Магнитное поле

Содержание:

В Магнитное поле Земли Это магнитный эффект, который оказывает Земля и простирается от ее недр до сотен километров в космосе. Это очень похоже на то, что производится стержневым магнитом. Эта идея была предложена английским ученым Уильямом Гилбертом в 17 веке, который также заметил, что невозможно разделить полюса магнита.

На рисунке 1 показаны силовые линии магнитного поля Земли. Они всегда закрыты, проходят внутрь и продолжаются снаружи, образуя своеобразную оболочку.

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой. Внешнее ядро ​​Земли, сделанное из чугуна, не может само по себе создавать поле, поскольку температура такова, что разрушает магнитный порядок. Температурный порог для этого известен как температура Кюри. Следовательно, большая масса намагниченного материала не может быть причиной возникновения поля.

Отбросив эту гипотезу, мы должны искать происхождение поля в другом явлении: вращении Земли. Это заставляет расплавленный сердечник вращаться неравномерно, создавая динамо-эффект, при котором жидкость самопроизвольно генерирует магнитное поле.

Считается, что динамо-эффект является причиной магнетизма астрономических объектов, например, Солнца. Но до сих пор неизвестно, почему жидкость может вести себя подобным образом и как возникающие электрические токи удерживаются.

Виды физических полей тела человека и их источники

1. Электромагнитные поля

2. Акустические поля

3. Низкочастотные электрические и магнитные поля

4. Природа биомагнитных полей

5. Магнитокардиография

6. Ферромагнитные частицы в организме

7. Магнитные поля внутренних органов, кожи, мышц, глаз

8. Нейромагнитные поля

9 .Радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ)

10. Механизмы изменения температуры в теле человека

11. Применение СВЧ-радиометрии в медицине

12. Инфракрасное излучение

13. Особенности обработки и представления тепловизионного изображения

14. Тепловидение в биологии и медицине

15. Оптическое излучение тела человека

16. Акустические поля человека

Заключение

Список литературы

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс

июжный 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, однаковзаимодействие 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 видедиполей . Изолированных магнитных полюсов (так называемыхмагнитных 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.

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

• Магнитные линии не поддаются гравитации.
• Никогда не пересекаются между собой.
• Всегда образуют замкнутые петли.
• Имеют определенное направление с севера на юг.
• Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
• Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

Магнитные линии

Прямолинейные проводники, обладающие высокими показателями токопроводимости, имеют более плотные магнитные линии. Они распределяются по концентрическим окружностям, в центре которых располагается данный прямолинейный проводник.

Важно замечание. Чтобы определить направление линий магнитного поля, пользуются так называемым правилом буравчика

Оно гласит: если воображаемый буравчик расположить таким образом, что он будет ввинчиваться вдоль прямолинейного проводника под током, то траектория вращения рукояти буравчика совпадает с направлением магнитных линий.

Еще одной неотъемлемой характеристикой магнитного поля является однородность (неоднородность) распределения магнитных линий и самого поля. Эти составляющие, создаваемые одним и тем же током и при прочих равных условиях, обладают неоднозначной интенсивностью и направленностью в том или ином пространстве. Такая неоднородность зависит от движущихся магнитных свойств внутри вещества, где поле распространяется.

Магнитная специфика окружающего пространства характеризуются стабильной проницаемостью магнита. Ее принято измерять в генри на метр (г/м).

Таким образом, в числе свойств поля следует перечислить и такой показатель, как абсолютная магнитная проницаемость пустоты. Это – магнитная постоянная.

Под магнитной проницаемостью подразумевают определенное значение, показывающее, насколько часто показатель абсолютной магнитной проницаемости данного пространства или среды отличается от показателя постоянной, относительной проницаемости магнита.

Магнитным полем оказывается прямое воздействие на такие параметры, как:

• Изменяющиеся электрические заряды;
• Вещества, которые определяют показатели проницаемости магнитного поля;
• Постоянные магниты – подразумевающие наличие общего магнитного момента у всех заряженных частиц.

Внутри магнитного поля линии возникают, например, во время приближения постоянного или непостоянного магнита к рассыпанным на картонном листе железным опилкам. Этот опыт является классическим и позволяет наглядно продемонстрировать возникновение линий магнитной индукции внутри поля.

Магнитное поле витка с током

Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.

Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4).

Рис. 4. Поле витка с током

Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила

Правило часовой стрелки

.Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки .

Правило винта

.Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока .

Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.

Сила Ампера

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Закон Ампера: на проводник c током силой ​\( I \)​ длиной ​\( l \)​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​\( \vec{B} \)​, действует сила, модуль которой равен:

где ​\( \alpha \)​ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ​\( \vec{B} \)​.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​\( B_\perp \)​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​\( N \)​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

• сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
• отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
• используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
• указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
• записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
• записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Что обозначают буквы и цифры в классах неодимовых магнитов?

Зачастую, мы, как производители и продавцы, хотим услышать технические характеристики магнита, а именно буквы и цифры, в которых они (технические характеристики) зашифрованы. А покупатель зачастую досконально знает свою область применения магнитов, но номенклатуру, тем более международную, не знает. Итак, начинаем разбираться с международной номенклатурой магнитов, а именно классами, техническими характеристиками и обозначениями.

В первую очередь, неодимовые магниты делят на классы, которые обозначаются буквами и числами (например, N35), в которых и заложена основная информация о магните. Ниже приведена стандартная номенклатурная таблица характеристик неодимовых магнитов (смотрите в левый столбик – там указаны классы).

В таблице все численные величины мы представили в двух единицах измерения. Первая, без скобочек, – это величина измерения в системе СИ (эта та система, в которой работает наша страна), а вторая (указана в скобках), – это измерения в международной системе СГСЕ (европейские стандарты). Для Вашего удобства мы решили указать в таблице обе единицы измерения.

Таблица характеристик неодимовых магнитов

Начинаем изучать таблицу справа налево. Как Вы можете увидеть по правому столбику таблицы, основное классовое отличие магнитов – это их рабочая температура использования, то есть та допустимая максимальная температура, превышая которую магнит начинает терять свои магнитные свойства. Таким образом, на температурный диапазон использования магнита указывает буквенная часть его маркировки (левый столбец). Дадим расшифровку этих букв:

• Магниты марки N (Normal)– могут применяться при нормальных температурах, то есть до 80 градусов Цельсия;
• Магниты марки M (Medium) – могут применяться при повышенных температурах, то есть до 100 градусов Цельсия;
• Магниты марки H (High) – могут применяться при высоких температурах, до 120 градусов Цельсия;
• Магниты марки SH (Super High) – могут применяться при температурах до 150 градусов Цельсия;
• Магниты марки UH (Ultra High) – могут применяться при температурах до 180 градусов Цельсия;
• Магниты марки EH (Extra High) – могут применяться при температурах до 200 градусов Цельсия.

Стоит оговориться, что отрицательные температуры не оказывают влияния на магнитные свойства для большинства магнитов.

Цифры, указанные в обозначении класса магнитов: N30, 33M, 35H, 38SH, 40UH и т.д., указывают на Магнитную Энергию (четвертый столбец таблицы), измеряется в килоДжоуль на кубический метр. Этот критерий магнитов отвечает за их мощность или, так называемое, «усилие на отрыв», то есть сила, которую необходимо приложить к магниту, чтобы его «оторвать» от поверхности. Необходимо понимать, что поверхность (стальной лист) должен быть идеально ровным, а приложенная сила должна быть перпендикулярной к листу. Это, так называемые, идеальные или теоритические условия. Совершенно понятно, что чем выше цифровое обозначение магнита, тем выше его усилие на отрыв.

Сила на отрыв магнита

Но, кроме того, «сила на отрыв» зависит не только от физических характеристик магнита, но и от его размера и веса. Например, магнит 25*20 мм легче оторвать от стального листа, чем магнит 40*5 мм, так как площадь соприкосновения у второго магнита больше (25 мм против 40мм). Но линии магнитного поля, если их визуализировать, распространяются у первого магнита (25*20 мм) «дальше», значит, и «цепляется» за стальной лист он лучше.

Остаточная магнитная индукция, миллиТесла (КилоГаусс)

Коэрцитивная сила, КилоАмпер/метр (КилоЭрстед)

Магнитная энергия, килоДжоуль/м3 (МегаГаусс-Эрстед)

Источник

Источники магнитного поля

Источники магнитного поля существуют в природе. Их создают специально для решения разных практических задач. В следующем перечне приведены популярные изделия, компоненты которых функционируют на основе соответствующих принципов. Что является источником магнитного поля, можно выяснить после разборки:

• электродвигателя;
• реле;
• запорного устройства.

Магнетит и другие материалы

Особые свойства этого минерала известны со времен Древней Греции. Структура магнетита составлена из кристаллических групп ионов кислорода и железа (двух,- и трехвалентного). Типовые параметры:

• пористость – 2,2-9,6%;
• низкая электропроводность – 240-260 Ом-1см-1, уменьшающаяся в несколько раз при снижении (увеличении) температуры.

Аналогичными свойствами обладают ишкулит, титангомагнетит , мушкетовит.

Изменения магнитных свойств материалов

Во время усиления постоянства силы тока до полноценного насыщения в катушке с ферромагнитными элементами и последующим исчезновением силы, кривые намагничивания не могут совпадать с линиями размагничивания. Индукция, обладающая в данном случае нулевыми показателями напряженности, не имеет значения, но получает некий параметр, который физики назвали – остаточная магнитная индукция.

Явление ослабевания индукции внутри магнитного поля от намагничивающей интенсивности принято называть гистерезисом.

Чтобы полностью размагнитить проводник, внутри элементов сердечников требуется наличие тока с обратным направлением. В этом случае и возникнет элемент напряженности.

В случае с разными ферромагнитными частицами имеют значение отрезки с разной длиной. То значение, при котором наблюдается окончательное размагничивание того или иного материала, называется коэрцитивная сила.

Если продолжать увеличивать интенсивность действия тока внутри катушки, то и магнитная индукция будет увеличиваться – вплоть до уровня своего насыщения. Но – с совершенно иными направлениями линий магнитной индукции.

Во время полного размагничивания в противоположном направлении можно получить явление остаточной индукции, которое и используется для разработки постоянных магнитов из веществ, обладающих высокими коэффициентами так называемого остаточного магнетизма.

С помощью веществ, имеющих свойство перемагничивания, учеными создаются сердечники для электроприборов, машин и механизмов.

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Математически его можно описать формулой:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​R​:

Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью ​v​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​B​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

ЭДС индукции для движущегося проводника

B — магнитная индукция

v — скорость проводника [м/с]

l — длина проводника

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

• вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
• вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

• в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
• в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Что такое электрическое поле?

В физике под этим понятием принято понимать векторное поле, которое формируется вокруг частиц или тел, обладающих определенным зарядом. Электрическое поле считается одной из двух неотъемлемых составляющих электромагнитного поля.

Чтобы лучше разобраться в природе этого явления, нужно вспомнить, что такое кулоновская сила. Закон Кулона служит для определения степени взаимодействия между каждым из пары точечных электрических зарядов. При этом он учитывает сведения об интервале между ними.

Чтобы разобраться в напряженности явления, стоит обратиться к такому примеру:

1. Есть 2 тела, которые обладают зарядом. При этом одно из них является неподвижным, а второе – перемещается вокруг первого.
2. Кулоновская сила в этом случае равняется произведению заряда и напряженности.
3. Напряженность будет включать параметр центрального заряда и квадрат расстояния от центра до второго тела.

Инверсия магнитного поля

Есть загадочный факт: магнитные полюса могут менять положение в течение нескольких тысяч лет, и это происходит в настоящее время. Фактически, это, как известно, происходило 171 раз раньше, за последние 17 миллионов лет.

Доказательства обнаружены в скалах, выходящих из разлома в центре Атлантического океана. Когда он выходит наружу, скала охлаждается и затвердевает, задавая на мгновение направление намагниченности Земли, которое сохраняется.

Но пока нет ни удовлетворительного объяснения того, почему это происходит, ни источника энергии, необходимого для инвертирования поля.

Как обсуждалось ранее, магнитный север в настоящее время быстро движется в сторону Сибири, а юг также движется, хотя и медленнее.

Некоторые эксперты считают, что это происходит из-за высокоскоростного потока жидкого железа чуть ниже Канады, который ослабляет поле. Это также может быть началом перемагничивания. Последнее, что произошло, произошло 700 000 лет назад.

Возможно, динамо-машина, порождающая земной магнетизм, отключается на время либо самопроизвольно, либо из-за какого-либо внешнего вмешательства, такого как, например, приближение кометы, хотя свидетельств последнего нет.

Когда динамо перезапускается, магнитные полюса поменялись местами. Но также может случиться так, что инверсия не полная, а временное изменение оси диполя, которая наконец вернется в исходное положение.

Что такое однородное и неоднородное магнитное поле

Однородное магнитное поле — это магнитное поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.

В однородном магнитном поле заряженная частица, движущаяся со скоростью \( \overrightarrow v\) перпендикулярно линиям индукции, подвергается воздействию силы \(\overrightarrow{F_л}\), постоянной по модулю и направленной перпендикулярно вектору скорости \(\overrightarrow v\). В таком поле магнитная индукция B во всех точках одинакова по модулю и направлению.

Благодаря силе Лоренца в однородном поле частицы движутся равномерно по окружности с центростремительным ускорением.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

Сила Лоренца \(\overrightarrow{F_л}\) — электромагнитная сила со стороны магнитного поля, действующая на движущийся заряд q:

\(F=qE+q\left\)

Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что частица равномерно движется по окружности с радиусом r.

Радиус r окружности определяется как частное произведения массы m со скоростью v и произведения электрического заряда q с индукцией B.

Радиус траектории движения частицы с постоянной массой и ее скорость не влияют на период ее обращения в однородном поле.

В однородном магнитном поле максимальный вращающий момент \(M_{max}\) при воздействии замкнутых проводников, изготовленных из очень тонкой проволоки разных размеров и форм, с током приобретает свойства:

1. Он пропорционален силе тока в контуре I.
2. Пропорционален площади контура.
3. Для контуров с одинаковой площадью не зависит от их формы.

Таким образом, максимальный вращающий момент становится пропорциональным магнитному моменту \(P_{m}\) контура с током:

\(P_m=I\ast S.\)

Величина магнитного момента \(P_{m}\) характеризует действие магнитного поля на плоский контур с током.

В данном случае значение вращающего момента \(M_{max}\), действующего на контур с магнитным моментом \(P_{m}\), принимают равным единице.

Следовательно, формула для определения индукции B в однородном магнитном поле приобретает вид:

\(B=\frac{M_{max}}{P_m}.\)

Примеры однородных магнитных полей:

1. Магнитное поле внутри соленоида. Соленоид — длинная цилиндрическая катушка, состоящая из нескольких витков плотно намотанной по винтовой лестнице проволоки. Каждый виток создает свое магнитное поле, которое складывается с другими в общее поле. Оно является однородным при условии, что длина катушки значительно превосходит ее диаметр. Тогда внутри соленоида линии поля будут параллельными его оси и прямыми.
2. Магнитное поле внутри тороидальной катушки. Здесь линии замыкаются внутри самой катушки. Представлены в виде окружностей, параллельных оси тора. Токи в обмотке тороидальной катушки текут равномерно по часовой стрелке.

Неоднородное магнитное поле — это магнитное поле, в котором сила, действующая на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.

В неоднородном магнитном поле магнитная индукция в разных местах имеет различные модули и направления. Для вычисления значения вектора \(\overrightarrow B\) в неоднородном поле необходимо определить вращающий момент, действующий на него. Для этого в некую точку помещают контур размеров, меньших в сравнении с расстояниями, на которых поле заметно меняется.

Примеры неоднородных магнитных полей:

1. Снаружи соленоида. Линии на концах катушки соленоида не являются параллельными друг другу и тянутся от одного конца к другому. А снаружи вблизи боковой поверхности катушки поле практически отсутствует.
2. Снаружи полосового магнита. Магнитное поле полосового магнита подобно полю вокруг соленоида. Магнитные линии тянутся от одного конца магнита к другому по направлению от северного полюса к южному. Имеется нейтральная зона.

Отличия однородного и неоднородного магнитных полей

1. Однородное поле находится внутри проводника или магнита, неоднородное — снаружи.
2. В однородном поле сила, действующая в разных точках, одинакова. В неоднородном — различна.
3. Линии однородного магнитного поля являются одинаковыми по густоте и параллельными друг другу. В неоднородном поле линии отличаются по густоте и искривлены.
4. Линии магнитной индукции однородного поля находятся на равном расстоянии друг от друга.

Акустические поля

Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:

1) низкочастотные колебания (частоты ниже 103 Гц);

2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) — излучение из уха человека (v ~103 Гц);

3) ультразвуковое излучение (v ~ 1-10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу.

Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 — 103 Гц.

Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы разуй раздела «воздух-тело человека» и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, — это ухо.

Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс — передача из уха в окружающую среду — и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение — полный аналог соответствующего электромагнитного излучения.

Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела.

Магнитный поток

Прежде, чем разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, нужно определить такую сущность, как магнитный поток.

Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем сильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.

Магнитным потоком через площадь ​S​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​B​, площади поверхности ​S​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​α​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Магнитный поток Ф — магнитный поток B — магнитная индукция S — площадь пронизываемой поверхности n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности)

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это зависит от величины косинуса угла.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура, магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность

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

История исследований

Свойства магнита были известны еще в Древнем Китае. Уже в ту эпоху люди знали, что намагниченные предметы всегда занимают определенное положение: именно так появился компас и возможность его использования в морских рейдах. Однако способность притягивать стрелку приписывали расположенной вблизи Северного полюса Полярной звезде.

Первым подверг сомнению эту версию пересекавший Атлантический океан Колумб. Он заметил, что на полпути из Европы в Америку стрелка компаса на 12 градусов отклонилась в западном направлении.

Следующим шагом в поиске истины стало открытие магнитного отклонения — угла, на который стрелка отклоняется в вертикальной плоскости под воздействием магнитного поля планеты. Выяснилось, что в различных точках Земли образуются разные углы отклонения. При этом графика изменений показала наличие сложных закономерностей.

Характеристики магнитного поля

Основные характеристики:

• магнитная индукция
• магнитный поток
• магнитная проницаемость

Магнитная индукция (B)

Это интенсивность магнитного поля. Чем сильнее магнит или электромагнит создаёт магнитное поле, тем больше индукция.

Формула: B = Ф / S.cos ()

Где:

• B — магнитная индукция (в Тл — Тесла)
• Ф — магнитный поток (в Вб — вебер)
• S — площадь поверхности (в м²)
• cos — угол (образованный угол между линиями B с вектором n, перпендикулярен плоскости S)

Магнитный поток (Ф)

Магнитная индукция (B) проходит через определённую поверхность (с площадью S), и индукция внутри неё будет значиться как магнитный поток (Ф). Формула: Ф = BS.

Это общее число магнитных силовых линий, которые пронизывают определённую ограниченную поверхность.

Магнитная проницаемость

Ещё магнитная индукция зависит и от среды, где создано магнитное поле. Эту величину характеризует магнитная проницаемость. Среда с большей магнитной проницаемостью создаст магнитное поле с большей индукцией.