Кто открыл магнитное поле?

История развития представлений о магнитном поле

Кто открыл магнитное поле?
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 поля, 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 применительно 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. (См. Движущийся магнит и проблема проводника — 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).

Кто ввёл понятие магнитное поле

Так, а кто же ввёл такое понятие как “магнитное поле”? Следует знать, что понятие магнитное поле было открыто первоначально таким учёным и исследователем, как М. Фарадей.

  • Это понятие было введено в 1845 году. Создание теории классического электромагнитного поля была создана таким учёным, как Дж. Максвеллом.
  • Это теория вышла в свет в 1873 году. Теория квантовая была создана в двадцатом веке 20-х годах этого века.
Будет интересно➡  Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики?

Основные свойства магнитного поля

  1. Магнитное поле образуется любыми движущимися зарядами: ионами электролита и газа, электронами и дырками полупроводника, связанными зарядами при движении наэлектризованного диэлектрика.
  2. Если в отношении к определенной системе отсчета электрический заряд находится в состоянии покоя, то в этой системе отсчета он создает только электростатическое поле. Движущийся относительно данной системы отсчета заряд создает в этой системе магнитное поле наряду с электрическим.
  3. Благодаря магнитному полю взаимодействуют между собой движущиеся электрические заряды.
  4. Существование магнитного поля в определенной области пространства связано с наличием силы, действующей на проводник с током или на движущийся электрический заряд.
  5. Для обнаружения магнитного поля применимы различные физические эффекты. Например, может измениться электрическое сопротивление некоторых веществ под воздействием магнитного поля или линейные размеры тел, находящихся в поле. Также может произойти намагничивание тел в магнитном поле или возникнуть ЭДС индукции в проводнике, который движется в магнитном поле.
  6. Магнитное поле не потенциально, что означает зависимость работы в магнитном поле главным образом от формы траектории, и в случае замкнутого контура она отличается от нуля.

Также можно перечислить некоторые свойства веществ при магнитном взаимодействии:

  1. Вещества по виду взаимодействия в магнитном поле делятся на три основных типа: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.
  2. Диамагнитные свойства проявляют все вещества. Это способность намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т. к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl и др.). Магнитная восприимчивость диамагнетиков всегда меньше нуля.
  3. Парамагнитные свойства могут проявлять вещества с атомами, имеющими магнитный момент. Суть явления в свойстве веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю. Магнитная восприимчивость при этом больше нуля и уменьшается с ростом температуры.
  4. Ферромагнетизм является очень сильным коллективным эффектом. Причем магнитная восприимчивость и проницаемость вещества становятся неоднозначными функциями поля и зависят от его истории. Характерные ферромагнитные явления — спонтанная намагниченность и гистерезис намагниченности. Коэрцитивная сила магнитожестких кантилеверов (с кобальтовым покрытием) составляет порядка 400 эрстед, а магнитомягких (с покрытием) — менее 10 эрстед

Главное условие магнитного поля

Если рассматривать то, что магнитное поле, это то поле, в котором происходит движение электрических зарядов, то из этого следует сделать вывод о том, что для того, чтобы существовало магнитное поле следует то, что в этом магнитном поле должно существовать движение заряженных электрических частиц.

Кто открыл магнитное поле?

Движение — это главное условие существования магнитного поля.

Кто открыл магнитное поле?
Кто открыл магнитное поле?
Кто открыл магнитное поле?
Кто открыл магнитное поле?

Магнитное взаимодействие: определение и принципы

Определение1

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

В пространстве вокруг намагниченных тел возникает магнитное поле. Помещенная в это поле маленькая магнитная стрелка устанавливается в каждой его точке определенным образом, указывая направление поля.  Конец стрелки, указывающий в магнитном поле Земли на север, называется северным, а противоположный — южным.

При поднесении двух магнитов друг к другу между ними возникнет сила. Магниты либо притягивают друг друга, либо отталкивают; их взаимодействие ощущается даже если магниты не соприкасаются. Если одноименные полюсы магнитов поднести друг к другу, магниты будут отталкиваться.

Но если поднести разноименные полюса, возникнет притяжение. По такому принципу взаимодействуют электрические заряды: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Недаром на протяжении многих веков явления путали между собой.

Лишь английскому ученому У. Гильберту (1544–1603) в конце XVI в. удалось доказать, что это разные явления. В самом деле: магнит не нуждается в таких предварительных операциях, как натирание, для того чтобы притягивать. И эта способность не исчезает с течением времени, как у наэлектризованных тел, если только его не нагревать очень сильно и не трясти.

В 1820 году физик Эрстед обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. Затем Гей-Люссак и Араго наблюдали намагничивание железа постоянным током, идущим в проводнике. Ампер обнаружил притяжение между проводами, по которым проходят параллельные токи, и отталкивание между противоположно направленными токами. Им же была выдвинута гипотеза об обусловленности свойств постоянных магнитов циркулирующими внутри них постоянными круговыми токами (молекулярными токами).

Опыт Эрстеда был прост, но нагляден. Поместив магнитную стрелку в непосредственной близости от проводника с током, ученый обнаружил: если по проводнику течет ток, стрелка отклоняется; после выключения тока стрелка возвращается в исходное положение.

С помощью этого опыта Эрстед сделал открытие: вокруг прямолинейного проводника с током есть магнитное поле. Ученый обратил внимание на поворот северного конца стрелки в другую сторону при изменении направления тока в проводнике.

Будет интересно➡  Как включить блок питания без компьютера с помощью перемычки

Путем исследований и экспериментов с магнитной стрелкой и проводниками с током самой различной формы, установлено, что вокруг всякого проводника с током есть магнитное поле.

Опытным путем было подтверждено, что магнитное поле появляется вокруг электронных пучков и перемещающихся в пространстве заряженных тел.

Итак, вокруг всякого движущегося заряда помимо электрического поля существует еще и магнитное. Магнитное поле — это поле движущихся зарядов. Известно, что оно обнаруживает себя по действию на магнитные стрелки или на проводники с токами, т. е. на движущиеся заряды.

Подобно электрическому полю, оно обладает энергией и, следовательно, массой. Магнитное поле материально.

Учитывая вышесказанное, можно вывести определение:

Определение 2

Магнитное поле — это материя, связанная с движущимися зарядами. Ее можно обнаружить по действию на магнитные стрелки и с помощью движущихся зарядов, помещенных в это поле.

Эрстед изложил результаты своих опытов Амперу, который повторил эти опыты и провел другие. Он взял катушку с током, намагниченный металлический стержень и обнаружил воздействие магнитного поля катушки на стержень. В этом опыте непосредственно была показана связь электрического и естественного магнетизма. Кроме того, Ампер изучил действие магнитного поля на проводники с током.

Подобно использованию для исследования электрического поля пробного точечного заряда, для исследования магнитного поля используется точечное магнитное поле, созданное пробным током, циркулирующим в плоском замкнутом контуре очень малых размеров.

Основное свойство магнитного поля — способность действовать на движущиеся электрические заряды с определенной силой. В магнитном поле контур с током будет ориентироваться определенным образом. Ориентацию контура в пространстве характеризуют направлением нормали n, связанной с движением тока правилом правого винта или «правилом буравчика».

Итак, на контур с током в магнитном поле действует вращающий момент. Контур ориентируется в данной точке поля только одним способом. Примем положительное направление нормали n за направление магнитного поля B в данной точке. Вращающий момент прямо пропорционален величине тока I, площади контура S и синусу угла между направлением магнитного поля и нормали n:

здесь М — вращающий момент, или момент силы, IS = Pm — магнитный момент контура (аналогично ql =P – электрический момент диполя).

Направление вектора магнитного момента совпадает с положительным направлением нормали.

Отношение момента силы к магнитному моменту М/Pm для данной точки магнитного поля будет одним и тем же и может служить характеристикой магнитного поля, названной магнитной индукцией:

где B — вектор магнитной индукции, совпадающий с нормалью n. По аналогии с электрическим полем E = F/q. Магнитная индукция B характеризует силовое действие магнитного поля на ток (аналогично, E характеризует силовое действие электрического поля на заряд). B — силовая характеристика магнитного поля, ее можно изобразить с помощью магнитных силовых линий.

Поскольку М (момент силы) и Pm (магнитный момент) являются характеристиками вращательного движения, то можно предположить, что магнитное поле — вихревое.

За направление B принято принимать направление северного конца магнитной стрелки. Силовые линии выходят из северного полюса, а входят, соответственно, в южный полюс магнита.

В СИ единицей индукции магнитного поля является тесла. Поле с индукцией 1 Тл — это очень сильное магнитное поле. Так, индукция магнитного поля Земли составляет примерно 0.5×10-8Тл.

Для магнитного поля, так же как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля есть векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым проводником с током в отдельности:

Для графического изображения полей удобно пользоваться силовыми линиями (линиями магнитной индукции).

Определение 3

Линиями магнитной индукции называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора B в этой точке.

Для определения направления вектора индукции магнитного поля прямого тока Дж. Максвелл предложил правило буравчика. Направление вектора индукции магнитного поля соответствует направлению вращения буравчика (правого винта), если движение острия буравчика совпадает с направлением тока в проводнике.

Визуализировать силовые линии легко с помощью мелких железных опилок, которые намагничиваются в исследуемом магнитном поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам (поворачиваются вдоль силовых линий):

Таким образом можно увидеть, что силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника с током — это концентрические окружности с центрами на проводнике, лежащие в плоскости, перпендикулярно проводнику.

Магнитные силовые линии всегда замкнуты (вихревое поле).

Сравнение сил электромагнитного взаимодействия с гравитационными

Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является длина его радиуса действия. Радиус действия — это максимальное расстояние между частицами, за пределами которого их взаимодействием можно пренебречь. При малом радиусе взаимодействие называют короткодействующим, при большом — дальнодействующим.

Гравитационные и электромагнитные силы нельзя свести к другим, более простым силам. Поэтому они относятся к фундаментальным.

Законы фундаментальных сил просты и выражаются точными формулами. Для примера можно привести формулу гравитационной силы взаимодействия двух материальных точек, имеющих массы m1 и m2:

Будет интересно➡  Импульсный блок питания своими руками

F=γm1m2r2,

Где R — расстояние между точками, γ — гравитационная постоянная.

Гипотеза об изменении гравитационной постоянной впервые была выдвинута А. Эйнштейном. Впоследствии было выявлено, что гравитационная постоянная не меняется в интервале 0.3 × 108 м < r < 3 × 108 км с относительной точностью 10-8.

Электромагнитное и гравитационное взаимодействия являются дальнодействующими. Такие взаимодействия медленно убывают при увеличении расстояния между частицами и не имеют конечного радиуса действия.

Для наглядного сравнения данных фундаментальных сил при взаимодействии двух ядер фермия (Fm), содержащих по 100 протонов, можно составить таблицу:

Гравитационное полеЭлектрическое поле

F=Gm1m2r2F=14πε0q1q2r2
m = 1,673×10-27×100 кг,

r = 1 м;

G = 6,673×1011 м3/кг⋅с2

q = 1,602×10-19×100 Кл,

r = 1 м;

ε0 = 8,854×10-12 Ф/м

Сила притяжения

Fграв = 10-65 Н

Сила отталкивания

Fэлектр = 2,307×10-20 Н

Электромагнитное взаимодействие — дальнодействующее. Оно определяет структуру вещества за пределами радиуса действия сильного взаимодействия. Также посредством взаимодействия связываются электроны и ядра в атомах и молекулах.

Оно объединяет атомы и молекулы в различные вещества, определяет химические и биологические типы процессов, характеризуется силами упругости, трения, вязкости, магнитными силами. В частности, электромагнитное отталкивание молекул, находящихся на малых расстояниях, вызывает силу реакции опоры, в результате которой живые организмы способны держаться на горизонтальной поверхности.

Электромагнитное взаимодействие оказывает несущественное влияние на взаимное движение макроскопических тел большой массы, так как каждое тело электронейтрально — содержит примерно одинаковое число положительных и отрицательных зарядов.

Гравитационное взаимодействие прямо пропорционально массе взаимодействующих тел. Из-за небольшой массы элементарных частиц гравитационное взаимодействие между частицами значительно мало в сравнении с другими видами взаимодействия, поэтому в процессах микромира оно несущественно.

Одновременно с массой взаимодействующих тел (т. е. при увеличении числа содержащихся в них частиц) возрастает гравитационное взаимодействие между телами прямо пропорционально их массе. Поэтому в среде макромира при рассмотрении движения планет, звезд, галактик, а также движения небольших макроскопических тел в их полях, гравитационное взаимодействие становится определяющим.

Оно удерживает атмосферу, моря, все живое и неживое на Земле, саму Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, Солнце в пределах Галактики. Гравитационное взаимодействие играет главную роль в процессах образования и эволюции звезд.

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц изображаются с помощью специальных диаграмм, на которых реальной частице соответствует прямая линия, а ее взаимодействие с другой частицей изображается либо пунктиром, либо кривой.

Магнитное поле Земли

Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете – Курская и Бразильская магнитные аномалии.

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли.  Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.

Магнитное поле земли
Магнитное поле земли

Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов – в среднем скорость растет на 3 километра в год.

Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.

Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли

За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.

К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.

Просмотреть наше видео на youtube

Предыдущая
Что такое тензометрия и для чего нужны тензодатчики?
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Electroinfo.net  онлайн журнал
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять