آنچه برای نشان دادن میدان مغناطیسی استفاده می شود. تصاویر میدان های مغناطیسی

ما نمی توانیم میدان مغناطیسی را ببینیم، اما برای درک بهتر پدیده های مغناطیسی، مهم است که یاد بگیریم چگونه آن را به تصویر بکشیم. سوزن های مغناطیسی به این امر کمک می کنند. هر فلش یک آهنربای دائمی کوچک است که به راحتی در یک صفحه افقی می چرخد ​​(شکل 2.1). از این پاراگراف خواهید آموخت که میدان مغناطیسی چگونه به صورت گرافیکی به تصویر کشیده می شود و چه کمیت فیزیکی آن را مشخص می کند.

برنج. 2.2. در یک میدان مغناطیسی، فلش های مغناطیسی به روش خاصی جهت گیری می شوند: قطب شمال فلش جهت بردار القای میدان مغناطیسی را در یک نقطه مشخص نشان می دهد.

ما ویژگی های قدرت میدان مغناطیسی را مطالعه می کنیم

اگر یک ذره باردار در یک میدان مغناطیسی حرکت کند، آنگاه میدان با مقداری نیرو روی ذره اثر می گذارد. بزرگی این نیرو به بار ذره، جهت و سرعت حرکت آن و همچنین به شدت میدان بستگی دارد.

مشخصه قدرت میدان مغناطیسی، القای مغناطیسی است.

القای مغناطیسی (القای میدان مغناطیسی) یک کمیت فیزیکی برداری است که عملکرد نیروی میدان مغناطیسی را مشخص می کند.

القای مغناطیسی با نماد B مشخص می شود.

واحد SI القای مغناطیسی تسلا است. به نام نیکولا تسلا فیزیکدان صرب (1856-1943):

جهت بردار القای مغناطیسی در یک نقطه معین از میدان مغناطیسی، جهت نشان داده شده توسط قطب شمال سوزن مغناطیسی نصب شده در این نقطه در نظر گرفته می شود (شکل 2.2).

توجه کن! جهت نیرویی که میدان مغناطیسی بر روی ذرات باردار متحرک یا بر روی یک هادی حامل جریان یا بر روی یک سوزن مغناطیسی وارد می کند، با جهت بردار القای مغناطیسی منطبق نیست.

خطوط مغناطیسی:

برنج. 2.3. خطوط میدان مغناطیسی یک آهنربای نواری

در خارج از آهنربا، آنها از قطب شمال آهنربا خارج شده و وارد قطب جنوب می شوند.

همیشه بسته است (میدان مغناطیسی یک میدان گردابی است).

آنها به شدت در قطب های آهنربا قرار دارند.

هرگز متقاطع نشوید

نشان دهنده میدان مغناطیسی

در شکل 2.2 می بینیم که چگونه سوزن های مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی جهت گیری می شوند: به نظر می رسد محورهای آنها خطوطی را تشکیل می دهند و بردار القای مغناطیسی در هر نقطه در امتداد مماس به خطی که از این نقطه می گذرد هدایت می شود.

میدان های مغناطیسی به صورت گرافیکی با استفاده از خطوط مغناطیسی به تصویر کشیده می شوند:

1) جهت بردار القای مغناطیسی در یک نقطه معین به عنوان جهت خط القاء مغناطیسی در نظر گرفته می شود.

برنج. 2.4. زنجیره‌ای از براده‌های آهن، الگوی خطوط القای مغناطیسی میدان مغناطیسی آهن‌ربای نعل اسبی را بازتولید می‌کنند.

2) هرچه ماژول القای مغناطیسی بزرگتر باشد، خطوط مغناطیسی به یکدیگر نزدیکتر می شوند.

پس از بررسی نمایش گرافیکی میدان مغناطیسی یک آهنربای نواری، می‌توان نتیجه‌گیری کرد (شکل 2.3 را ببینید).

توجه داشته باشید که این نتایج برای خطوط مغناطیسی هر آهنربایی معتبر است.

خطوط مغناطیسی داخل آهنربای نواری چه جهتی دارند؟

الگوی خطوط مغناطیسی را می توان با استفاده از براده های آهن بازتولید کرد.

بیایید یک آهنربای نعل اسبی برداریم، یک صفحه پلکسی گلاس روی آن قرار دهیم و از طریق یک صافی براده های آهن را روی بشقاب بریزیم. در یک میدان مغناطیسی، هر قطعه آهن مغناطیسی شده و به یک "سوزن مغناطیسی" کوچک تبدیل می شود. "فلش"های بداهه در امتداد خطوط مغناطیسی میدان مغناطیسی آهنربا جهت گیری شده اند (شکل 2.4).

از خطوط میدان مغناطیسی یک آهنربای نعل اسبی نقاشی بکشید.

بیایید در مورد میدان مغناطیسی یکنواخت یاد بگیریم

میدان مغناطیسی در قسمت معینی از فضا را یکنواخت می نامند اگر در هر نقطه بردارهای القای مغناطیسی هم از نظر قدر و هم از جهت یکسان باشند (شکل 2.5).

در مناطقی که میدان مغناطیسی یکنواخت است، خطوط القای مغناطیسی موازی هستند و در یک فاصله از یکدیگر قرار دارند (شکل 2.5، 2.6). خطوط مغناطیسی یک میدان مغناطیسی یکنواخت که به سمت ما هدایت می شوند معمولاً به صورت نقطه نشان داده می شوند (شکل 2.7، الف) - گویی "سرهای پیکان" را می بینیم که به سمت ما پرواز می کنند. اگر خطوط مغناطیسی از ما دور شوند، آنها با صلیب به تصویر کشیده می شوند - گویی "پرهای فلش" را می بینیم که از ما دور می شوند (شکل 2.7، ب).

در بیشتر موارد، ما با یک میدان مغناطیسی غیر یکنواخت سر و کار داریم - میدانی که در نقاط مختلف آن بردارهای القای مغناطیسی مقادیر و جهت های متفاوتی دارند. خطوط مغناطیسی چنین میدانی منحنی هستند و چگالی آنها متفاوت است.

برنج. 2.6. میدان مغناطیسی داخل آهنربای نواری (الف) و بین دو آهنربای روبه‌رو با قطب‌های مخالف (ب) را می‌توان یکنواخت در نظر گرفت.

مطالعه میدان مغناطیسی زمین

ویلیام گیلبرت برای مطالعه مغناطیس زمینی آهنربای دائمی به شکل توپ (مدل زمین) ساخت. او با قرار دادن یک قطب نما روی توپ، متوجه شد که سوزن قطب نما مانند روی سطح زمین رفتار می کند.

آزمایشات به دانشمند این امکان را داد که بگوید زمین یک آهنربای بزرگ است و قطب مغناطیسی جنوبی آن در شمال سیاره ما قرار دارد. تحقیقات بیشتر فرضیه W. Gilbert را تایید کرد.

در شکل شکل 2.8 تصویری از خطوط القای مغناطیسی میدان مغناطیسی زمین را نشان می دهد.

برنج 2.7. تصویر خطوط القای مغناطیسی یک میدان مغناطیسی یکنواخت، که عمود بر صفحه نقشه هستند و به سمت ما هدایت می شوند (a). هدایت شده از ما (ب)

تصور کنید که به سمت قطب شمال می روید و دقیقاً در جهتی حرکت می کنید که سوزن قطب نما به آن اشاره می کند. آیا به مقصد خود خواهید رسید؟

خطوط القای مغناطیسی میدان مغناطیسی زمین با سطح آن موازی نیستند. اگر سوزن مغناطیسی را در یک گیمبال ثابت کنید، به طوری که بتواند آزادانه هم در اطراف افقی و هم در اطراف بچرخد.

برنج. 2.8. طرح خطوط مغناطیسی میدان مغناطیسی سیاره زمین

و در اطراف محورهای عمودی، فلش در زاویه ای نسبت به سطح زمین قرار می گیرد (شکل 2.9).

نحوه قرارگیری سوزن مغناطیسی در دستگاه در شکل. 2.9 نزدیک قطب مغناطیسی شمال زمین؟ نزدیک قطب مغناطیسی جنوبی زمین؟

میدان مغناطیسی زمین مدت‌هاست که به مسافران، ملوانان، پرسنل نظامی و سایرین کمک می‌کند تا در مسیر حرکت کنند. ثابت شده است که ماهی ها، پستانداران دریایی و پرندگان در طول مهاجرت خود بر اساس میدان مغناطیسی زمین جهت گیری می کنند. برخی از حیوانات، مانند گربه‌ها، هنگام جستجوی راه خانه نیز حرکت می‌کنند.

با طوفان های مغناطیسی آشنا شوید

مطالعات نشان داده است که در هر منطقه ای، میدان مغناطیسی زمین به طور متناوب، هر روز تغییر می کند. علاوه بر این، تغییرات سالانه کوچکی در میدان مغناطیسی زمین مشاهده می شود. با این حال، تغییرات ناگهانی نیز وجود دارد. اختلالات شدید در میدان مغناطیسی زمین که کل سیاره را در بر می گیرد و از یک تا چند روز طول می کشد، طوفان های مغناطیسی نامیده می شوند. افراد سالم عملا آنها را احساس نمی کنند، اما برای کسانی که بیماری های قلبی عروقی و بیماری های سیستم عصبی دارند، طوفان های مغناطیسی باعث بدتر شدن رفاه آنها می شود.

میدان مغناطیسی زمین نوعی "سپر" است که از سیاره ما در برابر ذرات باردار پرواز شده از فضا، عمدتاً از خورشید ("باد خورشیدی") محافظت می کند. در نزدیکی قطب های مغناطیسی، جریان های ذرات کاملاً نزدیک به جو زمین پرواز می کنند. با افزایش فعالیت خورشیدی، ذرات کیهانی وارد لایه های بالایی جو می شوند و مولکول های گاز را یونیزه می کنند - شفق های قطبی در زمین مشاهده می شوند (شکل 2.10).

بیایید آن را جمع بندی کنیم

القای مغناطیسی B یک کمیت فیزیکی برداری است که عملکرد نیروی میدان مغناطیسی را مشخص می کند. جهت بردار القای مغناطیسی منطبق بر جهتی است که قطب شمال سوزن مغناطیسی به آن سمت می رود. واحد SI القای مغناطیسی تسلا (T) است.

خطوط جهت دار مشروط که در هر نقطه آن مماس منطبق بر خطی است که بردار القای مغناطیسی در امتداد آن هدایت می شود، خطوط القای مغناطیسی یا خطوط مغناطیسی نامیده می شوند.

خطوط القای مغناطیسی همیشه بسته هستند، در خارج از آهنربا از قطب شمال آهنربا خارج شده و وارد قطب جنوب می شوند و در مناطقی از میدان مغناطیسی که مدول القای مغناطیسی بیشتر است متراکم تر هستند.

سیاره زمین دارای میدان مغناطیسی است. در نزدیکی قطب جغرافیایی شمال زمین، قطب مغناطیسی جنوبی آن و در نزدیکی قطب جغرافیایی جنوبی آن، قطب مغناطیسی شمالی آن قرار دارد.

سوالات امنیتی

1. القای مغناطیسی را تعریف کنید. 2. جهت بردار القای مغناطیسی چیست؟ 3. واحد SI القای مغناطیسی چیست؟ به نام کیست؟ 4. تعریف خطوط القای مغناطیسی را بیان کنید. 5. چه جهتی به عنوان جهت خطوط مغناطیسی پذیرفته شده است؟ 6. چه چیزی چگالی خطوط مغناطیسی را تعیین می کند؟ 7. چه میدان مغناطیسی یکنواخت نامیده می شود؟ 8. ثابت کنید که زمین میدان مغناطیسی دارد. 9. قطب های مغناطیسی زمین نسبت به قطب های جغرافیایی چگونه قرار دارند؟ 10. طوفان های مغناطیسی چیست؟ چگونه روی یک فرد تأثیر می گذارند؟

تمرین شماره 2

1. در شکل. شکل 1 خطوط القای مغناطیسی را در بخش خاصی از میدان مغناطیسی نشان می دهد. برای هر مورد a-c، تعیین کنید: 1) چه نوع میدانی است - همگن یا ناهمگن. 2) جهت بردار القای مغناطیسی در نقاط A و B میدان. 3) در کدام نقطه - A یا B - القای میدان مغناطیسی بیشتر است.

2. چرا یک کوره پنجره فولادی ممکن است به مرور زمان مغناطیسی شود؟

3. در شکل. شکل 2 خطوط میدان مغناطیسی را نشان می دهد که توسط دو آهنربای دائمی یکسان در مقابل یکدیگر با قطب های مشابه ایجاد شده است.

1) آیا میدان مغناطیسی در نقطه A وجود دارد؟

2) جهت بردار القای مغناطیسی در نقطه B چیست؟ در نقطه C؟

3) القای میدان مغناطیسی در کدام نقطه - A، B یا C - بیشترین است؟

4) جهت بردارهای القای مغناطیسی داخل آهن ربا چیست؟

4. پیش از این، در طول سفرهای اعزامی به قطب شمال، مشکلاتی در تعیین جهت حرکت به وجود آمد، زیرا قطب نماهای معمولی در نزدیکی قطب تقریباً کار نمی کردند. به نظر شما چرا؟

5. از منابع اطلاعاتی اضافی استفاده کنید و دریابید که میدان مغناطیسی چه اهمیتی برای حیات در سیاره ما دارد. اگر میدان مغناطیسی زمین به طور ناگهانی ناپدید شود چه اتفاقی می افتد؟

6. مناطقی از سطح زمین وجود دارد که القای مغناطیسی میدان مغناطیسی زمین بسیار بیشتر از مناطق همسایه است. از منابع اطلاعاتی اضافی استفاده کنید و در مورد ناهنجاری های مغناطیسی بیشتر بدانید.

7. توضیح دهید که چرا هر جسم بدون بار همیشه به جسمی که دارای بار الکتریکی است جذب می شود.

این مطالب کتاب درسی است

همانطور که یک بار الکتریکی ساکن از طریق یک میدان الکتریکی روی بار دیگری اثر می گذارد، یک جریان الکتریکی نیز بر روی جریان دیگری از طریق یک میدان الکتریکی اثر می گذارد میدان مغناطیسی. تأثیر میدان مغناطیسی بر آهنرباهای دائمی به تأثیر آن بر بارهایی که در اتم های یک ماده حرکت می کنند و جریان های دایره ای میکروسکوپی ایجاد می کنند کاهش می یابد.

دکترین از الکترومغناطیسبر اساس دو حکم:

• میدان مغناطیسی بر بارها و جریان های متحرک تأثیر می گذارد.
• یک میدان مغناطیسی در اطراف جریان ها و بارهای متحرک ایجاد می شود.

برهم کنش آهنربایی

آهنربای دائمی(یا سوزن مغناطیسی) در امتداد نصف النهار مغناطیسی زمین جهت گیری شده است. انتهایی که به سمت شمال می رود نامیده می شود قطب شمال(N)، و انتهای مخالف آن است قطب جنوب(S). با نزدیک‌تر کردن دو آهن‌ربا به یکدیگر، متوجه می‌شویم که قطب‌های مشابه آنها دفع می‌شوند و قطب‌های غیرمشابه آنها جذب می‌شوند. برنج 1 ).

اگر قطب ها را با برش آهنربای دائمی به دو قسمت جدا کنیم، متوجه می شویم که هر یک از آنها نیز دارای خواهند بود دو قطب، یعنی آهنربای دائمی خواهد بود ( برنج 2 ). هر دو قطب - شمال و جنوب - از یکدیگر تفکیک ناپذیرند و از حقوق مساوی برخوردارند.

میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط زمین یا آهنرباهای دائمی، مانند یک میدان الکتریکی، با خطوط مغناطیسی نیرو نشان داده می شود. تصویری از خطوط میدان مغناطیسی یک آهنربا را می توان با قرار دادن یک ورق کاغذ روی آن به دست آورد که براده های آهن را در یک لایه یکنواخت بر روی آن می پاشند. هنگامی که در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرد، خاک اره مغناطیسی می شود - هر یک از آنها دارای قطب شمال و جنوب هستند. قطب های مخالف تمایل دارند به یکدیگر نزدیک شوند، اما با اصطکاک خاک اره روی کاغذ از این امر جلوگیری می شود. اگر با انگشت خود به کاغذ ضربه بزنید، اصطکاک کاهش می یابد و براده ها به یکدیگر جذب می شوند و زنجیره هایی را تشکیل می دهند که خطوط میدان مغناطیسی را نشان می دهند.

روشن برنج 3 محل خاک اره و فلش های مغناطیسی کوچک را در میدان آهنربای مستقیم نشان می دهد که جهت خطوط میدان مغناطیسی را نشان می دهد. این جهت به عنوان جهت قطب شمال سوزن مغناطیسی در نظر گرفته می شود.

تجربه ارستد میدان مغناطیسی جریان

در آغاز قرن نوزدهم. دانشمند دانمارکی Ørstedوقتی کشف کرد کشف مهمی کرد اثر جریان الکتریکی روی آهنرباهای دائمی . او یک سیم بلند را نزدیک یک سوزن مغناطیسی قرار داد. هنگامی که جریان از سیم عبور می کرد، فلش می چرخید و سعی می کرد خود را عمود بر آن قرار دهد ( برنج 4 ). این را می توان با ظهور یک میدان مغناطیسی در اطراف هادی توضیح داد.

خطوط میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط یک هادی مستقیم که جریان را حمل می کند، دایره های متحدالمرکزی هستند که در صفحه ای عمود بر آن قرار گرفته اند، با مراکزی در نقطه ای که جریان از آن عبور می کند. برنج 5 ). جهت خطوط با قانون پیچ راست تعیین می شود:

اگر پیچ در جهت خطوط میدان بچرخد، در جهت جریان در هادی حرکت می کند. .

مشخصه قدرت میدان مغناطیسی است بردار القای مغناطیسی B . در هر نقطه به صورت مماس به خط میدان هدایت می شود. خطوط میدان الکتریکی با بارهای مثبت شروع و به بارهای منفی ختم می شوند و نیروی وارد بر بار در این میدان به صورت مماس بر خط در هر نقطه هدایت می شود. برخلاف میدان الکتریکی، خطوط میدان مغناطیسی بسته هستند که به دلیل عدم وجود "بارهای مغناطیسی" در طبیعت است.

میدان مغناطیسی یک جریان اساساً با میدانی که توسط یک آهنربای دائمی ایجاد می شود تفاوتی ندارد. از این نظر، یک آنالوگ آهنربای تخت یک سلونوئید طولانی است - یک سیم پیچ سیم، که طول آن به طور قابل توجهی بیشتر از قطر آن است. نمودار خطوط میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط او، نشان داده شده در برنج 6 ، شبیه آهنربای تخت است ( برنج 3 ). دایره ها نشان دهنده مقاطع سیمی است که سیم پیچ برقی را تشکیل می دهد. جریان هایی که در سیم به دور از ناظر می گذرند با ضربدرها و جریان های در جهت مخالف - به سمت ناظر - با نقطه نشان داده می شوند. همین عناوین برای خطوط میدان مغناطیسی زمانی که عمود بر صفحه نقشه هستند نیز پذیرفته می شود. برنج 7 الف، ب).

جهت جریان در سیم پیچ شیر برقی و جهت خطوط میدان مغناطیسی داخل آن نیز با قاعده پیچ سمت راست مرتبط است که در این مورد به صورت زیر فرموله می شود:

اگر در امتداد محور شیر برقی نگاه کنید، جریانی که در جهت عقربه های ساعت می گذرد، میدان مغناطیسی در آن ایجاد می کند که جهت آن با جهت حرکت پیچ سمت راست منطبق است. برنج 8 )

بر اساس این قانون، به راحتی می توان فهمید که شیر برقی نشان داده شده در برنج 6 ، قطب شمال انتهای راست و قطب جنوب سمت چپ آن است.

میدان مغناطیسی داخل سلونوئید یکنواخت است - بردار القای مغناطیسی در آنجا مقدار ثابتی دارد (B = const). از این نظر، شیر برقی شبیه خازن صفحه موازی است که در آن یک میدان الکتریکی یکنواخت ایجاد می شود.

نیرویی که در میدان مغناطیسی بر روی یک هادی حامل جریان وارد می شود

به طور تجربی ثابت شد که نیرویی بر رسانایی که جریان را در میدان مغناطیسی حمل می کند، وارد می شود. در یک میدان یکنواخت، یک رسانای مستقیم به طول l، که از طریق آن یک جریان I جریان دارد، که عمود بر بردار میدان B قرار دارد، نیرو را تجربه می کند: F = I l B .

جهت نیرو تعیین می شود قانون دست چپ:

اگر چهار انگشت دراز شده دست چپ در جهت جریان در هادی قرار گیرند و کف دست بر بردار B عمود باشد، آنگاه شست کشیده شده جهت نیروی وارد بر هادی را نشان خواهد داد. (برنج 9 ).

لازم به ذکر است که نیروی وارد بر هادی با جریان در میدان مغناطیسی به صورت مماس بر خطوط نیروی آن مانند نیروی الکتریکی نیست، بلکه عمود بر آنها است. رسانایی که در امتداد خطوط نیرو قرار دارد تحت تأثیر نیروی مغناطیسی قرار نمی گیرد.

معادله F = IlBبه شما امکان می دهد یک ویژگی کمی از القای میدان مغناطیسی ارائه دهید.

نگرش به خواص هادی بستگی ندارد و خود میدان مغناطیسی را مشخص می کند.

بزرگی بردار القای مغناطیسی B از نظر عددی برابر است با نیروی وارد بر رسانایی با طول واحد که عمود بر آن قرار دارد و جریانی به اندازه یک آمپر از آن عبور می کند.

در سیستم SI، واحد القای میدان مغناطیسی تسلا (T) است:

میدان مغناطیسی. جداول، نمودارها، فرمول ها

(برهم کنش آهنرباها، آزمایش ارستد، بردار القای مغناطیسی، جهت برداری، اصل برهم نهی. نمایش گرافیکی میدان های مغناطیسی، خطوط القای مغناطیسی. شار مغناطیسی، مشخصه انرژی میدان، نیروهای مغناطیسی، نیروی آمپر، نیروی لورنتس. حرکت ذرات باردار در یک میدان مغناطیسی خواص مغناطیسی ماده، فرضیه آمپر)

سرفصل های کد آزمون دولتی واحد: برهمکنش آهنرباها، میدان مغناطیسی یک هادی با جریان.

خواص مغناطیسی ماده از دیرباز برای مردم شناخته شده است. آهنرباها نام خود را از شهر باستانی مگنزیا گرفته اند: در مجاورت آن یک ماده معدنی گسترده (که بعدها سنگ آهن مغناطیسی یا مگنتیت نامیده شد) وجود داشت که قطعات آن اجسام آهنی را جذب می کرد.

برهم کنش آهنربایی

در دو طرف هر آهنربا وجود دارد قطب شمالو قطب جنوب. دو آهنربا توسط قطب های مخالف به یکدیگر جذب شده و توسط قطب های مشابه دفع می شوند. آهنرباها حتی از طریق خلاء هم می توانند روی یکدیگر اثر بگذارند! با این حال، همه اینها شبیه تعامل بارهای الکتریکی است برهمکنش آهنرباها الکتریکی نیست. این با حقایق تجربی زیر اثبات می شود.

با گرم شدن آهنربا، نیروی مغناطیسی ضعیف می شود. قدرت برهمکنش بارهای نقطه ای به دمای آنها بستگی ندارد.

اگر آهنربا تکان بخورد، نیروی مغناطیسی ضعیف می شود. چنین چیزی در مورد اجسام دارای بار الکتریکی اتفاق نمی افتد.

بارهای الکتریکی مثبت را می توان از بارهای منفی جدا کرد (مثلاً هنگام برق انداختن اجسام). اما جدا کردن قطب های آهنربا غیرممکن است: اگر آهنربا را به دو قسمت تقسیم کنید، قطب ها نیز در محل برش ظاهر می شوند و آهنربا به دو آهنربا با قطب های مخالف در انتها تقسیم می شود (دقیقاً به همان شکل جهت گیری می شود. به عنوان قطب های آهنربای اصلی).

بنابراین آهنربا همیشهدوقطبی، آنها فقط به شکل وجود دارند دوقطبی ها. قطب های مغناطیسی ایزوله (نامیده می شود تک قطبی های مغناطیسی- آنالوگ های بار الکتریکی) در طبیعت وجود ندارند (در هر صورت، آنها هنوز به طور تجربی کشف نشده اند). این شاید چشمگیرترین عدم تقارن بین الکتریسیته و مغناطیس باشد.

مانند اجسام دارای بار الکتریکی، آهنرباها بر روی بارهای الکتریکی عمل می کنند. با این حال، آهنربا فقط روی آن عمل می کند در حال حرکتشارژ؛ اگر بار نسبت به آهنربا در حالت سکون باشد، اثر نیروی مغناطیسی روی بار مشاهده نمی شود. برعکس، یک جسم برق دار بدون توجه به اینکه در حال سکون باشد یا در حال حرکت، بر روی هر باری عمل می کند.

بر اساس مفاهیم مدرن تئوری برد کوتاه، برهمکنش آهنرباها از طریق انجام می شود میدان مغناطیسییعنی یک آهنربا میدان مغناطیسی را در فضای اطراف ایجاد می کند که روی آهنربای دیگری اثر می کند و باعث جاذبه یا دافعه قابل مشاهده این آهنرباها می شود.

نمونه ای از آهنربا است سوزن مغناطیسیقطب نما با استفاده از یک سوزن مغناطیسی، می توانید وجود یک میدان مغناطیسی در یک منطقه معین از فضا و همچنین جهت میدان را قضاوت کنید.

سیاره ما زمین یک آهنربای غول پیکر است. نه چندان دور از قطب جغرافیایی شمال زمین، قطب مغناطیسی جنوب قرار دارد. بنابراین، انتهای شمالی سوزن قطب نما که به سمت قطب مغناطیسی جنوبی زمین می چرخد، به شمال جغرافیایی اشاره می کند. نام "قطب شمال" آهنربا از اینجا آمده است.

خطوط میدان مغناطیسی

به یاد می آوریم که میدان الکتریکی با استفاده از بارهای آزمایشی کوچک مورد مطالعه قرار می گیرد که بر اساس آن می توان بزرگی و جهت میدان را قضاوت کرد. آنالوگ بار آزمایشی در مورد میدان مغناطیسی یک سوزن مغناطیسی کوچک است.

به عنوان مثال، می توانید با قرار دادن سوزن های قطب نما بسیار کوچک در نقاط مختلف فضا، بینش هندسی در مورد میدان مغناطیسی به دست آورید. تجربه نشان می دهد که فلش ها در امتداد خطوط خاصی قرار می گیرند - به اصطلاح خطوط میدان مغناطیسی. اجازه دهید این مفهوم را در قالب سه نکته زیر تعریف کنیم.

1. خطوط میدان مغناطیسی یا خطوط مغناطیسی نیرو، خطوط جهت دار در فضا هستند که دارای ویژگی زیر هستند: یک سوزن قطب نما کوچک که در هر نقطه از چنین خطی قرار می گیرد، مماس بر این خط است..

2. جهت خط میدان مغناطیسی جهت انتهای شمالی سوزن های قطب نما در نقاطی از این خط در نظر گرفته می شود..

3. هرچه خطوط متراکم تر باشند، میدان مغناطیسی در یک منطقه معین از فضا قوی تر است..

براده های آهن می توانند با موفقیت به عنوان سوزن های قطب نما عمل کنند: در یک میدان مغناطیسی، براده های کوچک مغناطیسی می شوند و دقیقاً مانند سوزن های مغناطیسی رفتار می کنند.

بنابراین، با ریختن براده های آهن به دور آهنربای دائمی، تقریباً تصویر زیر را از خطوط میدان مغناطیسی خواهیم دید (شکل 1).

برنج. 1. میدان مغناطیسی دائمی

قطب شمال آهنربا با رنگ آبی و حرف مشخص می شود. قطب جنوب - به رنگ قرمز و حرف . لطفاً توجه داشته باشید که خطوط میدان از قطب شمال آهنربا خارج شده و وارد قطب جنوب می شوند: از این گذشته، انتهای شمالی سوزن قطب نما به سمت قطب جنوب آهنربا هدایت می شود.

تجربه ارستد

علیرغم اینکه پدیده های الکتریکی و مغناطیسی از زمان های قدیم برای مردم شناخته شده بود، برای مدت طولانی هیچ رابطه ای بین آنها مشاهده نشد. برای چندین قرن، تحقیقات در مورد الکتریسیته و مغناطیس به طور موازی و مستقل از یکدیگر انجام می شد.

این واقعیت قابل توجه که پدیده های الکتریکی و مغناطیسی در واقع به یکدیگر مرتبط هستند برای اولین بار در سال 1820 - در آزمایش معروف Oersted - کشف شد.

نمودار آزمایش ارستد در شکل 1 نشان داده شده است. 2 (تصویر از سایت rt.mipt.ru). بالای سوزن مغناطیسی (و قطب شمال و جنوب سوزن هستند) یک هادی فلزی متصل به منبع جریان وجود دارد. اگر مدار را ببندید، فلش عمود بر هادی می چرخد!
این آزمایش ساده مستقیماً رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس را نشان داد. آزمایش‌هایی که از آزمایش اورستد پیروی کردند، الگوی زیر را به‌طور محکم ایجاد کردند: میدان مغناطیسی توسط جریان های الکتریکی ایجاد می شود و بر روی جریان ها تأثیر می گذارد.

برنج. 2. آزمایش ارستد

الگوی خطوط میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک هادی حامل جریان به شکل هادی بستگی دارد.

میدان مغناطیسی یک سیم مستقیم حامل جریان

خطوط میدان مغناطیسی یک سیم مستقیم حامل جریان، دایره های متحدالمرکز هستند. مرکز این دایره ها روی سیم قرار دارند و صفحات آنها عمود بر سیم هستند (شکل 3).

برنج. 3. میدان سیم مستقیم با جریان

دو قانون جایگزین برای تعیین جهت خطوط میدان مغناطیسی رو به جلو وجود دارد.

قانون عقربه های ساعت. خطوط میدان در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌روند، اگر نگاه کنید تا جریان به سمت ما جاری شود.

قانون پیچ(یا قانون گیملت، یا قانون بستن چوب پنبه- این چیزی نزدیکتر به کسی است ;-)). خطوط میدان به جایی می روند که باید پیچ ​​را بچرخانید (با یک رزوه معمولی سمت راست) به طوری که در امتداد رزوه در جهت جریان حرکت کند..

از قانونی استفاده کنید که بیشتر برای شما مناسب است. بهتر است به قانون عقربه های ساعت عادت کنید - بعداً خودتان خواهید دید که استفاده از آن جهانی تر و آسان تر است (و سپس در سال اول خود، زمانی که هندسه تحلیلی مطالعه می کنید، آن را با سپاسگزاری به خاطر بسپارید).

در شکل 3 چیز جدیدی ظاهر شده است: این یک بردار است به نام القای میدان مغناطیسی، یا القای مغناطیسی. بردار القای مغناطیسی مشابه بردار قدرت میدان الکتریکی است: این بردار عمل می کند مشخصه قدرتمیدان مغناطیسی، تعیین نیرویی که میدان مغناطیسی بر روی بارهای متحرک اثر می کند.

ما بعداً در مورد نیروهای میدان مغناطیسی صحبت خواهیم کرد، اما در حال حاضر فقط توجه می کنیم که مقدار و جهت میدان مغناطیسی توسط بردار القای مغناطیسی تعیین می شود. در هر نقطه از فضا، بردار در همان جهت هدایت می شود که انتهای شمالی سوزن قطب نما در یک نقطه معین قرار گرفته است، یعنی مماس بر خط میدان در جهت این خط. القای مغناطیسی در اندازه گیری می شود تسلا(TL).

همانطور که در مورد میدان الکتریکی، برای القای میدان مغناطیسی موارد زیر اعمال می شود: اصل برهم نهی. در این واقعیت نهفته است که القای میدان های مغناطیسی ایجاد شده در یک نقطه معین توسط جریان های مختلف به صورت برداری جمع می شوند و بردار حاصل از القای مغناطیسی را به دست می دهند:.

میدان مغناطیسی یک سیم پیچ با جریان

یک سیم پیچ دایره ای را در نظر بگیرید که جریان مستقیم از آن عبور می کند. منبعی که جریان را ایجاد می کند را در شکل نشان نمی دهیم.

تصویر خطوط میدان مدار ما تقریباً به صورت زیر خواهد بود (شکل 4).

برنج. 4. میدان یک سیم پیچ با جریان

برای ما مهم است که بتوانیم تعیین کنیم که میدان مغناطیسی به کدام نیمه فضا (نسبت به صفحه سیم پیچ) هدایت می شود. باز هم دو قانون جایگزین داریم.

قانون عقربه های ساعت. خطوط میدان به آنجا می روند و از جایی که به نظر می رسد جریان در خلاف جهت عقربه های ساعت در گردش است نگاه می کنند.

قانون پیچ. خطوط میدان به جایی می روند که پیچ (با یک رزوه معمولی سمت راست) در صورت چرخش در جهت جریان حرکت می کند..

همانطور که می بینید، جریان و میدان نقش تغییر می کنند - در مقایسه با فرمول بندی این قوانین برای مورد جریان مستقیم.

میدان مغناطیسی یک سیم پیچ جریان

کویلاگر سیم را محکم بپیچید و بچرخانید و به یک مارپیچ به اندازه کافی بلند بپیچید، کار خواهد کرد (شکل 5 - تصویر از en.wikipedia.org). سیم پیچ ممکن است چندین ده، صدها یا حتی هزاران چرخش داشته باشد. سیم پیچ نیز نامیده می شود شیر برقی.

برنج. 5. کویل (سلونوئید)

همانطور که می دانیم میدان مغناطیسی یک چرخش خیلی ساده به نظر نمی رسد. زمینه ها؟ چرخش های فردی سیم پیچ بر روی یکدیگر قرار می گیرند و به نظر می رسد که نتیجه باید یک تصویر بسیار گیج کننده باشد. با این حال، این چنین نیست: میدان یک سیم پیچ بلند ساختاری غیر منتظره ساده دارد (شکل 6).

برنج. 6. میدان سیم پیچ فعلی

در این شکل، جریان در سیم پیچ هنگام مشاهده از سمت چپ در خلاف جهت عقربه های ساعت جریان می یابد (این اتفاق می افتد اگر در شکل 5، انتهای سمت راست سیم پیچ به "پلاس" منبع جریان و انتهای سمت چپ به "" وصل شود. منهای»). می بینیم که میدان مغناطیسی سیم پیچ دو ویژگی مشخص دارد.

1. در داخل سیم پیچ، دور از لبه های آن، میدان مغناطیسی است همگن: در هر نقطه بردار القای مغناطیسی از نظر قدر و جهت یکسان است. خطوط میدانی خطوط مستقیم موازی هستند. وقتی بیرون می آیند فقط در نزدیکی لبه های سیم پیچ خم می شوند.

2. خارج از سیم پیچ میدان نزدیک به صفر است. هر چه تعداد دور سیم پیچ بیشتر باشد، میدان خارج از آن ضعیف تر است.

توجه داشته باشید که یک سیم پیچ بی نهایت طول به هیچ وجه میدان را به بیرون آزاد نمی کند: هیچ میدان مغناطیسی خارج از سیم پیچ وجود ندارد. در داخل چنین سیم پیچی، میدان همه جا یکنواخت است.

شما را به یاد چیزی نمی اندازد؟ سیم پیچ آنالوگ "مغناطیسی" یک خازن است. به یاد دارید که یک خازن یک میدان الکتریکی یکنواخت در داخل خود ایجاد می کند که خطوط آن فقط در نزدیکی لبه های صفحات خم می شوند و در خارج از خازن میدان نزدیک به صفر است. خازن با صفحات بی نهایت به هیچ وجه میدان را به بیرون آزاد نمی کند و میدان در همه جای آن یکنواخت است.

و اکنون - مشاهده اصلی. لطفاً تصویر خطوط میدان مغناطیسی خارج از سیم پیچ (شکل 6) را با خطوط میدان مغناطیسی در شکل مقایسه کنید. 1. این همان چیزی است، اینطور نیست؟ و اکنون به سؤالی می رسیم که احتمالاً مدتهاست در ذهن شما ایجاد شده است: اگر میدان مغناطیسی توسط جریان ها ایجاد می شود و بر روی جریان ها تأثیر می گذارد، پس دلیل ظاهر شدن یک میدان مغناطیسی در نزدیکی آهنربای دائمی چیست؟ به هر حال، این آهنربا به نظر نمی رسد که یک هادی با جریان باشد!

فرضیه آمپر جریان های ابتدایی

در ابتدا تصور می شد که برهمکنش آهنرباها با بارهای مغناطیسی خاصی که در قطب ها متمرکز شده اند توضیح داده می شود. اما، برخلاف الکتریسیته، هیچ کس نمی تواند بار مغناطیسی را جدا کند. از این گذشته ، همانطور که قبلاً گفتیم ، نمی توان قطب شمال و جنوب آهنربا را به طور جداگانه بدست آورد - قطب ها همیشه در یک آهنربا به صورت جفت وجود دارند.

شک در مورد بارهای مغناطیسی با آزمایش ارستد تشدید شد، زمانی که معلوم شد که میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی ایجاد می شود. علاوه بر این، مشخص شد که برای هر آهنربایی می توان رسانایی با جریانی با پیکربندی مناسب انتخاب کرد، به طوری که میدان این هادی با میدان آهنربا منطبق باشد.

آمپر یک فرضیه جسورانه را مطرح کرد. هیچ بار مغناطیسی وجود ندارد. عمل یک آهنربا با جریان های الکتریکی بسته در داخل آن توضیح داده می شود.

این جریانات چیست؟ اینها جریان های ابتداییگردش در داخل اتم ها و مولکول ها؛ آنها با حرکت الکترون ها در امتداد مدارهای اتمی مرتبط هستند. میدان مغناطیسی هر جسمی از میدان های مغناطیسی این جریان های ابتدایی تشکیل شده است.

جریان های اولیه را می توان به طور تصادفی نسبت به یکدیگر قرار داد. سپس میدان های آنها متقابلاً لغو می شود و بدن خواص مغناطیسی از خود نشان نمی دهد.

اما اگر جریان های ابتدایی به صورت هماهنگ چیده شوند، میدان های آنها با جمع شدن، یکدیگر را تقویت می کنند. بدن به یک آهنربا تبدیل می شود (شکل 7؛ میدان مغناطیسی به سمت ما هدایت می شود؛ قطب شمال آهنربا نیز به سمت ما هدایت می شود).

برنج. 7. جریان آهنربای اولیه

فرضیه آمپر در مورد جریان های ابتدایی، خواص آهنرباها را روشن کرد. تفکیک ناپذیری قطب های آهنربا آشکار شده است: در نقطه ای که آهنربا بریده می شود، همان جریان های ابتدایی را در انتها دریافت می کنیم. توانایی یک جسم برای مغناطیسی شدن در یک میدان مغناطیسی با تراز هماهنگ جریان های ابتدایی که به درستی "چرخش" هستند توضیح داده می شود (در مورد چرخش یک جریان دایره ای در یک میدان مغناطیسی در صفحه بعدی بخوانید).

فرضیه آمپر درست بود - این با پیشرفت بیشتر فیزیک نشان داده شد. ایده های مربوط به جریان های ابتدایی به بخشی جدایی ناپذیر از نظریه اتم تبدیل شد که در قرن بیستم توسعه یافت - تقریباً صد سال پس از حدس درخشان آمپر.

اجازه دهید یک سری خطوط پیوسته در میدان مغناطیسی رسم کنیم تا این خطوط در همه جا با جهت شدت میدان (با جهت القای مغناطیسی) منطبق باشند. تصویر حاصل می تواند به عنوان تصویری از میدان مغناطیسی باشد.

اگر یک سوزن قطب نما کوچک و آزادانه را در امتداد یک خط میدان مغناطیسی حرکت دهید، محور آن همیشه با بخش مجاور خط منطبق خواهد بود. در یکی از خطوط در شکل. شکل 2.13 سوزن های قطب نما را در چهار موقعیت نشان می دهد.

برنج. 2.13. میدان مغناطیسی یک آهنربای میله ای

برنج. 2.14. میدان مغناطیسی یک هادی مستقیم حامل جریان. مقایسه با شکل 2.10

در شکل 2.13، 2.14 میدان های مغناطیسی یک آهنربای دائمی و یک هادی مستقیم با جریان با استفاده از خطوط به تصویر کشیده شده است. فلش های روی خطوط جهت میدان مغناطیسی را نشان می دهد (جهتی که انتهای شمالی سوزن قطب نما نشان می دهد).

برای اینکه بتوانند قدرت میدان را از روی نقاشی قضاوت کنند، آنها موافقت کردند که خطوط را به هم نزدیکتر کنند، هر چه میدان قوی تر باشد.

از شکل 2.13 نشان می دهد که قوی ترین میدان مستقیماً نزدیک قطب های آهنربا است. از شکل 2.14 واضح است که میدان فعلی در نزدیکی سیم قوی ترین است و با دور شدن از آن میدان ضعیف می شود.

در § 2.1 گفته شد که اجسام کوچک آهنی تحت تأثیر آهنربا به آهنربا تبدیل می شوند (شکل 2.1، a).

بنابراین، واضح است که اگر یک آهنربای دائمی روی تخته قرار دهید و تخته را با براده های آهن بپاشید، همانطور که سوزن های قطب نما کوچک قرار می گیرند، قرار می گیرند. تصاویری که از خاک اره به دست می آیند، نمایشی بصری از میدان را ارائه می دهند.

در شکل شکل 2.15 میدان مغناطیسی سیم پیچ را نشان می دهد. اگر یک سیم را به شکل مارپیچ بپیچانید و آن را مانند یک سیم پیچ بپیچانید، آنگاه میدان‌های به‌طور مساوی چرخش‌های منفرد به یکدیگر اضافه می‌شوند و میدان داخل سیم‌پیچ را تقویت می‌کنند.

جهت خط مغناطیسی با محور سیم پیچ منطبق است و میدان در آنجا به بیشترین مقدار خود می رسد. میدان داخل سیم پیچ تقریباً یکنواخت است، یعنی قدرت میدان در نقاط مختلف تقریباً یکسان می ماند. فواصل بین خطوط مغناطیسی مجاور که بیشترین چگالی را در داخل سیم پیچ دارند نیز یکسان خواهد بود.

برنج. 2.15. الگوی میدان مغناطیسی سیم پیچ

"تعیین میدان مغناطیسی" - با استفاده از داده های به دست آمده در طول آزمایش، جدول را پر کنید. جی. ورن. وقتی آهنربا را به یک سوزن مغناطیسی می آوریم، می چرخد. نمایش گرافیکی میدان های مغناطیسی هانس کریستین اورستد. میدان الکتریکی. آهنربا دو قطب دارد: شمال و جنوب. مرحله تعمیم و نظام مند شدن دانش.

"میدان مغناطیسی و نمایش گرافیکی آن" - میدان مغناطیسی ناهمگن. سیم پیچ های فعلی خطوط مغناطیسی فرضیه آمپر داخل یک آهنربای نواری. قطب های مغناطیسی مخالف. چراغ های قطبی میدان مغناطیسی آهنربای دائمی میدان مغناطیسی. میدان مغناطیسی زمین. قطب های مغناطیسی بیومترولوژی. دایره های متحدالمرکز میدان مغناطیسی یکنواخت

"انرژی میدان مغناطیسی" یک کمیت اسکالر است. محاسبه اندوکتانس میدان های مغناطیسی ثابت زمان استراحت. تعریف اندوکتانس انرژی سیم پیچ. جریان های اضافی در یک مدار با اندوکتانس. فرآیندهای گذرا چگالی انرژی. الکترودینامیک. مدار نوسانی. میدان مغناطیسی پالسی خود القایی. چگالی انرژی میدان مغناطیسی

"ویژگی های میدان مغناطیسی" - خطوط القای مغناطیسی. قانون گیملت در امتداد خطوط نیرو بچرخید. مدل کامپیوتری میدان مغناطیسی زمین. ثابت مغناطیسی القای مغناطیسی تعداد حامل های شارژ سه روش برای تنظیم بردار القای مغناطیسی. میدان مغناطیسی جریان الکتریکی فیزیکدان ویلیام گیلبرت.

"خواص میدان مغناطیسی" - نوع ماده. القای مغناطیسی میدان مغناطیسی القای مغناطیسی آهنربای دائمی برخی از مقادیر القای مغناطیسی سوزن مغناطیسی. بلندگو. ماژول بردار القاء مغناطیسی. خطوط القای مغناطیسی همیشه بسته هستند. تعامل جریان ها. گشتاور. خواص مغناطیسی ماده

"حرکت ذرات در میدان مغناطیسی" - طیف نگار. تجلی نیروی لورنتس. نیروی لورنتس سیکلوترون. تعیین بزرگی نیروی لورنتس. سوالات تستی جهت های نیروی لورنتس. ماده بین ستاره ای وظیفه آزمایش. تغییر پارامترها میدان مغناطیسی. طیف نگار جرمی حرکت ذرات در میدان مغناطیسی لوله اشعه کاتدی.

در مجموع 20 ارائه وجود دارد