Новости звезд
Магнитное поле краткое определение. Магнитное поле и его свойства
Хорошо известно широкое применение магнитного поля в быту, на производстве и в научных исследованиях. Достаточно назвать такие устройства, как генераторы переменного тока, электродвигатели, реле, ускорители элементарных частиц и различные датчики. Рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле и как оно образуется.
Что такое магнитное поле - определение
Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы. Размер магнитного поля завит от скорости его изменения. Согласно этому признаку выделяют два типа магнитного поля: динамическое и гравитационное.
Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей их строения. Источниками динамического магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или заряженные тела, проводники с током, а также намагниченные вещества.
Свойства магнитного поля
Великому французскому ученому Андре Амперу удалось выяснить два основополагающих свойства магнитного поля:
- Основное отличие магнитного поля от электрического и его основное свойство состоит в том, что оно носит относительный характер. Если вы возьмете заряженное тело, оставите его неподвижным в какой-либо системе отсчета и поместите рядом магнитную стрелку, то она будет, как обычно, указывать на север. То есть она не обнаружит никакого поля, кроме земного. Если же вы начнете перемещать это заряженное тело относительно стрелки, то она начнет поворачиваться - это говорит о том, что при движении заряженного тела возникает еще и магнитное поле, кроме электрического. Таким образом, магнитное поле появляется тогда и только тогда, когда есть движущийся заряд.
- Магнитное поле действует на другой электрический ток. Так, обнаружить его можно, проследив движение заряженных частиц, - в магнитном поле они будут отклоняться, проводники с током будут двигаться, рамка с током поворачиваться, намагниченные вещества смещаться. Здесь следует вспомнить магнитную стрелку компаса, обычно окрашенную в синий цвет, - ведь это просто кусочек намагниченного железа. Он всегда ориентируется на север, потому что Земля обладает магнитным полем. Вся наша планета является огромным магнитом: на Северном полюсе находится южный магнитный пояс, а на Южном географическом полюсе находится северный магнитный полюс.
Кроме этого, к свойствам магнитного поля относят следующие характеристики:
- Сила магнитного поля описывается магнитной индукцией - это векторная величина, определяющая, с какой силой магнитное поле влияет на движущиеся заряды.
- Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа. Первое порождается не изменяющимся во времени электрическим полем, индукция такого поля также неизменна. Второе чаще всего генерируется при помощи индукторов, питающихся переменным током.
- Магнитное поле не может быть воспринято органами чувств человека и фиксируется только специальными датчиками.
Может ли академическая наука в настоящее время однозначно ответить на этот вопрос? Каковы основы академического подхода к определению магнитного поля?
В данной статье проведем анализ результатов, накопленных академической наукой в областях, связанных с магнитным полем, для того, чтобы в дальнейшем перейти к изложению своей альтернативной точки зрения.
По определению в БСЭ, «магнитное поле – это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды…» Что дает нам такое определение магнитного поля, кроме тавтологии: «магнитное поле – это силовое поле….»? Никакого физического смысла. И далее сразу переход к источникам магнитного поля и их перечислению. Источниками магнитного поля являются электроны, протоны, ионы. Поле возникает в результате движения этих частиц, а также из-за наличия у них собственного (спинового) магнитного момента. Макроскопические магнитные поля образуют естественные и искусственные магниты, проводники с током, а также электрически заряженные тела, находящиеся в движении. В других статьях магнитное поле называют особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами. Таким образом, с точки зрения истинного смысла наука не может объяснить это природное явление.
Несмотря на это, в процессе изучения магнитного поля было сделано множество научных открытий и изобретений, которые описаны во многих книгах, учебниках, популярных научно-технических журналах и т.п. При этом создано огромное количество оборудования и приборов, которые на практике подтверждают принятые академической наукой результаты многочисленных экспериментов гипотез и закономерностей.
Попробуем поговорить об этом подробнее.
Еще в древности люди знали о некоторых свойствах магнитного поля. То, что некоторые вещества (железные руды) притягивают железо, было известно человечеству еще несколько тысячелетий назад. Эти вещества назвали магнитами. На их основе были изготовлены первые в истории мореплавания приборы (компасы), которые реагировали на магнитное поле Земли. В Европе, как утверждают историки, компасом стали пользоваться примерно с XII века.
Одним из первых ученых, который достаточно подробно исследовал магнитные явления, был англичанин В.Гильберт (врач по специальности). В своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните — Земля», изданной в 1600 году, он обобщил и опубликовал результаты своих многолетних исследований по взаимодействию магнитов. В.Гильберт впервые научно объяснил такие магнитные явления, как притяжение и отталкивание между постоянными магнитами. Он объяснил, чем отличаются электрические явления от магнитных, а также указал на существование магнитного поля Земли. Многие исследователи считают, что термин «Магнитное поле» впервые ввел М.Фарадей в 1845 году.
В 1820 году Эрстед обнаружил, что проводник с током оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Он установил, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле и магнитная стрелка, находящаяся вблизи этого проводника, устанавливается перпендикулярно к нему. Это открытие побудило многих его современников к дальнейшему исследованию магнитного поля.
А.Ампер и Д.Араго впервые изготовили искусственный магнит. Они пропускали сильный ток по проводам соленоида, внутри которого находился железный стержень. После выключения тока стержень становился магнитом. Этот метод изготовления магнитов в основном сохранился и до наших дней.
Магнитные свойства полосового магнита различны в разных частях его поверхности. В этом можно убедиться, если магнит погрузить в железные опилки. Мы увидим, что наибольшее количество опилок пристает к торцам магнита и практически отсутствует в его средней части. Принято считать части поверхности магнита с наибольшим числом притянутых металлических опилок полюсами (северным и южным), а с наименьшим числом опилок нейтральной зоной магнита. Противоположные полюса магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются. Магнитное поле Земли представляет собой аналог большого магнита.
Если критически проанализировать материалы по изучению магнитного поля, опубликованные в научной литературе, то можно сделать однозначный вывод о том, что современная наука ничем существенным не пополнила знания о магнитном поле со времен Фарадея. Все знания о магнитном поле сводятся в основном к тому, что вокруг проводника с током или вблизи магнита существует особое поле называемое магнитным, источники которого находятся в микроструктуре вещества. Магнитное поле проявляет себя в виде магнитно-силовых линий. Что подтверждается расположением на картоне железных опилок вдоль магнитно-силовых линий при воздействии на опилки одного из полюсов магнита.
Известное ещё с давних времён, магнитное поле и его свойства до сих пор остаются весьма загадочным явлением окружающего мира. Потенциал применения магнитного поля просто огромен, и общая теория взаимодействий вносит новый импульс в использование скрытой энергии, которая таится в магнетизме.
Определение
: магнитное поле – область пространства, в которой конфигурация бионов, передатчиков всех взаимодействий, представляет собой динамическое, взаимосогласованное вращение (смотрите анимацию).
Направление действия магнитных сил совпадает с осью вращения бионов с применением правила правого винта (для случая показанного в анимации вектор магнитного поля направлен от зрителя).
Силовая характеристика магнитного поля определяется частотой вращения бионов. Чем выше частота вращения тем сильнее поле.
Магнитное поле правильнее было бы называть электродинамическим
, так как оно возникает только при движении заряженных частиц, и действует только на движущиеся заряды.
Объясним, почему магнитное поле является динамическим. Чтобы возникло магнитное поле, необходимо, чтобы бионы начали вращаться, а заставить их вращаться может только движущийся заряд, который будет притягивать один из полюсов биона. Если заряд не будет двигаться, то и бион не будет вращаться.
Покажем с помощью анимации примеры возникновения магнитного поля.
В анимации приведена причина образования магнитного поля, возникающего при движении заряженной частицы (электрона). Бион показан как два шарика - красный и синий.
Как легко увидеть, бионы начинают вращаться, ориентируясь своим положительным полюсом в сторону электрона. Если бы не было движения электрона, то и бионы не вращались бы. Вот вам и ответ на вопрос, почему магнитное поле динамическое, а электрическое – статическое. В анимации можно также усмотреть объяснение того, как должно быть направлено магнитное поле, то есть объяснить ещё одно свойство, почему магнитное поле направлено всегда перпендикулярно траектории движения заряженной частицы. Ось вращения всегда будет перпендикулярна направлению движения заряженной частицы
Ниже в анимации показано возникновение магнитного поля вокруг проводника с током.
Слева вид на проводник с боку, справа вид на проводник с фронта
Слева в анимации показана сама суть магнитного поля. Из-за искривлённости биона, его вращение приводит к небольшой разнице в расположении центров полюсов, которая может проявить себя только тогда, когда бион вращается. И чем больше частота вращения биона, тем чаще такая разница возникает, тем сильнее будет силовое воздействие (величина магнитного поля).
Для объяснения приведём ещё одну анимацию магнитного поля.
Здесь мы видим, что положительный полюс биона стремиться ориентироваться в сторону электрона, а отрицательный, наоборот, как можно более отдалиться. В итоге, результирующая электрическая сила, возникающая из-за искривлённости биона, будет всегда направлена строго перпендикулярно траектории движения частицы. (Если Вам не понятны описания, советую познакомиться с основными положениями общей теории взаимодействий и почитать о строении и свойствах биона ).
Отметим, что математическое обеспечение общей теории взаимодействий, и в частности, описание магнитного поля, совпадают с общеизвестными. В нашей теории даётся лишь новая смысловая интерпретация формул, основанная на новом представлении о кванте.
Магнитный момент
Теперь давайте рассмотрим такое понятие, как магнитный момент. Магнитный момент проявляет себя при воздействии магнитного поля на рамку с током. При таком взаимодействии возникает момент сил равный. Здесь B – вектор индукции магнитного поля, I – ток в рамке, S - её площадь и α – угол между силовыми линиями и перпендикуляром к плоскости рамки.
Магнитный момент считают вектором, который расположен на линии, перпендикулярной плоскости рамки. Направление вектора (вверх или вниз этой линии) определяется правилом буравчика: буравчик нужно расположить перпендикулярно плоскости рамки и вращать по направлению тока в рамке (по часовой стрелке или против) – направление движения буравчика укажет направление вектора магнитного момента.
Магнитный момент – важное понятие в физике. В состав атомов входят ядра, вокруг которых вращаются электроны (в общей теории взаимодействий атом вращается целиком – подробности на странице строение атома ). Каждый движущийся вокруг ядра электрон как заряженная частица создаёт ток, образуя как бы микроскопическую рамку с током.
Магнитный момента электрона в атоме
Величина магнитного момента электрона, связанная с его движением по орбите, или как говорят, орбитальный магнитный момент. Где e – заряд электрона, m – его масса, а момент импульса электрона. Значение, вычисляемое по этой формуле, совпадает со значением, получаемым в квантовой механике. А вот для спина электрона, квантовая механика даёт величину магнитного момента, в два раза большую, чем классическая физика. И это различие между орбитальным и спиновым магнитными моментами невозможно объяснить с классической точки зрения. Полный магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых моментов всех электронов, а поскольку они отличаются в два раза, то в выражении для магнитного момента атома появляется множитель g (1< g <2), характеризующий состояние атома:
Хотя общая теория взаимодействий объясняет физический смысл спина по-другому, мы всё же приведём своё объяснение аномального магнитного момента электрона. Такое объяснение аномальности магнитного момента электрона в атоме связано со строением атомов, и очевидно вытекает из такого строения. Посмотрите анимацию.
Очевидно, что магнитное поле возникает только снаружи атома, так как электрон не движется вокруг ядра, а жестко связан с ним электрическими силами. Поэтому, магнитное поле на половине пространства вокруг электрона и не возникает.
Кратко, но наглядно, опишем явление электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция
В анимации (анимация пока не готова) видно, что перемещая магнит, мы создаём в катушке электромагнитную волну, которая, в свою очередь заставляет двигаться электроны. Если перемещений магнита нет, то электромагнитная индукция отсутствует. Очевидно также, что чем выше скорость изменения магнитного потока, тем значительнее возникающая в проводнике электромагнитная волна, тем, следовательно, сильнее возникающий ток.
К свойствам магнитного поля относят, и его способность определённым образом воздействовать на вещества, и определённым образом изменяться внутри этих веществ. Рассмотрению магнитных свойств веществ, а также их способности проводить электрический ток и посвящена страница свойства веществ и соединений .
Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд.
При движении заряда в магнитном поле возникает разница во времени, которое на него воздействует тот или полюс биона. Такя разница возникает именно из-за движения, и её не наблюдается, если заряд покоится. Зелёным в анимации показаны зоны временного притяжения заряда со стороны бионов, так как они в этот момент повернуты к заряду полюсом противоположного знака. Красным обозначены зоны временного отталкивания. Траектория частицы изменяется то в одну, то в другую сторону.
Получается, что заряженная частица в магнитном поле будет двигаться по довольно сложной траектории. Попробуем понять, что она (траектория) будет собой представлять. На самом деле, становится ясно, что отклоняющая сила будет представлена циклоидой.
На рисунке видно, что время действия силы, изменяющей направление движения положительного заряда в одну сторону (против часовой) больше, чем время действия силы изменяющее направление движения в противоположную сторону (по часовой). Разными будут и работы (указаны цветом). В результате получим следующий вид траектории заряженной частицы в магнитном поле.
Рисунок А показывает траекторию положительно заряженной частицы, для случая указанного на предыдущих рисунках (магнитное поле очень слабо). Рисунок В объясняет траекторию отрицательно заряженной частицы. В данном случае изменилось значение магнитной индукции поля (поэтому «лепестков» стало больше) (каждый лепесток представляет собой, один период циклоиды).
При увеличении скорости частицы соответственно увеличится радиус. При увеличении силы магнитного поля число «лепестков» возрастает, и траектория частицы всё больше приближается к окружности (на рисунках показаны цветом). Все наши выводы в итоге совпадают с результатами опытов, лишь немного уточняя их.
Удивительное дело, но ни в одном учебнике я не нашел не то, что ответа, а даже вопроса, который очевидно должен возникать у каждого, кто начинает изучать магнитные явления.
Вот этот вопрос.
Почему магнитный момент контура с током не зависит от формы этого контура, а зависит лишь от его площади?
Я думаю, что такой вопрос не задаётся именно потому, что ответа на него никто не знает. При опоре же на наши представления ответ очевиден. Магнитное поле контура есть сумма магнитных полей бионов. А число бионов создающих магнитное поле, определяется площадью контура и не зависит от его формы.
Выводы
: магнитное поле описано на этой странице подробно и наглядно лишь по той причине, что мы опираемся на правильный подход к объяснению причин возникновения магнитного поля и проявлению его свойств. В противном случае такой простой и целостной картины со всей общей теорией взаимодействий у нас бы не было, как нет его в квантовой механике.
Магнитное поле – это особая форма материи, которая создается магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами) и которую можно обнаружить по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц).
Опыт Эрстеда
Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда.
Магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивается на некоторый угол при включении тока в проводнике. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.
Из опыта Г. Эрстеда следует, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Опыт Ампера
Два параллельных проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой: притягиваются, если токи сонаправлены, и отталкиваются, если токи направлены противоположно. Это происходит из-за взаимодействия возникающих вокруг проводников магнитных полей.
Свойства магнитного поля
1. Материально, т.е. существует независимо от нас и наших знаний о нём.
2. Создаётся магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами)
3. Обнаруживается по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц)
4. Действует на магниты, проводники с током (движущиеся заряженные частицы) с некоторой силой
5. Никаких магнитных зарядов в природе не существует. Нельзя разделить северный и южный полюсы и получить тело с одним полюсом.
6. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена французским учёным Ампером. Ампер выдвинул заключение - магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.
Эти токи представляют собой движение электронов по орбитам в атоме.
Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, составляющих тело, то их взаимодействия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.
И наоборот: если плоскости, в которых вращаются электроны, параллельны друг другу и направления нормалей к этим плоскостям совпадают, то такие вещества усиливают внешнее магнитное поле.
7. Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют магнитными силовыми линиями. С их помощью можно удобно и наглядно показывать магнитное поле в том или ином случае.
Чтобы более точно изобразить магнитное поле, условились в тех местах, где поле сильнее, показывать силовые линии расположенными гуще, т.е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т.е. расположенными реже.
8. Магнитное поле характеризует вектор магнитной индукции.
Вектор магнитной индукции - векторная величина, характеризующая магнитное поле.
Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке.
Направление вектора индукции поля и силы тока I связаны «правилом правого винта (буравчика)»:
если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке совпадет с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.
