Lassen Sie uns gemeinsam verstehen, was ein Magnetfeld ist. Schließlich leben viele Menschen ihr ganzes Leben in diesem Bereich und denken nicht einmal darüber nach. Es ist Zeit, das Problem zu beheben!

Ein Magnetfeld

Ein Magnetfeld – besondere Art Gegenstand. Sie äußert sich in der Einwirkung auf bewegte elektrische Ladungen und Körper, die über ein eigenes magnetisches Moment verfügen (Permanentmagnete).

Wichtig: Das Magnetfeld hat keinen Einfluss auf stationäre Ladungen! Ein Magnetfeld entsteht auch durch die Bewegung elektrischer Ladungen oder durch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld oder magnetische Momente Elektronen in Atomen. Das heißt, jeder Draht, durch den Strom fließt, wird auch zum Magneten!

Ein Körper, der ein eigenes Magnetfeld hat.

Ein Magnet hat Pole, die Nord- und Südpole genannt werden. Die Bezeichnungen „Norden“ und „Süden“ werden nur der Einfachheit halber angegeben (wie „Plus“ und „Minus“ in der Elektrizität).

Das Magnetfeld wird dargestellt durch magnetische Stromleitungen. Die Kraftlinien sind durchgehend und geschlossen und ihre Richtung stimmt immer mit der Wirkungsrichtung der Feldkräfte überein. Wenn Metallspäne um einen Permanentmagneten herum verstreut werden, zeigen die Metallpartikel ein klares Bild Stromleitungen Magnetfeld, Verlassen des Nordens und Eintreten Südpol. Grafische Charakteristik eines Magnetfeldes – Kraftlinien.

Eigenschaften des Magnetfeldes

Die Hauptmerkmale des Magnetfelds sind magnetische Induktion, magnetischer Fluss Und magnetische Permeabilität. Aber lasst uns der Reihe nach über alles reden.

Beachten wir gleich, dass im System alle Maßeinheiten angegeben sind SI.

Magnetische Induktion B – Vektor physikalische Größe, das ist die Hauptkraftcharakteristik des Magnetfeldes. Mit dem Buchstaben bezeichnet B . Maßeinheit der magnetischen Induktion – Tesla (T).

Die magnetische Induktion zeigt an, wie stark das Feld ist, indem sie die Kraft bestimmt, die es auf eine Ladung ausübt. Diese Kraft heißt Lorentzkraft.

Hier Q - Aufladung, v - seine Geschwindigkeit in einem Magnetfeld, B - Induktion, F - Lorentzkraft, mit der das Feld auf die Ladung einwirkt.

F– eine physikalische Größe, die dem Produkt der magnetischen Induktion durch die Fläche des Stromkreises und dem Kosinus zwischen dem Induktionsvektor und der Normalen zur Ebene des Stromkreises, durch den der Fluss verläuft, entspricht. Magnetischer Fluss- Skalare Charakteristik des Magnetfeldes.

Wir können sagen, dass der magnetische Fluss die Anzahl der magnetischen Induktionslinien charakterisiert, die eine Flächeneinheit durchdringen. Der magnetische Fluss wird in gemessen Weberach (Wb).

Magnetische Permeabilität– Koeffizient, der die magnetischen Eigenschaften des Mediums bestimmt. Einer der Parameter, von denen die magnetische Induktion eines Feldes abhängt, ist die magnetische Permeabilität.

Unser Planet ist seit mehreren Milliarden Jahren ein riesiger Magnet. Die Induktion des Erdmagnetfeldes variiert je nach Koordinaten. Am Äquator beträgt sie etwa 3,1 mal 10 minus fünfte Potenz von Tesla. Darüber hinaus gibt es magnetische Anomalien, bei denen sich Stärke und Richtung des Feldes deutlich von benachbarten Gebieten unterscheiden. Einige der größten magnetischen Anomalien auf dem Planeten – Kursk Und Brasilianische magnetische Anomalien.

Der Ursprung des Erdmagnetfeldes bleibt für Wissenschaftler immer noch ein Rätsel. Es wird angenommen, dass die Quelle des Feldes der flüssige Metallkern der Erde ist. Der Kern bewegt sich, was bedeutet, dass sich die geschmolzene Eisen-Nickel-Legierung bewegt, und die Bewegung geladener Teilchen ist der elektrische Strom, der das Magnetfeld erzeugt. Das Problem ist, dass diese Theorie ( Geodynamo) erklärt nicht, wie das Feld stabil gehalten wird.

Die Erde ist ein riesiger magnetischer Dipol. Die magnetischen Pole stimmen nicht mit den geografischen überein, obwohl sie nahe beieinander liegen. Darüber hinaus bewegen sich die Magnetpole der Erde. Ihre Vertreibung ist seit 1885 dokumentiert. Zum Beispiel ist in den letzten hundert Jahren der magnetische Pol in Südlichen Hemisphäre hat sich um fast 900 Kilometer verschoben und befindet sich nun im Südpolarmeer. Der Pol der arktischen Hemisphäre bewegt sich durch den Arktischen Ozean zur Ostsibirischen Magnetanomalie; seine Bewegungsgeschwindigkeit (laut Daten von 2004) betrug etwa 60 Kilometer pro Jahr. Jetzt beschleunigt sich die Bewegung der Pole – im Durchschnitt wächst die Geschwindigkeit um 3 Kilometer pro Jahr.

Welche Bedeutung hat das Erdmagnetfeld für uns? Erstens schützt das Erdmagnetfeld den Planeten vor kosmischer Strahlung und Sonnenwind. Geladene Teilchen aus dem Weltraum fallen nicht direkt auf den Boden, sondern werden von einem riesigen Magneten abgelenkt und bewegen sich entlang seiner Kraftlinien. Somit sind alle Lebewesen vor schädlicher Strahlung geschützt.

Im Laufe der Erdgeschichte ereigneten sich mehrere Ereignisse. Inversionen(Änderungen) der magnetischen Pole. Polumkehr- Dann wechseln sie den Platz. Das letzte Mal Dieses Phänomen trat vor etwa 800.000 Jahren auf und insgesamt gab es in der Erdgeschichte mehr als 400 geomagnetische Inversionen. Einige Wissenschaftler glauben, dass angesichts der beobachteten Beschleunigung der Bewegung der Magnetpole mit der nächsten Polinversion zu rechnen ist in den nächsten paar tausend Jahren.

Ein Polwechsel ist in unserem Jahrhundert glücklicherweise noch nicht zu erwarten. Dies bedeutet, dass Sie über angenehme Dinge nachdenken und das Leben im guten alten Gleichfeld der Erde genießen können, nachdem Sie die grundlegenden Eigenschaften und Eigenschaften des Magnetfelds berücksichtigt haben. Und damit Sie dies tun können, gibt es unsere Autoren, denen Sie einige der pädagogischen Probleme getrost anvertrauen können! und andere Arten von Arbeiten können Sie über den Link bestellen.

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Aufgaben D13. Ein Magnetfeld. Elektromagnetische Induktion

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Durch einen lichtleitenden Rahmen zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten wurde ein elektrischer Strom geleitet, dessen Richtung in der Abbildung durch Pfeile angegeben ist.

Lösung.

Das Magnetfeld wird vom Nordpol des Magneten nach Süden gerichtet (senkrecht zur Seite AB des Rahmens). Auf die stromführenden Seiten des Rahmens wirkt die Ampere-Kraft, deren Richtung durch die Linke-Hand-Regel bestimmt wird und deren Größe gleich der Stromstärke im Rahmen ist, also der Größe der magnetischen Induktion des Magnetfeldes, ist die Länge der entsprechenden Seite des Rahmens, ist der Sinus des Winkels zwischen dem magnetischen Induktionsvektor und der Richtung des Stroms. Somit wirken auf der AB-Seite des Rahmens und der dazu parallelen Seite Kräfte gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung: auf der linken Seite „von uns“ und auf der rechten Seite „auf uns“. Auf den übrigen Seiten wirken die Kräfte nicht, da der Strom dort parallel zu den Feldlinien fließt. Somit beginnt sich der Rahmen von oben betrachtet im Uhrzeigersinn zu drehen.

Wenn Sie sich drehen, ändert sich die Richtung der Kraft, und in dem Moment, in dem sich der Rahmen um 90° dreht, ändert sich die Richtung des Drehmoments, sodass sich der Rahmen nicht weiter dreht. Der Rahmen schwingt einige Zeit in dieser Position und landet dann in der in Abbildung 4 gezeigten Position.

Antwort: 4

Quelle: Staatliche Akademie der Physik. Hauptwelle. Variante 1313.

Durch die Spule fließt ein elektrischer Strom, dessen Richtung in der Abbildung dargestellt ist. Gleichzeitig an den Enden des Eisenkerns der Spule

1) Magnetpole werden gebildet: am Ende 1 - Nordpol; am Ende 2 - südlich

2) Magnetpole werden gebildet: am Ende 1 - der Südpol; am Ende 2 - nördlich

3) elektrische Ladungen sammeln sich an: am Ende 1 - negative Ladung; am Ende ist 2 positiv

4) elektrische Ladungen sammeln sich an: am Ende 1 - positive Ladung; am Ende 2 - negativ

Lösung.

Wenn sich geladene Teilchen bewegen, entsteht immer ein Magnetfeld. Nutzen wir die Regel rechte Hand Um die Richtung des magnetischen Induktionsvektors zu bestimmen: Zeigen Sie mit den Fingern entlang der Stromlinie, dann zeigt der gebogene Daumen die Richtung des magnetischen Induktionsvektors an. Somit sind die magnetischen Induktionslinien von Ende 1 nach Ende 2 gerichtet. Die magnetischen Feldlinien treten in den magnetischen Südpol ein und verlassen den Nordpol.

Die richtige Antwort ist unter der Nummer angegeben 2.

Notiz.

Im Inneren des Magneten (Spule) verlaufen die magnetischen Feldlinien vom Südpol zum Nordpol.

Antwort: 2

Quelle: Staatliche Akademie der Physik. Hauptwelle. Option 1326., OGE-2019. Hauptwelle. Option 54416

Die Abbildung zeigt ein Bild der magnetischen Feldlinien von zwei aus Eisenspänen gewonnenen Streifenmagneten. Welche Pole der Streifenmagnete entsprechen, gemessen an der Position der Magnetnadel, den Bereichen 1 und 2?

1) 1 - Nordpol; 2 - Süden

2) 1 - südlich; 2 - Nordpol

3) sowohl 1 als auch 2 – zum Nordpol

4) sowohl 1 als auch 2 – zum Südpol

Lösung.

Da die magnetischen Linien geschlossen sind, können die Pole nicht sowohl Süd- als auch Nordpole sein. Der Buchstabe N (Nord) bezeichnet den Nordpol, S (Süd) den Süden. Der Nordpol wird vom Südpol angezogen. Daher ist Region 1 der Südpol, Region 2 der Nordpol.

Das Thema dieser Lektion lautet: „Magnetfeld einer Konstante.“ elektrischer Strom", lernen wir, was ein Magnet ist, wie er mit anderen Magneten interagiert, schreiben die Definitionen des Magnetfeldes und des magnetischen Induktionsvektors auf und verwenden auch die Gimlet-Regel, um die Richtung des magnetischen Induktionsvektors zu bestimmen.

Jeder von Ihnen hat schon einmal einen Magneten in den Händen gehalten und kennt seine erstaunliche Eigenschaft: Er interagiert auf Distanz mit einem anderen Magneten oder mit einem Stück Eisen. Was hat es mit einem Magneten auf sich, der ihm diese Eigenschaften verleiht? erstaunliche Eigenschaften? Ist es möglich, einen Magneten selbst herzustellen? Es ist möglich, und was dafür nötig ist, erfahren Sie in unserer Lektion. Machen wir einen Schritt weiter: Wenn wir einen einfachen Eisennagel nehmen, hat dieser keine magnetischen Eigenschaften, aber wenn wir ihn mit Draht umwickeln und an eine Batterie anschließen, erhalten wir einen Magneten (siehe Abb. 1).

Reis. 1. Nagel mit Draht umwickelt und an eine Batterie angeschlossen

Es stellt sich heraus, dass man, um einen Magneten zu bekommen, elektrischen Strom braucht – Bewegung elektrische Ladung. Die Eigenschaften von Permanentmagneten, beispielsweise Kühlschrankmagneten, hängen auch mit der Bewegung elektrischer Ladung zusammen. Eine bestimmte magnetische Ladung gibt es wie eine elektrische in der Natur nicht. Es ist nicht erforderlich, es reicht aus, elektrische Ladungen zu bewegen.

Bevor wir das Magnetfeld eines elektrischen Gleichstroms untersuchen, müssen wir uns darauf einigen, wie wir das Magnetfeld quantitativ beschreiben können. Um magnetische Phänomene quantitativ zu beschreiben, ist es notwendig, die Kraftcharakteristik des Magnetfeldes einzuführen. Eine Vektorgröße, die ein Magnetfeld quantitativ charakterisiert, wird magnetische Induktion genannt. Es wird normalerweise als groß bezeichnet Lateinischer Buchstabe B, gemessen in Tesla.

Die magnetische Induktion ist eine Vektorgröße, also eine Kraft, die für das Magnetfeld an einem bestimmten Punkt im Raum charakteristisch ist. Die Richtung des Magnetfeldes wird in Analogie zum elektrostatischen Modell bestimmt, bei dem das Feld durch seine Einwirkung auf eine ruhende Testladung charakterisiert wird. Nur hier wird eine Magnetnadel (ein länglicher Permanentmagnet) als „Testelement“ verwendet. Sie haben so einen Pfeil in einem Kompass gesehen. Als Richtung des Magnetfeldes an jedem Punkt wird die Richtung angenommen, die der Nordpol N der Magnetnadel nach der Neuausrichtung anzeigt (siehe Abb. 2).

Ein vollständiges und klares Bild des Magnetfeldes erhält man durch die Konstruktion der sogenannten magnetischen Feldlinien (siehe Abb. 3).

Reis. 3. Magnetische Feldlinien eines Permanentmagneten

Dies sind Linien, die die Richtung des magnetischen Induktionsvektors (d. h. die Richtung des Nordpols der Magnetnadel) an jedem Punkt im Raum zeigen. Mit einer Magnetnadel kann man sich so ein Bild von den Kraftlinien verschiedener Magnetfelder machen. Hier ist zum Beispiel ein Bild der magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten (siehe Abb. 4).

Reis. 4. Magnetische Feldlinien eines Permanentmagneten

An jedem Punkt existiert ein Magnetfeld, aber wir zeichnen die Linien in einiger Entfernung voneinander. Dies ist nur eine Möglichkeit, ein Magnetfeld darzustellen, das Gleiche haben wir mit der Spannung gemacht elektrisches Feld(siehe Abb. 5).

Reis. 5. Linien der elektrischen Feldstärke

Je dichter die Linien gezeichnet werden, desto größer ist das magnetische Induktionsmodul in einem bestimmten Raumbereich. Wie Sie sehen können (siehe Abb. 4), verlassen die Kraftlinien den Nordpol des Magneten und treten in den Südpol ein. Auch im Inneren des Magneten setzen sich die Feldlinien fort. Im Gegensatz zu elektrischen Feldlinien, die bei positiven Ladungen beginnen und bei negativen Ladungen enden, sind magnetische Feldlinien geschlossen (siehe Abb. 6).

Reis. 6. Magnetische Feldlinien sind geschlossen

Ein Feld, dessen Feldlinien geschlossen sind, wird Wirbelvektorfeld genannt. Das elektrostatische Feld ist kein Wirbel, es ist ein Potential. Der grundlegende Unterschied zwischen Wirbel- und Potentialfeldern besteht darin, dass die Arbeit eines Potentialfeldes auf jedem geschlossenen Weg Null ist, z Wirbelfeld das ist nicht so. Auch die Erde ist ein riesiger Magnet, sie verfügt über ein Magnetfeld, das wir mit Hilfe einer Kompassnadel erkennen. Weitere Details zum Erdmagnetfeld werden im Zweig beschrieben.

Unser Planet Erde ist ein großer Magnet, dessen Pole nahe dem Schnittpunkt der Oberfläche mit der Rotationsachse liegen. Geografisch gesehen sind dies der Süd- und der Nordpol. Deshalb interagiert die Nadel im Kompass, die auch ein Magnet ist, mit der Erde. Es ist so ausgerichtet, dass ein Ende zum Nordpol und das andere zum Südpol zeigt (siehe Abb. 7). Abb.7. Die Kompassnadel interagiert mit der Erde Derjenige, der auf den Nordpol der Erde zeigt, wurde mit N bezeichnet, was Norden bedeutet – aus dem Englischen übersetzt als „Norden“. Und derjenige, der auf den Südpol der Erde zeigt, ist S, was Süden bedeutet – aus dem Englischen übersetzt als „Süden“. Weil sie anziehen entgegengesetzte Pole Magneten, dann zeigt der Nordpol des Pfeils auf den magnetischen Südpol der Erde (siehe Abb. 8). Reis. 8. Wechselwirkung des Kompasses und der Magnetpole der Erde Es stellt sich heraus, dass der magnetische Südpol am geografischen Nordpol liegt. Und umgekehrt liegt der Nordmagnetismus in der Nähe des Südmagnetismus geografischer Pol Erde.

Nachdem wir uns nun mit dem Magnetfeldmodell vertraut gemacht haben, werden wir das Feld eines Leiters mit Gleichstrom untersuchen. Bereits im 19. Jahrhundert entdeckte der dänische Wissenschaftler Oersted, dass eine Magnetnadel mit einem Leiter interagiert, durch den ein elektrischer Strom fließt (siehe Abb. 9).

Reis. 9. Wechselwirkung einer Magnetnadel mit einem Leiter

Die Praxis zeigt, dass im Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Leiters die Magnetnadel an jedem Punkt tangential zu einem bestimmten Kreis ausgerichtet wird. Die Ebene dieses Kreises steht senkrecht zum stromdurchflossenen Leiter und sein Mittelpunkt liegt auf der Achse des Leiters (siehe Abb. 10).

Reis. 10. Lage der Magnetnadel im Magnetfeld eines geraden Leiters

Wenn Sie die Richtung des Stromflusses durch den Leiter ändern, dreht sich die Magnetnadel an jedem Punkt in die entgegengesetzte Richtung (siehe Abb. 11).

Reis. 11. Beim Ändern der Flussrichtung des elektrischen Stroms

Das heißt, die Richtung des Magnetfeldes hängt von der Richtung des Stromflusses durch den Leiter ab. Diese Abhängigkeit kann mit einer einfachen experimentell etablierten Methode beschrieben werden - Gimlet-Regeln:

wenn Richtung Vorwärtsbewegung Wenn der Bohrer mit der Stromrichtung im Leiter übereinstimmt, stimmt die Drehrichtung seines Griffs mit der Richtung des von diesem Leiter erzeugten Magnetfelds überein (siehe Abb. 12).

Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters ist also auf jeden Punkt gerichtet, der einen Kreis tangiert, der in einer Ebene senkrecht zum Leiter liegt. Der Mittelpunkt des Kreises fällt mit der Achse des Leiters zusammen. Die Richtung des Magnetfeldvektors an jedem Punkt hängt durch die Gimlet-Regel mit der Richtung des Stroms im Leiter zusammen. Empirisch wurde bei einer Änderung der Stromstärke und des Abstands vom Leiter festgestellt, dass die Größe des magnetischen Induktionsvektors proportional zum Strom und umgekehrt proportional zum Abstand vom Leiter ist. Der Modul des magnetischen Induktionsvektors des Feldes, das von einem unendlichen Leiter mit Strom erzeugt wird, ist gleich:

wo ist der Proportionalitätskoeffizient, der häufig im Magnetismus vorkommt. Sie wird als magnetische Permeabilität des Vakuums bezeichnet. Numerisch gleich:

Für magnetische Felder gilt wie für elektrische Felder das Superpositionsprinzip. Magnetfelder, die von verschiedenen Quellen an einem Punkt im Raum erzeugt werden, summieren sich (siehe Abb. 13).

Reis. 13. Magnetfelder aus verschiedenen Quellen summieren sich

Die Gesamtkraftcharakteristik eines solchen Feldes ist die Vektorsumme der Kraftcharakteristika der Felder jeder Quelle. Die Stärke des magnetischen Induktionsfeldes, das durch einen Strom an einem bestimmten Punkt erzeugt wird, kann durch Biegen des Leiters in einen Kreis erhöht werden. Dies wird deutlich, wenn wir die Magnetfelder kleiner Segmente einer solchen Drahtwindung an einem Punkt innerhalb dieser Windung betrachten. Zum Beispiel in der Mitte.

Das mit markierte Segment erzeugt gemäß der Gimlet-Regel darin ein nach oben gerichtetes Feld (siehe Abb. 14).

Reis. 14. Magnetfeld der Segmente

Das Segment erzeugt an dieser Stelle ebenfalls ein dorthin gerichtetes Magnetfeld. Ebenso für andere Segmente. Dann wird die Gesamtkraftcharakteristik (also der magnetische Induktionsvektor B) an diesem Punkt eine Überlagerung der Kraftcharakteristiken der Magnetfelder aller kleinen Segmente an diesem Punkt sein und nach oben gerichtet sein (siehe Abb. 15).

Reis. 15. Gesamtkraftverlauf in der Mitte der Spule

Bei einer beliebigen Kurve, die nicht unbedingt die Form eines Kreises hat, beispielsweise bei einem quadratischen Rahmen (siehe Abb. 16), hängt die Größe des Vektors innerhalb der Kurve natürlich von der Form, der Größe der Kurve und der aktuellen Stärke ab darin, aber die Richtung des magnetischen Induktionsvektors wird immer auf die gleiche Weise bestimmt (als Überlagerung von Feldern, die durch kleine Segmente erzeugt werden).

Reis. 16. Magnetfeld quadratischer Rahmensegmente

Wir haben die Bestimmung der Richtung des Feldes innerhalb der Kurve ausführlich beschrieben, aber in Allgemeiner Fall Es lässt sich viel einfacher finden, wenn man eine leicht modifizierte Gimlet-Regel verwendet:

Wenn Sie den Griff des Bohrers in die Richtung drehen, in der der Strom in der Spule fließt, zeigt die Spitze des Bohrers die Richtung des magnetischen Induktionsvektors innerhalb der Spule an (siehe Abb. 17).

Das heißt, jetzt entspricht die Drehung des Griffs der Richtung des Stroms und die Bewegung des Bohrers entspricht der Richtung des Feldes. Und nicht umgekehrt, wie es bei einem Direktdirigenten der Fall war. Wenn ein langer, stromdurchflossener Leiter zu einer Feder aufgerollt wird, besteht dieses Gerät aus vielen Windungen. Die Magnetfelder jeder Spulenwindung addieren sich nach dem Überlagerungsprinzip. Somit ist das von der Spule an einem bestimmten Punkt erzeugte Feld die Summe der Felder, die von jeder Windung an diesem Punkt erzeugt werden. Das Bild der Feldlinien einer solchen Spule sehen Sie in Abb. 18.

Reis. 18. Spulenstromleitungen

Ein solches Gerät wird Spule, Magnetspule oder Elektromagnet genannt. Es ist leicht zu erkennen, dass die magnetischen Eigenschaften der Spule denen eines Permanentmagneten entsprechen (siehe Abb. 19).

Reis. 19. Magnetische Eigenschaften Spule und Permanentmagnet

Eine Seite der Spule (im Bild oben) fungiert als Nordpol des Magneten und die andere Seite als Südpol. Ein solches Gerät ist in der Technik weit verbreitet, weil es steuerbar ist: Es wird nur dann zum Magneten, wenn der Strom in der Spule eingeschaltet wird. Beachten Sie, dass die magnetischen Feldlinien innerhalb der Spule nahezu parallel sind und eine hohe Dichte aufweisen. Das Feld innerhalb des Magneten ist sehr stark und gleichmäßig. Das Feld außerhalb der Spule ist ungleichmäßig; es ist viel schwächer als das Feld im Inneren und ist in die entgegengesetzte Richtung gerichtet. Die Richtung des Magnetfelds innerhalb der Spule wird wie beim Feld innerhalb einer Windung durch die Gimlet-Regel bestimmt. Als Drehrichtung des Griffs nehmen wir die Richtung des Stroms, der durch die Spule fließt, und die Bewegung des Bohrers gibt die Richtung des darin befindlichen Magnetfelds an (siehe Abb. 20).

Reis. 20. Reel-Gimlet-Regel

Wenn Sie eine stromdurchflossene Spule in ein Magnetfeld bringen, richtet sie sich wie eine Magnetnadel neu aus. Das Kraftmoment, das die Drehung verursacht, hängt wie folgt von der Größe des magnetischen Induktionsvektors an einem bestimmten Punkt, der Fläche der Spule und der Stromstärke darin ab:

Jetzt wird uns klar, woher die magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagneten kommen: Ein Elektron, das sich in einem Atom auf einer geschlossenen Bahn bewegt, ist wie eine Spule mit Strom, und wie die Spule verfügt es über ein Magnetfeld. Und wie wir am Beispiel einer Spule gesehen haben, haben viele Windungen mit Strom, die auf eine bestimmte Weise angeordnet sind, ein starkes Magnetfeld.

Das von Permanentmagneten erzeugte Feld ist das Ergebnis der Ladungsbewegung in ihnen. Und diese Ladungen sind Elektronen in Atomen (siehe Abb. 21). Reis. 21. Bewegung von Elektronen in Atomen Lassen Sie uns den Mechanismus seines Auftretens auf qualitativer Ebene erklären. Wie Sie wissen, sind Elektronen in einem Atom in Bewegung. Jedes Elektron in jedem Atom erzeugt also sein eigenes Magnetfeld, so stellt sich heraus große Menge Magnete von der Größe eines Atoms. Bei den meisten Substanzen sind diese Magnete und ihre Magnetfelder zufällig ausgerichtet. Daher ist das gesamte vom Körper erzeugte Magnetfeld Null. Es gibt aber auch Stoffe, bei denen die von einzelnen Elektronen erzeugten Magnetfelder gleich ausgerichtet sind (siehe Abb. 22). Reis. 22. Magnetfelder sind auf die gleiche Weise ausgerichtet Daher addieren sich die von jedem Elektron erzeugten Magnetfelder. Dadurch verfügt ein Körper aus einem solchen Stoff über ein Magnetfeld und ist ein Permanentmagnet. In einem äußeren Magnetfeld drehen sich einzelne Atome oder Atomgruppen, die, wie wir herausgefunden haben, über ein eigenes Magnetfeld verfügen, wie eine Kompassnadel (siehe Abb. 23). Reis. 23. Rotation von Atomen in einem externen Magnetfeld Wenn sie zuvor nicht in eine Richtung ausgerichtet waren und kein starkes Gesamtmagnetfeld bildeten, addieren sich nach der Anordnung der Elementarmagnete deren Magnetfelder. Und wenn nach der Einwirkung eines äußeren Feldes die Ordnung erhalten bleibt, bleibt die Substanz ein Magnet. Der beschriebene Vorgang wird Magnetisierung genannt.

Bezeichnen Sie die Pole der Stromquelle, die den Magneten mit der in Abb. gezeigten Spannung versorgt. 24 Interaktion. Stellen wir uns vor: Ein Magnet, in dem ein Gleichstrom fließt, verhält sich wie ein Magnet.

Reis. 24. Aktuelle Quelle

Laut Abb. In 24 ist zu erkennen, dass die Magnetnadel mit ihrem Südpol zur Magnetspule hin ausgerichtet ist. Gleiche Pole Magnete stoßen sich gegenseitig ab und entgegengesetzte Magnete ziehen sich an. Daraus folgt, dass der linke Pol des Magneten selbst Nordpol ist (siehe Abb. 25).

Reis. 25. Der linke Pol des Magneten ist Nord

Magnetische Induktionslinien verlassen den Nordpol und treten in den Südpol ein. Dies bedeutet, dass das Feld im Inneren des Magneten nach links gerichtet ist (siehe Abb. 26).

Reis. 26. Das Feld innerhalb des Magneten ist nach links gerichtet

Nun, die Richtung des Feldes innerhalb des Magneten wird durch die Gimlet-Regel bestimmt. Wir wissen, dass das Feld nach links gerichtet ist – stellen wir uns also vor, dass der Bohrer in diese Richtung eingeschraubt ist. Dann zeigt sein Griff die Stromrichtung im Magnetventil an – von rechts nach links (siehe Abb. 27).

Die Richtung des Stroms wird durch die Richtung bestimmt, in die sich die positive Ladung bewegt. Und eine positive Ladung bewegt sich von einem Punkt mit höherem Potential (Pluspol der Quelle) zu einem Punkt mit niedrigerem Potential (Minuspol der Quelle). Folglich ist der rechts liegende Quellenpol positiv und der linke negativ (siehe Abb. 28).

Reis. 28. Bestimmung der Quellpole

Problem 2

Ein Rahmen mit einer Fläche von 400 wird in ein gleichmäßiges Magnetfeld mit einer Induktion von 0,1 T gebracht, sodass die Normale des Rahmens senkrecht zu den Induktionslinien steht. Bei welcher Stromstärke wirkt das Drehmoment 20 auf den Rahmen (siehe Abb. 29)?

Reis. 29. Zeichnung für Aufgabe 2

Lassen Sie uns begründen: Das Kraftmoment, das die Drehung verursacht, hängt mit der Größe des magnetischen Induktionsvektors an einem bestimmten Punkt, der Fläche der Spule und der Stromstärke darin durch die folgende Beziehung zusammen:

In unserem Fall sind alle notwendigen Daten vorhanden. Es bleibt noch die erforderliche Stromstärke auszudrücken und die Antwort zu berechnen:

Das Problem ist behoben.

Referenzliste

1. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Physik: Ein Nachschlagewerk mit Beispielen zur Problemlösung. - Neuaufteilung der 2. Auflage. - X.: Vesta: Ranok Publishing House, 2005. - 464 S.
2. Myakishev G.Ya. Physik: Lehrbuch. für die 11. Klasse Allgemeinbildung Institutionen. - M.: Bildung, 2010.

1. Internetportal „Wissens-Hypermarkt“ ()
2. Internetportal „Einheitliche Sammlung von TsOR“ ()

Hausaufgaben

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3.3 EIN MAGNETFELD

3.3.1 Mechanische Wechselwirkung von Magneten

In der Nähe einer elektrischen Ladung entsteht eine besondere Form der Materie – ein elektrisches Feld. Um den Magneten herum befindet sich eine ähnliche Materieform, die jedoch einen anderen Ursprungscharakter hat (schließlich ist das Erz elektrisch neutral), man spricht von einem Magnetfeld. Zur Untersuchung des Magnetfeldes werden gerade oder hufeisenförmige Magnete verwendet. Bestimmte Orte eines Magneten haben die größte Anziehungskraft, sie werden Pole (Nord und Süd) genannt. Entgegengesetzte Magnetpole ziehen sich an und stoßen sich wie Magnetpole ab.

Ein Magnetfeld. Magnetischer Induktionsvektor

Um die Stärke eines Magnetfelds zu charakterisieren, verwenden Sie den Magnetfeld-Induktionsvektor B. Das Magnetfeld wird anhand von Kraftlinien (magnetischen Induktionslinien) grafisch dargestellt. Linien sind geschlossen, haben weder Anfang noch Ende. Der Ort, an dem magnetische Linien entstehen, ist der Nordpol; magnetische Linien treten am Südpol ein.

Magnetische Induktion B [Tl]- vektorielle physikalische Größe, die eine für das Magnetfeld charakteristische Kraft ist.

Das Prinzip der Überlagerung magnetischer Felder - Wenn ein Magnetfeld an einem bestimmten Punkt im Raum von mehreren Feldquellen erzeugt wird, ist die magnetische Induktion die Vektorsumme der Induktionen jedes einzelnen Feldes :

Magnetische Feldlinien. Muster der Feldlinien von Streifen- und Hufeisen-Permanentmagneten

3.3.2 Oersteds Experiment. Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters. Bild der Feldlinien eines langen geraden Leiters und eines geschlossenen Ringleiters, einer Spule mit Strom

Ein Magnetfeld existiert nicht nur um einen Magneten, sondern auch um jeden stromdurchflossenen Leiter. Oersteds Experiment demonstriert die Wirkung von elektrischem Strom auf einen Magneten. Wenn ein gerader, stromführender Leiter durch ein Loch in einem Karton geführt wird, auf dem kleine Eisen- oder Stahlspäne verstreut sind, bilden sie konzentrische Kreise, deren Mittelpunkt auf der Achse des Leiters liegt. Diese Kreise stellen die magnetischen Feldlinien eines stromdurchflossenen Leiters dar.

3.3.3 Amperekraft, ihre Richtung und Größe:

Ampere-Leistung- die Kraft, die in einem Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt. Die Richtung der Ampere-Kraft wird durch die Linke-Hand-Regel bestimmt: if linke Hand Positioniert man ihn so, dass die senkrechte Komponente des magnetischen Induktionsvektors B in die Handfläche eintritt und die vier ausgestreckten Finger in Richtung des Stroms zeigen, dann zeigt der um 90 Grad gebogene Daumen die Richtung der Kraft an, die auf den Abschnitt des Leiters wirkt mit dem Strom, also der Ampere-Kraft.

Wo ICH- Stromstärke im Leiter;

B

L— Länge des im Magnetfeld befindlichen Leiters;

α - der Winkel zwischen dem Magnetfeldvektor und der Stromrichtung im Leiter.

3.3.4 Lorentzkraft, ihre Richtung und Größe:

Da elektrischer Strom die geordnete Bewegung von Ladungen darstellt, ist die Wirkung eines Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter das Ergebnis seiner Einwirkung auf einzelne bewegte Ladungen. Die Kraft, die ein Magnetfeld auf die darin bewegten Ladungen ausübt, wird Lorentzkraft genannt. Die Lorentzkraft wird durch die Beziehung bestimmt:

Wo Q— die Größe der bewegten Ladung;

V— Modul seiner Geschwindigkeit;

B— Modul des Magnetfeldinduktionsvektors;

α ist der Winkel zwischen dem Ladungsgeschwindigkeitsvektor und dem magnetischen Induktionsvektor.

Bitte beachten Sie, dass die Lorentzkraft senkrecht zur Geschwindigkeit ist und daher keine Arbeit verrichtet, den Modul der Ladungsgeschwindigkeit und ihre kinetische Energie nicht verändert. Aber die Richtung der Geschwindigkeit ändert sich ständig.

Die Lorentzkraft steht senkrecht auf den Vektoren IN Und v, und seine Richtung wird nach der gleichen Regel der linken Hand wie die Richtung der Ampere-Kraft bestimmt: wenn die linke Hand so positioniert ist, dass die Komponente der magnetischen Induktion IN, senkrecht zur Geschwindigkeit der Ladung, trat in die Handfläche ein und vier Finger wurden entlang der Bewegung der positiven Ladung gerichtet (gegen die Bewegung der negativen Ladung, zum Beispiel eines Elektrons), dann zeigt der um 90 Grad gebogene Daumen die Richtung der auf die Ladung wirkenden Lorentzkraft Fl.

Bewegung eines geladenen Teilchens in einem gleichmäßigen Magnetfeld

Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt, entfaltet die Lorentzkraft keine Arbeit. Daher ändert sich die Größe des Geschwindigkeitsvektors nicht, wenn sich das Teilchen bewegt. Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem gleichmäßigen Magnetfeld unter dem Einfluss der Lorentzkraft bewegt und seine Geschwindigkeit in einer Ebene senkrecht zum Vektor liegt, dann bewegt sich das Teilchen auf einem Kreis mit dem Radius R.

„Bestimmung des Magnetfeldes“ – Füllen Sie die Tabelle mit den bei den Experimenten gewonnenen Daten aus. J. Vern. Wenn wir einen Magneten an eine Magnetnadel bringen, dreht sie sich. Grafische Darstellung von Magnetfeldern. Hans Christian Oersted. Elektrisches Feld. Ein Magnet hat zwei Pole: Nord und Süd. Das Stadium der Verallgemeinerung und Systematisierung des Wissens.

„Magnetfeld und seine grafische Darstellung“ – Inhomogenes Magnetfeld. Aktuelle Spulen. Magnetische Linien. Amperes Hypothese. Im Inneren eines Streifenmagneten. Gegensätzliche Magnetpole. Polar Lichter. Magnetfeld eines Permanentmagneten. Ein Magnetfeld. Das Magnetfeld der Erde. Magnetische Pole. Biometrologie. Konzentrische Kreise. Gleichmäßiges Magnetfeld.

„Magnetfeldenergie“ ist eine skalare Größe. Berechnung der Induktivität. Konstante Magnetfelder. Entspannungs Zeit. Definition von Induktivität. Spulenenergie. Extraströme in einem Stromkreis mit Induktivität. Vorübergehende Prozesse. Energiedichte. Elektrodynamik. Schwingkreis. Gepulstes Magnetfeld. Selbstinduktion. Energiedichte des Magnetfelds.

„Eigenschaften des Magnetfeldes“ – Magnetische Induktionslinien. Gimlets Regel. Drehen Sie sich entlang der Kraftlinien. Computermodell Das Magnetfeld der Erde. Magnetische Konstante. Magnetische Induktion. Anzahl der Ladungsträger. Drei Möglichkeiten, den magnetischen Induktionsvektor einzustellen. Magnetfeld des elektrischen Stroms. Physiker William Gilbert.

„Eigenschaften eines Magnetfeldes“ – Art der Substanz. Magnetische Induktion eines Magnetfeldes. Magnetische Induktion. Dauermagnet. Einige Werte der magnetischen Induktion. Magnetnadel. Lautsprecher. Magnetisches Induktionsvektormodul. Magnetische Induktionslinien sind immer geschlossen. Wechselwirkung von Strömen. Drehmoment. Magnetische Eigenschaften der Materie.

„Bewegung von Teilchen in einem Magnetfeld“ – Spektrograph. Manifestation der Lorentzkraft. Lorentzkraft. Zyklotron. Bestimmung der Größe der Lorentzkraft. Kontrollfragen. Richtungen der Lorentzkraft. Interstellare Materie. Die Aufgabe des Experiments. Einstellungen ändern. Ein Magnetfeld. Massenspektrograph. Bewegung von Teilchen in einem Magnetfeld. Kathodenstrahlröhre.

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