Ein Magnetfeld ist eine besondere Form von Materie, die durch Magnete, Leiter mit Strom (bewegte geladene Teilchen) erzeugt wird und durch die Wechselwirkung von Magneten, Leiter mit Strom (bewegte geladene Teilchen) nachgewiesen werden kann.

Oersteds Erfahrung

Die ersten Experimente (durchgeführt im Jahr 1820), die zeigten, dass ein tiefer Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen besteht, waren die Experimente des dänischen Physikers H. Oersted.

Eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines Leiters befindet, dreht sich um einen bestimmten Winkel, wenn der Strom im Leiter eingeschaltet wird. Beim Öffnen des Stromkreises kehrt der Pfeil in seine ursprüngliche Position zurück.

Aus der Erfahrung von G. Oersted folgt, dass sich um diesen Leiter ein Magnetfeld befindet.

Amperes Erfahrung
Zwei parallele Leiter, durch die elektrischer Strom fließt, interagieren miteinander: Sie ziehen sich an, wenn die Ströme in die gleiche Richtung fließen, und stoßen sich ab, wenn die Ströme in die entgegengesetzte Richtung fließen. Dies geschieht aufgrund der Wechselwirkung magnetischer Felder, die um die Leiter herum entstehen.

Eigenschaften des Magnetfelds

1. Materiell, d.h. existiert unabhängig von uns und unserem Wissen darüber.

2. Erstellt durch Magnete, Leiter mit Strom (bewegte geladene Teilchen)

3. Erkannt durch die Wechselwirkung von Magneten, Leitern mit Strom (bewegte geladene Teilchen)

4. Wirkt mit einer gewissen Kraft auf Magnete und stromführende Leiter (bewegte geladene Teilchen).

5. In der Natur gibt es keine magnetischen Ladungen. Man kann den Nord- und Südpol nicht trennen und so einen Körper mit einem Pol erhalten.

6. Der Grund, warum Körper magnetische Eigenschaften haben, wurde vom französischen Wissenschaftler Ampere gefunden. Ampere kam zu dem Schluss, dass die magnetischen Eigenschaften eines Körpers durch geschlossene elektrische Ströme in seinem Inneren bestimmt werden.

Diese Ströme stellen die Bewegung von Elektronen um Umlaufbahnen in einem Atom dar.

Wenn die Ebenen, in denen diese Ströme zirkulieren, aufgrund der thermischen Bewegung der Moleküle, aus denen der Körper besteht, zufällig zueinander angeordnet sind, kompensieren sich ihre Wechselwirkungen gegenseitig und der Körper weist keine magnetischen Eigenschaften auf.

Und umgekehrt: Wenn die Ebenen, in denen die Elektronen rotieren, parallel zueinander sind und die Richtungen der Normalen zu diesen Ebenen übereinstimmen, verstärken solche Stoffe das äußere Magnetfeld.

7. Magnetische Kräfte wirken in einem Magnetfeld in bestimmte Richtungen, die magnetische Kraftlinien genannt werden. Mit ihrer Hilfe können Sie das Magnetfeld im Einzelfall bequem und übersichtlich darstellen.

Um das Magnetfeld genauer darzustellen, wurde vereinbart, dass an den Stellen, an denen das Feld stärker ist, die Feldlinien dichter dargestellt werden sollten, d. h. näher beieinander. Und umgekehrt werden an Orten, an denen das Feld schwächer ist, weniger Feldlinien angezeigt, d. h. seltener anzutreffen.

8. Das Magnetfeld wird durch den magnetischen Induktionsvektor charakterisiert.

Der magnetische Induktionsvektor ist eine Vektorgröße, die das Magnetfeld charakterisiert.

Die Richtung des magnetischen Induktionsvektors stimmt mit der Richtung des Nordpols der freien Magnetnadel an einem bestimmten Punkt überein.

Die Richtung des Feldinduktionsvektors und die Stromstärke I hängen durch die „Regel der rechten Schraube (Bohrschrauber)“ zusammen:

Wenn Sie einen Bohrer in Richtung des Stroms im Leiter einschrauben, dann stimmt die Richtung der Bewegungsgeschwindigkeit des Endes seines Griffs an einem bestimmten Punkt mit der Richtung des magnetischen Induktionsvektors an diesem Punkt überein.

Daher entstand das Konzept selbst in der Elektrodynamik gleichzeitig mit dem Konzept des „elektrischen Feldes“. Es wurde zuerst von M. Faraday und etwas später von J. Maxwell eingeführt, um zu erklären, warum elektrische Ladungen eine so relativ kurze Wechselwirkungsreichweite haben.

Auf Sendung

Die Väter der Elektrodynamik glaubten, dass das Feld durch die Verformung des Äthers entsteht – eines unsichtbaren spekulativen Mediums, das alles Existierende füllt (Einstein schaffte bei seiner Arbeit an der Relativitätstheorie das Konzept des Äthers ab). Obwohl moderne Menschen Das mag seltsam erscheinen, aber bis zum 20. Jahrhundert zweifelten die Physiker wirklich nicht an einer bestimmten Substanz, die alles Existierende durchdringt. Physiker konnten nicht erklären, wie Magnetfelder entstehen und was ihre Natur ist.

Als die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) in Kraft trat und der Äther „offiziell entfernt“ wurde, wurde der Raum „leer“, aber die Felder interagierten auch im Vakuum weiter, und dies ist zwischen immateriellen Objekten unmöglich (zumindest laut zu SRT), daher hielten es die Physiker für notwendig, den elektrischen und magnetischen Feldern einige Eigenschaften zuzuordnen. Es entstehen Konzepte wie Massen-, Impuls- und Energiefelder.

Eigenschaften des Magnetfelds

Seine erste Eigenschaft erklärt die Natur seines Ursprungs: Ein Magnetfeld kann nur unter dem Einfluss bewegter Ladungen (Elektronen) entstehen. elektrischer Strom. Die für ein Magnetfeld charakteristische Stärke wird magnetische Induktion genannt; sie ist an jedem Punkt des Feldes vorhanden.

Der Einfluss des Feldes gilt nur für bewegte Ladungen, Magnete und Leiter. Es gibt zwei Arten: variabel und konstant. Das Magnetfeld kann nur mit speziellen Instrumenten gemessen werden; es wird von den menschlichen Sinnen nicht erfasst (obwohl Biologen glauben, dass einige Tiere Veränderungen darin wahrnehmen können). Eine weitere Eigenschaft des Magnetfelds besteht im Wesentlichen darin, dass es elektrodynamischer Natur ist, nicht nur, weil es nur bewegte Ladungen beeinflussen kann, sondern auch, weil es selbst durch die Bewegung von Ladungen erzeugt wird.

Wie zu sehen

Obwohl die menschlichen Sinne das Vorhandensein eines Magnetfelds nicht erkennen können, kann seine Richtung mithilfe eines magnetisierten Pfeils bestimmt werden. Mit einem Blatt Papier und einfachen Eisenspänen kann man das Magnetfeld jedoch „sehen“. Sie müssen ein Blatt Papier auf einen Permanentmagneten legen und Sägemehl darüber streuen, woraufhin sich die Eisenspäne entlang geschlossener und kontinuierlicher Kraftlinien ausrichten.

Mit der Regel wird die Richtung der Feldlinien bestimmt rechte Hand, die auch „Gimlet-Regel“ genannt wird. Wenn Sie den Dirigenten so in die Hand nehmen, dass Daumen in Richtung des Stroms (der Strom bewegt sich von Minus nach Plus), dann zeigen die übrigen Finger die Richtung der Kraftlinien an.

Geomagnetismus

Magnetfelder werden durch bewegte Ladungen erzeugt, aber was ist dann die Natur des Erdmagnetismus? Unser Planet verfügt über ein Magnetfeld, das ihn vor schädlicher Sonnenstrahlung schützt, und der Felddurchmesser ist um ein Vielfaches größer als der Durchmesser der Erde. Es hat eine heterogene Form, auf der „Sonnenseite“ zieht es sich unter dem Einfluss des Sonnenwinds zusammen und auf der Nachtseite dehnt es sich in Form eines langen, breiten Schwanzes aus.

Es wird angenommen, dass auf unserem Planeten Magnetfelder durch die Bewegung von Strömen im Kern, der aus flüssigem Metall besteht, entstehen. Dies wird als „hydromagnetischer Dynamo“ bezeichnet. Wenn ein Stoff eine Temperatur von mehreren tausend Kelvin erreicht, wird seine Leitfähigkeit so hoch, dass Bewegungen selbst in einer schwach magnetisierten Umgebung beginnen, elektrische Ströme zu erzeugen, die wiederum magnetische Felder erzeugen.

In lokalen Gebieten werden Magnetfelder durch magnetisierte Gesteine ​​aus den oberen Schichten des Planeten erzeugt, die die Erdkruste bilden.

Polbewegung

Seit 1885 begann die Registrierung der Bewegung der Magnetpole. Im vergangenen Jahrhundert hat sich der Südpol (der Pol in der südlichen Hemisphäre) um 900 Kilometer bewegt, und der magnetische Nordpol (Arktis) hat sich in 11 Jahren seit 1973 um 120 Kilometer und in den nächsten zehn Jahren um weitere 150 Kilometer bewegt Den neuesten Daten zufolge ist die Verschiebungsrate des Arktischen Pols von 10 Kilometern pro Jahr auf 60 Kilometer gestiegen.

Obwohl Wissenschaftler wissen, wie das Erdmagnetfeld entsteht, können sie die Bewegung der Pole nicht beeinflussen und gehen davon aus, dass es bald zu einer weiteren Umkehrung kommen wird. Dies ist ein natürlicher Prozess, dies ist nicht das erste Mal auf dem Planeten, aber es ist nicht bekannt, wie sich ein solcher Prozess für die Menschen auswirken wird.

Grundlegende Eigenschaften eines Magnetfelds

Eigenschaften des Magnetfelds

Schon damals waren magnetische Phänomene bekannt Antike Welt. Der Kompass wurde vor mehr als 4.500 Jahren erfunden. Es erschien in Europa um das 12. Jahrhundert. neue Ära. Doch erst im 19. Jahrhundert wurde der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus entdeckt und die Idee dazu entwickelt Magnetfeld .

Die ersten Experimente (durchgeführt im Jahr 1820), die zeigten, dass zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen ein tiefer Zusammenhang besteht, waren die Experimente des dänischen Physikers H. Oersted. Diese Experimente zeigten, dass auf eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters befindet, Kräfte einwirken, die dazu neigen, sie zu drehen. Im selben Jahr beobachtete der französische Physiker A. Ampere die Kraftwechselwirkung zweier Leiter mit Strömen und stellte das Gesetz der Wechselwirkung von Strömen auf.

Nach modernen Vorstellungen üben stromdurchflossene Leiter nicht direkt, sondern durch die sie umgebenden Magnetfelder eine Kraft aufeinander aus.

Es gibt eine besondere Form der Materie, ein einziges Ganzes elektromagnetisches Feld.

Magnetfeld- Dies ist eine Art Materie, durch die die Wechselwirkung bewegter elektrischer Ladungen erfolgt.

Grundlegende Eigenschaften eines Magnetfelds

1. Magnetfeld entsteht:

· sich bewegende elektrische Ladungen (Leiter mit elektrischem Strom);

· magnetisierte Körper (Magnete);

· ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld (das magnetische Feld wird variabel sein).

2. Magnetfeld kontinuierlich im Raum.

3. Ein Magnetfeld wird durch seine Wirkung auf bewegte elektrische Ladungen (elektrischer Strom) oder durch seine Wirkung auf magnetisierte Körper erkannt, unabhängig davon, ob diese sich bewegen oder ruhen.

Elektrisches Feld verhält sich wie bewegungslos bald bewegen es enthält elektrische Ladungen. Magnetfeld Gilt nur für bewegen In diesem Feld gibt es elektrische Ladungen.

Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts versuchten, eine Theorie des Magnetfelds in Analogie zur Elektrostatik zu erstellen und berücksichtigten dabei die sogenannte magnetische Ladungen zwei Zeichen (z. B. Norden N und südlich S Pole der Magnetnadel). Die Erfahrung zeigt jedoch, dass es keine isolierten magnetischen Ladungen gibt.

Als Körper werden Körper bezeichnet, die nach Entfernung aus einem äußeren Feld noch lange magnetische Eigenschaften behalten Permanentmagnete . Die Enden des Magneten haben die größte Anziehungskraft, die man nennt magnetische Pole (N – nördliche, S – südliche und neutrale Zone).

Um das Magnetfeld zu untersuchen, verwenden Sie:

· Prüfstromkreis (kleines geschlossenes Element eines stromführenden Leiters);

· Magnetnadel (kleiner Permanentmagnet).

Wenn ein Testschaltkreis oder eine Magnetnadel in das zu untersuchende Magnetfeld gebracht wird, werden diese auf eine bestimmte Weise ausgerichtet.

Die Erfahrung zeigt, dass der Maximalwert des Kraftmoments M m beim Drehen des Prüfstromkreises proportional zur Fläche S des Stromkreises und der Stromstärke I darin ist: M m ~ IS.

Die Größe p m = IS ist der Modul des sogenannten magnetisches Moment Stromkreis mit Strom.

Das magnetische Moment selbst ist ein Vektor: , wo - Einheitsvektor normal zur Ebene des Stromkreises, verbunden mit der Richtung des Stroms im Stromkreis durch die Regel der rechten Schraube.

Das Verhältnis an einem bestimmten Punkt im Feld bleibt konstant und ist eine für das Feld charakteristische Kraft. sogenannte magnetische Induktion .

Die magnetische Induktion ist ein Vektor, dessen Richtung mit der Richtung der Normalen zur Ebene des Prüfkreises übereinstimmt, wenn sich der Strom in der Position seines stabilen Gleichgewichts befindet, oder mit der Richtung S → N der Magnetnadel.

Stärkecharakteristik eines Magnetfeldes, analog für ein elektrisches Feld.

Ähnlich wie die Kraftlinien in der Elektrostatik kann man konstruieren magnetische Induktionslinien , an jedem Punkt, dessen Vektor entlang einer Tangente gerichtet ist.

Magnetische Induktionslinien der Felder eines Permanentmagneten und einer Spule mit Strom.

Beachten Sie die Analogie zwischen den Magnetfeldern eines Permanentmagneten und einer Spule mit Strom.

Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Leiters

Magnetische Induktionslinien sind immer geschlossen; sie brechen nirgendwo. Das bedeutet, dass das Magnetfeld keine Quellen hat – magnetische Ladungen. Kraftfelder mit dieser Eigenschaft heißen Wirbel .

Für das Magnetfeld stimmt es Superpositionsprinzip: Die magnetische Induktion des von mehreren Strömen erzeugten Feldes ist gleich der Vektorsumme der Induktionsfelder jedes einzelnen Stroms:

Für Magnetfelder von Permanentmagneten ist diese Frage komplizierter, weil Die Einführung eines zweiten starken Magneten verstärkt nicht nur das Magnetfeld des ersten Magneten, sondern verzerrt es auch.

Um das Magnetfeld im Vakuum zu charakterisieren, wird eine weitere Größe eingeführt, genannt Spannung Magnetfeld.

Die magnetische Feldstärke hängt nicht von den Eigenschaften des Mediums ab.

Die magnetische Feldstärke ist eine Vektorgröße, die in einem homogenen Medium mit der Richtung des magnetischen Induktionsvektors übereinstimmt

Die Module dieser Merkmale sind durch die Relation miteinander verbunden.

Magnetfeld- eine besondere Form von Materie, die um sich bewegende elektrische Ladungen herum existiert – Ströme.

Die Quellen des Magnetfeldes sind Permanentmagnete und stromdurchflossene Leiter. Ein Magnetfeld kann durch die Wirkung auf eine Magnetnadel, einen stromdurchflossenen Leiter und sich bewegende geladene Teilchen nachgewiesen werden.

Zur Untersuchung des Magnetfeldes wird ein geschlossener Flachstromkreis (Rahmen mit Strom) verwendet.

Die Rotation einer Magnetnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters wurde erstmals 1820 von Oersted entdeckt. Ampere beobachtete die Wechselwirkung von Leitern, durch die Strom floss: Wenn die Ströme in den Leitern in eine Richtung fließen, dann ziehen sich die Leiter an, wenn die Ströme in den Leitern in entgegengesetzte Richtungen fließen, dann stoßen sie sich ab.

Eigenschaften des Magnetfeldes:

• Magnetfeld ist materiell;
• Quelle und Feldanzeige – elektrischer Strom;
• das Magnetfeld ist ein Wirbel – seine Kraftlinien (magnetische Induktionslinien) sind geschlossen;
• Die Stärke des Feldes nimmt mit der Entfernung von der Feldquelle ab.

Wichtig!
Das Magnetfeld ist kein Potential. Seine Arbeit auf einer geschlossenen Flugbahn ist möglicherweise nicht gleich Null.

Magnetische Wechselwirkung Man bezeichnet die Anziehung oder Abstoßung von elektrisch neutralen Leitern, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt.

Die magnetische Wechselwirkung bewegter elektrischer Ladungen lässt sich wie folgt erklären: Jede bewegte elektrische Ladung erzeugt im Raum ein Magnetfeld, das auf bewegte geladene Teilchen einwirkt.

Kennlinie der magnetischen Feldstärke – magnetischer Induktionsvektor​\(\vec(B) \) ​. Die Größe des magnetischen Induktionsvektors ist gleich dem Verhältnis des Maximalwerts der vom Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkenden Kraft zur Stromstärke im Leiter ​\(I \) ​ und seiner Länge ​\( l \) ​:

Die Bezeichnung lautet \(\vec(B) \), die SI-Einheit ist Tesla (T).

1 T ist die Induktion eines Magnetfeldes, das pro Meter Leiterlänge bei einer Stromstärke von 1 A entsteht maximale Stärke 1 N.

Richtung des magnetischen Induktionsvektors stimmt mit der Richtung vom Südpol zum Nordpol der Magnetnadel überein (die Richtung, die durch den Nordpol der Magnetnadel angezeigt wird), frei in einem Magnetfeld festgelegt.

Die Richtung des magnetischen Induktionsvektors kann bestimmt werden durch Gimlet-Regel:

Wenn die Richtung der translatorischen Bewegung des Bohrers mit der Richtung des Stroms im Leiter übereinstimmt, dann stimmt die Drehrichtung des Bohrergriffs mit der Richtung des magnetischen Induktionsvektors überein.

Es wird verwendet, um die magnetische Induktion mehrerer Felder zu bestimmen Superpositionsprinzip:

Die magnetische Induktion des resultierenden Feldes, das von mehreren Quellen erzeugt wird, ist gleich der Vektorsumme der magnetischen Induktion der Felder, die von jeder Quelle einzeln erzeugt werden:

Ein Feld an jedem Punkt, dessen magnetischer Induktionsvektor in Größe und Richtung gleich ist, wird genannt homogen.

Das Magnetfeld wird visuell in Form von magnetischen Linien oder magnetischen Induktionslinien dargestellt. Magnetische Induktionslinie ist eine imaginäre Linie, an deren Punkt der magnetische Induktionsvektor tangential zu ihr gerichtet ist.

Eigenschaften magnetischer Linien:

• magnetische Linien sind kontinuierlich;
• magnetische Linien sind geschlossen (d. h. in der Natur gibt es keine magnetischen Ladungen, die elektrischen Ladungen ähneln);
• Magnetische Linien haben eine Richtung, die mit der Richtung des Stroms zusammenhängt.

Anhand der Dichte der Anordnung können wir die Größe des Feldes beurteilen: Je dichter die Linien sind, desto stärker ist das Feld.

Auf einen flachen geschlossenen Stromkreis in einem gleichmäßigen Magnetfeld wirkt ein Kraftmoment ​\(M\) ​:

wobei ​\(I \) ​ – Stromstärke im Leiter, ​\(S \) ​ – vom Stromkreis abgedeckte Fläche, ​\(B \) ​ – Größe des magnetischen Induktionsvektors, ​\(\alpha \) ​ – der Winkel zwischen der Senkrechten zur Konturebene und dem magnetischen Induktionsvektor.

Dann können wir für den Modul des magnetischen Induktionsvektors die Formel schreiben:

wobei das maximale Kraftmoment dem Winkel ​\(\alpha \) ​ = 90° entspricht.

In diesem Fall liegen die magnetischen Induktionslinien in der Ebene des Rahmens und seine Gleichgewichtslage ist instabil. Die Position des Rahmens mit Strom bleibt stabil, wenn die Ebene des Rahmens senkrecht zu den magnetischen Induktionslinien steht.

Permanentmagnete- Das sind Körper, die ihre Magnetisierung lange behalten, also ein Magnetfeld erzeugen.

Die Haupteigenschaft von Magneten besteht darin, Körper aus Eisen oder seinen Legierungen (zum Beispiel Stahl) anzuziehen. Magnete können natürlich (aus magnetischem Eisenerz hergestellt) oder künstlich sein, bei denen es sich um magnetisierte Eisenstreifen handelt. Die Bereiche eines Magneten, in denen seine magnetischen Eigenschaften am stärksten ausgeprägt sind, werden Pole genannt. Ein Magnet hat zwei Pole: Nord ​\(N\) ​ und Süd ​\(S \) ​.

Wichtig!
Außerhalb des Magneten verlassen magnetische Linien den Nordpol und treten in den Südpol ein.

Es ist unmöglich, die Pole eines Magneten zu trennen.

Erklärte die Existenz eines Magnetfelds in Permanentmagneten Ampere. Seiner Hypothese zufolge zirkulieren in den Molekülen, aus denen ein Magnet besteht, elementare elektrische Ströme. Wenn diese Ströme in einer bestimmten Richtung ausgerichtet sind, addieren sich ihre Wirkungen und der Körper weist magnetische Eigenschaften auf. Wenn diese Ströme zufällig verteilt sind, kompensiert sich ihre Wirkung gegenseitig und der Körper weist keine magnetischen Eigenschaften auf.

Magnete interagieren: So wie sich magnetische Pole abstoßen, ziehen sich entgegengesetzte Pole an.

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Ein elektrischer Strom, der durch einen stromdurchflossenen Leiter fließt, erzeugt in dem ihn umgebenden Raum ein Magnetfeld. Je größer der Strom ist, der durch den Leiter fließt, desto stärker ist das Magnetfeld, das um ihn herum entsteht.

Die magnetischen Kraftlinien dieses Feldes liegen in konzentrischen Kreisen, in deren Mitte sich ein stromdurchflossener Leiter befindet.

Die Richtung der magnetischen Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter stimmt immer genau mit der Richtung des durch den Leiter fließenden Stroms überein.

Die Richtung magnetischer Feldlinien kann bestimmt werden nach der Gimlet-Regel: Wenn die translatorische Bewegung des Bohrers (1) mit der Richtung des Stroms (2) im Leiter übereinstimmt, zeigt die Drehung seines Griffs die Richtung der magnetischen Feldlinien (4) um den Leiter an.

Wenn sich die Richtung des Stroms ändert, ändern auch die magnetischen Feldlinien ihre Richtung.

Je weiter man sich vom Leiter entfernt, desto seltener werden die magnetischen Feldlinien. Folglich nimmt die Magnetfeldinduktion ab.

Die Richtung des Stroms in einem Leiter wird normalerweise durch einen Punkt dargestellt, wenn der Strom auf uns zukommt, und durch ein Kreuz, wenn der Strom von uns weg gerichtet ist.

Um starke Magnetfelder bei niedrigen Strömen zu erhalten, erhöhen sie normalerweise die Anzahl der stromführenden Leiter und machen sie in Form einer Reihe von Windungen; Ein solches Gerät wird Spule genannt.

Bei einem in Form einer Spule gebogenen Leiter haben die von allen Abschnitten dieses Leiters erzeugten Magnetfelder innerhalb der Spule die gleiche Richtung. Daher ist die Intensität des Magnetfelds innerhalb der Spule größer als um einen geraden Leiter. Wenn die Windungen zu einer Spule zusammengefasst werden, addieren sich die von den einzelnen Windungen erzeugten Magnetfelder. In diesem Fall nimmt die Konzentration der Feldlinien im Inneren der Spule zu, d. h. das Magnetfeld im Inneren verstärkt sich.

Je größer der Strom ist, der durch die Spule fließt, und je mehr Windungen sie hat, desto stärker ist das von der Spule erzeugte Magnetfeld. Das Magnetfeld außerhalb der Spule besteht ebenfalls aus den Magnetfeldern einzelner Windungen, allerdings liegen die Magnetfeldlinien nicht so dicht beieinander, wodurch die Intensität des Magnetfeldes dort nicht so groß ist wie im Inneren der Spule.

Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule hat die gleiche Form wie das Feld eines geraden Permanentmagneten: Magnetische Kraftlinien treten an einem Ende der Spule aus und treten am anderen Ende ein. Daher ist eine stromdurchflossene Spule ein künstlicher Elektromagnet. Typischerweise wird in die Spule ein Stahlkern eingesetzt, um das Magnetfeld zu verstärken. eine solche Spule heißt Elektromagnet.

Die Richtung der magnetischen Induktionslinien der Spule mit Strom wird ermittelt durch Regel der rechten Hand:

Wenn Sie die Stromspule gedanklich mit der rechten Handfläche umfassen, sodass vier Finger die Richtung des Stroms in seinen Windungen anzeigen, zeigt der Daumen die Richtung des magnetischen Induktionsvektors an.

Um die Richtung der von einer Windung oder Spule erzeugten Magnetfeldlinien zu bestimmen, können Sie auch verwenden Gimlet-Regel:

Wenn Sie den Griff des Bohrers in Richtung des Stroms in der Spule oder Spule drehen, zeigt die Translationsbewegung des Bohrers die Richtung des magnetischen Induktionsvektors an.

Elektromagnete wurden extrem gefunden breite Anwendung in der Technik. Auch die Polarität eines Elektromagneten (die Richtung des Magnetfeldes) lässt sich mit der Rechte-Hand-Regel bestimmen.

Ampere-Leistung

Ampere-Leistung– die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt, der sich in einem Magnetfeld befindet.

Amperesches Gesetz: Ein Leiter mit einem Strom der Kraft ​\(I \) ​ und der Länge ​\(l \) ​, der in ein Magnetfeld mit Induktion ​\(\vec(B) \) ​ gebracht wird, wird von einer Kraft beaufschlagt, deren Modul ist gleich:

wobei ​\(\alpha \) ​ der Winkel zwischen dem stromdurchflossenen Leiter und dem magnetischen Induktionsvektor ​\(\vec(B) \) ​ ist.

Die Richtung der Ampere-Kraft wird bestimmt nach der Linke-Hand-Regel: Wenn die Handfläche der linken Hand so positioniert ist, dass die Komponente des magnetischen Induktionsvektors ​\(B_\perp \) senkrecht zum Leiter in die Handfläche eintritt und vier ausgestreckte Finger die Richtung des Stroms im Leiter anzeigen, dann Der um 90° gebogene Daumen zeigt die Richtung der Ampere-Kraft an.

Die Kraft des Ampere ist nicht zentral. Es ist senkrecht zu den magnetischen Induktionslinien gerichtet.

Ampere-Leistung ist weit verbreitet. In technischen Geräten wird mithilfe von Leitern, durch die elektrischer Strom fließt, ein Magnetfeld erzeugt. Elektromagnete werden in einem elektromechanischen Relais zum Fernabschalten von Stromkreisen, einem Magnetkran, einer Computerfestplatte, einem Videorecorder-Aufnahmekopf, einer Fernsehbildröhre und einem Computermonitor verwendet. Elektromotoren sind im Alltag, im Transportwesen und in der Industrie weit verbreitet. Die Wechselwirkung eines Elektromagneten mit dem Feld eines Permanentmagneten ermöglichte die Herstellung elektrischer Messgeräte (Amperemeter, Voltmeter).

Das einfachste Modell eines Elektromotors ist ein stromdurchflossener Rahmen, der im Magnetfeld eines Permanentmagneten platziert wird. In echten Elektromotoren werden anstelle von Permanentmagneten Elektromagnete und anstelle eines Rahmens Wicklungen mit vielen Drahtwindungen verwendet.

Koeffizient nützliche Aktion Elektromotor:

wobei ​\(N\) ​ die vom Motor entwickelte mechanische Leistung ist.

Der Wirkungsgrad des Elektromotors ist sehr hoch.

Algorithmus zur Lösung von Problemen zur Wirkung eines Magnetfeldes auf stromdurchflossene Leiter:

• Erstellen Sie eine schematische Zeichnung, auf der Sie einen Leiter oder Stromkreis mit Strom und Richtung der Feldlinien angeben.
• Markieren Sie die Winkel zwischen der Feldrichtung und einzelnen Konturelementen.
• Bestimmen Sie mithilfe der Linken-Hand-Regel die Richtung der Ampere-Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter oder auf jedes Element des Stromkreises wirkt, und zeigen Sie diese Kräfte in der Zeichnung an.
• Geben Sie alle anderen Kräfte an, die auf den Leiter oder Stromkreis wirken.
• Schreiben Sie Formeln für die verbleibenden Kräfte auf, die in der Aufgabe erwähnt werden. Drücken Sie Kräfte anhand der Größen aus, von denen sie abhängen. Befindet sich der Leiter im Gleichgewicht, ist es notwendig, den Zustand seines Gleichgewichts aufzuschreiben (die Summe der Kräfte und Kraftmomente ist gleich Null);
• Schreiben Sie das zweite Newtonsche Gesetz in Vektorform und in Projektionen auf.
• Überprüfen Sie die Lösung.

Lorentzkraft

Lorentzkraft– die Kraft, die vom Magnetfeld auf ein sich bewegendes geladenes Teilchen einwirkt.

Formel zur Ermittlung der Lorentzkraft:

wobei ​\(q \) ​ – Teilchenladung, ​\(v \) ​ – Teilchengeschwindigkeit, ​\(B \) ​ – Größe des magnetischen Induktionsvektors, ​\(\alpha \) ​ – Winkel zwischen den Teilchengeschwindigkeitsvektor und der Vektor der magnetischen Induktion.

Die Richtung der Lorentzkraft wird bestimmt nach der Linke-Hand-Regel: wenn die Handfläche der linken Hand so positioniert ist, dass die Komponente des magnetischen Induktionsvektors ​\(B_\perp \) senkrecht zum Leiter in die Handfläche eintritt und vier ausgestreckte Finger die Richtung der Geschwindigkeit des positiv geladenen Teilchens anzeigen , dann zeigt der um 90° gebogene Daumen die Richtung der Kraft Lorenz an.

Ist die Ladung des Teilchens negativ, dann kehrt sich die Richtung der Kraft um.

Wichtig!
Wenn der Geschwindigkeitsvektor mit dem magnetischen Induktionsvektor gleichgerichtet ist, bewegt sich das Teilchen gleichmäßig und geradlinig.

In einem gleichmäßigen Magnetfeld krümmt die Lorentzkraft die Flugbahn eines Teilchens.

Wenn der Geschwindigkeitsvektor senkrecht zum magnetischen Induktionsvektor steht, bewegt sich das Teilchen auf einem Kreis, dessen Radius gleich ist:

Dabei ist ​\(m \) ​ die Masse des Teilchens, ​\(v \) ​ die Geschwindigkeit des Teilchens, ​\(B \) ​ die Größe des magnetischen Induktionsvektors, ​\(q \ ) ​ ist die Ladung des Teilchens.

In diesem Fall spielt die Lorentzkraft die Rolle einer Zentripetalkraft und ihre Arbeit ist Null. Die Umlaufdauer (Frequenz) eines Teilchens hängt nicht vom Kreisradius und der Geschwindigkeit des Teilchens ab. Formel zur Berechnung der Umlaufdauer eines Teilchens:

Winkelgeschwindigkeit eines geladenen Teilchens:

Wichtig!
Die Lorentzkraft verändert die kinetische Energie des Teilchens und seinen Geschwindigkeitsmodul nicht. Unter dem Einfluss der Lorentzkraft ändert sich die Richtung der Teilchengeschwindigkeit.

Wenn der Geschwindigkeitsvektor in einem Winkel ​\(\alpha \) ​ (0° gerichtet ist< \(\alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

In diesem Fall kann der Partikelgeschwindigkeitsvektor als Summe zweier Geschwindigkeitsvektoren dargestellt werden, von denen einer, ​\(\vec(v)_2 \) ​, parallel zum Vektor \(\vec(B) \) ist. , und der andere, \(\vec (v)_1 \) , – steht senkrecht dazu. Der Vektor \(\vec(v)_1 \) ändert weder seinen Betrag noch seine Richtung. Der Vektor \(\vec(v)_2\) ändert seine Richtung. Die Lorentzkraft verleiht dem sich bewegenden Teilchen eine Beschleunigung senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor \(\vec(v)_1\) . Das Teilchen bewegt sich im Kreis. Die Umlaufzeit eines Teilchens auf einem Kreis beträgt ​\(T\) ​.

Somit wird eine gleichmäßige Bewegung entlang der Induktionslinie einer kreisförmigen Bewegung in einer Ebene senkrecht zum Vektor \(\vec(B)\) überlagert. Das Teilchen bewegt sich entlang einer Schraubenlinie mit einem Schritt ​\(h=v_2T \) ​.

Wichtig!
Wenn sich ein Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern bewegt, ist die gesamte Lorentzkraft gleich:

Die Besonderheiten der Bewegung eines geladenen Teilchens in einem Magnetfeld werden in Massenspektrometern genutzt – Geräten zur Messung der Massen geladener Teilchen; Teilchenbeschleuniger; zur thermischen Isolierung von Plasma in Tokamak-Anlagen.

Algorithmus zur Lösung von Problemen über die Wirkung eines magnetischen (und elektrischen) Feldes auf geladene Teilchen:

• Machen Sie eine Zeichnung, markieren Sie die magnetischen (und elektrischen) Feldlinien darauf, zeichnen Sie den Vektor der Anfangsgeschwindigkeit des Teilchens und notieren Sie das Vorzeichen seiner Ladung.
• stellen Sie die Kräfte dar, die auf ein geladenes Teilchen wirken;
• Bestimmen Sie die Art der Partikelflugbahn.
• Erweitern Sie die auf ein geladenes Teilchen wirkenden Kräfte entlang der Richtung des Magnetfelds und in der dazu senkrechten Richtung.
• Erstellen Sie die Grundgleichung für die Dynamik eines Materialpunktes für jede der Kraftverteilungsrichtungen.
• Kräfte durch die Größen ausdrücken, von denen sie abhängen;
• Lösen Sie das resultierende Gleichungssystem nach einer unbekannten Größe.
• Überprüfen Sie die Lösung.

Grundformeln des Abschnitts „Magnetfeld“

So wie eine ruhende elektrische Ladung durch ein elektrisches Feld auf eine andere Ladung einwirkt, wirkt ein elektrischer Strom durch ein elektrisches Feld auf eine andere Ladung Magnetfeld. Die Wirkung eines Magnetfelds auf Permanentmagnete reduziert sich auf die Wirkung auf Ladungen, die sich in den Atomen einer Substanz bewegen und mikroskopisch kleine Kreisströme erzeugen.

Die Lehre von Elektromagnetismus basierend auf zwei Bestimmungen:

• das Magnetfeld wirkt auf bewegte Ladungen und Ströme;
• Um Ströme und bewegte Ladungen herum entsteht ein Magnetfeld.

Magnetinteraktion

Permanentmagnet(oder Magnetnadel) ist entlang des magnetischen Meridians der Erde ausgerichtet. Das Ende, das nach Norden zeigt, heißt Nordpol(N) und das entgegengesetzte Ende ist Südpol(S). Wenn wir zwei Magnete einander näher bringen, stellen wir fest, dass sich ihre gleichen Pole abstoßen und ihre ungleichen Pole sich anziehen ( Reis. 1 ).

Wenn wir die Pole trennen, indem wir einen Permanentmagneten in zwei Teile schneiden, werden wir feststellen, dass jeder von ihnen auch so ist zwei Pole, d. h. es wird welche geben Permanentmagnet (Reis. 2 ). Beide Pole – Nord und Süd – sind untrennbar miteinander verbunden und gleichberechtigt.

Das von der Erde oder Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld wird wie ein elektrisches Feld durch magnetische Kraftlinien dargestellt. Ein Bild der magnetischen Feldlinien eines Magneten erhält man, indem man ein Blatt Papier darüber legt, auf das in einer gleichmäßigen Schicht Eisenspäne gestreut sind. Wenn das Sägemehl einem Magnetfeld ausgesetzt wird, wird es magnetisiert – jeder von ihnen hat einen Nord- und einen Südpol. Die entgegengesetzten Pole tendieren dazu, einander anzunähern, was jedoch durch die Reibung des Sägemehls auf dem Papier verhindert wird. Wenn Sie mit dem Finger auf das Papier klopfen, verringert sich die Reibung und die Späne ziehen sich gegenseitig an und bilden Ketten, die magnetische Feldlinien darstellen.

An Reis. 3 zeigt die Lage von Sägemehl und kleinen Magnetpfeilen im Feld eines Direktmagneten und gibt die Richtung der Magnetfeldlinien an. Diese Richtung wird als Richtung des Nordpols der Magnetnadel angesehen.

Oersteds Erfahrung. Magnetfeld des Stroms

IN Anfang des 19. Jahrhunderts V. Dänischer Wissenschaftler Ørsted tat wichtige Entdeckung, entdeckt zu haben Wirkung von elektrischem Strom auf Permanentmagnete . Er platzierte einen langen Draht in der Nähe einer Magnetnadel. Wenn Strom durch den Draht floss, drehte sich der Pfeil und versuchte, sich senkrecht dazu zu positionieren ( Reis. 4 ). Dies könnte durch die Entstehung eines Magnetfeldes um den Leiter herum erklärt werden.

Die magnetischen Feldlinien, die von einem geraden, stromdurchflossenen Leiter erzeugt werden, sind konzentrische Kreise, die in einer Ebene senkrecht dazu liegen und deren Mittelpunkte an dem Punkt liegen, durch den der Strom fließt ( Reis. 5 ). Die Richtung der Linien wird durch die rechte Schraubenregel bestimmt:

Wird die Schraube in Richtung der Feldlinien gedreht, bewegt sie sich in Richtung des Stroms im Leiter .

Die Stärke des Magnetfeldes ist magnetischer Induktionsvektor B . An jedem Punkt ist es tangential zur Feldlinie gerichtet. Elektrische Feldlinien beginnen bei positiven Ladungen und enden bei negativen, und die in diesem Feld auf die Ladung wirkende Kraft ist an jedem Punkt tangential zur Linie gerichtet. Im Gegensatz zum elektrischen Feld sind die magnetischen Feldlinien geschlossen, was auf das Fehlen „magnetischer Ladungen“ in der Natur zurückzuführen ist.

Das Magnetfeld eines Stroms unterscheidet sich grundsätzlich nicht von dem Feld, das ein Permanentmagnet erzeugt. In diesem Sinne ist ein Analogon eines Flachmagneten ein langer Magnet – eine Drahtspule, deren Länge deutlich größer ist als ihr Durchmesser. Das Diagramm der von ihm erzeugten Magnetfeldlinien ist in dargestellt Reis. 6 , ähnelt dem für einen flachen Magneten ( Reis. 3 ). Die Kreise geben die Querschnitte des Drahtes an, der die Spulenwicklung bildet. Ströme, die vom Beobachter weg durch den Draht fließen, werden durch Kreuze angezeigt, und Ströme in die entgegengesetzte Richtung – zum Beobachter hin – werden durch Punkte angezeigt. Die gleichen Bezeichnungen werden auch für magnetische Feldlinien akzeptiert, wenn diese senkrecht zur Zeichenebene verlaufen ( Reis. 7 a, b).

Die Richtung des Stroms in der Magnetspule und die Richtung der magnetischen Feldlinien in ihr hängen auch durch die Regel der rechten Schraube zusammen, die in diesem Fall wie folgt formuliert ist:

Wenn Sie entlang der Achse des Magneten schauen, erzeugt der im Uhrzeigersinn fließende Strom darin ein Magnetfeld, dessen Richtung mit der Bewegungsrichtung der rechten Schraube übereinstimmt ( Reis. 8 )

Basierend auf dieser Regel ist es leicht zu verstehen, dass der in gezeigte Magnet Reis. 6 , der Nordpol ist sein rechtes Ende und der Südpol ist sein linkes Ende.

Das Magnetfeld innerhalb der Magnetspule ist gleichmäßig – der magnetische Induktionsvektor hat dort einen konstanten Wert (B = const). In dieser Hinsicht ähnelt die Magnetspule einem Parallelplattenkondensator, in dem ein gleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt wird.

Kraft, die in einem Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt

Es wurde experimentell festgestellt, dass auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft wirkt. In einem gleichmäßigen Feld erfährt ein gerader Leiter der Länge l, durch den ein Strom I fließt und der senkrecht zum Feldvektor B steht, die Kraft: F = I l B .

Die Richtung der Kraft wird bestimmt Regel der linken Hand:

Wenn die vier ausgestreckten Finger der linken Hand in Richtung des Stroms im Leiter ausgerichtet sind und die Handfläche senkrecht zum Vektor B steht, zeigt der ausgestreckte Daumen die Richtung der auf den Leiter wirkenden Kraft an (Reis. 9 ).

Es ist zu beachten, dass die Kraft, die auf einen Leiter mit Strom in einem Magnetfeld wirkt, nicht wie eine elektrische Kraft tangential zu seinen Kraftlinien, sondern senkrecht zu diesen gerichtet ist. Ein Leiter, der sich entlang der Kraftlinien befindet, wird von der magnetischen Kraft nicht beeinflusst.

Gleichung F = IlB ermöglicht es Ihnen, eine quantitative Charakteristik der Magnetfeldinduktion anzugeben.

Attitüde hängt nicht von den Eigenschaften des Leiters ab und charakterisiert das Magnetfeld selbst.

Der Betrag des magnetischen Induktionsvektors B ist numerisch gleich der Kraft, die auf einen senkrecht dazu stehenden Leiter mit einer Längeneinheit wirkt, durch den ein Strom von einem Ampere fließt.

Im SI-System ist die Einheit der Magnetfeldinduktion Tesla (T):

Magnetfeld. Tabellen, Diagramme, Formeln

(Wechselwirkung von Magneten, Oersted-Experiment, magnetischer Induktionsvektor, Vektorrichtung, Superpositionsprinzip. Grafische Darstellung Magnetfelder, magnetische Induktionslinien. magnetischer Fluss, Energieeigenschaften Felder. Magnetische Kräfte, Amperekraft, Lorentzkraft. Bewegung geladener Teilchen in einem Magnetfeld. Magnetische Eigenschaften Substanzen, Ampere-Hypothese)