряжения воображения. Для того чтобы выработать правильное материалистичное понимание процессов, необходимо постоянно руководствоваться советской литературой по физике. В процессе изучения электромагнитных явлений было определено, что вокруг электрического тока всегда существовало магнитное поле. Поле и электрический ток неотделимы друг от друга.

В развитие теории электромагнитных явлений наибольший вклад внесли Максвелл и Фарадей. Только после того как Максвелл создал теорию электромагнитного поля говорилось о создании электромагнитной мировой картины. Ученый разработал теорию электромагнитного поля на основе электромагнитной индукции, что была открыта Фарадеем.

Он, в свою очередь, проводил эксперименты с магнитной стрелкой и пришел к выводу, что вращение стрелки обусловлено особым состоянием окружающей среды, а не электрическими зарядами в проводнике.

После этого ученый вводит понятие поля, как множества магнитных линий, что пронизывают пространство и способны выявлять и направлять электрический ток.

Теория электромагнитного поля, что была создана Максвеллом, сводилась к тому, что трансформирующееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля не только в окружающих телах, но и вакууме. Эта теория стала новым этапом в развитии физической науки. В соответствии с ней, весь мир – это электродинамическая система, которая состоит из заряженных частиц, что взаимодействуют друг с другом при помощи электромагнитного поля.

Электрические заряды движутся относительно друг друга, вследствие чего возникает дополнительная магнитная сила. Электромагнитная сила – это объединение магнитной и электрической силы. Электрические силы соотносятся с движущимися и покоящимися зарядами, а магнитные – только с движущими. Многообразие зарядов и сил описаны в уравнениях Максвелла, что стали в будущем уравнениями классической электродинамики.

Эти уравнения положили начало закону Кулона, который идентичен закону всемирного тяготения Ньютона. Закон Кулона выглядит следующим образом:

$F_k = k\frac{q_1q_2}{r{2}}$

Закон всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом:

$F_H = G\frac{m_1m_2}{R{2}}$

Также закон Ньютона имеет следующие утверждения:

• магнитные силовые линии не имеют начала и конца, а также они абсолютно непрерывны;
• магнитных зарядов в природе не существует;
• электрическое поле формируется при помощи электрических зарядов и переменного магнитного поля;
• магнитное поле может формироваться как при помощи переменного электрического поля, так и с помощью электрического тока.

Электромагнитные явления кардинальным образом изменили представление о материи.

Электромагнитные явления. Основные термины и формулы

Определение 1

Электрический заряд – это величина, которая характеризует свойство тел и частиц вступать в электромагнитное взаимодействие.

Существует два вида электрических зарядов:

• положительные заряды, носителями которых являются протоны;
• отрицательные заряды, носителями которых являются электроны.

Атом состоит из ядра, который, в свою очередь, состоит из нейтронов, электронов и протонов. Атом превращается в ион, если он получает или отдает несколько электронов.

Определение 2

Электризация – это процесс приобретения заряда при помощи макроскопического тела.

На данный момент существует несколько способов электризации:

• при помощи трения;
• при помощи влияния.

Определение 3

Электрическое поле – это форма материи, что существует вокруг заряженных частиц и тел, и действует на другие частицы, что имеют заряд.

Основными законами электростатики являются:

1. Закон Кулона для неподвижных зарядов: $F_k = k\frac{q_1q_2}{r{2}}$
2. Закон сохранения заряда (для замкнутой системы): $ q_1 + q_2 + q_n = const $

Определение 4

Электрический ток – это направленное движение частиц, которые имеют электрический заряд.

Есть несколько условий, которые обеспечивают существование электрического тока:

• наличие свободных частиц, которые имеют заряд;
• наличие электрического поля.

Действие электрического поля может быть:

• тепловым;
• магнитным;
• химическим;
• световым.

Электрическое поле формируется при помощи источников тока, в которых осуществляется работа по разделению зарядов. Это происходит за счет преобразования нескольких видов энергии в энергию электрического поля.

К характеристикам участка цепи можно отнести:

1. Силу тока: $I = \frac {q}{t}=A (ампер)$ — измерение осуществляется при помощи амперметра.
2. Напряжение: $U = \frac{A}{q}= В (вольт)$ — измеряется при помощи вольтметра.
3. Сопротивление: $R = p\frac{l}{S} = Ом$ — измеряется при помощи омметра.

Закон Ома для участка цепи выглядит следующим образом:

$I = \frac{U}{R}$

Существует два вида соединения проводников: последовательное и параллельное. Последовательное соединение проводников выглядит следующим образом:

1. $I = I_1 = I_2 == I_n$
2. $U = U_1 + U_2++U_n$
3. $R = R_1 + R_2 ++ R_n$

Параллельное соединение проводников выглядит следующим образом:

1. $ I = I_1+I_2++I_n$
2. $U = U_1 = U_2 == U_n$
3. $ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} ++ \frac{1}{R_n}$

Работа тока: $A = Ult$

Мощность тока выглядит так: $P = IU$

Количество теплоты, что выделяется при прохождении сквозь проводник тока можно выразить следующим образом: $Q = I2 Rt$

Электрический ток может существовать в различных средах:

1. В металлах осуществляется направленное движение свободных электронов.
2. В жидкостях происходит направленное движение свободных ионов, которые образуются в результате электролитической диссоциации. Закон электролиза выглядит следующим образом: $m = qk = klt$
3. В газах происходит направленное движение электронов и ионов, что образуется в результате ионизации.
4. В полупроводниках – направленное движение свободных дырок и электронов.

Определение 5

Магнитное поле – это особая форма материи, существующая вокруг заряженных движущихся частиц и тел, и действует на другие заряженные частицы и тела, что движутся в этом же поле.

Линии магнитного поля – это условные линии, вдоль которых устанавливаются оси магнитных стрелок в магнитном поле.

Интересные факты применения электромагнитных явлений

Сохранились записи, которые подтверждают, что в древние времена императора Нерона, что страдал ревматизмом, лечили электрованнами. Суть такого лечения заключалась в следующем: в деревянную кадку с водой были помещены электрически скаты. Находясь в такой ванной, человек подвергался действию электрических полей и зарядов.

В Швейцарии в прошлом столетии была изобретена электрическая няня. Под детские пеленки подкладывались изолированные металлические сети, что разделялись сухой подкладкой. Эти сети соединялись с низковольтным источником тока и с электрическим звонком. Когда подкладка становилась мокрой, цепь замыкалась, и срабатывал звонок. Это позволяло матерям сразу знать, когда нужно заменить пеленку.

В тех регионах, где встречаются сильные морозы, существовала проблема слива нефтепродуктов, поскольку их вязкость при низких температурах была слишком высокая. Тогда ученые разработали технологию электроиндукционного нагрева цистерн, которая позволяла сократить энергозатраты.

При помощи электромагнитных явлений можно было определить отпечатки пальцев человека, что держал в руках гильзы и патроны. Поместив гильзу в электрическое поле в виде электрода, на него в вакууме напылялась металлическая пленка, на которой проявлялись отпечатки пальцев, что легко поддавались идентификации.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnitnye_yavleniya/

Занятие 27. МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРИРОДЕ

1. Проверка домашнего задания (20-25 минут)
2. Формирование новых знаний (50-55 минут)
3. Домашнее задание (15 минут)

• Общее оборудование: компьютер, проектор, экран
• Лабораторные журналы
• Демонстрационное оборудование: электроскоп и электрометр, компас, полосовой, кольцевой и подковообразный магниты, сосуд с водой, два пенопластовых «плота» для магнитов, набор «перегородок» из разных материалов
• Лабораторное оборудование: магнитная стрелка на подставке, маленький магнит, колба, сосуд с водой, кусок картона, стальные опилки, полосовые, кольцевые и подковообразный магниты, стальные скрепки, гвозди, подставка для кольцевых магнитов
• Иллюстративный материал: «Магнетит», «Естественные магниты», «Магнитные аномалии», карта «Месторождения магнитных руд»

Сделай магнитную игрушку. Подготовь описание способа изготовления своей игрушки и проиллюстрируй его рисунками или фотографиями. Подготовь устный рассказ об одном из способов ориентирования.

1 этап. Проверка домашнего задания

Перед проверкой домашнего задания необходимо убедиться в том, что у учащихся есть модели электроскопов, отличающиеся друг от друга по конструкции. Затем нужно попросить этих учащихся показать свои модели и рассказать о том, как они их сделали, какие опыты им удалось с ними провести.

Если кому-то из учеников удалось придумать и сделать такие опыты, о которых не рассказывал никто из отвечающих, то им нужно обязательно предоставить возможность «обнародовать» результаты своих исследований.

После обсуждения результатов выполнения домашнего задания и ответов на вопросы учащихся можно переходить ко второму этапу занятия.

2 этап. Формирование новых знаний

На этом этапе занятия нужно рассказать учащимся о том, что кроме явления электризации в природе часто приходится встречаться и с магнитными явлениями.

Затем нужно рассказать учащимся о естественных магнитах, которые встречаются в природе, а также напомнить о таком широко известном приборе как компас и выяснить в ходе беседы, как им правильно пользоваться, а также обязательно следует выяснить смысл обозначений на картушке компаса. После этого можно предложить ученикам самостоятельно исследовать некоторые магнитные явления.

После ответов на вопросы учащихся по новому материалу можно перейти к выполнению лабораторной работы.

Далее учащиеся начинают самостоятельно выполнять задания в своих лабораторных журналах, а учитель помогает некоторым учащимся. Когда учащиеся начнут переходить к выполнению опытов со стальными опилками, нужно показать им, как очистить магнит от стальных опилок, используя свойства нейтральной зоны магнита.

3 этап. Домашнее задание

На заключительном этапе занятия при формулировке домашнего задания нужно вначале обсудить, как может выглядеть магнитная игрушка, а потом следует более подробно остановиться на второй части домашнего задания.

Для этого нужно показать учащимся весь перечень вопросов по теме «Способы ориентирования на местности» и распределить эти вопросы между учащимися.

Самый простой способ – заранее написать все вопросы на бумажных полосках (количество полосок должно быть равно количеству учеников в классе) и пройдя по кабинету, предложить учащимся выбрать – вытянуть – свою тему.

Возможный перечень тем для второй части домашнего задания: ориентирование по компасу, по Солнцу, по Луне, по звездам, по тени, по отдельно стоящим деревьям, по архитектурным сооружениям, по муравейникам, по мхам и лишайникам и т.д.

При проверке заданий, выполненных в лабораторном журнале, нужно обратить внимание на полноту описания результатов проведения опытов, на качество сделанных рисунков и на точность изображения плана классной комнаты и на правильность указания своего местоположения на этом плане.

Источник: http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/3b0249f9-5dfe-4557-9e08-213d30ba8e18/1_27.html

Магнитное поле. Линии

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока.

Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма.

Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.

Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

Магнитное поле витка с током

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/magnitnoe-pole-linii/