Кто впервые с помощью магнитного поля. Электромагнитное поле - история открытия и физические свойства

Один из первых рисунков магнитного поля (Рене Декарт, 1644). Хотя магниты и магнетизм были известны гораздо раньше, изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский ученый Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя, Уильям Гильберт Колчестер использовал труд Петра Перегрина и впервые определённо заявил, что сама Земля является магнитом. Опубликованная в 1600 году, работа Гилберта «De Magnete» , заложила основы магнетизма как науки.

В 1750 году Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются в соответствии с законом обратных квадратов. Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально проверил это утверждение в 1785 году и прямо заявил, что Северный и Южный полюс не могут быть разделены. Основываясь на этой силе, существующей между полюсами, Симеон Дени Пуассон, (1781-1840) создал первую успешную модель магнитного поля, которую он представил в 1824 году. В этой модели магнитное H-поле производится магнитными полюсами и магнетизм происходит из-за нескольких пар (север/юг) магнитных полюсов (диполей).

Три открытия подряд бросили вызов этой «основе магнетизма». Во-первых, в 1819 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле вокруг себя. Затем, в 1820 году, Андре-Мари Ампер показал, что параллельные провода, по которым идёт ток в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу. Наконец, Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году открыли закон, названный законом Био-Савара-Лапласа, который правильно предсказывал магнитное поле вокруг любого провода, находящегося под напряжением.

Расширив эти эксперименты, Ампер издал свою собственную успешную модель магнетизма в 1825 году. В ней он показал эквивалентность электрического тока в магнитах, и вместо диполей магнитных зарядов модели Пуассона, предложил идею, что магнетизм связан с постоянно текущими петлями тока. Эта идея объясняла, почему магнитный заряд не может быть изолирован. Кроме того, Ампер вывел закон, названный его именем, который, как и закон Био-Савара-Лапласа, правильно описал магнитное поле, создаваемое постоянным током, а также была введена теорема о циркуляции магнитного поля. Кроме того, в этой работе, Ампер ввел термин «электродинамика» для описания взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, когда он обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электричество. Он создал определение этого феномена, которое известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Позже Франц Эрнст Нейман доказал, что для движущегося проводника в магнитном поле, индукция является следствием действия закона Ампера. При этом он ввел векторный потенциал электромагнитного поля который, как позднее было показано, был эквивалентен основному механизму, предложенному Фарадеем. В 1850 году лорд Кельвин, тогда известный как Уильям Томсон, различие между двумя магнитными полями обозначил как поля H и B . Первое было применимо к модели Пуассона, а второе - к модели индукции Ампера. Кроме того, он вывел как H и B связаны друг с другом. Между 1861 и 1865 годами Джеймс Клерк Максвелл разработал и опубликовал уравнения Максвелла, которые объяснили и объединили электричество и магнетизм в классической физике. Первая подборка этих уравнений была опубликована в статье в 1861 году, озаглавленной «On Physical Lines of Force» . Эти уравнения были признаны действительными, хотя и неполными. Максвелл завершил свои уравнения в своей более поздней работе 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля» и определил, что свет представляет собой электромагнитные волны. Генрих Герц экспериментально подтвердил этот факт в 1887 году. Хотя подразумеваемая в законе Ампера сила магнитного поля движущегося электрического заряда не была явно заявлена, в 1892 году Хендрик Лоренц вывел её из уравнений Максвелла. При этом классическая теория электродинамики была в основном завершена.

Двадцатый век расширил взгляды на электродинамику, благодаря появлению теории относительности и квантовой механики. Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года, где была обоснована его теория относительности, показал, что электрические и магнитные поля являются частью одного и того же явления, рассматриваемого в разных системах отсчета - мысленный эксперимент, который в конечном итоге помог Эйнштейну в разработке специальной теории относительности. Наконец, квантовая механика была объединена с электродинамикой для формирования квантовой электродинамики (КЭД).

Простые вещи всегда имеют сложную историю. Узнаем подробнее, что же скрывает в себе магнит?

Магнит в Древнем мире

Первые залежи магнетита были обнаружены на территории современной Греции, в области Магнисия . Так и получилось название «магнит»: сокращение от «камень из Магнисии». Кстати, сама область называется по племени магнетов, а те, в свои очередь, берут своё имя у мифического героя Магнета, сына бога Зевса и Фии.

Конечно, такое прозаическое объяснение происхождения названия не удовлетворило людские умы. И была придумана легенда о пастухе по имени Магнус. Рассказывали, что он странствовал со своими овцами и вдруг обнаружил, что железный наконечник его посоха и гвозди в его башмаках прилипают к странному чёрному камню. Так был открыт магнит.

Интересный факт из истории магнитов . Прах пророка Магомета хранится в железном сундуке и находится в пещере с магнитным потолком, из-за чего сундук постоянно висит в воздухе без дополнительных опор. Правда, убедиться в этом может лишь правоверный мусульманин, совершающий паломничество в храм Каабы. А вот древние языческие жрецы частенько использовали этот приём для явления чуда.

Магнит в природе: Куржункульское железорудное месторождение, Казахстан

Эксперимент "гроб Магомета"

История магнитов в Древней Америке

Не стоит забывать, что древнейшая история развивалась на нескольких континентах. Магнит в Центральной Америке был известен, пожалуй, ещё раньше, чем в Евразии. На территории современной Гватемалы были найдены «толстые мальчики» - символ сытости и плодородия – сделанные из магнитных пород.

Индейцы делали изображения черепах с магнитной головой. Поскольку черепаха умеет ориентироваться по сторонам света, это было символично.

"Толстые мальчики" из магнитных пород

Магнит в Средние века

Использовать магнит как указатель сторон света догадались в Китае, но никто не проводил теоретических исследований на эту тему.

А вот научные труды европейских средневековых учёных не обошли магнит стороной. В 1260 году Марко Поло привёз магнит из Китая в Европу – и понеслось. Пётр Перегрин в 1296 году издал «Книгу о магните», где было описано такое свойство магнита, как полярность . Пётр установил, что полюса магнита могут притягиваться и отталкиваться.

В 1300 году Иоанн Жира создал первый компас , облегчив жизнь путешественникам и мореплавателям. Впрочем за честь считаться изобретателям компаса борется несколько учёных. Например, итальянцы свято уверены, что первым изобрёл компас их соотечественник Флавио Джойя.

В 1600 труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов» английского врача Уильяма Гильберта расширил границы знаний об этом предмете. Стало известно, что нагревание способно ослабить магнит, а железная арматура может усилить полюса. Так же оказалось, что сама Земля является огромным магнитом.

Кстати, любопытно, откуда взялось название «магнитная буря» . Оказывается, бывают дни, когда стрелка компаса перестаёт указывать на север, а начинает беспорядочно кружиться. Это может продолжаться несколько часов или даже несколько суток. Поскольку первыми данный феномен обнаружили моряки, то и окрестили явление красиво – магнитной бурей.

Магнит в Новое время и наши дни

Настоящий прорыв произошёл в 1820 году. Как всякие великие открытия, и это произошло случайно. Просто преподаватель в университете, Ганс Христиан Эрстед, на лекции решил продемонстрировать студентам, что между электричеством и магнитом нет никакой связи, они не влияют друг на друга. Для этого физик включил электрический ток рядом с магнитной стрелкой. Велик же был его шок, когда стрелка отклонилась! Это позволило открыть связь электричества и магнитных полей . Так наука сделал огромный рывок вперёд.

Магнитное поле Магнитный феномен впервые наблюдался по крайне мере 2500 лет назад Компас - около 4500 лет назад

Магниты Было замечено, что если поднести к куску не намагниченного железа постоянный (природный) магнит, то железо тоже становиться намагниченным. После удаления магнита намагнитившийся под его действием кусок железа или стали теряет значительную часть своих магнитных свойств, но все же остается в большей или меньшей мере намагниченным. Он превращается, таким образом, в искусственный магнит, обладающий всеми теми же свойствами, что и магнит естественный

Магнитное поле S N N F F ученые предлагали ввести понятия магнитного заряда, как северный и южный заряд, аналогично полюсам магнита. Однако экспериментально не было получено доказательств существования изолированных магнитных зарядов, которые называются магнитным монополем F F S S N N S N S S N N N S S N S F F

Опыт Эрстеда N E W S в 19 веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом. n опыты Эрстеда. n Из этих опытов следовало, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку N E W S

Часть II МАГНЕТИЗМ, ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА, АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Магнитное поле и его характеристики Важнейшей особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока в нем. В качестве положительного направления нормали принимается направление, связанное с током правилом правого винта.

(33. 1) (33. 2) Магнитная индукция B в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом Mmax, действующим на рамку с магнитным моментом pm, равным единице, когда нормаль к рамке n перпендикулярна направлению поля. (33. 3)

Сила Ампера (1/2) Одним из важных примеров магнитного взаимодействия токов является взаимодействие параллельных токов. эти явления были экспериментально установлены Ампером. Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.

§ 37 Действие магнитного поля на движущийся заряд Сила, действующая на электрический заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v, называется силой Лоренца и выражается формулой (37. 1) Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки. (37. 2) – формула Лоренца

Движение заряженных частиц в магнитном поле 3. – частица движется по прямой, вдоль векрора В Работа силы Лоренца равна нулю

Масс-спектрометр масс-спектрометры – устройства с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов Современные масс-спектрометры позволяют измерять массы заряженных частиц с точностью выше 10– 4

Ускорители заряженных частиц Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетических заряженных частиц. Ускорители по времени действия бывают непрерывные и импульсные. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. 1. Линейный ускоритель: , электрическое поле – постоянно 2. Линейно-резонансный: , электрическое поле – переменное 3. Циклотрон: , ограничения релятивистским эффектом

4. Фазотрон: E – изменяется, 5. Синхротрон: , – изменяется, 6. Синхрофазотрон: и – изменяются, 7. Бетатрон: – вихревое,

Эффект Холла – это возникновение в металлах (или полупроводника) с током плотностью, помещенных в магнитное поле, электрического поля в направлении перпендикулярном и.

§ 41 Циркуляция вектора магнитной индукции для магнитного поля в вакууме Циркуляцией вектора магнитной индукции по заданному контуру называется интеграл Закон полного тока: циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной 0 на алгебраическую сумму токов, охватываемую этим контуром (41. 1) Циркуляция вектора магнитной индукции не равна нулю, следовательно, магнитное поле будет вихревым.

Магнитное поле соленоида и тороида На участках AB и CD На участке вне соленоида (42. 1) (42. 2)

Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для магнитного поля Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку d. S называется скалярная физическая величина, равная (43. 1)

Теорема Гаусса для магнитного поля: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю. (43. 3) В природе нет магнитных зарядов

Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле (44. 1) Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником.

(44. 2) (44. 3) (44. 4) (44. 5) (44. 6) Работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром.

Явления электромагнитной индукции В 1831 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции 1. Направления отклонения стрелки в момент вдвигания и выдвигания магнита противоположны. 2. Отклонения стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. 3. При изменении полюсов магнита Опыт № 1 направление отклонения стрелки изменяется. В замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.

Опыт № 2 1. Отклонения стрелки гальванометра наблюдается в момент вклю чения или выключения тока, в момент его увеличения или умень шения или при перемещении катушек друг относительно друга. 2. Направления отклонения стрелки гальванометра также противоположны при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, сближении и удалении катушек.

Вывод № 1: Индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции (например, при повороте в однородном магнитном поле проводящего контура). Вывод № 2: Значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. Значения открытия Фарадея 1. Была доказана возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. 2. Была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило дальнейшим толчком для разработки теории электромагнитного поля.

Закон Фарадея Закон электромагнитной индукции Фарадея: каковы бы ни были причины изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э. Д. С равна (46. 1) Закон Фарадея: Э. Д. С электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Вращение рамки в магнитном поле (47. 1) (47. 2) Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная Э. Д. С. , изменяющаяся по гармоническому закону.

Вихревые токи (Токи Фуко) Токи, возникающие в массивных сплошных проводниках и оказывающиеся замкнутыми в толще проводника, называются вихревыми или токами Фуко. Успокоение (демпфирование) подвижных частей различных приборов

Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Скин-эффект Метод поверхностной закалки металлов

Индуктивность контура. Самоиндукция (49. 1) (49. 2) Возникновение Э. Д. С. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией. (49. 3)

Токи при размыкании и замыкании цепи (50. 1) Время релаксации – это время, в течение которого какая-либо физическая величина уменьшается в e раз.

Взаимная индукция (51. 1) Явление возникновение Э. Д. С. в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимной индукцией. (51. 2)

Трансформаторы Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. (52. 1) (52. 2) (52. 3) – коэффициент трансформации

Магнитные свойства веществ Магнитные моменты электронов и атомов (54. 1) (54. 2) (54. 3) (54. 4)

Парамагнетики и диамагнетики Почти все вещества подчиняются зависимости могут быть разбиты на два класса: – – парамагнетики, в которых намагниченность вещества увеличивает суммарное магнитное поле; , они втягиваются в область сильного неоднородного магнитного поля. – диамагнетики, в которых намагниченность уменьшает суммарное поле; диамагнетики выталкиваются из области сильного неоднородного поля.

§ 56 Намагниченность. Магнитное поле в веществе Намагниченность – это величина магнитного момента единицы объема вещества (56. 1) (56. 2) (56. 3)

(56. 4) (56. 5) (56. 6) (56. 7) (56. 8) Парамагнетики μ = 1, 000072 Диамагнетики μ = 0, 9999967 Ферромагнетики μ >> 1

(56. 9) (56. 10) Формула (56. 10) представляет собой теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля.

Ферромагнетики и их свойства Ферромагнетики – это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже в отсутствии внешнего магнитного поля. 1. Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества.

4. Гистерезис точка насыщения остаточная индукция коэрцитивная сила точка насыщения 5. Точка Кюри – температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком.

Для железа эта температура Кюри равна 768 С, а для никеля – 365 С. Переход ферромагнетиков в парамагнитное состояние является фазовым переходом II рода. 6. Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции.

Природа ферромагнетизма. Теория ферромагнетизма П. Вейсса Ферромагнетики ниже точки Кюри разбиваются на большое число малых микроскопических областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. Линейные размеры доменов равны 10 -4 10 -2 см.

Электромагнитные колебания и волны Свободные гармонические колебания в колебательном контуре Колебательный контур – цепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R.

Экспериментальное получение электромагнитных волн Частота волны, Гц Источник излучения 103 – 10– 4 3 105 – 3 1012 Колебательный контур Вибратор Герца Массовый излучатель Ламповый генератор Световые волны: Инфракрасное излучение 5 10– 4 – 8 10– 7 6 1011 – 3, 75 1014 Видимый свет 8 10– 7 – 4 10– 7 3, 75 1014 – 7, 5 1014 4 10– 7 – 10– 9 7, 5 1014 – 3 1017 2 10– 9 – 6 10– 12 1, 5 1017 – 5 1019 Вид излучения Радиоволны Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение –излучение Длина волны, м 5∙ 1019 Лампы Лазеры Трубка Рентгена Космические лучи Радиоактивный распад Ядерные процессы Космические процессы

Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным; т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле. Теория Максвелла позволила предсказать существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.