Магнитные поля

Магнитные поля имеют фундаментальное значение для электромагнетизма и лежат в основе многих практических применений, начиная от компасов и заканчивая магнитно-резонансной томографией.

Магнитные поля или B-поля могут создаваться движущимися зарядами, такими как электрический ток, или объектами, такими как стержневые магниты, из-за микроскопической динамики зарядов внутри магнитного материала.

В этом видео показано, как визуализировать магнитные поля, создаваемые токоведущим проводником и постоянным стержневым магнитом. Кроме того, в этом видео будет продемонстрирована сила, оказываемая магнитными полями, создаваемыми током на другом проводе, проводящем ток.

Магнитные поля могут быть визуализированы с помощью линий магнитного поля. Это вымышленные линии, которые помогают понять распределение и направление магнитных полей.

Тангенс от линии магнитного поля отражает локальное направление магнитного поля, а плотность линий отражает силу местного магнитного поля, которая в случае стержневого магнита уменьшается по мере удаления от его поверхности. Различные конфигурации проводников тока приводят к различным изменениям в распределении магнитного поля.

Например, длинный прямой провод, по которому проходит электрический ток, создает магнитное поле, направление которого, как показано «линиями магнитного поля», проходит по круговой касательной вокруг провода.

В случае стержневого магнита линии магнитного поля покидают северный полюс магнита и входят в южный полюс магнита. Это похоже на картину магнитного поля, создаваемую соленоидом, который представляет собой цилиндрическую катушку провода, по которой проходит ток.

Направление магнитного поля, создаваемого током, может быть определено с помощью «правила правой руки». Правило гласит, что если большой палец указывает вдоль направления тока, то пальцы, обвивающиеся вокруг проводника, указывают направление магнитного поля. Таким образом, стержневой магнит, когда его приближают к проводнику, выравнивается с генерируемым локальным магнитным полем.

Теперь мы знаем, что магнитные поля, создаваемые любым проводником или магнитом, взаимодействуют с близлежащими магнитными материалами. Кроме того, генерируемые магнитные поля также взаимодействуют с движущимися электрическими зарядами, подобными тем, которые находятся во втором проводнике, несущем ток.

Когда движущийся заряд 'q' вводится в магнитное поле 'B', это поле оказывает на заряд силу 'F'. Это называется силой Лоренца. Сила пропорциональна магнитному полю «B», заряду «q» и его скорости «v» и определяется векторным произведением скорости заряда и магнитного поля, умноженного на заряд. Таким образом, сила направлена в направлении, перпендикулярном как движению заряда, так и магнитному полю, определяемому «правилом большого пальца правой руки».

Рассмотрев основы магнитных полей, проведем простой эксперимент по визуализации этих линий магнитного поля и покажем, как сила Лоренца, действующая на генерируемое магнитное поле, влияет на параллельный токонесущий провод.

Соберите необходимые материалы и инструменты, а именно источник постоянного тока, пластиковую доску, смонтированную с несколькими стрелками компаса и проходящим через ее центр прямым проводом, а также постоянный стержневой магнит.

Обратите внимание на пластиковую доску с отверстием в ее центре. Он установлен с помощью нескольких стрелок компаса вокруг центрального отверстия с помощью штифтов, так что иглы могут свободно вращаться.

Также обратите внимание, что проводящий провод подается через центральное отверстие платы. Следите за тем, чтобы провод был перпендикулярен доске. Подключите провод к источнику постоянного тока с помощью кабелей с зажимами.

Включите источник тока и установите подачу тока на +5 ампер. Понаблюдайте за поведением стрелок компаса.

Далее выключите блок питания и поменяйте местами положительный и отрицательный кабели. Затем включите блок питания, чтобы изменить направление тока, протекающего по проводу, и снова понаблюдайте за стрелками компаса.

Теперь выключите и отключите подачу тока и получите аналогичную пластиковую плату, смонтированную с магнитными иглами, но без проводящего провода, пропущенного через нее. Далее определите северный полюс стержневого магнита.

С длинной осью стержневого магнита, параллельной доске, приблизьте северный полюс к доске сбоку. Следите за стрелками компаса на предмет изменения ориентации.

Теперь переверните стержень магнитом так, чтобы южный полюс оказался ближе к доске. Еще раз обратите внимание на стрелки компаса на предмет любых изменений в ориентации.

Сначала соберите раму с двумя брусками, одна из которых горизонтальная, идущая вдоль верхней части рамы, а другая вертикальная, которая соединяет основание с первой брусьем. Затем закрепите или прикрепите скотчем среднюю часть двух длинных проводящих проводов к раме. Свесьте один конец обоих проводов с рамы так, чтобы два провода были параллельны друг другу.

Теперь подключите конец двух проводов к выключателю и клеммам. Затем подключите установку к аккумулятору.

Убедитесь, что провода подключены таким образом, чтобы ток протекал в одном направлении по обоим проводам. Затем поверните переключатель, чтобы подключить батарею к проводящим проводам.

Наблюдайте за двумя проводами, когда через них проходит ток. Далее выключите выключатель, чтобы остановить протекание тока по проводам.

Измените направление переключателя на противоположное, чтобы изменить направление протекания тока по проводам. Понаблюдайте за двумя проводами, когда ток включен.

Теперь, рассмотрев протоколы, давайте рассмотрим результаты проведенных экспериментов.

В эксперименте со стрелками компаса изначально стрелки ориентированы случайным образом. При подаче тока стрелки компаса выравниваются по кругу с местным магнитным полем.

При изменении направления тока местное магнитное поле меняется на противоположное, что, в свою очередь, меняет ориентацию стрелок компаса.

Точно так же, когда северный полюс стержневого магнита приближается к стрелкам компаса, он создает локальное магнитное поле, и стрелки компаса выстраиваются вдоль этих локальных линий магнитного поля.

А когда стержневой магнит переворачивается, направление магнитного поля также меняется на противоположное, что меняет ориентацию стрелок компаса.

В эксперименте с двумя длинными проводами провода притягиваются друг к другу, когда протекающий в них ток имеет одно и то же направление. Это происходит из-за силы Лоренца, создаваемой магнитным полем.

Согласно правилу правой руки, левый провод создает магнитное поле, которое указывает в направлении, перпендикулярном протеканию тока в месте расположения правого провода. Теперь используйте правило другой правой руки и расположите пальцы вдоль направления тока и магнитных полей. Затем вытянутый большой палец указывает направление силы Лоренца. В этом случае сила направлена в сторону левого провода и поэтому притягивается.

С другой стороны, когда ток в двух проводах протекает в противоположных направлениях друг от друга, правило правой руки показывает, что направление силы Лоренца в правом месте провода отклоняется от левого провода, что делает силу отталкивающей. Поэтому два провода раздвигаются.

Магнитные поля встречаются повсюду вокруг нас и в настоящее время используются в самых разных областях — от навигации до клинической среды. Давайте теперь рассмотрим несколько распространенных применений магнитных полей.

Столетия назад китайская династия Сун изобрела первый магнитный компас, который использовался для навигации. С тех пор мы полагаемся на компас, который работает в тандеме с собственным магнитным полем Земли.

Южный магнитный полюс Земли расположен вблизи ее географического северного полюса. Таким образом, северный магнитный полюс стрелки компаса выравнивается по магнитному полю Земли и указывает на географический север Земли.

Магнитные поля также имеют множество применений в области медицины и медицинской диагностики. Чаще всего магнитные поля используются в магнитно-резонансной томографии или МРТ. МРТ-сканеры используют сильные магнитные поля и градиенты поля для получения изображений внутренней части тела.

Вы только что посмотрели введение JoVE в магнитные поля. Теперь вы должны знать, как визуализировать магнитные поля с помощью стрелок компаса и понимать, как сила Лоренца магнитного поля, создаваемого током, влияет на другой, почти параллельный ток. Спасибо за просмотр!