Индукция магнитного поля

Индукция магнитного поля – это величина, зависящая от параметров среды и показывающая величину силы, с которой при внесении объекта поле будет действовать на стрелку компаса, проводник с током или ферромагнитные материалы. История развития тематики подробно описана в разделе про магнитную индукцию (слова-синонимы), а здесь мы целиком сосредоточимся на практической части и терминах.

Магнитное поле и его характеристики

В то время, как Эрстед обнаружил отклонение стрелки компаса проводом с электрическим током, магнетизм считался явлением независимым. Его проявления наблюдались у твёрдых тел. Гильберт даже писал, что магнетизму в сравнении со слабым и непостоянным электричеством присущи сила и нерушимость. Поле свободно проходит через объекты. Следовательно, нужно было его как-то охарактеризовать. Потребовалось некоторое время, чтобы воссоздать картину. И сегодня, как это указывается в разделе про магнитную индукцию, господствуют две модели:

  1. Пуассона.
  2. Ампера.

Первоначально была исследована сила взаимодействия двух проводников с током. Как только Ампер продемонстрировал открытие Эрстеда на собрании научного общества, исследователи принялись за дело. В ходе обсуждений Лаплас предположил, что действие явления можно усилить, изогнув проводник. Так на свет появились (в том же 1820 году) катушка индуктивности в мультипликаторе (гальванометре) Швейггера и прообраз электромагнита в опытах Араго с намагничиванием иглы, обвитой проволокой, от лейденской банки. Но знаменательным стало открытие закона Био-Савара (см. рис.). Он связывает характеристику магнитного поля провода в током с некоторыми другими величинами.

Закон Био-Савара

Закон Био-Савара

В левой части равенства стоит элемент индукции. Малая толика общего поля, создаваемая элементарным (небольшим) отрезком проводника dl. Как видно, величину также определяют сила тока, расстояние до рассматриваемой точки и угол между векторами l и В. Согласитесь, что звучат эти термины туманно, поэтому необходимо рассмотреть ключевые понятия. В современной физике явления магнитного поля объясняется на наглядных опытах с активным участием в них электроскопа. Это физический прибор, изобретённый задолго до описываемых событий (в середине XVIII века), который позволяет определить наличие на объекте статического заряда.

Самый первый электроскоп состоял из древесного шарика, подвешенного на дуге, напоминавшей поставленный кверху ногами рыболовный крючок. В результате нить свободно ходила в любую сторону. Шарик натирали при помощи шерсти, и образовывался заряд, который мог взаимодействовать с другими. Этот процесс описывает закон Кулона. Но вернёмся к демонстрации магнитного поля в современной физике. Учебник пользуется очень простыми примерами:

  1. Заряженный шар электроскопа подносят к проводнику с током. Наблюдается некое взаимодействие.
  2. Направление тока меняют: все остаётся в прежнем виде.
  3. Убирают ток вовсе – взаимодействие все равно налицо.

Из этого делают вывод, что провод с током с неподвижным шариком электроскопа не взаимодействует сам по себе. Но происходит электризация через влияние. Провод приобретает статический заряд от шарика, и от того наблюдается взаимодействие. Следовательно, электрическое поле сосредоточено внутри проводника и не выходит за его пределы. Согласно этой аксиоме:

Магнитными называют силы взаимодействия проводника под током с другим таким же проводником, стрелкой компаса и некоторыми материалами и предметами.

Линии напряжённости магнитного поля

Таким образом, магнитное поле не влияет на неподвижный заряд, но действует на движущееся электричество. Когда Био экспериментально, а Савар чуть позже математически сформулировали свой закон, понадобились модели, описывающие взаимодействие нового явления с объектами материального мира. Следует чётко понимать, что хотя в закон Био-Савара входит величина магнитной индукции, на момент 1820 года она попросту не существовала в природе. Это была некая мера поля, а что именно из себя представляла, никто в точности сказать не мог. Гауссова СГС появилась в 1932 году, но не содержала многих физических величин.

Читайте также:  Магнитная индукция

В трактате 1600 года Гильберт высказал предположение о структуре линий напряжённости. Для выяснения обстоятельств он активно использовал магнитную стрелку и даже создал шар из руды, доказал сходство его поля  с земным. По характеру взаимодействия он выдвинул идею о том, что один полюс испускает некую субстанцию, а другой её поглощает. Основываясь на таких доводах, Рене Декарт в 1644 году создал одну из первых картин магнитного поля, использовав для того металлические опилки. Этим опытом не брезгают и сегодняшние учебники по физике. Касательно этого, можно сказать, что линии напряжённости магнитного поля являются плавными и замыкаются на полюсах, а вектор индукции направлен к ним по касательной в каждой точке.

Сообразно закону Био-Савара и имеющимся знаниям Пуассон в 1824 году создаёт первую модель поля. Он оперирует с диполями и отстраняется от среды распространения явления. Ампер идёт по другому пути, представляя источники магнитного поля, как элементарные циркулирующие заряды. В ходе опытов он замечает, что сила взаимодействия зависит от среды, и вносит таким образом свою лепту. Правы оказались оба.

Магнитное поле

Магнитное поле

Магнитное поле существует независимо от среды, но сила его действия на объекты в некоторых материалах изменяется. Для описания количественной меры этого изменения ввели единицу относительной магнитной проницаемости. Она показывает отличие силы взаимодействия в сравнении с процессом, идущим в вакууме. Согласно такому подходу все материалы делятся на три группы:

  1. Парамагнетики немного усиливают напряжённость Н, и индукция магнитного поля в них немного больше, нежели в вакууме. Эти вещества теряют приобретённые в результате взаимодействия свойства так скоро, как только пропадает источник изменений.
  2. Диамагнетики ослабляют действие поля. В них напряжённость Н выше индукции В. К этому классу веществ относят поваренную соль, нафталин, висмут. Поле в них ослабляется, а магнитная восприимчивость отрицательная.
  3. Ферромагнетики многократно усиливают напряжённость, в них индукция намного превышает H. По этой причине они идут на изготовление сердечников для трансформаторов.

Теперь нужно пояснить, что напряжённость поля H характеризует свойства источника магнетизма и существует в любой среде. Тогда как индукция показывает способность явления индуцировать в проводниках ЭДС. Откуда и произошло название. И хотя на практике индукция играет первостепенную роль, рассмотрение случаев с одновременным использованием разных сред удобно вести с позиций напряжённости поля. В этом случае значение домножается на величину магнитной проницаемости среды.

Кстати, Майкл Фарадей, не зная всех этих фактов, выбрал для своего удачного опыта с тороидальным трансформатором именно ферромагнетик (из мягкой стали). Именно благодаря этому так удачно удалось зафиксировать явление индукции. А строго говоря, оно имеет место быть и в воздухе, но не так заметно. Ферромагнетик умножает многократно способность поля индуцировать отклик в виде ЭДС вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент проницаемости некоторых из этих материалов составляет тысячи единиц.

Законы, связанные с магнитной индукцией

Законы, связанные с магнитной индукцией

На чертежах условились линии магнитного поля наносить тем плотнее, чем выше индукция. На единицу площади (например, квадратный сантиметр) их приходится столько, каково значение физической величины в Тл. Это помогает визуально оценить плотность поля. Количество линий, охваченных площадью какой-либо фигуры отражает величину работы по перемещению в пределах неё электрического заряда. Это отражено в законе Фарадея (см. рис.), где фигурирует величина плотности магнитной индукции, измеряемой в веберах.

Законы и феномены, связанные с индукцией магнитного поля

Теперь мы знаем, что магнитная индукция и индукция магнитного поля являются словами-синонимами, а также тот факт, что этот параметр характеризует не только свойства источника, но и характеристики среды. Следовательно, пора рассмотреть законы, так или иначе связанные с этим явлением. Самое первое, что приходит на ум – заглянуть в учебник физики, но мы верим, что это читатели смогут сделать и без нас. Вместо этого предлагается рассмотреть феномен, который прошёл незамеченным не только Википедией, но и некоторыми учебниками физики, если ни их большинством.

Читайте также:  Параллельное соединение конденсаторов

А дело в следующем: магнитные полюса Земли прямо противоположны истинным. Да-да. И дело сейчас даже не в том, что магнитные полюса отклонены от географических. Нет! Они прямо противоположны по местоположению тем полюсам, с которыми оперирует физика. Поэтому какой учебник ни возьми, везде стрелка компаса указывает на юг. Хотя авторы и стараются исключить картинки, по которым это можно было бы однозначно установить. Но посмотрим на две из них (фото из Курс физики Жданова Л. С. и Мараджаняна В. А.):

  1. На первой видно, что стрелка компаса смотрим северным полюсом в направлении поля.
  2. Вторая демонстрирует правило левой руки, и одновременно замечаем, что поле направлено с севера на юг.
Магнитный полюса

Магнитный полюса

Наконец, находится иллюстрация, на которой отчётливо видно, что на юг смотрит северный конец ферромагнетика. Итак, истинный северный полюс находится никак не в Арктике, как мы привыкли об этом думать, а на просторах Антарктиды. Это ещё одно противоречие физики, а второе заключается в предположении, что ток образуют положительные заряды. Но нам хотелось бы сегодня сделать ещё один доклад.

Магнитные полюсы Земли периодически меняются местами!

Да, они это делают, и последняя смена была порядка 780000 лет назад (данные получены на основании анализа горных пород). Хотя иногда процесс происходил и чаще. Но и это не все! В августе 1999 года началась Эпоха Водолея, а вместе с ней грядёт очередная смена полюсов. За век вплоть до этой даты магнитный северный полюс смещался ежегодно на 10 км, а к началу 2000-х – уже на целых 50. И эта цифра постоянно растёт. Среди учёных кругов имеются паникёры, которые утверждают, что переполюсовка каждый раз приводит к краху биосферы: якобы, так погибли в своё время динозавры.

Специалисты дают на протекание процесса от 40 до 100 лет, а потом… физические представления станут верными: стрелка компаса будет смотреть как раз в нужном направлении. Научная интуиция эпохи технической революции? Нельзя сказать точно, но морякам и пилотам пора откорректировать магнитное склонение (разница между направлением на географический и магнитный полюсы). Утешает то, что сейчас большинство объектов ориентируется на показания приборов GPS (спутниковая навигация с задействованием некоторых земных транслирующих станций).

Изменениями на Солнце обычно провоцируются магнитные бури. Это природный катаклизм, когда стрелка компаса начинает вести себя непредсказуемо. А кроме того у поля имеются 11 и 100-летний циклы, но они мало влияют на погоду, а потому незаметны для большей части человечества. Для скептиков заметим, что магнитное поле является нашей единственной защитой от действия космического излучения, потому всерьёз стоит подумать о сохранности  планеты. Особенно сильно пострадает озоновый слой, а вслед за ним – микроскопическое населения океана. Фактически от приспособленности водной жизни к изменениям зависит дальнейшее будущее планеты.

Первый 3-D маппинг поля выполнил спутник Magsat в 1980 году, затем после долгого перерыва в 1999 году той же проблемой занялся Эрстед (ещё один спутник). Понятно, что необходимость его запуска вызвана приходом Эпохи Водолея и всеми описанными выше событиями. А пока исследованием магнитного щита Земли занимается спутниковая группировка Swarm. Считается, что все изменения спровоцированы колебаниями состава ядра планеты, и учёные хотят найти точные зависимости. После полугода работы (начало 2014 года) результаты исследований стали вызывать озабоченность: магнитное поле ослабевает и меняет свою конфигурацию.