Was versteht man unter magnetischen Feldlinien? Themen des Einheitlichen Staatsexamen-Kodifizierers: Wechselwirkung von Magneten, Magnetfeld eines Leiters mit Strom

Wenn zwei parallele Leiter an elektrischen Strom angeschlossen werden, ziehen sie sich an oder stoßen sich ab, abhängig von der Richtung (Polarität) des angeschlossenen Stroms. Dies wird durch das Phänomen der Entstehung einer besonderen Art von Materie um diese Leiter herum erklärt. Diese Materie wird als magnetisches Feld (MF) bezeichnet. Magnetkraft ist die Kraft, mit der Leiter aufeinander wirken.

Die Theorie des Magnetismus entstand in der Antike, in der antiken Zivilisation Asiens. In den Bergen von Magnesia fanden sie einen besonderen Stein, dessen Stücke sich gegenseitig anziehen konnten. In Anlehnung an den Ortsnamen wurde dieser Felsen „magnetisch“ genannt. Ein Stabmagnet enthält zwei Pole. Seine magnetischen Eigenschaften sind an den Polen besonders ausgeprägt.

Ein an einem Faden hängender Magnet zeigt mit seinen Polen die Seiten des Horizonts. Seine Pole werden nach Norden und Süden gedreht. Das Kompassgerät funktioniert nach diesem Prinzip. Gegensätzliche Pole zweier Magnete ziehen sich an und gleiche Pole stoßen sich ab.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass eine magnetisierte Nadel, die sich in der Nähe eines Leiters befindet, abgelenkt wird, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Dies deutet darauf hin, dass um ihn herum ein MP gebildet wird.

Das Magnetfeld beeinflusst:

Elektrische Ladungen bewegen.
Als Ferromagnete bezeichnete Stoffe: Eisen, Gusseisen und deren Legierungen.

Permanentmagnete sind Körper, die ein gemeinsames magnetisches Moment geladener Teilchen (Elektronen) haben.

1 - Südpol des Magneten
2 - Nordpol des Magneten
3 – MP am Beispiel von Metallspänen
4 - Magnetfeldrichtung

Kraftlinien entstehen, wenn sich ein Permanentmagnet einem Blatt Papier nähert, auf das eine Schicht Eisenspäne gegossen ist. Die Abbildung zeigt deutlich die Lage der Pole mit ausgerichteten Kraftlinien.

Magnetfeldquellen

• Elektrisches Feld verändert sich im Laufe der Zeit.
• Mobilfunkgebühren.
• Permanentmagnete.

Seit unserer Kindheit sind wir mit Permanentmagneten vertraut. Sie wurden als Spielzeug verwendet, das verschiedene Metallteile anzog. Sie wurden am Kühlschrank befestigt und in verschiedene Spielzeuge eingebaut.

In Bewegung befindliche elektrische Ladungen haben im Vergleich zu Permanentmagneten meist mehr magnetische Energie.

Eigenschaften

• Das Hauptunterscheidungsmerkmal und die Eigenschaft des Magnetfelds ist die Relativität. Wenn Sie einen geladenen Körper in einem bestimmten Bezugssystem bewegungslos lassen und eine Magnetnadel in der Nähe platzieren, zeigt er nach Norden und „spürt“ gleichzeitig kein Fremdfeld außer dem Feld der Erde . Und wenn Sie beginnen, einen geladenen Körper in die Nähe des Pfeils zu bewegen, erscheint um den Körper herum ein MP. Dadurch wird deutlich, dass der MF nur dann gebildet wird, wenn sich eine bestimmte Ladung bewegt.
• Ein Magnetfeld kann elektrischen Strom beeinflussen und beeinflussen. Es kann durch die Überwachung der Bewegung geladener Elektronen nachgewiesen werden. In einem Magnetfeld werden geladene Teilchen abgelenkt, Leiter mit fließendem Strom bewegen sich. Der Rahmen mit angeschlossener Stromversorgung beginnt sich zu drehen und die magnetisierten Materialien bewegen sich eine bestimmte Strecke. Die Kompassnadel ist meist blau gefärbt. Es ist ein Streifen aus magnetisiertem Stahl. Der Kompass zeigt immer nach Norden, da die Erde ein Magnetfeld hat. Der gesamte Planet ist wie ein großer Magnet mit seinen eigenen Polen.

Das Magnetfeld wird von menschlichen Organen nicht wahrgenommen und kann nur durch spezielle Geräte und Sensoren erfasst werden. Es gibt ihn in variabler und permanenter Ausführung. Das Wechselfeld wird meist durch spezielle Induktoren erzeugt, die mit Wechselstrom betrieben werden. Ein konstantes Feld wird durch ein konstantes elektrisches Feld gebildet.

Regeln

Betrachten wir die Grundregeln für die Darstellung des Magnetfelds für verschiedene Leiter.

Gimlet-Regel

Die Kraftlinie wird in einer Ebene dargestellt, die in einem Winkel von 90 0 zum Stromflussweg liegt, sodass die Kraft in jedem Punkt tangential zur Linie gerichtet ist.

Um die Richtung der magnetischen Kräfte zu bestimmen, müssen Sie sich die Regel eines Bohrers mit Rechtsgewinde merken.

Der Bohrer muss auf der gleichen Achse wie der aktuelle Vektor positioniert sein, der Griff muss gedreht werden, damit sich der Bohrer in seine Richtung bewegt. In diesem Fall wird die Ausrichtung der Linien durch Drehen des Bohrergriffs bestimmt.

Ring-Gimlet-Regel

Die translatorische Bewegung des Bohrers in einem ringförmigen Leiter zeigt, wie die Induktion ausgerichtet ist; die Drehung fällt mit dem Stromfluss zusammen.

Die Kraftlinien haben ihre Fortsetzung im Inneren des Magneten und können nicht offen sein.

Das Magnetfeld verschiedener Quellen addiert sich gegenseitig. Dadurch schaffen sie ein gemeinsames Feld.

Magnete mit gleichen Polen stoßen sich ab, Magnete mit unterschiedlichen Polen ziehen sich an. Der Wert der Wechselwirkungsstärke hängt vom Abstand zwischen ihnen ab. Bei Annäherung der Pole nimmt die Kraft zu.

Magnetfeldparameter

• Strömungskopplung ( Ψ ).
• Magnetischer Induktionsvektor ( IN).
• Magnetischer Fluss ( F).

Die Stärke des Magnetfeldes errechnet sich aus der Größe des magnetischen Induktionsvektors, der von der Kraft F abhängt und durch den Strom I entlang eines Leiters mit einer Länge gebildet wird l: B = F / (I * l).

Die magnetische Induktion wird in Tesla (T) gemessen, zu Ehren des Wissenschaftlers, der die Phänomene des Magnetismus untersucht und an deren Berechnungsmethoden gearbeitet hat. 1 T entspricht der magnetischen Flussinduktionskraft 1 N ausführlich 1m gerader Leiter im Winkel 90 0 zur Richtung des Feldes, bei einem fließenden Strom von einem Ampere:

1 T = 1 x H / (A x m).

Regel der linken Hand

Die Regel ermittelt die Richtung des magnetischen Induktionsvektors.

Wenn die Handfläche der linken Hand so in das Feld gelegt wird, dass die magnetischen Feldlinien im Winkel von 90° vom Nordpol in die Handfläche eintreten, und 4 Finger entlang des Stromflusses platziert werden, zeigt der Daumen die Richtung der Magnetkraft an.

Steht der Leiter in einem anderen Winkel, hängt die Kraft direkt vom Strom und der Projektion des Leiters auf die Ebene im rechten Winkel ab.

Die Kraft ist unabhängig von der Art des Leitermaterials und seinem Querschnitt. Wenn kein Leiter vorhanden ist und sich die Ladungen in einem anderen Medium bewegen, ändert sich die Kraft nicht.

Wenn der Magnetfeldvektor in eine Richtung einer Größe gerichtet ist, wird das Feld als gleichmäßig bezeichnet. Unterschiedliche Umgebungen beeinflussen die Größe des Induktionsvektors.

Magnetischer Fluss

Die magnetische Induktion, die durch eine bestimmte Fläche S verläuft und durch diese Fläche begrenzt wird, ist ein magnetischer Fluss.

Wenn die Fläche in einem bestimmten Winkel α zur Induktionslinie geneigt ist, verringert sich der magnetische Fluss um die Größe des Kosinus dieses Winkels. Sein größter Wert entsteht, wenn die Fläche im rechten Winkel zur magnetischen Induktion steht:

F = B * S.

Der magnetische Fluss wird in einer Einheit wie gemessen „Weber“, was gleich dem Induktionsfluss der Größe ist 1 T nach Fläche in 1 m2.

Flussverknüpfung

Dieses Konzept wird verwendet, um einen allgemeinen Wert des magnetischen Flusses zu erzeugen, der aus einer bestimmten Anzahl von Leitern erzeugt wird, die sich zwischen den Magnetpolen befinden.

In dem Fall, wo der gleiche Strom ICH Durch eine Wicklung mit einer Windungszahl n fließt der gesamte magnetische Fluss, der durch alle Windungen gebildet wird, die Flussverkettung.

Flussverknüpfung Ψ gemessen in Webers und entspricht: Ψ = n * Ф.

Magnetische Eigenschaften

Die magnetische Permeabilität bestimmt, um wie viel das Magnetfeld in einem bestimmten Medium niedriger oder höher als die Feldinduktion im Vakuum ist. Ein Stoff wird als magnetisiert bezeichnet, wenn er ein eigenes Magnetfeld erzeugt. Wenn ein Stoff in ein Magnetfeld gebracht wird, wird er magnetisiert.

Wissenschaftler haben herausgefunden, warum Körper magnetische Eigenschaften erwerben. Nach der Hypothese der Wissenschaftler gibt es im Inneren von Substanzen mikroskopisch kleine elektrische Ströme. Ein Elektron hat ein eigenes magnetisches Moment, das Quantennatur ist und sich in Atomen entlang einer bestimmten Umlaufbahn bewegt. Es sind diese kleinen Ströme, die die magnetischen Eigenschaften bestimmen.

Wenn sich die Ströme zufällig bewegen, kompensieren sich die von ihnen verursachten Magnetfelder selbst. Durch das äußere Feld werden die Ströme geordnet, sodass ein Magnetfeld entsteht. Dies ist die Magnetisierung der Substanz.

Verschiedene Stoffe lassen sich nach den Eigenschaften ihrer Wechselwirkung mit Magnetfeldern einteilen.

Sie sind in Gruppen unterteilt:

Paramagnete– Stoffe, die Magnetisierungseigenschaften in Richtung eines äußeren Feldes aufweisen und ein geringes Magnetismuspotential aufweisen. Sie haben eine positive Feldstärke. Zu diesen Substanzen gehören Eisenchlorid, Mangan, Platin usw.
Ferrimagnete– Stoffe mit magnetischen Momenten, die in Richtung und Wert unausgeglichen sind. Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein eines unkompensierten Antiferromagnetismus aus. Feldstärke und Temperatur beeinflussen ihre magnetische Suszeptibilität (verschiedene Oxide).
Ferromagnete– Substanzen mit erhöhter positiver Suszeptibilität, je nach Spannung und Temperatur (Kristalle aus Kobalt, Nickel usw.).
Diamagnete– haben die Eigenschaft einer Magnetisierung in entgegengesetzter Richtung zum äußeren Feld, also einen negativen Wert der magnetischen Suszeptibilität, unabhängig von der Intensität. Ohne Feld besitzt dieser Stoff keine magnetischen Eigenschaften. Zu diesen Stoffen gehören: Silber, Wismut, Stickstoff, Zink, Wasserstoff und andere Stoffe.
Antiferromagnete – ein ausgeglichenes magnetisches Moment haben, was zu einem geringen Magnetisierungsgrad des Stoffes führt. Beim Erhitzen kommt es zu einem Phasenübergang des Stoffes, bei dem paramagnetische Eigenschaften auftreten. Wenn die Temperatur unter einen bestimmten Grenzwert fällt, treten diese Eigenschaften nicht auf (Chrom, Mangan).

Die betrachteten Magnete werden außerdem in zwei weitere Kategorien eingeteilt:

Weichmagnetische Materialien . Sie haben eine niedrige Koerzitivfeldstärke. In Magnetfeldern geringer Leistung können sie gesättigt werden. Beim Ummagnetisierungsprozess erleiden sie geringfügige Verluste. Daher werden solche Materialien zur Herstellung von Kernen elektrischer Geräte verwendet, die mit Wechselspannung betrieben werden (Generator).
Hartmagnetisch Material. Sie haben eine erhöhte Zwangskraft. Um sie umzumagnetisieren, ist ein starkes Magnetfeld erforderlich. Solche Materialien werden bei der Herstellung von Permanentmagneten verwendet.

Die magnetischen Eigenschaften verschiedener Stoffe finden in technischen Projekten und Erfindungen Verwendung.

Magnetische Kreise

Eine Kombination mehrerer magnetischer Stoffe wird als magnetischer Kreis bezeichnet. Sie sind ähnlich und werden durch ähnliche Gesetze der Mathematik bestimmt.

Elektrische Geräte, Induktivitäten etc. funktionieren auf Basis magnetischer Kreise. Bei einem funktionierenden Elektromagneten fließt der Fluss durch einen Magnetkreis aus ferromagnetischem Material und Luft, die nicht ferromagnetisch ist. Die Kombination dieser Komponenten ist ein magnetischer Kreis. Viele elektrische Geräte enthalten in ihrer Konstruktion magnetische Kreise.

Ohne Zweifel sind magnetische Feldlinien mittlerweile jedem bekannt. Zumindest in der Schule wird ihre Ausprägung im Physikunterricht deutlich. Erinnern Sie sich, wie der Lehrer einen Permanentmagneten (oder sogar zwei, die die Ausrichtung ihrer Pole kombinierten) unter ein Blatt Papier legte und Metallspäne aus dem Arbeitsunterrichtsraum darauf schüttete? Es ist ganz klar, dass das Metall auf dem Blech gehalten werden musste, aber es wurde etwas Seltsames beobachtet – die Linien, entlang derer sich das Sägemehl aufreihte, waren deutlich zu erkennen. Bitte beachten – nicht gleichmäßig, sondern in Streifen. Das sind die magnetischen Feldlinien. Oder besser gesagt, ihre Manifestation. Was geschah dann und wie lässt sich das erklären?

Beginnen wir aus der Ferne. In der sichtbaren physischen Welt existiert mit uns eine besondere Art von Materie – ein Magnetfeld. Es sorgt für die Wechselwirkung bewegter Elementarteilchen oder größerer Körper, die eine elektrische Ladung oder natürliche elektrische Ladung besitzen und nicht nur miteinander verbunden sind, sondern sich häufig auch selbst erzeugen. Beispielsweise erzeugt ein Draht, durch den elektrischer Strom fließt, magnetische Feldlinien um sich herum. Das Gegenteil ist auch der Fall: Die Wirkung magnetischer Wechselfelder auf einen geschlossenen Stromkreis führt zu einer Bewegung der darin befindlichen Ladungsträger. Letztere Eigenschaft wird bei Generatoren genutzt, die alle Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Ein markantes Beispiel für elektromagnetische Felder ist Licht.

Die magnetischen Feldlinien um den Leiter rotieren oder sind, was auch zutrifft, durch einen Richtungsvektor der magnetischen Induktion gekennzeichnet. Die Drehrichtung wird durch die Bohrerregel bestimmt. Die angegebenen Linien sind eine Konvention, da sich das Feld gleichmäßig in alle Richtungen erstreckt. Die Sache ist, dass es in Form einer unendlichen Anzahl von Linien dargestellt werden kann, von denen einige eine ausgeprägtere Spannung aufweisen. Deshalb sind im Sägemehl bestimmte „Linien“ deutlich sichtbar. Interessanterweise werden die magnetischen Feldlinien nie unterbrochen, sodass es unmöglich ist, eindeutig zu sagen, wo der Anfang und das Ende ist.

Bei einem Permanentmagneten (oder einem ähnlichen Elektromagneten) gibt es immer zwei Pole, die üblicherweise Nord- und Südpole genannt werden. Die in diesem Fall erwähnten Linien sind Ringe und Ovale, die beide Pole verbinden. Manchmal wird dies mit der Wechselwirkung von Monopolen beschrieben, dann entsteht jedoch ein Widerspruch, wonach die Monopole nicht getrennt werden können. Das heißt, jeder Versuch, einen Magneten zu teilen, führt zum Auftreten mehrerer bipolarer Teile.

Die Eigenschaften von Feldlinien sind von großem Interesse. Wir haben bereits über Kontinuität gesprochen, aber von praktischem Interesse ist die Fähigkeit, einen elektrischen Strom in einem Leiter zu erzeugen. Das hat folgende Bedeutung: Wenn die leitende Kontur von Linien durchzogen wird (oder sich der Leiter selbst in einem Magnetfeld bewegt), wird den Elektronen in den Außenbahnen der Atome des Materials zusätzliche Energie verliehen, die ihnen dies ermöglicht Beginnen Sie mit einer unabhängigen gerichteten Bewegung. Man kann sagen, dass das Magnetfeld geladene Teilchen scheinbar aus dem Kristallgitter „herausschlägt“. Dieses Phänomen wird elektromagnetische Induktion genannt und ist derzeit die wichtigste Methode zur Gewinnung primärer elektrischer Energie. Es wurde 1831 vom englischen Physiker Michael Faraday experimentell entdeckt.

Die Erforschung von Magnetfeldern begann bereits im Jahr 1269, als P. Peregrinus die Wechselwirkung eines Kugelmagneten mit Stahlnadeln entdeckte. Fast 300 Jahre später vermutete W. G. Colchester, dass er selbst ein riesiger Magnet mit zwei Polen sei. Darüber hinaus wurden magnetische Phänomene von so berühmten Wissenschaftlern wie Lorentz, Maxwell, Ampere, Einstein usw. untersucht.

> Magnetische Feldlinien

So ermitteln Sie magnetische Feldlinien: Diagramm der Stärke und Richtung magnetischer Feldlinien, Verwendung eines Kompasses zur Bestimmung der Magnetpole, Zeichnung.

Magnetische Feldlinien Nützlich zur visuellen Anzeige der Stärke und Richtung eines Magnetfelds.

Lernziel

• Beziehen Sie die magnetischen Feldstärken auf die Dichte der magnetischen Feldlinien.

Hauptpunkte

• Die Magnetfeldrichtung zeigt Kompassnadeln an, die Magnetfeldlinien an einem bestimmten Punkt berühren.
• Die Stärke des B-Feldes ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Linien. Sie ist außerdem genau proportional zur Anzahl der Linien pro Flächeneinheit. Eine Linie kreuzt nie eine andere.
• Das Magnetfeld ist an jedem Punkt im Raum einzigartig.
• Die Linien werden nicht unterbrochen und bilden geschlossene Schleifen.
• Die Linien erstrecken sich vom Nord- bis zum Südpol.

Bedingungen

• Magnetische Feldlinien sind eine grafische Darstellung der Stärke und Richtung eines Magnetfelds.
• B-Feld ist ein Synonym für Magnetfeld.

Magnetische Feldlinien

Es heißt, dass Albert Einstein als Kind gern auf einen Kompass schaute und darüber nachdachte, wie die Nadel Kraft ohne direkten Körperkontakt spürte. Tiefes Nachdenken und ernsthaftes Interesse führten dazu, dass das Kind heranwuchs und seine eigene revolutionäre Relativitätstheorie entwickelte.

Da magnetische Kräfte Abstände beeinflussen, berechnen wir Magnetfelder, um diese Kräfte darzustellen. Liniengrafiken eignen sich zur Visualisierung der Stärke und Richtung eines Magnetfelds. Die Verlängerung der Linien gibt die Nordausrichtung der Kompassnadel an. Das magnetische Feld wird B-Feld genannt.

(a) – Wenn man mit einem kleinen Kompass das Magnetfeld um einen Stabmagneten vergleicht, zeigt er die richtige Richtung vom Nordpol zum Südpol an. (b) – Durch das Hinzufügen von Pfeilen entstehen kontinuierliche Magnetfeldlinien. Die Stärke ist proportional zur Nähe der Linien. (c) – Wenn Sie das Innere eines Magneten untersuchen können, erscheinen die Linien als geschlossene Schleifen

Es ist nichts Schwieriges, das Magnetfeld eines Objekts zu vergleichen. Berechnen Sie zunächst die Stärke und Richtung des Magnetfelds an mehreren Orten. Markieren Sie diese Punkte mit Vektoren, die in die Richtung des lokalen Magnetfelds zeigen, dessen Größe proportional zu seiner Stärke ist. Sie können die Pfeile kombinieren, um magnetische Feldlinien zu bilden. Die Richtung an jedem Punkt verläuft parallel zur Richtung der nächstgelegenen Feldlinien, und die lokale Dichte kann proportional zur Stärke sein.

Magnetische Feldlinien ähneln Höhenlinien auf topografischen Karten, weil sie etwas Kontinuierliches darstellen. Viele der Gesetze des Magnetismus lassen sich mit einfachen Konzepten formulieren, beispielsweise mit der Anzahl der Feldlinien durch eine Oberfläche.

Richtung magnetischer Feldlinien, dargestellt durch die Ausrichtung von Eisenspänen auf Papier über einem Stabmagneten

Die Darstellung von Linien wird durch verschiedene Phänomene beeinflusst. Beispielsweise erzeugen Eisenspäne auf einer magnetischen Feldlinie Linien, die magnetischen Linien entsprechen. Sie werden auch visuell in Polarlichtern dargestellt.

Ein kleiner Kompass, der in ein Feld geschickt wird, richtet sich parallel zur Feldlinie aus, wobei der Nordpol nach Osten zeigt.

Miniaturkompasse können zur Demonstration von Feldern verwendet werden. (a) – Das Magnetfeld einer kreisförmigen Stromschleife ähnelt einem magnetischen. (b) – Ein langer und gerader Draht bildet ein Feld mit magnetischen Feldlinien, die kreisförmige Schleifen erzeugen. (c) – Wenn sich der Draht in der Papierebene befindet, ragt das Feld senkrecht zum Papier hervor. Beachten Sie, welche Symbole für das nach innen und außen zeigende Kästchen verwendet werden

Eine detaillierte Untersuchung magnetischer Felder half bei der Ableitung einer Reihe wichtiger Regeln:

• Die Richtung des Magnetfeldes berührt die Feldlinie an jedem Punkt im Raum.
• Die Feldstärke ist proportional zur Nähe der Linie. Sie ist außerdem genau proportional zur Anzahl der Linien pro Flächeneinheit.
• Magnetische Feldlinien kollidieren nie, was bedeutet, dass das Magnetfeld an jedem Punkt im Raum einzigartig ist.
• Die Linien bleiben durchgehend und verlaufen vom Nord- zum Südpol.

Die letzte Regel basiert auf der Tatsache, dass die Pole nicht getrennt werden können. Und das unterscheidet sich von elektrischen Feldlinien, bei denen Ende und Anfang durch positive und negative Ladungen gekennzeichnet sind.

Themen des Einheitlichen Staatsexamen-Kodifikators: Wechselwirkung von Magneten, Magnetfeld eines Leiters mit Strom.

Die magnetischen Eigenschaften der Materie sind den Menschen seit langem bekannt. Magnete erhielten ihren Namen von der antiken Stadt Magnesia: In ihrer Nähe befand sich ein gewöhnliches Mineral (später magnetisches Eisenerz oder Magnetit genannt), dessen Stücke Eisengegenstände anzogen.

Magnetinteraktion

Auf zwei Seiten jedes Magneten befinden sich Nordpol Und Südpol. Zwei Magnete werden durch entgegengesetzte Pole zueinander angezogen und durch gleiche Pole abgestoßen. Auch im Vakuum können Magnete aufeinander einwirken! All dies ähnelt jedoch der Wechselwirkung elektrischer Ladungen Die Wechselwirkung von Magneten ist nicht elektrisch. Dies wird durch die folgenden experimentellen Fakten belegt.

Die Magnetkraft wird schwächer, wenn sich der Magnet erwärmt. Die Stärke der Wechselwirkung von Punktladungen hängt nicht von ihrer Temperatur ab.

Die Magnetkraft lässt nach, wenn der Magnet geschüttelt wird. Bei elektrisch geladenen Körpern passiert so etwas nicht.

Positive elektrische Ladungen können von negativen getrennt werden (zum Beispiel bei der Elektrifizierung von Körpern). Aber es ist unmöglich, die Pole eines Magneten zu trennen: Wenn man einen Magneten in zwei Teile schneidet, dann erscheinen auch Pole an der Schnittstelle, und der Magnet spaltet sich in zwei Magnete mit entgegengesetzten Polen an den Enden (die genau gleich ausgerichtet sind). wie die Pole des ursprünglichen Magneten).

Also Magnete Stets bipolar, sie existieren nur in der Form Dipole. Isolierte Magnetpole (genannt magnetische Monopole- Analoga der elektrischen Ladung) kommen in der Natur nicht vor (jedenfalls wurden sie noch nicht experimentell entdeckt). Dies ist vielleicht die auffälligste Asymmetrie zwischen Elektrizität und Magnetismus.

Magnete wirken wie elektrisch geladene Körper auf elektrische Ladungen. Allerdings wirkt der Magnet nur auf ziehen um Aufladung; Wenn die Ladung relativ zum Magneten ruht, wird die Wirkung der Magnetkraft auf die Ladung nicht beobachtet. Im Gegenteil, ein elektrifizierter Körper wirkt auf jede Ladung, unabhängig davon, ob er ruht oder sich bewegt.

Nach modernen Konzepten der Nahbereichstheorie erfolgt die Wechselwirkung von Magneten durch Magnetfeld Ein Magnet erzeugt nämlich im umgebenden Raum ein Magnetfeld, das auf einen anderen Magneten einwirkt und eine sichtbare Anziehung oder Abstoßung dieser Magnete bewirkt.

Ein Beispiel für einen Magneten ist Magnetnadel Kompass. Mit einer Magnetnadel können Sie das Vorhandensein eines Magnetfelds in einem bestimmten Raumbereich sowie die Richtung des Feldes beurteilen.

Unser Planet Erde ist ein riesiger Magnet. Nicht weit vom geografischen Nordpol der Erde entfernt befindet sich der magnetische Südpol. Daher zeigt das nördliche Ende der Kompassnadel, das sich zum magnetischen Südpol der Erde dreht, in den geografischen Norden. Daher stammt auch der Name „Nordpol“ eines Magneten.

Magnetische Feldlinien

Wir erinnern uns, dass das elektrische Feld mit kleinen Testladungen untersucht wird, anhand derer man die Größe und Richtung des Feldes beurteilen kann. Das Analogon einer Testladung im Falle eines Magnetfeldes ist eine kleine Magnetnadel.

Sie können beispielsweise einen geometrischen Einblick in das Magnetfeld erhalten, indem Sie sehr kleine Kompassnadeln an verschiedenen Punkten im Raum platzieren. Die Erfahrung zeigt, dass sich die Pfeile entlang bestimmter Linien – den sogenannten – ausrichten magnetische Feldlinien. Definieren wir dieses Konzept in Form der folgenden drei Punkte.

1. Magnetische Feldlinien oder magnetische Kraftlinien sind gerichtete Linien im Raum, die die folgende Eigenschaft haben: Eine kleine Kompassnadel, die an jedem Punkt einer solchen Linie platziert wird, ist tangential zu dieser Linie ausgerichtet.

2. Als Richtung der Magnetfeldlinie gilt die Richtung der nördlichen Enden der Kompassnadeln, die sich an Punkten auf dieser Linie befinden.

3. Je dichter die Linien, desto stärker ist das Magnetfeld in einem bestimmten Raumbereich..

Eisenspäne können erfolgreich als Kompassnadeln dienen: In einem Magnetfeld werden kleine Feilspäne magnetisiert und verhalten sich genau wie Magnetnadeln.

Wenn wir also Eisenspäne um einen Permanentmagneten gießen, erhalten wir ungefähr das folgende Bild der Magnetfeldlinien (Abb. 1).

Reis. 1. Permanentmagnetfeld

Der Nordpol eines Magneten wird durch die Farbe Blau und den Buchstaben angezeigt; der Südpol - in Rot und der Buchstabe . Bitte beachten Sie, dass die Feldlinien den Nordpol des Magneten verlassen und in den Südpol eintreten: Schließlich ist das nördliche Ende der Kompassnadel auf den Südpol des Magneten gerichtet.

Oersteds Erfahrung

Obwohl elektrische und magnetische Phänomene den Menschen seit der Antike bekannt sind, konnte lange Zeit kein Zusammenhang zwischen ihnen beobachtet werden. Mehrere Jahrhunderte lang verlief die Erforschung von Elektrizität und Magnetismus parallel und unabhängig voneinander.

Die bemerkenswerte Tatsache, dass elektrische und magnetische Phänomene tatsächlich miteinander zusammenhängen, wurde erstmals 1820 entdeckt – im berühmten Experiment von Oersted.

Das Diagramm von Oersteds Experiment ist in Abb. dargestellt. 2 (Bild von der Website rt.mipt.ru). Über der Magnetnadel (und dem Nord- und Südpol der Nadel) befindet sich ein Metallleiter, der an eine Stromquelle angeschlossen ist. Schließt man den Stromkreis, dreht sich der Pfeil senkrecht zum Leiter!
Dieses einfache Experiment zeigte direkt den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Die Experimente, die auf Oersteds Experiment folgten, stellten das folgende Muster fest: Magnetfeld wird durch elektrische Ströme erzeugt und wirkt auf Ströme.

Reis. 2. Oersteds Experiment

Das Muster der von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldlinien hängt von der Form des Leiters ab.

Magnetfeld eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes

Die magnetischen Feldlinien eines geraden, stromdurchflossenen Drahtes sind konzentrische Kreise. Die Mittelpunkte dieser Kreise liegen auf dem Draht und ihre Ebenen stehen senkrecht zum Draht (Abb. 3).

Reis. 3. Feld eines geraden Drahtes mit Strom

Es gibt zwei alternative Regeln zur Bestimmung der Richtung der Vorwärtsmagnetfeldlinien.

Regel im Uhrzeigersinn. Die Feldlinien verlaufen gegen den Uhrzeigersinn, wenn man so schaut, dass der Strom auf uns zufließt.

Schraubenregel(oder Gimlet-Regel, oder Korkenzieherregel- das ist etwas, das jemandem näher steht ;-)). Die Feldlinien verlaufen dort, wo Sie die Schraube (bei einem normalen Rechtsgewinde) drehen müssen, damit sie sich entlang des Gewindes in Stromrichtung bewegt.

Verwenden Sie die Regel, die am besten zu Ihnen passt. Es ist besser, sich an die Uhrzeigerregel zu gewöhnen – Sie werden später selbst feststellen, dass sie universeller und einfacher anzuwenden ist (und sich dann im ersten Jahr, wenn Sie analytische Geometrie studieren, dankbar daran erinnern).

In Abb. 3 Es ist etwas Neues aufgetaucht: Dies ist ein Vektor namens Magnetfeldinduktion, oder magnetische Induktion. Der magnetische Induktionsvektor ist analog zum elektrischen Feldstärkevektor: Er dient Leistungscharakteristik Magnetfeld und bestimmt die Kraft, mit der das Magnetfeld auf bewegte Ladungen einwirkt.

Wir werden später über Kräfte in einem Magnetfeld sprechen, aber zunächst nur darauf hinweisen, dass die Größe und Richtung des Magnetfelds durch den magnetischen Induktionsvektor bestimmt wird. An jedem Punkt im Raum ist der Vektor in die gleiche Richtung gerichtet wie das nördliche Ende der an einem bestimmten Punkt platzierten Kompassnadel, nämlich tangential zur Feldlinie in Richtung dieser Linie. Die magnetische Induktion wird in gemessen Tesla(Tl).

Wie für das elektrische Feld gilt auch für die magnetische Feldinduktion: Prinzip der Superposition. Es liegt darin, dass Induktionen von Magnetfeldern, die an einem bestimmten Punkt durch verschiedene Ströme erzeugt werden, addieren sich vektoriell und ergeben den resultierenden Vektor der magnetischen Induktion:.

Magnetfeld einer Spule mit Strom

Stellen Sie sich eine kreisförmige Spule vor, durch die ein Gleichstrom zirkuliert. Die Quelle, die den Strom erzeugt, zeigen wir in der Abbildung nicht.

Das Bild der Feldlinien unserer Umlaufbahn wird ungefähr wie folgt aussehen (Abb. 4).

Reis. 4. Feld einer Spule mit Strom

Für uns wird es wichtig sein, bestimmen zu können, in welchen Halbraum (relativ zur Spulenebene) das Magnetfeld gerichtet ist. Auch hier haben wir zwei alternative Regeln.

Regel im Uhrzeigersinn. Die Feldlinien verlaufen dorthin, wenn man von dort aus betrachtet, dass der Strom entgegen dem Uhrzeigersinn zu zirkulieren scheint.

Schraubenregel. Die Feldlinien verlaufen dort, wo sich die Schraube (mit normalem Rechtsgewinde) bewegt, wenn sie in Stromrichtung gedreht wird.

Wie man sieht, verändern Strom und Feld ihre Rolle – im Vergleich zur Formulierung dieser Regeln für den Fall von Gleichstrom.

Magnetfeld einer Stromspule

Spule Es funktioniert, wenn Sie den Draht Windung für Windung fest aufwickeln und eine ausreichend lange Spirale bilden (Abb. 5 – Bild von en.wikipedia.org). Die Spule kann mehrere zehn, hundert oder sogar tausende Windungen haben. Die Spule wird auch genannt Magnet.

Reis. 5. Spule (Magnet)

Wie wir wissen, sieht das Magnetfeld einer Windung nicht sehr einfach aus. Felder? Einzelne Windungen der Spule überlagern sich, und es scheint, dass das Ergebnis ein sehr verwirrendes Bild sein sollte. Dies ist jedoch nicht der Fall: Das Feld einer langen Spule hat eine unerwartet einfache Struktur (Abb. 6).

Reis. 6. aktuelles Spulenfeld

In dieser Abbildung fließt der Strom in der Spule von links gesehen gegen den Uhrzeigersinn (dies geschieht, wenn in Abb. 5 das rechte Ende der Spule mit dem „Plus“ der Stromquelle und das linke Ende mit dem „Plus“ der Stromquelle verbunden ist. Minus"). Wir sehen, dass das Magnetfeld der Spule zwei charakteristische Eigenschaften hat.

1. Im Inneren der Spule, weit entfernt von ihren Rändern, befindet sich das Magnetfeld homogen: An jedem Punkt ist der magnetische Induktionsvektor in Größe und Richtung gleich. Feldlinien sind parallele Geraden; Sie biegen sich nur in der Nähe der Spulenränder, wenn sie herauskommen.

2. Außerhalb der Spule ist das Feld nahe Null. Je mehr Windungen die Spule hat, desto schwächer ist das Feld außerhalb.

Beachten Sie, dass eine unendlich lange Spule das Feld überhaupt nicht nach außen abgibt: Außerhalb der Spule gibt es kein Magnetfeld. Im Inneren einer solchen Spule ist das Feld überall gleichmäßig.

Erinnert Sie an nichts? Eine Spule ist das „magnetische“ Analogon eines Kondensators. Sie erinnern sich, dass ein Kondensator in seinem Inneren ein gleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt, dessen Linien sich nur in der Nähe der Plattenränder biegen, und dass das Feld außerhalb des Kondensators nahezu Null ist; Ein Kondensator mit unendlichen Platten gibt das Feld überhaupt nicht nach außen ab und das Feld ist überall im Inneren gleichmäßig.

Und jetzt - die wichtigste Beobachtung. Bitte vergleichen Sie das Bild der magnetischen Feldlinien außerhalb der Spule (Abb. 6) mit den magnetischen Feldlinien in Abb. 1 . Es ist dasselbe, nicht wahr? Und jetzt kommen wir zu einer Frage, die Ihnen wahrscheinlich schon seit langem im Kopf herumschwirrt: Wenn ein Magnetfeld durch Ströme erzeugt wird und auf Ströme einwirkt, was ist dann der Grund für das Auftreten eines Magnetfelds in der Nähe eines Permanentmagneten? Schließlich scheint dieser Magnet kein Stromleiter zu sein!

Amperes Hypothese. Elementarströme

Zunächst wurde angenommen, dass die Wechselwirkung von Magneten durch spezielle magnetische Ladungen erklärt wird, die an den Polen konzentriert sind. Aber im Gegensatz zur Elektrizität konnte niemand die magnetische Ladung isolieren; Schließlich war es, wie bereits erwähnt, nicht möglich, den Nord- und Südpol eines Magneten getrennt zu ermitteln – die Pole sind in einem Magneten immer paarweise vorhanden.

Zweifel an magnetischen Ladungen wurden durch Oersteds Experiment verschärft, als sich herausstellte, dass das Magnetfeld durch elektrischen Strom erzeugt wird. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass es für jeden Magneten möglich ist, einen Leiter mit einem Strom entsprechender Konfiguration auszuwählen, sodass das Feld dieses Leiters mit dem Feld des Magneten übereinstimmt.

Ampere stellte eine kühne Hypothese auf. Es gibt keine magnetischen Ladungen. Die Wirkung eines Magneten wird durch geschlossene elektrische Ströme in seinem Inneren erklärt.

Was sind das für Strömungen? Diese Elementarströme zirkulieren in Atomen und Molekülen; Sie sind mit der Bewegung von Elektronen entlang der Atombahnen verbunden. Das Magnetfeld eines jeden Körpers besteht aus den Magnetfeldern dieser Elementarströme.

Elementarströme können relativ zueinander zufällig angeordnet sein. Dann heben sich ihre Felder gegenseitig auf und der Körper weist keine magnetischen Eigenschaften auf.

Wenn die Elementarströme jedoch koordiniert angeordnet sind, verstärken sich ihre Felder gegenseitig. Der Körper wird zum Magneten (Abb. 7; das Magnetfeld wird auf uns gerichtet; der Nordpol des Magneten wird ebenfalls auf uns gerichtet).

Reis. 7. Elementarmagnetströme

Amperes Hypothese über Elementarströme verdeutlichte die Eigenschaften von Magneten. Durch Erhitzen und Schütteln eines Magneten wird die Ordnung seiner Elementarströme zerstört und die magnetischen Eigenschaften werden schwächer. Die Untrennbarkeit der Pole des Magneten ist offensichtlich geworden: An der Stelle, an der der Magnet durchtrennt wird, treten an den Enden die gleichen Elementarströme auf. Die Fähigkeit eines Körpers, in einem Magnetfeld magnetisiert zu werden, wird durch die koordinierte Ausrichtung von Elementarströmen erklärt, die sich richtig „drehen“ (lesen Sie im nächsten Blatt über die Rotation eines Kreisstroms in einem Magnetfeld).

Amperes Hypothese erwies sich als wahr – dies zeigte die Weiterentwicklung der Physik. Ideen über Elementarströme wurden zu einem integralen Bestandteil der Atomtheorie, die bereits im 20. Jahrhundert entwickelt wurde – fast hundert Jahre nach Amperes brillanter Vermutung.

Bereits im 6. Jahrhundert. Chr. In China war bekannt, dass einige Erze die Fähigkeit besitzen, sich gegenseitig anzuziehen und Eisengegenstände anzuziehen. Stücke solcher Erze wurden in der Nähe der Stadt Magnesia in Kleinasien gefunden, daher erhielten sie den Namen Magnete.

Wie interagieren Magnete und Eisengegenstände? Erinnern wir uns, warum elektrifizierte Körper angezogen werden? Denn in der Nähe einer elektrischen Ladung bildet sich eine besondere Form von Materie – ein elektrisches Feld. Um den Magneten herum befinde sich eine ähnliche Materieform, die jedoch einen anderen Ursprungscharakter habe (schließlich sei das Erz elektrisch neutral), heißt es Magnetfeld.

Zur Untersuchung des Magnetfeldes werden gerade oder hufeisenförmige Magnete verwendet. Bestimmte Stellen auf einem Magneten haben die größte Anziehungskraft, sie werden genannt Stangen(Norden und Süden). Entgegengesetzte Magnetpole ziehen sich an und stoßen sich wie Magnetpole ab.

Für die Stärkeeigenschaften des Magnetfeldes verwenden Sie Magnetfeldinduktionsvektor B. Das Magnetfeld wird grafisch anhand von Kraftlinien dargestellt ( magnetische Induktionslinien). Linien sind geschlossen, haben weder Anfang noch Ende. Der Ort, an dem magnetische Linien entstehen, ist der Nordpol; magnetische Linien treten am Südpol ein.

Mithilfe von Eisenspänen kann das Magnetfeld „sichtbar“ gemacht werden.

Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters

Und nun zu dem, was wir gefunden haben Hans Christian Oersted Und Andre Marie Ampere im Jahr 1820. Es stellt sich heraus, dass ein Magnetfeld nicht nur um einen Magneten herum existiert, sondern auch um jeden stromdurchflossenen Leiter. Jeder Draht, beispielsweise ein Lampenkabel, durch den elektrischer Strom fließt, ist ein Magnet! Ein stromführender Draht interagiert mit einem Magneten (versuchen Sie, einen Kompass in die Nähe zu halten), zwei stromführende Drähte interagieren miteinander.

Gleichstrom-Magnetfeldlinien sind Kreise um einen Leiter.

Richtung des magnetischen Induktionsvektors

Die Richtung des Magnetfelds an einem bestimmten Punkt kann als die Richtung definiert werden, die durch den Nordpol einer an diesem Punkt platzierten Kompassnadel angezeigt wird.

Die Richtung der magnetischen Induktionslinien hängt von der Stromrichtung im Leiter ab.

Die Richtung des Induktionsvektors wird nach der Regel bestimmt Handbohrer oder herrschen rechte Hand.

Magnetischer Induktionsvektor

Dies ist eine Vektorgröße, die die Kraftwirkung des Feldes charakterisiert.

Induktion des Magnetfeldes eines unendlichen geraden Leiters mit Strom im Abstand r davon:

Magnetfeldinduktion im Zentrum einer dünnen kreisförmigen Spule mit Radius r:

Magnetfeldinduktion Magnet(eine Spule, deren Windungen nacheinander Strom in eine Richtung leiten):

Prinzip der Superposition

Wenn ein Magnetfeld an einem bestimmten Punkt im Raum von mehreren Feldquellen erzeugt wird, ist die magnetische Induktion die Vektorsumme der Induktionen jedes einzelnen Feldes

Die Erde ist nicht nur eine große negative Ladung und eine Quelle eines elektrischen Feldes, sondern gleichzeitig ähnelt das Magnetfeld unseres Planeten dem Feld eines Direktmagneten von gigantischen Ausmaßen.

Der geografische Süden liegt in der Nähe des magnetischen Nordens und der geografische Norden liegt in der Nähe des magnetischen Südens. Wenn ein Kompass im Erdmagnetfeld platziert wird, ist sein Nordpfeil entlang der magnetischen Induktionslinien in Richtung des magnetischen Südpols ausgerichtet, zeigt uns also, wo der geografische Norden liegt.

Die charakteristischen Elemente des Erdmagnetismus verändern sich im Laufe der Zeit sehr langsam - weltliche Veränderungen. Von Zeit zu Zeit kommt es jedoch zu magnetischen Stürmen, bei denen das Erdmagnetfeld mehrere Stunden lang stark verzerrt wird und dann allmählich wieder auf seine vorherigen Werte zurückkehrt. Eine derart drastische Veränderung wirkt sich auf das Wohlbefinden der Menschen aus.

Das Erdmagnetfeld ist ein „Schutzschild“, der unseren Planeten vor aus dem Weltraum eindringenden Partikeln („Sonnenwind“) schützt. In der Nähe der Magnetpole kommen die Teilchenströme der Erdoberfläche viel näher. Bei starken Sonneneruptionen wird die Magnetosphäre deformiert und diese Partikel können in die oberen Schichten der Atmosphäre gelangen, wo sie mit Gasmolekülen kollidieren und Polarlichter bilden.

Eisendioxidpartikel auf Magnetfilmen werden während des Aufnahmevorgangs stark magnetisiert.

Magnetschwebebahnen gleiten völlig reibungsfrei über Oberflächen. Der Zug kann Geschwindigkeiten von bis zu 650 km/h erreichen.

Die Arbeit des Gehirns, das Pulsieren des Herzens wird von elektrischen Impulsen begleitet. In diesem Fall entsteht in den Organen ein schwaches Magnetfeld.