Магнитостатика - раздел физики, который исследует и описывает взаимодействие между электрическими токами и магнитами (физическими телами с магнитным моментом).
Рисунок 1. Уравнения магнитостатики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В течение достаточно длительного периода времени магнетизм считался абсолютно независимой от электричества наукой. Однако ряд важнейших и уникальных открытий 19-20 столетий в виде работ А. Ампера, М. Фарадея и других исследователей доказали непосредственную связь электрических и магнитных процессов, что позволило считать данное направление основной частью учения об электричестве.
Магнитное поле и его характеристики
Рисунок 2. Свойства магнитного поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Впервые магнитные явления были тщательно рассмотрены английским физиком и врачом Уильямом Гильбертом в его научной работе - «О магните, магнитных свойствах и о большом магните – Земле». Тогда считалось, что магнетизм и электричество не могут иметь ничего общего. Лишь в начале прошлого века датский изобретатель Г. Х. Эрстед выдвинул предположение о том, что магнитостатика может оказаться одной из скрытых и самых значимых форм электричества, что и подтвердил в начале 1820 года посредством эксперимента. Этот опыт автоматически повлек за собой лавину новых невероятных открытий, имевших огромное значение в современной науке.
Многочисленные исследования начала XIX века продемонстрировали, что совершенно каждый проводник с током и постоянный магнит могут оказывать силовое влияние через пространство на другие объекты с током или магниты. Это происходит после того как вокруг проводников с током и магнитов появляется поле, которое было названо в физике магнитным.
Для исследования действия магнитного поля используют небольшую магнитную стрелку, которая подвешена на нити или уравновешена на острие. В каждой материальной точке исследуемого предмета расположенная произвольно стрелка начнет поворачиваться в определенном направлении. Это происходит из-за того, что на стрелку действует вращающий неконтролируемый момент, пытающийся расположить ее вектор вдоль всего магнитного поля. Осью стрелки называется отрезок, который в итоге соединяет ее концы. Рассмотрим ряд экспериментов, которые помогли ученым установить главные характеристики магнитного поля:
- Если заряженный шарик из любого диэлектрика подвесить на нити возле магнитной стрелки, шарик и стрелка остаются неподвижными. Следовательно, постоянные магниты не влияют на неподвижные заряды в результате магнитное поле не может создаваться.
- Если магнитную стрелку разместить под прямолинейным проводником с электричеством, то она начнет поворачиваться, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику. Смена направления тока непременно вызовет переориентацию стрелки на 180˚С.
- Пучок движущихся электронов воздействует на магнитную стрелку аналогичное предмету с током.
- Конвекционные постоянные токи, образуемые движущимися заряженными веществами, по своему действию на магнитную стрелку подобны токам световой проводимости.
На основании данных исследований был сделан вывод о том, что магнитное поле формируется только движущимися положительными зарядами, а также посредством постоянных магнитов.
Этим магнитное поле в основном отличается от электрического поля, создаваемого, как неподвижными, так и движущимися зарядами. Основным свойством магнитного поля является ось магнитной индукции. За направление этого показателя в определенной точке поля принимают такое направление, благодаря которому располагается вектор магнитной стрелки. Графически магнитные поля всегда изображаются силовыми линиями магнитной внутренней индукции, то есть кривыми, все касательные к которым в каждой точке должны совпадать с направлением основного вектора.
Действие магнитостатики на заряженную частицу
Рисунок 3. Магнитостатика и электростатика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Как уже было ранее отмечено, важнейшая характеристика магнитного поля заключается в том, что оно способно воздействовать только на движущиеся электрические заряды. В итоге многочисленных опытов было установлено, что любой положительно заряженный элемент, движущаяся в магнитном поле, испытывает определенное действие силы, которая прямо пропорциональна параметру магнитного поля в данной точке. Направление этой силы будет всегда перпендикулярно скорости движения элементарной частицы и зависит от угла между этими направлениями. Эта сила в физике называется силой Лоренца.
Для случая, когда скорость заряда перпендикулярна оси магнитной индукции, направление внутренней энергии в магнитостатики определяется посредством правила левой руки: если ладонь левой руки положить так, чтобы вектор входил в ладонь, а пальцы расположить вдоль, то отогнутый большой непосредственно палец укажет правильное направление силы Лоренца.
Поскольку такая сила всегда перпендикулярна скорости движения элементов, она изменяет исключительно направление скорости, а не ере центральный модуль, и поэтому иная работа не совершается.
То есть магнитное поле не влияет на движущееся в нем заряженные частицы и его кинетическая энергия при таком движении остается прежней.
На таком явлении основана научная работа всех ускорителей заряженных частиц – приборов, в которых под воздействием магнитных и электрических полей формируются и ускоряются пучки высокоэнергетических частиц. Действие магнитного поля планеты возле земной поверхности изменяет начальную траекторию движения частиц, которые испускаются звездами и Солнцем. Этим явлением объясняется так называемый широтный эффект, который состоит в том, что интенсивность активных космических лучей, доходящих до поверхности Земли, вблизи экватора всегда меньше, чем в более высоких широтах.
Виды магнетиков
Чтобы определить виды магнетиков, необходимо рассмотреть опыт с мощным магнитным полем, создаваемым соленоидом. Соленоид способен создать внутри себя огромное магнитное поле в 100000 раз больше действующего магнитного поля Земли.
Если поместить подобное магнитное поле разные физические вещества и наблюдать, как влияет на них сила магнитного поля, тогда качественные результаты таких опытов зачастую получаются довольно разнообразными.
- Первую группу составляют элементы, которые крайне слабо отталкиваются полем земного магнита. Это медь, вода, свинец, хлористый натрий, сера, кварц, графит, алмаз, жидкий азот и еще большой ряд физических веществ. Они называются в магнитостатике диамагнетиками. Ими считаются большинство неорганических и практически все органические соединения. Диамагнетизм – уникальное свойство каждой молекулы и атома, но иногда над диамагнетизмом преобладают иные, более сильные явления.
- Вторая группа – это такие вещества, которые постоянно втягиваются в соленоид. К ним относятся, алюминий, натрий, жидкий кислород. Указанные объекту ведут себя в опытах весьма эффектно – они втягиваются в катушку с силой, которая превышает их вес приблизительно в 8 раз. Такие тела называются парамагнетиками. Для некоторых элементов парамагнитный эффект проявляется сильнее, а для некоторых –слабее.
- Третья группа - кобальт, железо, никель, различные железосодержащие сплавы. Они втягиваются в сферу магнитного поля с достаточно большой силой. Такие предметы называются ферромагнетиками.
Таким образом, все основные уравнения магнитостатики всегда линейны, следовательно, это предполагает важную роль принципа суперпозиции в данном направлении. Принцип суперпозиции для магнитостатики может быть сформулирован следующим образом: Магнитное поле, которое создается сразу несколькими токами, есть векторная сумма полей, которые формируются по отдельности каждым из этих токов.
