Магнитное поле движущихся электрических зарядов
Согласно уравнениям Максвелла магнитное поле возникает при движении электрических зарядов (при наличии электрического тока) и при изменении во времени электрического поля. Показано, что и при наличии электрического тока истинной причиной появления магнитного поля также является переменное во времени электрическое поле.
Авторы: Г. А. Борисов
Направление: Электротехника
Ключевые слова: Электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное поле, электромагнитная взаимоиндукция, электрический заряд, электрический поток, магнитный поток
Khan Academy does not support this browser.
Чтобы пользоваться «Академией Хана», необходимо обновить ваш веб-браузер. Чтобы начать обновление, выберите один из предложенных ниже вариантов.
If you’re seeing this message, it means we’re having trouble loading external resources on our website.
Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.
Основное содержание
Course: Физика > Модуль 13
Урок 2: Магнитное поле, вызываемое электрическим током
Магнитное поле, создаваемое проводником
Что такое магнитные поля?
Магнитное поле между двумя проводниками с током.
Магнитная сила между двумя проводниками с током, движущимся в одном направлении
Электромагнитная индукция
© 2024 Khan Academy
Магнитное поле, создаваемое проводником
0 очков энергии
О проекте Об этом видео Транскрипция
Проводник, по которому течёт электрический ток, образует вокруг себя магнитное поле. В этом видео мы изучаем, как и почему это происходит. Создатели: Сэл Хан .
Вопросы Подсказки и благодарности
Хотите присоединиться к обсуждению?
Сортировать по:
Топ голосования
Опубликовано год назад. Прямая ссылка на ivezhno, пост “интересная тема, когда в . ”
интересная тема, когда в зависимости от системы отсчета поле или магнитное или электрическое. Очень хотелось бы подробнее на этот счет, может сделать отдельную лекцию
Ответ Button navigates to signup page • Комментарий Button navigates to signup page
Проголосовать за
Button navigates to signup page
Проголосовать против
Button navigates to signup page
Button navigates to signup page
Транскрипция к видео
не только магнитное поле может воздействовать на движущийся заряд но как мы сейчас узнаем движущийся заряд то есть электрический ток может сам создавать магнитное поле в этом на мой взгляд есть определенная симметрия и когда мы изучим этот вопрос более подробно и разберем его с математической точки зрения то мы увидим что магнитное поле и электрическое поле это по сути две стороны одной и той же монеты электромагнитного поля но не будем забегать вперед сейчас нас интересует то как движущийся по проводнику ток создает магнитное поле более того даже один движущийся электрон способен создать вокруг себя магнитное поле и так в каком виде этот факт поясняется в школьном учебнике давайте изобразим проводник и по нему снизу вверх течет ток так вот в этом случае вокруг проводника возникнет магнитное поле силовые линии этого магнитного поля представляют собой концентрические окружности я попробую изобразить как они начинаются за проводником затем идут в перед ним и снова уходят назад или можно представить эти линии по другому слева от проводника где которые магнитного поля направлены из экрана на вас а справа от вас за экран если представить что проводник лежит в плоскости экрана то на верхнем кольце вот в этой точке магнитное поле как бы выходит из экрана отдайте точки вся вот эта часть окружности лежит за экраном тогда вся оставшаяся часть находится перед экраном откуда я знаю что вектор магнитного поля направлены именно в эту сторону вообще это напрямую следует из векторного произведения но чтобы не погружаться каждый раз в сложную математику было придумано еще одно мнемоническое правило правой руки представьте что вы схватились за этот провод в правой рукой таким образом что большой палец указывает направление движения тока тогда остальные пальцы обхватывающие проводник укажут направление магнитного поля слева они как бы выходит из экрана а справа уходит от вас в экран есть еще одно мнемоническое правило для запоминания направления векторов магнитного поля она называется правило буравчика представьте что вы винчи выйти буравчик или шуруп вдоль направление электрического тока в нашем случае снизу вверх тогда направление вращения рукоятки буравчика или отвертки укажет направление векторов магнитного поля и как оказалось чем ближе мы находимся к проводнику тем сильнее вокруг него магнитное поле а по мере удаления от проводника магнитное поле слабеет и это логично представьте что магнитное поле разлетается от проводника в разные стороны и чем дальше тем она распределяется по все большей и большей площади и по формуле которую вам покажу это хорошо видно строго говоря это формула выводится и определяется через векторное произведение на мы сейчас не будем погружаться в подробности для наших целей пока хватит самой формулы кстати если тока по проводнику будет течь сверху вниз силовые линии по-прежнему будут представлять собой концентрические окружности но при этом их направления изменится чему равна величина магнитной индукции она равна мю это некая греческая буква я сейчас объясню что оно означает умножить на силу тока и разделить на 2 pi r из этой формулы хорошо видно то о чем я говорил р это расстояние от проводника до нужной нам точки и чем дальше мы от него удаляемся тем больше значения r тем слабее магнитное поле и 2pir это формула длины окружности я не стал сейчас строго доказывать эту формулу но думаю что смысл понятен силовая линия представляет собой окружность сила магнитного поля в любой точке окружности одинаково и чем больше это окружности меньше сила поля мяу эта величина которая называется магнитная проницаемость среды сила магнитного поля будет зависеть от той среды в которой находится проводник это может быть резина вакуум воздух металл или вода в школе как правило рассматривают проводники расположенные в воздухе магнитная проницаемость воздуха очень близко к магнитной проницаемости вакуума магнитная проницаемость вакуума обозначает сами у нулевое и называется магнитной постоянной я не помню ее значение но есть в калькуляторе давайте решим простой пример для того чтобы подставить формулу некие конкретные значения представьте что у вас есть вот такой проводник по которому течет ток силой 2 ампера и возьмем некую точку в пространстве удаленную от проводника на три метра тогда вопрос чему равна сила магнитного поля в этой точке ответ находится легко достаточно подставить все данные нам числа в формулу предположим что проводник и у нас находится в воздухе его магнитная проницаемость близкая к магнитной постоянной тогда вместо мяу можно подставить семью 0 магнитную проницаемость вакуума это просто некое число некая константа умножить на 2 ампера и разделить на 2 pi r r у нас равна трем метрам двойки в числителе и знаменателе сокращаются остается мю 0 делённое на 3 пи как это посчитать думаю вы удивитесь когда узнаете что магнитная постоянная хранится в памяти калькулятора для этого мы нажимаем кнопку перехода во второй режим а затем кнопку константы выбираем встроенные константы и листаем вот она мяу 0 то что мне нужно магнитная проницаемость вакуума и делим ее на три пи получается 1,3 на 10 минус 7 степени индукция магнитного поля измеряется в числах запишем ответ это очень слабое магнитное поле именно поэтому например позади вашего телевизора не летают металлические предметы притягиваясь к расположенным там проводом и так подводим итоги движущиеся заряды не только испытывают влияние со стороны магнитного поля но и сами генерируют его получается определенная симметрия схожая с электрическим полем неподвижный заряд испытывает влияние со стороны электростатического поля при этом сам генерирует электростатическое поле если вы решите изучать физику более глубоко то в итоге вы придете к пониманию что электрическое поле и магнитное поля это по сути две стороны одной монеты если вы находитесь неподвижно в движущемся магнитном поле оно кажется вам магнитным но если вы будете двигаться вдоль него то для вас он станет статическим и начнет проявлять свойства электрического поля итак на этом пока остановимся в следующем видео я покажу вам что происходит если взять два параллельных проводника и пустить ток по обоим как вы можете догадаться они будут притягиваться друг к другу или отталкиваться друг от друга до встречи в следующем видео спасибо что подписывайтесь на наш канал нам очень важно знать ваше мнение если у вас возникают вопросы касательно данного видеоролика то не стесняйтесь задавать их в комментариях мы с удовольствием на них ответим
Магнитное поле
Электрические и магнитные явления связаны, так как имеют общую природу ― электромагнитное поле. Движение электрических зарядов всегда создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, всегда вызывает перемещение электрических зарядов.
Так как ток ― это направленное перемещение электрических зарядов, то протекание тока в проводнике всегда создает магнитное поле вокруг проводника.
Линии магнитного поля, которое создается проводниками с электрическим током.
Для изображения магнитных полей используют магнитные силовые линии ― линии, на которых модуль вектора магнитной индукции одинаков и равен В, а сам вектор магнитной индукции \(\overrightarrow\) направлен по касательной к линии. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.
Для обозначения направлений движения тока и направлений магнитных силовых линий, помимо стрелок «вправо» → и «влево» ←, используются знаки «от нас» ― ⊗ или ⊕ (как торец оперения стрелы, летящей от нас), и «к нам» • или ⊙ (как острие летящей на нас стрелы).
Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow\) , которое создает ток, протекающий в прямом проводнике, используется правило правого винта: если представить, что вкручиваешь винт по направлению тока ― то направление вращения винта покажет направление вектора магнитной индукции.
Магнитное поле, которое создает ток в прямом проводнике, представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. При этом, некоторая область магнитного поля всегда направлена на нас, а другая ― от нас.
Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow\) , которое создает ток, в круговом проводнике или витках катушки, используется правило правого винта: если ток вращается по часовой стрелке, то магнитное поле будет направленно «от нас». Если ток течет против часовой стрелки, то ток будет направлен «на нас».
Сила Ампера ― сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.
Сила ампера равна
I ― сила тока в проводнике [A];
sinα ― синус угла между проводником и вектором магнитной индукции.
Сила Ампера максимальна, если между проводником и вектором магнитной индукции угол равен α = 90°, так как sinα = sin90° = 1 и FA = IBLsin90° = IBL.
Если проводник расположен параллельно вектору магнитной индукции, т. е. α = 0° ― сила Ампера отсутствует, так как sinα = sin0° = 0 и FA = IBLsin0° = 0.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока ― то противопоставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Взаимодействие проводников с током
Ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле. Если рядом расположен еще один проводник, в котором протекает ток ― то второй проводник оказывается в магнитном поле, которое создает первый. На проводник в магнитном поле действует сила Ампера, в результате чего проводники с током или притягиваются, или отталкиваются друг от друга.
Пусть в проводниках 1 и 2 токи текут в одном направлении. Тогда первый проводник создает магнитное поле, направленное против часовой стрелки. В области, близлежащей к проводнику 2 это поле направлено перпендикулярно проводнику и от него. Согласно правилу левой руки, сила Ампера, которая действует со стороны магнитного поля, создаваемого проводником 1 на проводник с током 2, F1-2 направлено в сторону проводника 1.
Представление о магнитном поле
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.
Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.
Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.
Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.
Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.
Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.
Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.
Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.
Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.
Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:
Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).
Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.
А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.
Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.
Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:
При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.
Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
Спин
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).
Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:
Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.
Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.
Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.
- Научно-популярное
- Физика