Em breve as pessoas verão linhas de campo magnético. Noções básicas de campo magnético

Cada pessoa em mundo moderno cercado por muitas ondas e elementos invisíveis: campos magnéticos, ultravioleta e raios X, sinais de estações comunicações móveis. Porém, essas “entidades” são invisíveis, embora influenciem o corpo humano, e só podem ser reconhecidas com a ajuda de dispositivos especiais.

No entanto, os cientistas japoneses deram um passo à frente para tornar visíveis as ondas invisíveis ao olho humano. Os pesquisadores conduziram um experimento usando ratos experimentais e ensinaram esses animais a reconhecer campos magnéticos usando uma bússola digital conectada ao cérebro. Os ratos liam as informações por meio de eletrodos, e a bússola enviava impulsos quando a cabeça do animal era virada em uma direção ou outra. Durante o experimento, os animais não puderam utilizar seus órgãos de visão, que estavam fortemente cobertos com tecido.

Os cientistas ficaram muito surpresos quando perceberam que os roedores aprenderam a reconhecer uma fonte de informação completamente nova. O período de “treinamento” acabou sendo bastante curto - apenas dois ou três dias. Os ratos começaram a navegar com bastante sucesso no espaço e a navegar em labirintos em busca de comida, e fizeram isso de forma não menos eficaz do que os animais comuns que podiam navegar usando seus próprios olhos.

Os pesquisadores acreditam que, ao usar essa tecnologia, ensinar uma pessoa a “ver” campos magnéticos, luz ultravioleta ou raios X seria uma aquisição muito útil para ela.

M campo magnético- componente eletro campo magnético, através do qual ocorre a interação entre partículas eletricamente carregadas em movimento.

Um campo magnético faz com que uma força seja exercida sobre cargas elétricas em movimento. Cargas elétricas fixas não interagem com um campo magnético, mas partículas elementares com spin diferente de zero, que possuem seu próprio momento magnético, são fonte de um campo magnético e o campo magnético causa uma força sobre elas, mesmo que estejam em repouso .
Um campo magnético é formado, por exemplo, no espaço ao redor de um condutor através do qual a corrente flui ou em torno de ímã permanente.

Geração de campo magnético

Ao contrário das cargas elétricas, não existem cargas magnéticas que criem um campo magnético de maneira semelhante. Teoricamente, tais cargas, chamadas monopolos magnéticos, poderiam existir. Neste caso, os campos elétrico e magnético seriam completamente simétricos.

Assim, a menor unidade que pode produzir um campo magnético é um dipolo magnético. Um dipolo magnético é diferente porque sempre tem dois pólos onde as linhas de campo começam e terminam. Os dipolos magnéticos microscópicos estão associados aos spins das partículas elementares. Tanto as partículas elementares carregadas, como os elétrons, quanto as neutras, como os nêutrons, possuem um dipolo magnético. Partículas elementares com spin diferente de zero podem ser consideradas pequenos ímãs. Normalmente, partículas com valores de spin opostos se emparelham, o que leva à compensação dos campos magnéticos que criam, mas em alguns casos é possível que os spins de muitas partículas se alinhem na mesma direção, o que leva à formação de ímãs permanentes. .

Um campo magnético - também é criado pelo movimento de cargas elétricas, ou seja, corrente elétrica.

A criação de um campo por uma carga elétrica depende do sistema de referência. Em relação a um observador movendo-se na mesma velocidade que a carga, a carga está imóvel, e tal observador registrará o que Tilke criou campo elétrico. Outro observador, movendo-se a uma velocidade diferente, registrará os campos elétrico e magnético. Assim, os campos elétricos e magnéticos estão interligados e são componentes campo eletromagnético geral.

Ao vazar corrente elétrica através do condutor, ele permanece eletricamente neutro, mas os portadores de carga nele se movem, de modo que apenas um campo magnético surge ao redor do condutor. A magnitude deste campo é determinada pela lei de Biot-Savart, e a direção pode ser determinada usando a regra de Ampere ou a regra da mão direita. Tal campo é vórtice, ou seja, suas linhas de força estão fechadas.

Um campo magnético também é criado por um campo elétrico alternado. De acordo com a lei da indução eletromagnética, um campo magnético alternado gera um campo elétrico alternado, que também é um vórtice. A criação mútua de campos elétricos e magnéticos pela alternância de campos magnéticos e elétricos leva à possibilidade de propagação de ondas eletromagnéticas no espaço.

Efeito do campo magnético

O efeito de um campo magnético nas cargas em movimento é determinado pela força de Lorentz.
A força que atua sobre um condutor que transporta corrente em um campo magnético é chamada de força Ampere. As forças de interação entre os condutores e a corrente são determinadas pela lei de Ampère.
Substâncias neutras sem eletricidade podem ser atraídas para um campo magnético (paramagnético) ou empurradas para fora dele (diamagnético). A expulsão de materiais diamagnéticos de um campo magnético pode ser usada para levitação.
Os ferroímãs são magnetizados em um campo magnético e retêm um momento magnético quando o campo aplicado é removido.

Unidades

A indução magnética B é medida em carpinteiro no sistema SI e em Gauss no sistema CGS. A intensidade do campo magnético H é medida em A/m no sistema CI e em Oersted no sistema CGS.

Medição

O campo magnético é medido por magnetômetros. Os magnetômetros mecânicos determinam a intensidade do campo pela deflexão da bobina condutora de corrente. Campos magnéticos fracos são medidos por magnetômetros baseados no efeito Josephson - SQUID. O campo magnético pode ser medido com base no efeito de ressonância magnética nuclear, no efeito Hall e em outros métodos.

Criação

Os campos magnéticos são amplamente utilizados em tecnologia e para fins científicos. Para criá-lo, são utilizados ímãs permanentes e eletroímãs. Um campo magnético uniforme pode ser obtido usando bobinas de Helmholtz. Eletroímãs supercondutores são usados ​​para criar os poderosos campos magnéticos necessários para operar aceleradores ou para conter plasma em instalações de fusão nuclear.

Assim como uma carga elétrica estacionária atua sobre outra carga através de um campo elétrico, uma corrente elétrica atua sobre outra corrente através de campo magnético. O efeito de um campo magnético sobre ímãs permanentes é reduzido ao seu efeito sobre cargas que se movem nos átomos de uma substância e criam correntes circulares microscópicas.

A doutrina de eletromagnetismo com base em duas disposições:

• o campo magnético atua sobre cargas e correntes móveis;
• um campo magnético surge em torno de correntes e cargas móveis.

Interação magnética

Ímã permanente(ou agulha magnética) está orientada ao longo do meridiano magnético da Terra. A extremidade que aponta para o norte é chamada Polo Norte(N), e a extremidade oposta é pólo Sul (S). Aproximando dois ímãs um do outro, notamos que seus pólos semelhantes se repelem e seus pólos diferentes se atraem ( arroz. 1 ).

Se separarmos os pólos cortando um ímã permanente em duas partes, descobriremos que cada um deles também terá dois pólos, ou seja, será um ímã permanente ( arroz. 2 ). Ambos os pólos - norte e sul - são inseparáveis ​​​​e têm direitos iguais.

O campo magnético criado pela Terra ou pelos ímãs permanentes é representado, como um campo elétrico, por linhas de força magnéticas. Uma imagem das linhas do campo magnético de um ímã pode ser obtida colocando-se sobre ele uma folha de papel, sobre a qual são espalhadas limalhas de ferro em uma camada uniforme. Quando exposta a um campo magnético, a serragem fica magnetizada - cada uma delas tem pólos norte e sul. Os pólos opostos tendem a se aproximar, mas isso é impedido pelo atrito da serragem no papel. Se você bater no papel com o dedo, o atrito diminuirá e as limalhas serão atraídas umas pelas outras, formando correntes que representam linhas de campo magnético.

Sobre arroz. 3 mostra a localização da serragem e pequenas setas magnéticas no campo de um ímã direto, indicando a direção das linhas do campo magnético. Esta direção é considerada a direção do pólo norte da agulha magnética.

A experiência de Oersted. Campo magnético de corrente

EM início do século XIX V. Cientista dinamarquês Ørsted fez uma descoberta importante quando descobriu ação da corrente elétrica em ímãs permanentes . Ele colocou um longo fio perto de uma agulha magnética. Ao passar corrente pelo fio, a flecha girou, tentando se posicionar perpendicularmente a ele ( arroz. 4 ). Isto poderia ser explicado pelo surgimento de um campo magnético ao redor do condutor.

As linhas de campo magnético criadas por um condutor reto que transporta corrente são círculos concêntricos localizados em um plano perpendicular a ele, com centros no ponto por onde a corrente passa ( arroz. 5 ). A direção das linhas é determinada pela regra do parafuso correto:

Se o parafuso for girado na direção das linhas de campo, ele se moverá na direção da corrente no condutor .

A característica de força do campo magnético é vetor de indução magnética B . Em cada ponto ele é direcionado tangencialmente à linha de campo. As linhas do campo elétrico começam nas cargas positivas e terminam nas negativas, e a força que atua sobre a carga nesse campo é direcionada tangencialmente à linha em cada ponto. Ao contrário do campo elétrico, as linhas do campo magnético são fechadas, o que se deve à ausência de “cargas magnéticas” na natureza.

O campo magnético de uma corrente não é fundamentalmente diferente do campo criado por um ímã permanente. Nesse sentido, um análogo de um ímã plano é um solenóide longo - uma bobina de fio cujo comprimento é significativamente maior que seu diâmetro. O diagrama das linhas do campo magnético criado por ele, mostrado em arroz. 6 , é semelhante ao de um ímã plano ( arroz. 3 ). Os círculos indicam as seções transversais do fio que forma o enrolamento do solenóide. As correntes que fluem através do fio longe do observador são indicadas por cruzes, e as correntes na direção oposta - em direção ao observador - são indicadas por pontos. As mesmas notações são aceitas para linhas de campo magnético quando são perpendiculares ao plano do desenho ( arroz. 7 a,b).

A direção da corrente no enrolamento do solenóide e a direção das linhas do campo magnético em seu interior também estão relacionadas pela regra do parafuso direito, que neste caso é formulada da seguinte forma:

Se você olhar ao longo do eixo do solenóide, a corrente que flui no sentido horário cria nele um campo magnético, cuja direção coincide com a direção do movimento do parafuso direito ( arroz. 8 )

Com base nesta regra, é fácil entender que o solenóide mostrado na arroz. 6 , o pólo norte é a sua extremidade direita e o pólo sul é a sua extremidade esquerda.

O campo magnético dentro do solenóide é uniforme - o vetor de indução magnética tem um valor constante (B = const). Neste aspecto, o solenóide é semelhante a um capacitor de placas paralelas, dentro do qual é criado um campo elétrico uniforme.

Força atuando em um campo magnético em um condutor condutor de corrente

Foi estabelecido experimentalmente que uma força atua sobre um condutor que transporta corrente em um campo magnético. Em um campo uniforme, um condutor reto de comprimento l, por onde flui uma corrente I, localizada perpendicularmente ao vetor campo B, experimenta a força: F = eu eu B .

A direção da força é determinada regra da mão esquerda:

Se os quatro dedos estendidos da mão esquerda forem colocados na direção da corrente no condutor, e a palma for perpendicular ao vetor B, então o estendido dedão indica a direção da força que atua no condutor (arroz. 9 ).

Deve-se notar que a força que atua sobre um condutor com corrente em um campo magnético não é direcionada tangencialmente às suas linhas de força, como uma força elétrica, mas perpendicular a elas. Um condutor localizado ao longo das linhas de força não é afetado pela força magnética.

A equação F = IlB permite fornecer uma característica quantitativa da indução do campo magnético.

Atitude não depende das propriedades do condutor e caracteriza o próprio campo magnético.

A magnitude do vetor de indução magnética B é numericamente igual à força que atua sobre um condutor de comprimento unitário localizado perpendicularmente a ele, através do qual flui uma corrente de um ampere.

No sistema SI, a unidade de indução do campo magnético é o tesla (T):

Um campo magnético. Tabelas, diagramas, fórmulas

(Interação de ímãs, experimento de Oersted, vetor de indução magnética, direção vetorial, princípio de superposição. Representação gráfica de campos magnéticos, linhas de indução magnética. Fluxo magnético, energia característica do campo. Forças magnéticas, força Ampere, força de Lorentz. Movimento de partículas carregadas em um campo magnético. Propriedades magnéticas da matéria, hipótese de Ampere)

Os campos magnéticos ocorrem na natureza e podem ser criados artificialmente. O homem percebeu suas características úteis, que aprendeu a usar em Vida cotidiana. Qual é a fonte do campo magnético?

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Campo magnético da Terra

Como a doutrina do campo magnético se desenvolveu

As propriedades magnéticas de algumas substâncias foram observadas na antiguidade, mas seu estudo realmente começou em Europa medieval. Usando pequenas agulhas de aço, um cientista francês, Peregrine, descobriu a intersecção de linhas de força magnética em certos pontos - os pólos. Apenas três séculos depois, guiado por esta descoberta, Gilbert continuou a estudá-la e posteriormente defendeu a sua hipótese de que a Terra tem o seu próprio campo magnético.

O rápido desenvolvimento da teoria do magnetismo começou no início do século XIX, quando Ampere descobriu e descreveu a influência do campo elétrico no surgimento de um campo magnético, e a descoberta da indução eletromagnética por Faraday estabeleceu uma relação inversa.

O que é um campo magnético

Um campo magnético se manifesta como um efeito de força sobre cargas elétricas que estão em movimento ou sobre corpos que possuem um momento magnético.

Fontes de campo magnético:

1. Condutores por onde passa a corrente elétrica;
2. Imãs permanentes;
3. Mudança de campo elétrico.

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Fontes de campo magnético

A causa raiz do aparecimento de um campo magnético é idêntica para todas as fontes: microcargas elétricas - elétrons, íons ou prótons - têm seu próprio momento magnético ou estão em movimento direcional.

Importante! Os campos elétricos e magnéticos geram-se mutuamente, mudando ao longo do tempo. Esta relação é determinada pelas equações de Maxwell.

Características do campo magnético

As características do campo magnético são:

1. Fluxo magnético, uma quantidade escalar que determina quantas linhas de campo magnético passam por uma determinada seção transversal. Denotado pela letra F. Calculado usando a fórmula:

F = B x S x cos α,

onde B é o vetor de indução magnética, S é a seção, α é o ângulo de inclinação do vetor em relação à perpendicular traçada ao plano da seção. Unidade de medida – weber (Wb);

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Fluxo magnético

1. O vetor de indução magnética (B) mostra a força que atua nos portadores de carga. Ele é direcionado para o pólo norte, para onde aponta uma agulha magnética regular. A indução magnética é medida quantitativamente em Tesla (T);
2. Tensão MF (N). Determinado pela permeabilidade magnética de vários meios. No vácuo, a permeabilidade é considerada uma unidade. A direção do vetor de tensão coincide com a direção da indução magnética. Unidade de medida – A/m.

Como representar um campo magnético

É fácil ver as manifestações de um campo magnético usando o exemplo de um ímã permanente. Possui dois pólos e dependendo da orientação os dois ímãs se atraem ou se repelem. O campo magnético caracteriza os processos que ocorrem durante este:

1. O MP é matematicamente descrito como um campo vetorial. Pode ser construído por meio de vários vetores de indução magnética B, cada um deles direcionado para o pólo norte da agulha da bússola e com comprimento dependendo da força magnética;
2. Uma forma alternativa de representar isso é usar linhas de campo. Essas linhas nunca se cruzam, não começam nem param em lugar nenhum, formando circuitos fechados. As linhas MF são combinadas em áreas com localização mais frequente, onde o campo magnético é mais forte.

Importante! A densidade das linhas de campo indica a força do campo magnético.

Embora o MP não possa ser visto na realidade, as linhas de campo podem ser facilmente visualizadas no mundo real colocando limalha de ferro no MP. Cada partícula se comporta como um minúsculo ímã com pólo norte e pólo sul. O resultado é um padrão semelhante a linhas de força. Uma pessoa não é capaz de sentir o impacto do MP.

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Linhas de campo magnético

Medição de campo magnético

Por se tratar de uma grandeza vetorial, existem dois parâmetros para medir MF: força e direção. A direção pode ser facilmente medida usando uma bússola conectada ao campo. Um exemplo é uma bússola colocada no campo magnético da Terra.

Medir outras características é muito mais difícil. Os magnetômetros práticos só apareceram no século XIX. A maioria deles funciona usando a força que o elétron sente ao se mover ao longo do MP.

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Magnetômetro

A medição muito precisa de pequenos campos magnéticos tornou-se praticamente viável desde a descoberta, em 1988, da magnetorresistência gigante em materiais em camadas. Esta descoberta na física fundamental foi rapidamente aplicada à tecnologia de disco rígido magnético para armazenamento de dados em computadores, levando a um aumento mil vezes maior na capacidade de armazenamento em apenas alguns anos.

Em sistemas de medição geralmente aceitos, o MP é medido em testes (T) ou Gauss (G). 1 T = 10.000 Gs. Gauss é frequentemente usado porque Tesla é um campo muito grande.

Interessante. Um pequeno ímã em uma geladeira cria um campo magnético igual a 0,001 Tesla, e o campo magnético da Terra é em média 0,00005 Tesla.

A natureza do campo magnético

O magnetismo e os campos magnéticos são manifestações da força eletromagnética. Existem dois maneiras possíveis, como organizar a carga energética em movimento e, consequentemente, o campo magnético.

A primeira é conectar o fio a uma fonte de corrente, um MF é formado em torno dele.

Importante!À medida que a corrente (o número de cargas em movimento) aumenta, o MP aumenta proporcionalmente. À medida que você se afasta do fio, o campo diminui dependendo da distância. Isso é descrito pela lei de Ampere.

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Lei de Ampère

Alguns materiais que possuem maior permeabilidade magnética são capazes de concentrar campos magnéticos.

Como o campo magnético é um vetor, é necessário determinar sua direção. Para corrente normal fluindo através de um fio reto, a direção pode ser encontrada usando a regra da mão direita.

Para usar a regra, você precisa imaginar que o fio está enrolado mão direita, e o polegar indica a direção da corrente. Então os quatro dedos restantes mostrarão a direção do vetor de indução magnética ao redor do condutor.

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Regra da mão direita

A segunda maneira de criar um campo magnético é aproveitar o fato de que em algumas substâncias aparecem elétrons que possuem seu próprio momento magnético. É assim que funcionam os ímãs permanentes:

1. Embora os átomos geralmente tenham muitos elétrons, eles se ligam principalmente de modo que o campo magnético total do par se anula. Diz-se que dois elétrons emparelhados dessa maneira têm spin oposto. Portanto, para magnetizar algo, são necessários átomos que possuam um ou mais elétrons com o mesmo spin. Por exemplo, o ferro tem quatro desses elétrons e é adequado para fazer ímãs;
2. Os bilhões de elétrons encontrados nos átomos podem ser orientados aleatoriamente e não haverá MF geral, não importa quantos elétrons desemparelhados o material tenha. Deve ser estável a baixas temperaturas para fornecer uma orientação geral preferida dos elétrons. A alta permeabilidade magnética causa a magnetização de tais substâncias quando certas condições fora da influência do MP. Estes são ferromagnéticos;
3. Outros materiais podem apresentar propriedades magnéticas na presença de um campo magnético externo. O campo externo serve para alinhar todos os spins do elétron, que desaparece após a remoção do MF. Essas substâncias são paramagnéticas. O metal da porta de uma geladeira é um exemplo de material paramagnético.

Campo magnético da Terra

A terra pode ser representada na forma de placas de capacitores, cuja carga tem sinal oposto: “menos” – perto da superfície terrestre e “mais” – na ionosfera. Entre eles está ar atmosférico como uma junta isolante. O capacitor gigante mantém uma carga constante devido à influência do MF terrestre. Usando esse conhecimento, você pode criar um esquema para obter energia elétrica do campo magnético da Terra. É verdade que o resultado serão valores de baixa tensão.

Tem que levar:

• dispositivo de aterramento;
• o fio;
• Transformador Tesla capaz de gerar oscilações de alta frequência e criar uma descarga corona, ionizando o ar.

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Bobina de Tesla

A bobina de Tesla atuará como um emissor de elétrons. Toda a estrutura está interligada e, para garantir uma diferença de potencial suficiente, o transformador deve ser elevado a uma altura considerável. Assim, será criado circuito elétrico, através do qual uma pequena corrente fluirá. É impossível obter uma grande quantidade de eletricidade com este dispositivo.

A eletricidade e o magnetismo dominam muitos dos mundos que nos rodeiam, desde os processos mais fundamentais da natureza até aos dispositivos eletrónicos de última geração.

Vídeo

Tópico: Campo magnético

Preparado por: Baygarashev D.M.

Verificado por: Gabdullina A.T.

Um campo magnético

Se dois condutores paralelos estiverem conectados a uma fonte de corrente de modo que uma corrente elétrica passe por eles, então, dependendo da direção da corrente neles, os condutores se repelem ou se atraem.

Uma explicação desse fenômeno é possível a partir do surgimento de um tipo especial de matéria ao redor dos condutores - um campo magnético.

As forças com as quais os condutores condutores de corrente interagem são chamadas magnético.

Um campo magnético- trata-se de um tipo especial de matéria, cuja característica específica é o efeito sobre uma carga elétrica em movimento, condutores condutores de corrente, corpos com momento magnético, com uma força que depende do vetor velocidade da carga, da direção da corrente em o condutor e a direção do momento magnético do corpo.

A história do magnetismo remonta aos tempos antigos, às antigas civilizações da Ásia Menor. Foi no território da Ásia Menor, na Magnésia, que encontraram pedra, cujas amostras foram atraídas uma pela outra. Com base no nome da área, tais amostras passaram a ser chamadas de “ímãs”. Qualquer barra ou ímã em forma de ferradura tem duas extremidades chamadas pólos; É neste local que as suas propriedades magnéticas são mais pronunciadas. Se você pendurar um ímã em um barbante, um dos pólos sempre apontará para o norte. A bússola é baseada neste princípio. O pólo norte de um ímã suspenso é chamado de pólo norte do ímã (N). O pólo oposto é chamado de pólo sul (S).

Os pólos magnéticos interagem entre si: pólos semelhantes se repelem e pólos diferentes se atraem. Semelhante ao conceito de campo elétrico em torno de uma carga elétrica, é introduzido o conceito de campo magnético em torno de um ímã.

Em 1820, Oersted (1777-1851) descobriu que uma agulha magnética localizada próxima a um condutor elétrico é desviada quando a corrente flui através do condutor, ou seja, um campo magnético é criado ao redor do condutor que transporta a corrente. Se tomarmos um quadro com corrente, então o campo magnético externo interage com o campo magnético do quadro e tem um efeito de orientação sobre ele, ou seja, há uma posição do quadro na qual o campo magnético externo tem um efeito rotativo máximo sobre ele , e há uma posição em que a força de torque é zero.

O campo magnético em qualquer ponto pode ser caracterizado pelo vetor B, que é chamado vetor de indução magnética ou indução magnética no ponto.

A indução magnética B é uma grandeza física vetorial, que é uma força característica do campo magnético em um ponto. É igual à razão entre o momento mecânico máximo das forças que atuam em uma estrutura com uma corrente colocada em um campo uniforme e o produto da intensidade da corrente na estrutura e sua área:

A direção do vetor de indução magnética B é considerada a direção da normal positiva à carcaça, que está relacionada à corrente na carcaça pela regra do parafuso direito, com torque mecânico igual a zero.

Da mesma forma que foram representadas as linhas de intensidade do campo elétrico, as linhas de indução do campo magnético são representadas. A linha do campo magnético é uma linha imaginária, cuja tangente coincide com a direção B em um ponto.

As direções do campo magnético em um determinado ponto também podem ser definidas como a direção que indica

o pólo norte da agulha da bússola colocada neste ponto. Acredita-se que as linhas do campo magnético sejam direcionadas do pólo norte para o sul.

A direção das linhas de indução magnética do campo magnético criado por uma corrente elétrica que flui através de um condutor reto é determinada pela regra do verruma ou parafuso da mão direita. A direção das linhas de indução magnética é considerada a direção de rotação da cabeça do parafuso, o que garantiria seu movimento de translação na direção da corrente elétrica (Fig. 59).

onde n01 = 4 Pi 10 -7 Vs/(A·m). - constante magnética, R - distância, I - intensidade da corrente no condutor.

Ao contrário das linhas do campo eletrostático, que começam com uma carga positiva e terminam com uma carga negativa, as linhas do campo magnético estão sempre fechadas. Nenhuma carga magnética semelhante à carga elétrica foi detectada.

Um tesla (1 T) é tomado como unidade de indução - a indução de um campo magnético uniforme no qual um torque mecânico máximo de 1 N m atua sobre uma estrutura com área de 1 m2, através da qual uma corrente de 1 A flui.

A indução do campo magnético também pode ser determinada pela força que atua sobre um condutor que transporta corrente em um campo magnético.

Um condutor condutor de corrente colocado em um campo magnético é influenciado por uma força Ampere, cuja magnitude é determinada pela seguinte expressão:

onde I é a intensidade da corrente no condutor, eu- o comprimento do condutor, B é a magnitude do vetor de indução magnética e é o ângulo entre o vetor e a direção da corrente.

A direção da força Ampere pode ser determinada pela regra da mão esquerda: colocamos a palma da mão esquerda de forma que as linhas de indução magnética entrem na palma, colocamos quatro dedos na direção da corrente no condutor, então o polegar dobrado mostra a direção da força Ampere.

Levando em conta que I = q 0 nSv, e substituindo esta expressão em (3.21), obtemos F = q 0 nSh/B sin a. O número de partículas (N) em um determinado volume de um condutor é N = nSl, então F = q 0 NvB sen a.

Vamos determinar a força exercida pelo campo magnético sobre uma partícula carregada individual movendo-se em um campo magnético:

Esta força é chamada de força de Lorentz (1853-1928). A direção da força de Lorentz pode ser determinada pela regra da mão esquerda: colocamos a palma da mão esquerda de forma que as linhas de indução magnética entrem na palma, quatro dedos mostram a direção do movimento da carga positiva, o grande dedo dobrado mostra a direção da força de Lorentz.

A força de interação entre dois condutores paralelos transportando correntes I 1 e I 2 é igual a:

Onde eu- parte de um condutor localizado em um campo magnético. Se as correntes estiverem no mesmo sentido, os condutores se atraem (Fig. 60), se estiverem no sentido oposto, eles se repelem. As forças que atuam em cada condutor são iguais em magnitude e opostas em direção. A fórmula (3.22) é básica para determinar a unidade de corrente de 1 ampere (1 A).

As propriedades magnéticas de uma substância são caracterizadas por uma quantidade física escalar - permeabilidade magnética, que mostra quantas vezes a indução B do campo magnético em uma substância que preenche completamente o campo difere em magnitude da indução B 0 do campo magnético em um vácuo:

De acordo com suas propriedades magnéticas, todas as substâncias são divididas em diamagnético, paramagnético E ferromagnético.

Consideremos a natureza das propriedades magnéticas das substâncias.

Os elétrons na camada de átomos de uma substância se movem em órbitas diferentes. Para simplificar, consideramos essas órbitas circulares, e cada elétron orbitando um núcleo atômico pode ser considerado uma corrente elétrica circular. Cada elétron, como uma corrente circular, cria um campo magnético, que chamamos de orbital. Além disso, um elétron em um átomo possui seu próprio campo magnético, denominado campo de spin.

Se, quando introduzido em um campo magnético externo com indução B 0, a indução B é criada dentro da substância< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).

EM diamagnético Nos materiais, na ausência de um campo magnético externo, os campos magnéticos dos elétrons são compensados ​​e, quando são introduzidos em um campo magnético, a indução do campo magnético do átomo passa a ser direcionada contra o campo externo. O material diamagnético é empurrado para fora do campo magnético externo.

você paramagnético materiais, a indução magnética de elétrons nos átomos não é completamente compensada, e o átomo como um todo acaba sendo como um pequeno ímã permanente. Normalmente, numa substância, todos estes pequenos ímanes estão orientados aleatoriamente e a indução magnética total de todos os seus campos é zero. Se você colocar um paramagneto em um campo magnético externo, todos os pequenos ímãs - átomos girarão no campo magnético externo como agulhas de bússola e o campo magnético na substância aumentará ( n >= 1).

Ferromagnético são aqueles materiais em que n" 1. Em materiais ferromagnéticos, são criados os chamados domínios, regiões macroscópicas de magnetização espontânea.

Em domínios diferentes, as induções do campo magnético têm direções diferentes (Fig. 61) e em um cristal grande

compensar-se mutuamente. Quando uma amostra ferromagnética é introduzida em um campo magnético externo, os limites dos domínios individuais mudam de modo que o volume dos domínios orientados ao longo do campo externo aumenta.

Com o aumento da indução do campo externo B 0, a indução magnética da substância magnetizada aumenta. Em alguns valores de B 0, a indução para de aumentar acentuadamente. Este fenômeno é chamado de saturação magnética.

Uma característica dos materiais ferromagnéticos é o fenômeno da histerese, que consiste na dependência ambígua da indução no material da indução do campo magnético externo quando este muda.

O loop de histerese magnética é uma curva fechada (cdc`d`c), expressando a dependência da indução no material da amplitude da indução do campo externo com uma mudança periódica bastante lenta neste último (Fig. 62).

O circuito de histerese é caracterizado pelos seguintes valores: B s, Br, B c. B s - valor máximo de indução do material em B 0s; Em r é a indução residual, igual ao valor da indução no material quando a indução do campo magnético externo diminui de B 0s a zero; -B c e B c - força coercitiva - valor igual à indução do campo magnético externo necessário para alterar a indução no material de residual para zero.

Para cada ferromagneto existe uma temperatura (ponto Curie (J. Curie, 1859-1906), acima da qual o ferromagneto perde suas propriedades ferromagnéticas.

Existem duas maneiras de levar um ferromagneto magnetizado ao estado desmagnetizado: a) aquecer acima do ponto Curie e esfriar; b) magnetizar o material com um campo magnético alternado de amplitude decrescente lentamente.

Ferromagnetos com baixa indução residual e força coercitiva são chamados de magnéticos suaves. Eles encontram aplicação em dispositivos onde os ferromagnetos frequentemente precisam ser remagnetizados (núcleos de transformadores, geradores, etc.).

Ferromagnetos magneticamente duros, que possuem uma alta força coercitiva, são usados ​​para fazer ímãs permanentes.

Um campo magnético pode ser criado pela corrente de partículas carregadas e/ou pelos momentos magnéticos dos elétrons nos átomos (e pelos momentos magnéticos de outras partículas, embora em uma extensão visivelmente menor) (ímãs permanentes).

Além disso, aparece na presença de um campo elétrico variável no tempo.

A principal característica de força do campo magnético é vetor de indução magnética (vetor de indução de campo magnético). Do ponto de vista matemático, é um campo vetorial, que define e especifica o conceito físico de campo magnético. Freqüentemente, por questões de brevidade, o vetor de indução magnética é simplesmente chamado de campo magnético (embora este provavelmente não seja o uso mais estrito do termo).

Outra característica fundamental do campo magnético (alternativa à indução magnética e intimamente relacionada com ela, quase igual a ela em valor físico) é potencial vetorial .

Um campo magnético pode ser chamado de tipo especial de matéria, por meio da qual ocorre a interação entre partículas carregadas em movimento ou corpos com momento magnético.

Os campos magnéticos são uma consequência necessária (no contexto) da existência de campos elétricos.

• Do ponto de vista da teoria quântica de campos, a interação magnética - como um caso especial de interação eletromagnética - é transportada por um bóson fundamental sem massa - um fóton (uma partícula que pode ser representada como uma excitação quântica de um campo eletromagnético), muitas vezes ( por exemplo, em todos os casos de campos estáticos) - virtual.

Fontes de campo magnético

Um campo magnético é criado (gerado) por uma corrente de partículas carregadas, ou por um campo elétrico variável no tempo, ou pelos próprios momentos magnéticos das partículas (estes últimos, por uma questão de uniformidade da imagem, podem ser formalmente reduzidos a correntes elétricas ).

Cálculo

EM casos simples o campo magnético de um condutor com corrente (inclusive no caso de uma corrente distribuída arbitrariamente sobre um volume ou espaço) pode ser encontrado na lei de Biot-Savart-Laplace ou no teorema da circulação (também conhecido como lei de Ampere). Em princípio, este método é limitado ao caso (aproximação) da magnetostática - isto é, o caso de campos magnéticos e elétricos constantes (se estamos falando de aplicabilidade estrita) ou melhor, de mudança lenta (se estamos falando de aplicação aproximada).

Em mais situações difíceisé procurado como uma solução para as equações de Maxwell.

Manifestação do campo magnético

O campo magnético se manifesta no efeito sobre os momentos magnéticos de partículas e corpos, sobre partículas carregadas em movimento (ou condutores que transportam corrente). A força que atua sobre uma partícula eletricamente carregada movendo-se em um campo magnético é chamada de força de Lorentz, que é sempre direcionada perpendicularmente aos vetores v E B. É proporcional à carga da partícula q, componente de velocidade v, perpendicular à direção do vetor campo magnético B, e a magnitude da indução do campo magnético B. No sistema de unidades SI, a força de Lorentz é expressa da seguinte forma:

no sistema de unidades GHS:

onde colchetes denotam o produto vetorial.

Além disso (devido à ação da força de Lorentz sobre as partículas carregadas que se movem ao longo de um condutor), um campo magnético atua sobre um condutor com corrente. A força que atua em um condutor que transporta corrente é chamada de força Ampere. Esta força consiste nas forças que atuam sobre cargas individuais que se movem dentro do condutor.

Interação de dois ímãs

Uma das manifestações mais comuns de um campo magnético na vida cotidiana é a interação de dois ímãs: como os pólos se repelem, os pólos opostos se atraem. É tentador descrever a interação entre ímãs como a interação entre dois monopolos e, do ponto de vista formal, esta ideia é bastante viável e muitas vezes muito conveniente e, portanto, útil na prática (em cálculos); no entanto, uma análise detalhada mostra que esta não é de facto uma descrição completamente correcta do fenómeno (a questão mais óbvia que não pode ser explicada dentro de tal modelo é a questão de saber por que razão os monopolos nunca podem ser separados, isto é, por que razão a experiência mostra que não há isolado, o corpo não possui realmente carga magnética, além disso, o ponto fraco do modelo é que ele não é aplicável ao campo magnético criado por uma corrente macroscópica e, portanto, se não for considerado como uma técnica puramente formal, apenas conduz. a uma complicação da teoria em um sentido fundamental).

Seria mais correto dizer que um dipolo magnético colocado em um campo não uniforme sofre a ação de uma força que tende a girá-lo de modo que o momento magnético do dipolo fique alinhado com o campo magnético. Mas nenhum íman experimenta a força (total) exercida por um campo magnético uniforme. Força atuando em um dipolo magnético com momento magnético eu expresso pela fórmula:

A força que atua sobre um ímã (que não é um dipolo de ponto único) de um campo magnético não uniforme pode ser determinada somando todas as forças (determinadas por esta fórmula) que atuam sobre os dipolos elementares que constituem o ímã.

No entanto, é possível uma abordagem que reduza a interação dos ímãs à força Ampere, e a própria fórmula acima para a força que atua em um dipolo magnético também pode ser obtida com base na força Ampere.

O fenômeno da indução eletromagnética

Campo vetorial H medido em amperes por metro (A/m) no sistema SI e em oersteds no GHS. Oersteds e Gaussianos são quantidades idênticas; sua divisão é puramente terminológica;

Energia do campo magnético

O incremento na densidade de energia do campo magnético é igual a:

Na aproximação do tensor linear, a permeabilidade magnética é um tensor (nós o denotamos) e a multiplicação de um vetor por ele é a multiplicação do tensor (matriz):

A densidade de energia nesta aproximação é igual a:

Ao escolher eixos coordenados que coincidem com os eixos principais do tensor de permeabilidade magnética, as fórmulas nos componentes são simplificadas:

Em um ímã linear isotrópico:

No vácuo e:

A energia do campo magnético no indutor pode ser encontrada pela fórmula:

Propriedades magnéticas de substâncias

De um ponto de vista fundamental, como afirmado acima, um campo magnético pode ser criado (e portanto - no contexto deste parágrafo - enfraquecido ou reforçado) por um campo eléctrico alternado, correntes eléctricas sob a forma de fluxos de partículas carregadas, ou momentos magnéticos das partículas.

A estrutura microscópica específica e as propriedades de várias substâncias (bem como suas misturas, ligas, estados de agregação, modificações cristalinas, etc.) levam ao fato de que no nível macroscópico elas podem se comportar de maneira bastante diferente sob a influência de um campo magnético externo. (em particular, enfraquecendo-o ou aumentando-o em vários graus).

A este respeito, as substâncias (e ambientes em geral) no que diz respeito às suas propriedades magnéticas são divididas nos seguintes grupos principais:

• Antiferromagnetos são substâncias nas quais foi estabelecida uma ordem antiferromagnética de momentos magnéticos de átomos ou íons: os momentos magnéticos das substâncias são direcionados de forma oposta e têm forças iguais.
• Diamagnetos são substâncias magnetizadas contra a direção de um campo magnético externo.
• Substâncias paramagnéticas são substâncias magnetizadas em um campo magnético externo na direção do campo magnético externo.
• Ferromagnetos são substâncias nas quais, abaixo de uma certa temperatura crítica (ponto Curie), é estabelecida uma ordem ferromagnética de momentos magnéticos de longo alcance.
• Ferrimagnetos são materiais nos quais os momentos magnéticos da substância são direcionados em direções opostas e não têm forças iguais.
• Os grupos de substâncias listados acima incluem principalmente substâncias sólidas comuns ou (algumas) substâncias líquidas, bem como gases. A interação com o campo magnético dos supercondutores e do plasma é significativamente diferente.

Toki Fuko

As correntes de Foucault (correntes parasitas) são correntes elétricas fechadas em um condutor massivo que surgem quando o fluxo magnético que o penetra muda. São correntes induzidas formadas em um corpo condutor como resultado de uma mudança no tempo do campo magnético em que está localizado, ou como resultado do movimento do corpo em um campo magnético, levando a uma mudança no magnético fluxo através do corpo ou de qualquer parte dele. De acordo com a regra de Lenz, o campo magnético das correntes de Foucault é direcionado de forma a neutralizar a mudança no fluxo magnético que induz essas correntes.

História do desenvolvimento de ideias sobre o campo magnético

Embora os ímãs e o magnetismo fossem conhecidos muito antes, o estudo do campo magnético começou em 1269, quando o cientista francês Peter Peregrine (Cavaleiro Pierre de Mericourt) marcou o campo magnético na superfície de um ímã esférico usando agulhas de aço e determinou que o resultante as linhas do campo magnético se cruzavam em dois pontos, que ele chamou de “pólos” por analogia com os pólos da Terra. Quase três séculos depois, William Gilbert Colchester utilizou o trabalho de Peter Peregrinus e pela primeira vez afirmou definitivamente que a própria Terra era um ímã. Publicado em 1600, o trabalho de Gilbert "De Magneto", lançou as bases do magnetismo como ciência.

Três descobertas consecutivas desafiaram esta “base do magnetismo”. Primeiro, em 1819, Hans Christian Oersted descobriu que a corrente elétrica cria um campo magnético ao seu redor. Então, em 1820, André-Marie Ampère mostrou que fios paralelos que transportam corrente na mesma direção atraem-se. Finalmente, Jean-Baptiste Biot e Félix Savart descobriram uma lei em 1820, chamada lei de Biot-Savart-Laplace, que previa corretamente o campo magnético em torno de qualquer fio energizado.

Expandindo esses experimentos, Ampère publicou seu próprio modelo de magnetismo bem-sucedido em 1825. Nele, ele mostrou a equivalência da corrente elétrica em ímãs e, em vez dos dipolos de cargas magnéticas do modelo de Poisson, propôs a ideia de que o magnetismo está associado a loops de corrente em constante fluxo. Esta ideia explicava porque é que a carga magnética não podia ser isolada. Além disso, Ampère derivou a lei que leva seu nome, que, como a lei de Biot-Savart-Laplace, descreveu corretamente o campo magnético criado CC, e também foi introduzido o teorema da circulação do campo magnético. Também neste trabalho, Ampère cunhou o termo “eletrodinâmica” para descrever a relação entre eletricidade e magnetismo.

Embora a força do campo magnético de um veículo em movimento implícita na lei de Ampère carga elétrica não foi explicitamente declarado, em 1892 Hendrik Lorentz derivou-o das equações de Maxwell. Em que teoria clássica a eletrodinâmica estava basicamente concluída.

O século XX ampliou as visões sobre a eletrodinâmica, graças ao surgimento da teoria da relatividade e da mecânica quântica. Albert Einstein, no seu artigo de 1905 que estabelece a sua teoria da relatividade, mostrou que os campos eléctricos e magnéticos fazem parte do mesmo fenómeno, vistos em diferentes referenciais. (Veja o ímã em movimento e o problema do condutor - um experimento mental que ajudou Einstein a desenvolver a relatividade especial). Finalmente, a mecânica quântica foi combinada com a eletrodinâmica para formar a eletrodinâmica quântica (QED).

Veja também

• Visualizador de filme magnético

Notas

1. TSB. 1973, "Enciclopédia Soviética".
2. Em casos particulares, um campo magnético pode existir na ausência de um campo elétrico, mas de modo geral, um campo magnético está profundamente interligado com um campo elétrico, ambos dinamicamente (a geração mútua de variáveis ​​pelos campos elétrico e magnético um do outro). , e no sentido de que durante a transição para novo sistema de referência, os campos magnético e elétrico são expressos um através do outro, ou seja, de modo geral, não podem ser separados incondicionalmente.
3. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Manual de Física: 2ª ed., revisado. - M.: Nauka, Editora Principal de Literatura Física e Matemática, 1985, - 512 p.
4. No SI, a indução magnética é medida em tesla (T), no sistema CGS em gauss.
5. Eles coincidem exatamente no sistema de unidades CGS, no SI diferem por um coeficiente constante, o que, claro, não altera o fato de sua identidade física prática.
6. A diferença mais importante e óbvia aqui é que a força que atua sobre uma partícula em movimento (ou sobre um dipolo magnético) é calculada precisamente através e não através de . Qualquer outro método de medição fisicamente correto e significativo também permitirá medir com precisão, embora para cálculos formais às vezes seja mais conveniente - o que, de fato, é o ponto de introduzir esta grandeza auxiliar (caso contrário, passaríamos sem ela). ao todo, usando apenas
7. No entanto, devemos compreender bem que uma série de propriedades fundamentais desta “matéria” são fundamentalmente diferentes das propriedades daquele tipo comum de “matéria”, que poderia ser designada pelo termo “substância”.
8. Veja o teorema de Ampere.
9. Para um campo uniforme, esta expressão dá força zero, uma vez que todas as derivadas são iguais a zero B por coordenadas.
10. Sivukhin D.V. Curso geral física. -Ed. 4º, estereotipado. - M.: Fizmatlit; Editora MIPT, 2004. - T. III. Eletricidade. - 656 p. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.