Что такое магнитное поле, его свойства и источники

Что такое магнитное поле? Физика легко объясняет все явления природы, в том числе и невидимые, а потому дает ответ и на этот вопрос. Оказывается, в некоторых веществах есть свободные электроны, движение которых и создает особенные поля. Обсудим их секреты подробнее.

Что такое магнитное поле, его свойства

Многие видели и держали в руках магниты. Легко заметить ту силу, которая возникает между ними.

Каждый магнит обладает двумя полюсами: противоположные притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Кроме того, магниты всегда окружены областью, где эта сила возникает. Магнитные поля как раз и описывают такую силу.

Таким образом, магнитное поле — это концепция, которую используют, чтобы описать то, как сила распределяется в пространстве вокруг магнита и в нем самом. Впервые на это явление обратил внимание французский ученый Перегрин, а затем исследовали Ампер и Фарадей.

Явление магнетизма и магнитных полей — одна из составляющих электромагнитных сил, которые для природы базовые. Появляется магнитное поле там, где происходит движение зарядов. Когда большие заряды двигаются с высокими скоростями, то сила магнитного поля возрастает.

Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:

• Можно пустить ток по проводнику, присоединенному к батарее. Если силу тока увеличивать (то есть наращивать количество движущихся зарядов), то пропорционально усилится и магнитное поле. Его сила будет уменьшаться пропорционально расстоянию от проводника. Данное явление называют закон Ампера.
• Можно использовать свойства электронов. Они имеют отрицательный заряд и совершают движение вокруг ядра атомов, что и есть основой принципа работы постоянного магнита. Не все материалы получится намагнитить. Для этого необходимы один или несколько так называемых непарных электронов (обычно электроны всегда образуют пары). Например, у атома железа есть четыре непарных электрона, поэтому из такого материала получится хороший магнит.

Каждый кусочек любого материала состоит из миллиардов атомов. Когда они ориентируются в пространстве произвольно, то их поле угасает, даже при наличии непарных электронов. Только в стабильных веществах можно получить постоянную ориентацию электронов, то есть постоянный магнит или ферромагнетик.

Некоторым материалам для этой цели необходим внешний источник магнитного поля. Оно способно сориентировать вращение электронов и задать им нужное направление, но стоит исчезнуть внешнему полю, и общая ориентация тоже пропадет. Такие материалы получили название парамагнетиков.

Хороший пример парамагнетика — металлическая дверца холодильников. Сама по себе она не магнит, но может притягивать приложенные к ней магниты. Это свойство многие используют, когда с помощью магнита крепят к дверце холодильника список покупок или записку.

Экспериментально подтвержденные свойства магнитного поля таковы:

• оно материальное, то есть существует в объективной реальности, даже если о нем не знаем;
• его порождают лишь движущиеся электрические заряды, то есть любое движущееся заряженное тело окружено таким полем. Магнитные поля создаются и магнитами, но и в этом случае причина появления кроется в движении электронов. Переменные электрические поля также создают их;
• обнаруживают данные поля, действуя некоторой силой на движущиеся электрические заряды или проводники с током;
• в пространстве его распространение происходит со скоростью, которая равна скорости света в условиях вакуума.

Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.

Магнитное поле: источники, измерение

Источниками магнитных полей считаются:

• Электрические поля, меняющиеся во времени.
• Подвижный заряд.
• Постоянный магнит.

С детства сталкиваемся с постоянными магнитами:

1. Они применяются как игрушки, которые притягивают детали из металла.
2. Их часто прикрепляют к холодильнику.
3. Используют как встроенные части в игрушках.

Движущиеся электрические заряды, если сравнивать их с постоянными магнитами, обладают большей магнитной энергией.

Если магнитное поле нельзя увидеть, то как его изобразить? Физики предложили следующие способы:

1. Магнитные поля описывают с помощью математики как векторные. Их изображают как упорядоченную сетку множества векторов. Каждый из них направлен в свою сторону, а длина определяется величиной магнитной силы. Если бы много маленьких компасов выложили в определенном порядке, картинка получила бы такая же, вот только силу поля узнать бы не удалось.
2. Также используют силовые линии магнитного поля. В этом случае вместо сетки векторы соединяют плавные линии. При этом рисуют столько линий, сколько захочется.

Во втором виде изображения есть такие преимущества:

• Силовые линии магнитных полей не пересекаются.
• Они расположены тем плотнее, чем выше индукция (сила) магнитного поля.
• Данные линии изображают в виде замкнутых циклов, то есть у них есть начало и конец с продолжением внутри магнита.

Чтобы указать направление поля, применяют стрелочки, расставленные вдоль силовых линий. Иногда применяют и другие обозначения. Традиционно полюса магнита обозначают как «север» и «юг», а силовые линии изображают по направлению от одного полюса ко второму.

По этой причине их обычным направлением считается направление с севера на юг. Концы источника магнитного поля часто подписывают английскими буквами N (север) и S (юг).

Полюбоваться силовыми линиями может каждый. Для этого:

• Магнитные опилки надо высыпать на ровную поверхность рядом с источником магнитного поля.
• Металлические частицы начнут вести себя подобно крошечному магниту с южным и северным полюсами.
• Опилки постепенно образуют отдельные области благодаря отталкиванию одинаковых полюсов.
• В результате получится рисунок силовых линий.

Так обычно выглядит основная картина, а свойства материала опилок определяют положение и плотность линий.

Наконец, магнитное поле как векторную величину можно описать и измерить. Для этого понадобится сила и направление:

1. С направлением все просто. С его определения берут магнитный компас и ждут, пока стрелка остановится на силовой линии. Такие компасы были известны мореплавателям еще в XI веке. Кроме того, пользуются правилом сжатой правой руки (когда правая рука обхватывает проводник, а большой палец показывает направление тока, то другие пальцы указывают направление поля).
2. С силой немного сложнее. Приборы под названием магнитометры были изобретены лишь в XIX веке. Большинство из них способно рассчитать силу, которая действует на электрон, движущийся в поле.

Точные измерения слабых магнитных полей начались после открытия в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления. Им обладают материалы, которые составлены из особенных тонких пленок.

Интересно, что это открытие фундаментальной физики стало применяться для хранения информации на жестких дисках компьютеров. В итоге плотность записи на магнитном носителе выросла в тысячи раз буквально в течение нескольких лет. В 2007 году ученые Ферт и Грюнберг за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.

Согласно международной системе единиц, силу (индукцию) магнитных полей измеряют в тесла (обозначают Тл, назвали в честь Николы Теслы). Тесла — это такая величина силы, которая действует на движущийся заряд от магнитного поля. Так, маленький магнит, который повесили на холодильник, создаст индукцию примерно 0,001 Тл, в то время как индукция магнитного поля нашей планеты составляет 5×10⁻⁵ Тл.

Иногда ученые пользуются альтернативной единицей измерения под названием гаусс (обозначают Гс). Преобразовываются эти единицы измерений достаточно легко: 1 Тл = 10⁴ Гс. Причиной применения единицы Гс стало то, что 1 тесла — это слишком высокая величина для индукции.

В формулах величину магнитной индукции обозначают символом BBB. Иногда встречается термин «напряженность магнитного поля» с обозначением символом HHH. Обе эти величины измеряют в одних и тех же единицах, но в напряженности учитывается магнитное поле, которое есть внутри магнита. В решении простых задач, где действие происходит в воздухе, этой разницей можно пренебречь.

О том, что такое магнитное поле, больше знаем из практики, но не всегда разбираемся в теории. Оказывается, что невидимые магнитные поля вполне реальны и создаются движением электронов. Их направление указывают стрелки компасов, а силу измеряют специальные приборы.