Индукция магнитного поля

Индукция магнитного поля – величина, определяемая параметрами среды, показывающая величину силы, с которой при поднесении объекта поле действует на стрелку компаса, проводник с током или ферромагнитные материалы. История развития тематики подробно описана разделом Магнитная индукция (слова-синонимы), здесь целиком сосредоточимся на практической части, терминах.

Магнитное поле и характеристики

Эрстед обнаружил отклонение стрелки компаса проводом с электрическим током, магнетизм тогда считался явлением независимым. Проявляли свойства твердые тела. Гильберт писал: магнетизму в сравнении со слабым и непостоянным электричеством присущи сила, нерушимость. Поле свободно проходит объекты. Следовательно, нужно было субстанцию охарактеризовать. Потребовалось время воссоздать картину. Сегодня, как это указывается разделом Магнитная индукция, господствуют две модели:

1. Пуассона.
2. Ампера.

Первоначально исследована сила взаимодействия двух проводников с током. Как только Ампер продемонстрировал открытие Эрстеда собранию научного общества, исследователи начали рыть. В ходе обсуждений Лаплас предположил: действие явления можно усилить, изогнув проводник. Так появились (в 1820 году) катушка индуктивности в мультипликаторе (гальванометре) Швейггера, прообраз электромагнита в опытах Араго с намагничиванием иглы, обвитой проволокой, разрядом лейденской банки. Знаменательным стало открытие закона Био-Савара (см. рис.). Связывает характеристику магнитного поля провода с током и некоторые другие величины.

Закон Био-Савара

Левая часть равенства содержит элемент индукции. Малая толика общего поля, создаваемая элементарным (небольшим) отрезком проводника dl. Величину определяют сила тока, расстояние до рассматриваемой точки, угол меж векторами l и В. Согласитесь, звучат термины туманно, необходимо рассмотреть ключевые понятия. В современной физике явления магнитного поля объясняется наглядными опытами с активным участием электроскопа. Физический прибор, изобретенный задолго до описываемых событий (середина XVIII века), позволяющий определить наличие на объекте статического заряда.

Первый электроскоп состоял из древесного шарика, подвешенного на дуге, напоминавшей поставленный кверху ногами рыболовный крючок. В результате нить свободно ходила в сторону. Шарик натирали при помощи шерсти, образовывался заряд, взаимодействующий с другими. Процесс описывает закон Кулона. Вернемся к демонстрации магнитного поля современной физикой. Учебник пользуется простыми примерами:

1. Заряженный шар электроскопа подносят к проводнику с током. Наблюдается некое взаимодействие.
2. Направление тока меняют: картина остается прежнее.
3. Убирают ток вовсе – взаимодействие налицо.

Делают вывод: провод, несущий ток, с неподвижным шариком электроскопа не взаимодействует сам по себе. Происходит электризация влиянием. Провод приобретает статический заряд от шарика, наблюдается взаимодействие. Следовательно, электрическое поле сосредоточено внутри проводника, не выходит за пределы. Согласно аксиоме:

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

Линии напряженности магнитного поля

Магнитное поле не влияет на неподвижный заряд, действует на движущееся электричество. Когда Био экспериментально, Савар позже математически сформулировали закон, понадобились модели, описывающие взаимодействие нового явления с объектами материального мира. Следует четко понимать, хотя закон Био-Савара содержит величину магнитной индукции, на момент 1820 года попросту отсутствовала в научной сфере. Некая мера поля, что именно представляла, никто в точности сказать не мог. Гауссова СГС появилась в 1832 году, лишена многих физических величин.

Трактат 1600 года Гильберта высказал предположение о структуре линий напряженности. Для выяснения обстоятельств активно использовал магнитную стрелку, создал шар руды, доказал подобие поля объекта Земному. По характеру взаимодействия выдвинул идею: один полюс испускает некую субстанцию, другой – поглощает. Довольствуясь доводами, Рене Декарт в 1644 году создал одну из первых картин магнитного поля, использовав мелкие металлические опилки. Опытом не брезгают сегодняшние учебники физики. Линии напряженности магнитного поля являются плавными, замыкаются на полюсах, вектор индукции направлен касательно в каждой точке.

Сообразно закону Био-Савара, имеющимся знаниям Пуассон в 1824 году создает первую модель поля. Оперирует с диполями, отстраняется от среды распространения явления. Ампер идет иным путем, представляя источники магнитного поля, элементарными циркулирующими зарядами. Проводя опыты, замечает: сила взаимодействия зависит от среды, вносит таким образом лепту. Правы оказались оба.

Магнитное поле планеты Земля

Существование магнитного поля независимо от среды, сила действия на объекты в некоторых материалах изменяется. Для описания количественной меры изменения ввели единицу относительной магнитной проницаемости. Показывает отличие силы взаимодействия в сравнении с процессом, идущим в вакууме. Согласно такому подходу, материалы формируют три группы:

1. Парамагнетики немного усиливают напряженность Н, индукция магнитного поля немного больше, нежели в вакууме. Вещества теряют приобретенные в результате взаимодействия свойства так скоро, как пропадает источник изменений.
2. Диамагнетики ослабляют действие поля. Напряженность Н выше индукции В. Класс веществ включает: поваренную соль, нафталин, висмут. Поле ослабляется, магнитная восприимчивость отрицательная.
3. Ферромагнетики многократно усиливают напряженность, индукция намного превышает H. По этой причине идут на изготовление сердечников трансформаторов.

Теперь поясним: напряженность поля H характеризует свойства источника магнетизма, существует в любой среде. Индукция показывает способность явления индуцировать в проводниках ЭДС. Откуда произошло название. Хотя на практике индукция играет первостепенную роль, рассмотрение случаев с одновременным использованием разных сред удобно вести с позиций напряженности поля. Значение домножается величиной магнитной проницаемости среды.

Кстати, Майкл Фарадей, не зная фактов, выбрал для удачного опыта с тороидальным трансформатором ферромагнетик (мягкая сталь). Благодаря этому удачно удалось зафиксировать явление индукции. Оно имеет место быть в воздухе, но не так заметно. Ферромагнетик умножает многократно способность поля индуцировать отклик в виде ЭДС вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент проницаемости некоторых материалов составляет тысячи единиц.

Законы, связанные с магнитной индукцией

На чертежах условились линии магнитного поля наносить тем плотнее, чем выше индукция. На единицу площади (например, квадратный сантиметр) приходится столько, каково значение физической величины в Тл. Помогает визуально оценить плотность поля. Количество линий, охваченных площадью фигуры, отражает величину работы по перемещению в пределах нее электрического заряда. Тезис отражен законом Фарадея (см. рис.), где фигурирует величина плотности магнитной индукции, измеряемой веберами.

Законы и феномены, связанные с индукцией магнитного поля

Магнитная индукция и индукция магнитного поля выступают словами-синонимами. Параметр характеризует свойства источника и атрибуты среды. Следовательно, пора рассмотреть законы, связанные с явлением. Первое приходящее на ум – полистать учебник физики, верим, что читатели смогут сделать индивидуально. Предлагаем рассмотреть феномен, прошедший незамеченным Википедией и некоторыми учебниками физики, большинством.

Магнитные полюса Земли прямо противоположны истинным. Дело не в том, что магнитные полюса отклонены от географических. Нет! Прямо противоположны по местоположению полюсам, с которыми оперирует физика. Поэтому какой учебник ни возьми, везде стрелка компаса указывает на юг. Хотя авторы стараются исключить картинки, по которым можно было бы однозначно установить. Посмотрим две из них (фото Курс физики Жданова Л.С. и Мараджаняна В.А.):

1. На первой видно: стрелка компаса отслеживает северным полюсом направление поля.
2. Вторая демонстрирует правило левой руки, одновременно замечаем: поле направлено с севера на юг.

Магнитные полюсы глазами физиков

Отыскивается иллюстрация, отчетливо показывающая: на юг смотрит северный конец ферромагнетика. Истинный северный полюс находится не в Арктике, как привыкли думать, на просторах Антарктиды. Очередное противоречие физики, второе заключается в предположении, что ток образуют положительные заряды. Хотелось бы сегодня сделать еще один доклад.

Магнитные полюсы Земли периодически меняются местами!

Да, они это делают, последняя смена была порядка 780000 лет назад (сведения получены на основании анализа горных пород). Хотя иногда процесс происходил чаще. В августе 1999 года началась Эпоха Водолея, вместе с ней грядет очередная смена полюсов. За век вплоть до этой даты магнитный северный полюс смещался ежегодно на 10 км, к началу 2000-х – на целых 50. Цифра постоянно растет. Среди ученых кругов имеются паникеры, утверждающие: переполюсовка каждый раз вызывает крах биосферы: якобы, так погибли динозавры.

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

Изменениями Солнца провоцируются магнитные бури. Природный катаклизм, когда стрелка компаса начинает вести себя непредсказуемо. У поля имеются 11 и 100-летний циклы, мало влияют на погоду, потому незаметны большей части человечества. Скептикам ответим: магнитное поле выступает единственной защитой человечества против действия космического излучения, всерьез пора подумать о сохранности  планеты. Особенно сильно пострадает озоновый слой, 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 проблемой занялся Эрстед (спутник). Необходимость запуска вызвана приходом Эпохи Водолея и описанными выше событиями. Пока исследованием магнитного щита Земли занимается спутниковая группировка Swarm. Считается, что изменения спровоцированы колебаниями состава ядра планеты, ученые хотят найти точные зависимости. После полугода работы (начало 2014 года) результаты исследований стали вызывать озабоченность: магнитное поле ослабевает, меняет конфигурацию.