Вступ

Магнітне поле — складова електромагнітного поля, за допомогою якої здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.

Магнітне поле — складова електромагнітного поля, яка створюється змінним у часі електричним полем, рухомими електричними зарядами заряджених частинок. Магнітне поле спричиняє силову дію на рухомі електричні заряди. Нерухомі електричні заряди з магнітним полем не взаємодіють, але елементарні частинки з ненульовим спіном, які мають власний магнітний момент, є джерелом магнітного поля і магнітне поле спричиняє на них силову дію, навіть якщо вони перебувають у стані спокою.

Магнітне поле утворюється, наприклад, у просторі довкола провідника, по якому тече струм або довкола постійного магніту.

Магнітне поле є векторним полем, тобто з кожною точкою простору пов’язаний вектор магнітної індукції B, який характеризує величину і напрям магнітого поля у цій точці і може мінятися з плином часу. Поряд з вектором магнітної індукції B, магнітне поле також описується вектором напруженості H.

1. Утворення та характеристика магнітного поля

Магнітне поле – це особливий вид матерії за допомогою якого здійснюється взаємодія між провідниками струму і постійними магнітами. Було встановлено, що між магнітним полем і електричним струмом існує зв’язок, який вперше дослідив Ерстед. При пропусканні електричного струму магнітна стрілка стає перпендикулярно до провідника. При зміні напрямку електричного струму магнітна стрілка поверталась на 1800, із цього досліду витікає:

1) причиною виникнення магнітного поля є електричний струм;

2) магнітне поле має напрямлений характер. Цю величину прийнято називати В – магнітна індукція – це векторна величина, яка характеризує величину поля в даній точці.

Для характеристики магнітного поля треба користуватися пробним контуром струму. Якщо контур струму помістити в магнітне поле, провідник намагається повернутися, виникає обертальний момент:

Магнітне поле характеризується силовою взаємодією лише з рухомими зарядами, при чому кінетична енергія заряджених тіл залишається при цьому постійною. Як і при електричній взаємодії магнітне поле в вакуумі може бути описано за допомогою єдиного векторного поля. Таким полем є поле магнітної індукції В .Принцип його визначення заснований на тому, що точковий заряд q, що рухається в електромагнітному полі із швидкістю v, випробовує дія сили Fл, названою силою Лоренца:

Fл = qE + q[vВ]

Перший член суми в правій частині є силою обумовленою електричним полем, в той час як другий член характеризує складову сили, яка викликана присутністю магнітного поля. Магнітна частина сили Лоренцо діє завжди перпендикулярно до траєкторії частинки і тому дійсно не може змінити її кінетичної енергії . Іншими словами, магнітне поле може використовуватися не для прискорення (гальмування) заряджених частинок, а лише для змінення конфігурації їх траєкторії, наприклад для фокусування електронних променів.

В природі існує досить великий клас речовин, розмішення яких в магнітному полі призводить до суттєвої зміни останнього. Такі речовини називають магнетиками. Для опису явищ, які відбуваються в магнетиках, задання одного векторного поля B опиняється недостатнім. Тому вводиться друге векторне поле H, яке називається напруженістю магнітного поля. В вакуумі вектори B та H пов’язані між собою співвідношенням:

B = μ0H

Де μ0 = 4π*10-7(Г/м)

— розмірна константа, яка називається магнітною постійною вакуума. В системі Сі величина В має розмірність В*с/м2, а величина Н – розмірність А/м.

Магнітне поле в вакуумі переважно характеризують його напруженістю В.

На відміну від електричних зарядів, магнітних зарядів, що створювали б магнітне поле аналогічним чином, не спостерігається. Теоретично такі заряди, які отримали назву магнітних монополів, могли б існувати. В такому випадку електричне і магнітне поле були б повністю симетричними.

Таким чином, найменшою одиницею, яка може створювати магнітне поле, є магнітний диполь. Магнітний диполь відрізняється тим, що в нього завжди є два полюси, в яких починаються і кінчаються силові лінії поля. Мікроскопічні магнітні диполі зв’язані зі спінами елементарних частинок. Частинки з ненульовим спіном — такі як протони, нейтрони і електрони, є елементарними магнітами. Величину магнетизму диполю можна виразити за допомогою магнітного дипольного моменту, що зазвичай називається просто магнітним моментом і позначається літерою m. Магнітний момент макроскопічного шматка речовини може бути обрахований як векторна сума магнітних моментів його атомів. Зазвичай, моменти окремих атомів напрямлені хаотично, і тому компенсують один одного, а загальний магнітний момент речовини є нульовим. Проте, деякі речовини, в першу чергу феромагнетики, тяжіють до впорядкованих станів, при яких магнітні моменти усіх атомів в речовині починають бути напрямленими в одну сторону. Існують дві моделі, що описують магнітне поле елементарних магнітних диполів — модель Гілберта і модель Ампера. Для описів полів у цих моделях використовуються дві різні величини, H і B. За межами магніту вони є однаковими, з точністю до постійного множника, проте всередині магніту їх значення перестають збігатися.

У цій моделі диполь розглядається як два магнітних заряди, а поле, що вони створюють є аналогічним до поля електричного диполю — його лінії починаються в північному заряді, і закінчуються в південному, не виходячи на нескінченність, так само як лінії електричного поля починаються в позитивному заряді і закінчуються в негативному. Також за аналогією розраховується і магнітний момент такого диполю, що дорівнює m=qmd, де qm — магнітні заряди а d — відстань між ними.

Модель Гілберта передбачає правильні значення напруженості магнітного поля як всередині так і ззовні магніту, в тому числі той факт, що його напрямок є протилежним до напрямку вектора намагніченості. Проте, полюсна модель має обмеження, пов’язані з тим, що вона спирається на неіснуюче в реальності поняття щільності магнітних зарядів. Через це вона не може пояснити той факт, що полюси магніту неможливо відділити один від одного, а також магнітні властивості рухомих електричних зарядів.

2. Дія магнітного поля та її особливості

На магніти. Два магніти діють один на одного, проте оскільки ця взаємодія є диполь-дипольною, то її закон є доволі складним і залежить від орієнтації магнітів. Втім, якщо магніти розташовані достатньо далеко один від одного, а їх осі напрямлені в одну сторону, то силу, з якою один діє на інший можна описати як

де m1 і m2 — магнітні моменти. З рівняння видно, що сила взаємодії між магнітами падає досить швидко — пропорційно четвертому ступеню відстані між ними.[12]

Магніти взаємодіють і зі звичайними речовинами. За характером цієї взаємодії, всі речовини поділяються на[13]:

Діамагнетики — завжди намагнічуються проти магнітного поля, тобто мають від’ємну магнітну сприйнятливість і відштовхуються будь-яким полюсом магніту. Не мають магнітних властивостей за відсутності зовнішнього поля.

Парамагнетики — слабко намагнічуються вздовж зовнішнього магнітного поля, тобто мають додатну магнітну сприйнятливість. Магнітна проникність близька до одиниці. Не мають магнітних властивостей за відсутності зовнішнього поля.

Феромагнетики — для таких речовин характерний далекий порядок магнітних моментів атомів. Через це, такі речовини можуть мати власний вектор намагніченості навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля, хоча ця намагніченність і змінюється під дією зовнішнього поля. Магнітна сприйнятливість феромагнентиків додатня і значно більша за одиницю.

Антиферомагнетики — як і для попередньої групи, магнітні моменти атомів таких речовин мають дальній порядок, проте на відміну від феромагнетиків, моменти сусідніх атомів направлені антипаралельно, і тому компенсують один одного, а загальна намагніченість речовини лишається близькою до нуля.

Ферімагнетики — як і в антиферомагнетиках, ці речовини мають антипаралельно напрямлені магнітні моменти атомів, але при цьому атоми, що направлені в одну сторону мають більший момент, ніж ті, що направлені в іншу, а тому вони не компенсують один одного, і речовина має ненульову намагніченість.

На електричні заряди. Дія магнітного поля на рухомі заряди визначається силою Лоренца, що (у системі СІ) дорівнює:

Тобто, ця сила напрямлена перпендикулярно швидкості заряду і напрямку магнітного поля. Через це робота, що її виконує магнітне поле над частинкою, дорівнює нулю. У разі відсутності інших сил, частинка в магнітному полі рухається по колу. У випадку наявності іншого поля, що діє на неї, наприклад, електричного, траєкторія перетворюється на гвинтову лінію.

Оскільки електричний струм є просто великою кількістю рухомих зарядів, на провідник в магнітному полі також діє сила. Ця сила називається силою Ампера. Вона дорівнює

Де L — довжина відрізка провідника. Оскільки, за законом Біо-Савара-Лапласа, провідник зі струмом сам створює навколо себе магнітне поле, з цього витікає, що на два провідники, по яким тече струм, також діє сила Ампера — якщо струми течуть в одному напрямку, то провідники притягуються, а якщо в протилежних — відштовхуються.

Енергія магнітного поля в просторі задається формулою:

де І — сила струму, а L — індуктивність, що залежить від форми провідника. 

Висновки

Магнітне поле широко використовується в техніці й для наукових цілей. Для його створення використовуються постійні магніти та електромагніти. Однорідне магнітне поле можна отримати за допомогою котушок Гельмгольца. Для створення потужних магнітних полів, необхідних для роботи прискорювачів або для утримання плазми в установках з ядерного синтезу, використовуються електромагніти на надпровідниках.

Магнітне поле вимірюється магнітометрами. Механічні магнітометри визначають величину поля за відхиленням котушки зі струмом. Слабкі магнітні поля вимірюються магнітометрами на основі ефекту Джозефсона — СКВІДами. Магнітне поле можна також вимірювати на основі ефекту ядерного магнітного резонансу, ефекту Хола та іншими методами.

Магнітна індукція B вимірюється в Теслах в системі СІ, і в Гаусах в системі СГС. Напруженість магнітного поля H вимірюється в А/м в системі CI і в Ерстедах в системі СГС. 

Список використаної літератури

1. Магнітне поле. Явище електромагнітної індукції: Методичні вказівки до самостійної роботи студентів із розв’язування задач / В.І. Кульчицький, укладач. – Тернопіль: Вид-во ТНТУ імені Івана Пулюя, 2013. – 60 с/
2. Курс фізики [Текст]; за ред. І.Є.Лопатинського. – Львів: Бескид-Біт, 2002.
3. Нікіфоров, Ю.М. Фізика: конспект вибраних лекцій для студентів заочної форми навчання. Видання третє, доповнене [Текст] / Ю.М. Нікіфоров. – Тернопіль: ТНТУ, 2011. – 176 с.
4. Пундик, А.В. Курс фізики: опорний конспект лекцій для студентів заочної форми навчання (електрика та магнетизм) [Текст] / А.В. Пундик. – Тернопіль: ТДТУ, 2003.
5. Трофимова Т.И. Курс физики для студентов вузов [Текст] / Т.И. Трофимова. – М.: Высшая школа, 1985. – 432 с.
6. Яворський, Б.М. Курс фізики [Текст] / Б.М. Яворський. – К.: ВШ, 1972, – Т. 1 – 3.