Lineas de fuerza campo magnético

Los campos magnéticos, como los eléctricos, se pueden representar gráficamente mediante líneas de fuerza. La línea del campo magnético, o la línea de inducción de un campo magnético, es una línea cuya tangente en cada punto coincide con la dirección del vector de inducción magnética del campo.

a)	B)	v)

Arroz. 1.2. Líneas de campo magnético de corriente continua (a),

corriente circular (b), solenoide (c)

Magnético lineas de fuerza además de eléctrico, no se crucen. Están dibujadas con tal densidad que el número de líneas que cruzan una unidad de superficie perpendicular a ellas es igual (o proporcional) al valor de la inducción magnética del campo magnético en un lugar determinado.

En la Fig. 1,2, a se muestran las líneas de fuerza del campo de corriente continua, que son círculos concéntricos, cuyo centro se encuentra en el eje de la corriente, y la dirección está determinada por la regla del tornillo derecho (la corriente en el conductor se dirige hacia el lector).

Las líneas de inducción magnética se pueden "desarrollar" con la ayuda de limaduras de hierro, magnetizadas en el campo investigado y comportándose como pequeñas flechas magnéticas. En la Fig. 1,2, B Se muestran las líneas de fuerza del campo magnético de corriente circular. El campo magnético del solenoide se muestra en la Fig. 1,2, v.

Las líneas del campo magnético están cerradas. Los campos con líneas de fuerza cerradas se denominan campos de vórtice... Obviamente, el campo magnético es un campo de vórtice. Ésta es la diferencia esencial entre un campo magnético y uno electrostático.

En un campo electrostático, las líneas de fuerza siempre están abiertas: comienzan y terminan con cargas eléctricas. Las líneas magnéticas de fuerza no tienen principio ni fin. Esto corresponde al hecho de que no existen cargas magnéticas en la naturaleza.

1.4. Ley de Bio-Savard-Laplace

Los físicos franceses J. Biot y F. Savard realizaron en 1820 un estudio de los campos magnéticos creados por las corrientes que fluyen a través de cables delgados. de varias formas... Laplace analizó los datos experimentales obtenidos por Biot y Savard y estableció una relación, que se denomina ley de Biot-Savard-Laplace.

De acuerdo con esta ley, la inducción de un campo magnético de cualquier corriente se puede calcular como la suma vectorial (superposición) de las inducciones de los campos magnéticos creados por secciones elementales individuales de la corriente. Para la inducción magnética del campo creado por un elemento actual de longitud, Laplace obtuvo la fórmula:

, (1.3)

donde es un vector, igual en valor absoluto a la longitud del elemento conductor y coincidente en dirección con la corriente (Fig. 1.3); - vector de radio dibujado desde el elemento hasta el punto en el que se determina; - el módulo del vector de radio.

Ya en el siglo VI. ANTES DE CRISTO. en China, se sabía que algunos minerales tienen la capacidad de atraerse entre sí y de atraer objetos de hierro. Se encontraron trozos de tales minerales cerca de la ciudad de Magnesia en Asia Menor, razón por la cual recibieron el nombre imanes.

¿Cómo interactúan el imán y los objetos de hierro? Recordemos por qué se atraen los cuerpos electrificados. Porque cerca de una carga eléctrica, se forma una forma peculiar de materia: un campo eléctrico. Existe una forma similar de materia alrededor del imán, pero tiene una naturaleza de origen diferente (después de todo, el mineral es eléctricamente neutro), se llama campo magnético.

Los imanes rectos o de herradura se utilizan para estudiar el campo magnético. Ciertos lugares del imán tienen el mayor efecto de atracción, se llaman postes(norte y sur)... Como los polos magnéticos se atraen, mientras que los polos magnéticos del mismo nombre se repelen.

Para la característica de fuerza del campo magnético, utilice vector de inducción magnética B... El campo magnético se representa gráficamente usando líneas de fuerza ( líneas de inducción magnética). Las líneas están cerradas, no tienen principio ni fin. El lugar de donde salen las líneas magnéticas es el Polo Norte, las líneas magnéticas entran en Polo Sur(Sur).

El campo magnético se puede hacer "visible" con limaduras de hierro.

Campo magnético de un conductor con corriente.

Y ahora sobre lo que encontraron Hans Christian Oersted y André Marie Ampere en 1820. Resulta que existe un campo magnético no solo alrededor de un imán, sino también alrededor de cualquier conductor con corriente. ¡Cualquier cable, por ejemplo, el cable de una lámpara, a través del cual fluye una corriente eléctrica, es un imán! Un cable con corriente interactúa con un imán (intente llevarle una brújula), dos cables con corriente interactúan entre sí.

Las líneas de campo magnético de corriente directa son círculos alrededor de un conductor.

Dirección del vector de inducción magnética

La dirección del campo magnético en un punto dado se puede definir como la dirección que indica el polo norte de la aguja de una brújula colocada en ese punto.

La dirección de las líneas de inducción magnética depende de la dirección de la corriente en el conductor.

La dirección del vector de inducción está determinada por la regla cardán o regla mano derecha.

Vector de inducción magnética

Esta es una cantidad vectorial que caracteriza la acción de fuerza del campo.

Inducción magnética de un conductor rectilíneo infinito con una corriente a una distancia r de él:

Inducción de campo magnético en el centro de una delgada vuelta circular de radio r:

Inducción de campo magnético solenoide(una bobina, cuyas vueltas se desvían secuencialmente por la corriente en una dirección):

Principio de superposición

Si el campo magnético en un punto dado en el espacio es creado por varias fuentes del campo, entonces la inducción magnética es la suma vectorial de las inducciones de cada uno de los campos por separado.

La tierra no es solo una gran carga negativa y una fuente de campo eléctrico, pero al mismo tiempo, el campo magnético de nuestro planeta es similar al campo de un imán directo gigantesco.

Geographic South está cerca de Magnetic North y Geographic North está cerca de Magnetic South. Si la brújula se coloca en el campo magnético de la Tierra, entonces su flecha norte está orientada a lo largo de las líneas de inducción magnética en la dirección del polo magnético sur, es decir, nos mostrará dónde está el norte geográfico.

Elementos característicos magnetismo terrestre cambian muy lentamente con el tiempo - cambios seculares... Sin embargo, de vez en cuando tormentas magnéticas cuando el campo magnético de la Tierra se distorsiona fuertemente durante varias horas, y luego regresa gradualmente a sus valores anteriores. Este cambio dramático afecta el bienestar de las personas.

El campo magnético de la Tierra es un "escudo" que protege nuestro planeta de las partículas que penetran desde el espacio ("viento solar"). Cerca de los polos magnéticos, los flujos de partículas se acercan mucho más a la superficie de la Tierra. Con poderosa erupciones solares la magnetosfera se deforma y estas partículas pueden migrar a la atmósfera superior, donde chocan con moléculas de gas para formar auroras.

Las partículas de dióxido de hierro en una cinta magnética están bien magnetizadas durante el proceso de grabación.

Los trenes de levitación magnética se deslizan sobre la superficie sin absolutamente ninguna fricción. El tren es capaz de alcanzar velocidades de hasta 650 km / h.

El trabajo del cerebro, la pulsación del corazón se acompaña de impulsos eléctricos. En este caso, surge un campo magnético débil en los órganos.

Así, la inducción del campo magnético en el eje del bucle circular con corriente disminuye en proporción inversa a la tercera potencia de la distancia desde el centro del bucle hasta un punto del eje. El vector de inducción magnética en el eje de la bobina es paralelo al eje. Su dirección se puede determinar usando el tornillo derecho: si dirige el tornillo derecho paralelo al eje del bucle y lo gira en la dirección de la corriente en el bucle, entonces la dirección del movimiento de traslación del tornillo mostrará la dirección de el vector de inducción magnética.

3.5 Líneas de campo magnético

Un campo magnético, como un campo electrostático, se representa convenientemente en forma gráfica, utilizando las líneas de fuerza del campo magnético.

La línea del campo magnético es una línea tangente a la que en cada punto coincide con la dirección del vector de inducción magnética.

Las líneas de fuerza del campo magnético se trazan de tal manera que su densidad sea proporcional a la magnitud de la inducción magnética: cuanto mayor es la inducción magnética en un determinado punto, mayor es la densidad de las líneas de fuerza.

Por tanto, las líneas de fuerza del campo magnético son similares a las líneas de fuerza del campo electrostático.

Sin embargo, también tienen algunas peculiaridades.

Considere un campo magnético creado por un conductor recto con corriente I.

Sea este conductor perpendicular al plano del dibujo.

En varios puntos ubicados a la misma distancia del conductor, la inducción es la misma en magnitud.

Dirección del vector V en diferentes puntos se muestra en la figura.

La recta, cuya tangente coincide en todos los puntos con la dirección del vector de inducción magnética, es un círculo.

En consecuencia, las líneas de fuerza del campo magnético en este caso son círculos que encierran al conductor. Los centros de todas las líneas de fuerza se encuentran en el conductor.

Así, las líneas de fuerza del campo magnético están cerradas (las líneas de fuerza del campo electrostático no se pueden cerrar, comienzan y terminan con cargas).

Por tanto, el campo magnético es vórtice(este es el nombre del campo, cuyas líneas de fuerza están cerradas).

La cercanía de las líneas de fuerza significa otra característica muy importante del campo magnético: en la naturaleza no hay (al menos aún no descubiertas) cargas magnéticas que sean la fuente de un campo magnético de cierta polaridad.

Por lo tanto, no existe un polo magnético norte o sur de un imán que exista por separado.

Incluso si vio un imán permanente por la mitad, obtendrá dos imanes, cada uno con ambos polos.

3.6. Fuerza de Lorentz

Se ha establecido experimentalmente que una fuerza actúa sobre una carga que se mueve en un campo magnético. Esta fuerza generalmente se llama fuerza de Lorentz:

.

Módulo de fuerza de Lorentz

,

donde a es el ángulo entre los vectores v y B .

La dirección de la fuerza de Lorentz depende de la dirección del vector. Puede definirse utilizando la regla del tornillo de la derecha o la regla de la izquierda. ¡Pero la dirección de la fuerza de Lorentz no coincide necesariamente con la dirección del vector!

El hecho es que la fuerza de Lorentz es igual al resultado del producto del vector [ v , V ] a un escalar q... Si la carga es positiva, entonces F l es paralelo al vector [ v , V ]. Si q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , V ] (ver figura).

Si una partícula cargada se mueve en paralelo a las líneas de fuerza del campo magnético, entonces el ángulo a entre los vectores de velocidad e inducción magnética es cero... En consecuencia, la fuerza de Lorentz no actúa sobre tal carga (sen 0 = 0, F l = 0).

Si la carga se mueve perpendicular a las líneas de fuerza del campo magnético, entonces el ángulo a entre los vectores de velocidad e inducción magnética es 90 0. En este caso, la fuerza de Lorentz tiene el valor máximo posible: F l = q v B.

La fuerza de Lorentz es siempre perpendicular a la velocidad de la carga. Esto significa que la fuerza de Lorentz no puede cambiar la magnitud de la velocidad de movimiento, pero cambia su dirección.

Por lo tanto, en un campo magnético uniforme, una carga que ha entrado en el campo magnético perpendicular a sus líneas de fuerza se moverá en un círculo.

Si solo la fuerza de Lorentz actúa sobre la carga, entonces el movimiento de la carga obedece a la siguiente ecuación, basada en la segunda ley de Newton: mamá = F l.

Dado que la fuerza de Lorentz es perpendicular a la velocidad, la aceleración de una partícula cargada es centrípeta (normal): (aquí R Es el radio de curvatura de la trayectoria de una partícula cargada).

Sin duda, las líneas de fuerza del campo magnético ahora son conocidas por todos. Al menos todavía en la escuela, su manifestación se demuestra en lecciones de física. ¿Recuerda cómo el maestro colocó un imán permanente debajo de una hoja de papel (o incluso dos, combinando la orientación de sus polos), y encima vertió limaduras de metal tomadas de la sala de capacitación laboral? Es bastante comprensible que el metal debería haberse mantenido en la hoja, pero se observó algo extraño: las líneas se trazaron claramente a lo largo de las cuales se alineaba el aserrín. Nota: no uniformemente, sino a rayas. Estas son las líneas de fuerza del campo magnético. Más bien, su manifestación. ¿Qué pasó entonces y cómo puedes explicarlo?

Empecemos desde lejos. Junto con nosotros en el mundo físico visible, coexiste un tipo especial de materia: un campo magnético. Proporciona la interacción del movimiento partículas elementales o cuerpos más grandes que tienen una carga eléctrica o eléctrica natural y no solo están interconectados entre sí, sino que también suelen generarse por sí mismos. Por ejemplo, un cable que fluye electricidad, crea líneas de campo magnético a su alrededor. Lo contrario también es cierto: el efecto de los campos magnéticos alternos en un circuito conductor cerrado crea el movimiento de los portadores de carga en él. Esta última propiedad se utiliza en generadores que suministran energía eléctrica a todos los consumidores. Un ejemplo sorprendente de campos electromagnéticos es la luz.

Las líneas de fuerza del campo magnético alrededor del conductor giran o, lo que también es cierto, se caracterizan por el vector direccional de inducción magnética. La dirección de rotación está determinada por la regla del cardán. Las líneas indicadas son una convención, ya que el campo se extiende uniformemente en todas las direcciones. Es que se puede representar en forma de una infinidad de líneas, algunas de las cuales tienen una intensidad más pronunciada. Es por eso que ciertas "líneas" están claramente trazadas dentro y con aserrín. Curiosamente, las líneas de fuerza del campo magnético nunca se interrumpen, por lo que es imposible decir de manera inequívoca dónde está el principio y dónde está el final.

En el caso de un imán permanente (o un electroimán similar a él), siempre hay dos polos, llamados convencionalmente Norte y Sur. Las líneas mencionadas en este caso son anillos y óvalos que conectan ambos polos. A veces, esto se describe en términos de monopolos que interactúan, pero luego surge una contradicción, según la cual los monopolos no se pueden dividir. Es decir, cualquier intento de dividir el imán resultará en múltiples partes bipolares.

Las propiedades de las líneas de fuerza son de gran interés. Ya hemos hablado de continuidad, pero de interés práctico es la capacidad de crear una corriente eléctrica en un conductor. El significado de esto es el siguiente: si el contorno conductor está atravesado por líneas (o el propio conductor se mueve en un campo magnético), entonces se imparte energía adicional a los electrones en las órbitas externas de los átomos del material, lo que les permite para iniciar el movimiento dirigido independiente. Podemos decir que el campo magnético parece "golpear" partículas cargadas fuera de la red cristalina. Este fenómeno se llama inducción electromagnética y es actualmente el principal método de obtención energía eléctrica... Fue descubierto empíricamente en 1831 por el físico inglés Michael Faraday.

El estudio de los campos magnéticos comenzó ya en 1269, cuando P. Peregrin descubrió la interacción de un imán esférico con agujas de acero. Casi 300 años después, W. G. Colchester sugirió que él mismo era un gran imán con dos polos. Además, los fenómenos magnéticos fueron estudiados por científicos tan famosos como Lorenz, Maxwell, Ampere, Einstein, etc.

Campo magnético, ¿qué es? - un tipo especial de materia;
Donde existe - alrededor en movimiento cargas eléctricas(incluso alrededor del conductor con corriente)
¿Cómo detectarlo? - utilizando una aguja magnética (o limaduras de hierro) o por su acción sobre un conductor con corriente.

La experiencia de Oersted:

La aguja magnética gira si el correo electrónico comienza a fluir a través del conductor. actual, desde se genera un campo magnético alrededor del conductor portador de corriente.

Interacción de dos conductores con corriente:

Cada conductor con corriente tiene su propio campo magnético a su alrededor, que actúa con cierta fuerza sobre el conductor vecino.

Dependiendo de la dirección de las corrientes, los conductores pueden atraerse o repelerse entre sí.

Piense en el último año escolar:

LÍNEAS MAGNÉTICAS (o líneas de inducción magnética de otro modo)

¿Cómo representar un campo magnético? - vía lineas magneticas;
Líneas magnéticas, ¿qué son?

Estas son líneas imaginarias a lo largo de las cuales se colocan flechas magnéticas, colocadas en un campo magnético. Las líneas magnéticas se pueden trazar a través de cualquier punto del campo magnético, tienen una dirección y siempre están cerradas.

Piense en el último año escolar:

CAMPO MAGNÉTICO INHOMOGÉNEO

Características de un campo magnético no homogéneo: las líneas magnéticas son curvas; la densidad de las líneas magnéticas es diferente; la fuerza con la que el campo magnético actúa sobre la aguja magnética es diferente en magnitud y dirección en diferentes puntos de este campo.

¿Dónde existe un campo magnético no uniforme?

Alrededor de un conductor recto con corriente;

Alrededor de la tira de imán;

Alrededor del solenoide (bobina de corriente).

CAMPO MAGNÉTICO HOMOGÉNEO

Características de un campo magnético uniforme: las líneas magnéticas son líneas rectas paralelas, la densidad de las líneas magnéticas es la misma en todas partes; la fuerza con la que el campo magnético actúa sobre la aguja magnética es la misma en todos los puntos de este campo en la dirección de magnitud.

¿Dónde existe un campo magnético uniforme?
- dentro de la banda magnética y dentro del solenoide, si su longitud es mucho mayor que el diámetro.

INTERESANTE

La capacidad del hierro y sus aleaciones de estar altamente magnetizados desaparece cuando se calienta a altas temperaturas. Hierro puro pierde esta capacidad cuando se calienta a 767 ° C.

Potentes imanes utilizados en muchos bienes modernos son capaces de influir en el funcionamiento de marcapasos y dispositivos cardíacos implantados en pacientes cardíacos. Los imanes comunes de hierro o ferrita, que se pueden distinguir fácilmente por su color gris opaco, tienen poca fuerza y ​​son poco o nada preocupantes.
Sin embargo, recientemente han aparecido imanes muy fuertes, de color plateado brillante y que representan una aleación de neodimio, hierro y boro. El campo magnético que generan es muy fuerte, lo que los hace muy utilizados en discos de computadora, auriculares y parlantes, así como en juguetes, joyas e incluso ropa.

Una vez en la rada de la principal ciudad de Mallorca, apareció el barco militar francés "La Rollein". Su estado era tan miserable que el barco apenas llegó al muelle por sus propios medios. Cuando los científicos franceses, incluido Arago, de veintidós años, abordaron el barco, resultó que el barco había sido destruido por un rayo. Mientras la comisión examinaba el barco, moviendo la cabeza al ver los mástiles y superestructuras quemados, Arago se apresuró a las brújulas y vio lo que esperaba: las flechas de las brújulas apuntaban en diferentes direcciones ...

Un año después, excavando en los restos de un barco genovés que se estrelló cerca de Argelia, Arago descubrió que las flechas de la brújula estaban desmagnetizadas. En la oscuridad total de una noche de niebla, el capitán, habiendo dirigido el barco hacia el norte, lejos de lugares peligrosos. , era de hecho irresistible para lo que estaba tratando de evitar ... El barco se dirigía hacia el sur, sobre las rocas, engañado por una brújula magnética caída por un rayo.

V. Kartsev. Un imán durante tres milenios.

La brújula magnética se inventó en China.
Hace ya 4000 años, las caravanas se llevaban una olla de barro y "la cuidaban en el camino más que toda su cara carga". En él, en la superficie del líquido, en un flotador de madera, coloque una piedra que ama el hierro. Podía girar y, todo el tiempo, señalaba a los viajeros en dirección al sur, lo que, ante la ausencia del sol, les ayudaba a dirigirse a los pozos.
Al comienzo de nuestra era, los chinos aprendieron a fabricar imanes artificiales magnetizando una aguja de hierro.
Y solo después de mil años, los europeos comenzaron a usar la aguja de la brújula magnetizada.

CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA

La tierra es un gran imán permanente.
El Polo Magnético Sur, aunque se encuentra, según los estándares terrestres, cerca del Polo Geográfico Norte, están separados por unos 2000 km.
Hay territorios en la superficie de la Tierra donde su propio campo magnético está fuertemente distorsionado por el campo magnético de los minerales de hierro, que se encuentran a poca profundidad. Uno de estos territorios es la anomalía magnética de Kursk, ubicada en la región de Kursk.

La inducción magnética del campo magnético de la Tierra es solo de aproximadamente 0,0004 Tesla.
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El campo magnético de la Tierra está influenciado por un aumento actividad solar... Aproximadamente una vez cada 11,5 años, aumenta tanto que la comunicación por radio se interrumpe, el bienestar de las personas y los animales empeora y las flechas de la brújula comienzan a "bailar" de manera impredecible de un lado a otro. En este caso, dicen que se acerca una tormenta magnética. Suele durar desde varias horas hasta varios días.

El campo magnético de la Tierra de vez en cuando cambia su orientación, realizando oscilaciones seculares (que duran entre 5 y 10 mil años) y reorientando completamente su orientación, es decir. permutar polos magnéticos(2-3 veces en un millón de años). Esto está indicado por el campo magnético "congelado" en rocas sedimentarias y volcánicas de eras distantes. El comportamiento del campo geomagnético no puede llamarse caótico, obedece a una especie de "horario".

La dirección y la magnitud del campo geomagnético están determinadas por los procesos que tienen lugar en el núcleo de la Tierra. El tiempo de inversión de polaridad característico, determinado por el núcleo sólido interno, es de 3 a 5 mil años, y está determinado por el núcleo líquido externo, aproximadamente 500 años. Estos tiempos pueden explicar la dinámica observada del campo geomagnético. El modelado informático, teniendo en cuenta varios procesos intraterrestres, ha mostrado la posibilidad de invertir la polaridad del campo magnético en unos 5 mil años.

ENFOQUE CON IMANES

"El templo de los encantamientos, o el estudio mecánico, óptico y físico del Sr. Gamuletsky de Coll" del famoso ilusionista ruso Gamuletsky, que existió hasta 1842, se hizo famoso, entre otras cosas, por el hecho de que los visitantes, subiendo la escalera decoraban Con candelabros y alfombrado con alfombras, se podía ver de lejos en el rellano superior de la escalera una figura dorada de un ángel, realizado en altura humana natural, que flotaba en posición horizontal sobre la puerta del despacho sin estar suspendido ni apoyado. Todo el mundo podía estar convencido de que la figura no tenía ningún soporte. Cuando los visitantes entraron a la plataforma, el ángel levantó la mano, se llevó la trompa a la boca y tocó con ella, moviendo los dedos. naturalmente... Durante diez años, dijo Gamuletsky, trabajé para encontrar la punta y el peso del imán y el hierro para mantener al ángel en el aire. Además del trabajo, también gasté mucho dinero en este milagro ".

En la Edad Media, los llamados "peces obedientes" hechos de madera eran un número de ilusión muy común. Nadaron en la piscina y obedecieron al menor movimiento de la mano del mago, lo que los hizo moverse en todas las direcciones posibles. El secreto del truco era extremadamente simple: se escondía un imán en la manga del mago y se insertaban trozos de hierro en las cabezas de los peces.
Más cerca de nosotros en el tiempo fueron las manipulaciones del inglés Jonas. Su número de firma: Jonas sugirió que algunos espectadores pusieran el reloj sobre la mesa, luego de lo cual él, sin tocar el reloj, cambió arbitrariamente la posición de las manecillas.
La realización moderna de tal idea son los embragues electromagnéticos, bien conocidos por los electricistas, con la ayuda de los cuales es posible girar dispositivos separados del motor por algún obstáculo, por ejemplo, una pared.

A mediados de los años 80 del siglo XIX, se difundieron rumores sobre el elefante erudito, que no solo podía sumar y restar, sino incluso multiplicar, dividir y extraer raíces. Esto se hizo de la siguiente manera. El entrenador, por ejemplo, preguntó al elefante: "¿Cuánto será la familia de ocho?" Había un tablero con números frente al elefante. Luego de la pregunta, el elefante tomó el puntero y mostró con seguridad el número 56. De igual manera se realizó la división y extracción. raíz cuadrada... El truco era bastante simple: un pequeño electroimán estaba escondido debajo de cada número en el tablero. Cuando se le hizo una pregunta al elefante, se aplicó una corriente al devanado del imán, que indica la respuesta correcta. El puntero de hierro en la trompa del elefante se sintió atraído por el número correcto. La respuesta se recibió automáticamente. A pesar de la sencillez de este entrenamiento, el secreto del truco por mucho tiempo no podía resolverlo, y el "elefante erudito" disfrutó de un éxito tremendo.