Магнитное поле. Источники электрического и магнитного полей. Индукция магнитного поля

Во времена Ньютона и на более ранних этапах электрические и магнитные поля изучались как разные, не зависящие друг от друга явления. Во времена Максвелла стало ясно, что эти поля взаимосвязаны, что меняющиеся электрические и магнитные поля способны генерировать друг друга, благодаря чему возникают уходящие в бесконечность электромагнитные волны.

Из явлений природы магнитное поле представлялось людям самым загадочным. Магнитные материалы действуют на предметы избирательно, удаленно. Компас был изобретен, активно использовался задолго до понимания сущности магнитного поля.

Магнитное поле

В современном школьном курсе физики магнитные явления остаются самым труднодоступным объектом изучения. Они не объяснимы в рамках классических представлений, где царят законы Ньютона и геометрия Эвклида. Для понимания природы этих полей необходимо привлекать квантовую теорию и тензорное исчисление. Но и на школьном уровне можно применять формулы и решать задачи, хоть и без глубокого понимания.

Представляет интерес, что же такого загадочного в магнитном поле, в чем его отличие от механических сил, и даже от электрических напряжений и токов, которые все-таки удается приручить.

Поле, которое исчезает

Магнитное поле имеет несколько особенностей, присущих именно ему. Не только потому, что оно может притягивать и отталкивать предметы на расстоянии. Оно может исчезать!

Пример исчезающего поля: электромагнит. Пока по виткам катушки течет ток, существует магнитное поле. Но ток выключили – и поле исчезло. Отметим, что электрическое напряжение не исчезло! Оно осталось на контактах источника электроэнергии, просто мы разорвали электрическую цепь. А магнитное поле пропало!

Магнитное поле

В физике изучают множество законов сохранения. Сохраняется энергия, масса, импульс и т.д. Почему же магнитному полю такие привилегии?

Не стоит думать, что магнитное поле нарушает законы природы. Его исчезновение не нарушает закон сохранения энергии, поскольку она, энергия, остается в источнике питания и может расходоваться при включении тока. Просто при отключении электрического тока исчезло условие для создания магнитного поля: остановлено движение зарядов.

Это загадочное поле возникает там, где есть переменное электрическое поле или движение электрических зарядов.

Откуда переменное электрическое поле в куске магнитного материала? От движущихся электронов. Которые не только движутся вокруг ядра, но и имеют собственный магнитный момент, как если бы они вращались вокруг своей оси.

Нельзя считать, что электрон, летающий вокруг ядра, похож на движение тока в электромагните. Процессы, протекающие в микромире, парадоксальны и коренным образом отличаются от привычных нам явлений. Если бы движение электрона в атоме являлось «электрическим током», атом не существовал бы: вся энергия излучилась бы мгновенно, электроны упали бы на ядра и наступил бы коллапс. Но этого не происходит. В квантовом мире частицы могут двигаться по своим орбитам, не излучая энергии, но создавая поле сил. В некоторых материалах магнитные моменты электронов могут синхронизироваться и выстраиваться упорядоченно: это ферриты.

Электрические частицы есть, а магнитных частиц нет!

Еще одна особенность магнитных явлений, выделяющая его среди других физических полей: нет частиц, которые бы можно было назвать магнитными зарядами.

У гравитационного поля есть источники: тела, имеющие массу. У электрического —  электроны, протоны. Но для магнитного поля нет аналогичных частиц, которые можно было бы назвать источниками поля.

Источники  поля – не частицы, а электрический ток или меняющееся электрическое поле. Если электрический заряд находится в покое – электрическое поле остается, а магнитное исчезает.

Электромагнитная волна: полная симметрия

Итак, магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, а электрическое поле существует независимо от того, движется ли заряд в данной системе отсчета или покоится.  Но если удалиться от носителей электрического заряда, картина выглядит иначе.

Магнитное поле

Электрический ток включили и выключили. При этом произошло изменение движения электронов, возникло магнитное поле, а потом пропало. Но это изменение создало всплеск электрического поля, то, в свою очередь, привело к всплеску магнитного… Простой щелчок выключателя создал бесконечно распространяющуюся электромагнитную волну. В ней нет ни электрических зарядов, ни магнитных, только поля, поочередно генерирующие друг друга.  Электрическое и магнитное поля симметричны. Поле распространяется значительно быстрее, чем частицы, имеющие массу; электромагнитными волнами заполнено пространство Вселенной. Свет – это тоже электромагнитные волны очень большой частоты.

Магнитная индукция и сила Лоренца

Количественной мерой магнитного поля назначена сила взаимодействия с электрическим зарядом, движущимся с определенной скоростью. Обозначается магнитная индукция символом В.

Магнитное поле

Аналогом этой величины является напряженность электрического поля, являющаяся мерой воздействия электрического поля на неподвижный электрический заряд.

Магнитная индукция имеет единицу измерения в международной системе СИ: это 1 тесла. По аналогии с электрической напряженностью, магнитная индукция 1 тесла должна действовать на заряд 1 кулон, движущийся со скоростью 1 м/с, с силой 1 Ньютон. Это вообще-то так… но не совсем. И здесь магнитное поле имеет особенности!

Действительно, сила взаимодействия будет равна 1 Ньютон, если заряд движется поперек линий магнитного поля, строго перпендикулярно.

А если  заряд движется вдоль линий магнитного поля – никакой силы взаимодействия не возникает!

В промежуточных вариантах сила взаимодействия зависит от угла, образуемого линиями поля и скоростью заряда. Здесь работает синус угла:

Формула

Дело в том, что при движении заряда в магнитном поле взаимодействуют две векторные величины: магнитная индукция и скорость заряда. Сила их взаимодействия – векторная величина, имеющая название сила Лоренца

Внимание: сила Лоренца не совпадает по направлению ни с направлением индукции, ни с направлением скорости! Она перпендикулярна обоим этим векторам.

Сила Лоренца имеет практический интерес. Именно в направлении силы Лоренца отклонится проводник с током, внесенный в магнитное поле..Сила Лоренца «работает» в электродвигателях и электрогенераторах.

Формулы для вычисления магнитных величин используются во всех областях, связанных с электричеством, и только один раздел физики обходится без этих формул. Это электростатика, изучающая взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Там, где нет движения зарядов, нет и магнитного поля.