Магнитное поле и его свойства

Еще в прошлом веке было установлено, что в пространстве вокруг провода с электрическим током возникают магнитные силы, действующие на другие проводники с током и на различные вещества. Особенно большое влияние магнитные силы оказывают на тела, состоящие из железа, стали и некоторых сплавов. Эти силы передаются с помощью материальной среды, которая находится в особом напряженном состоянии и называется магнитным полем.

Магнитное поле всегда создается движущимися электрическими зарядами. Неподвижные заряды не могут создать магнитного поля. Вокруг них образуется электростатическое поле. Кроме того, магнитное поле возникает при  изменении электрического поля. Само магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не влияет.

Магнитное поле обладает способностью проникать через многие вещества - воздух, стекло, бумагу, картон, медь, воду, а также через разреженное (безвоздушное) пространство. Таким образом, вокруг провода с током магнитное поле образуется в любых веществах. По современным физическим воззрениям магнитное поле представляет собой вид материи. Так как магнитное поле действует на различные предметы и может приводить их в движение, то ясно, что оно обладает энергией.

Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют магнитными силовыми линиями. С их помощью можно удобно и наглядно показывать магнитное поле в том или ином случае. Изображение магнитного поля в виде совокупности некоторого числа силовых линий является довольно грубым и неточным. В действительности магнитное поле заполняет все пространство и через любую его точку проходит какая-то силовая линия. Однако для простоты изображают лишь небольшое число силовых линий, показывающих наиболее характерные особенности структуры поля.

Чтобы более точно изобразить магнитное поле, условились в тех местах, где поле сильнее, показывать силовые линии расположенными гуще, т.е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т.е. расположенными реже. Взглянув на изображение с помощью силовых линий можно определить, где поле слабее и где сильнее. Таким образом, силовые линии отображают реально существующее материальное магнитное поле.

Иногда условно рассматривают магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Подобная аналогия помогает наглядно представить ряд явлений, происходящих в магнитном моле, но, конечно, не соответствует истине.

У прямого проводника силовые линии магнитного поля представляют собою концентрические окружности, охватывающие провод, как это показано на рисунке 33,а. Эти линии имеются везде вокруг провода, но на рис. 33,а они изображены лишь в нескольких местах. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле вокруг провода. По мере удаления от провода с током магнитное поле постепенно ослабевает.

Направление магнитных силовых линий выбрано условно в соответствии с так называемым правилом винта: если ввинчивать винт по направлению тока, то магнитные силовые линии будут направлены по вращению винта. Иначе говоря,если смотреть вдоль провода так, чтобы ток шел от нас, то магнитные линии будут направлены по часовой стрелке. В соответствии с этим правилом показаны силовые линии на рис. 33,а. Следует заметить, что в электромагнетизме направление тока принимается условное, т.е. от плюса к минусу.

Магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми в отличие от электрических силовых линий, которые, как правило, начинаются на одном электрическом заряде и кончаются на другом.

Чтобы получить более сильное магнитное поле, применяют катушки с обмоткой из проволоки. В этом случае магнитные поля отдельных витков катушки складываются, и их силовые линии сливаются в общий магнитный поток. Картинка магнитного поля катушки показана на рис. 33,б (многие силовые линии на этом рисунке изображены не полностью, но, конечно, все они являются замкнутыми). На том конце катушки, где ток идет против часовой стрелки, магнитные силовые линии выходят из катушки. Этот конец катушки называется северным магнитным полюсом и обозначают буквой N (от слова North или Nord - север) или С. Другой конец катушки называют южным магнитным полюсом и обозначают буквой S (от слова South или Sud - юг) или Ю. На этом конце катушки ток идет по часовой стрелке и магнитные силовые линии входят в катушку. Если изменить направление тока в катушке, то направление магнитного полюса на концах катушки переменится.

Взаимодействие катушек с током происходит по следующему правилу:одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Чем больше число витков катушки и ток в ней, тем сильнее ее магнитное поле. Иначе говоря, магнитное поле катушки тем сильнее, чем больше произведение тока (в амперах) на число витков. Например, одинаковое магнитное поле  можно получить, если через один виток протекает ток 1 А или если взять катушку с 50 витками и током 20 мА, или если ток 2 мА пропустить через катушку с 500 витками.

Во всех случаях через суммарное поперечное сечение проводников всех витков катушки проходит ток, равный 1000 мА.

Названия северный и южный полюс даны потому, что катушка с током, имеющая возможность легко вращаться  в горизонтальной плоскости, стремиться занять такое положение, чтобы ее северный полюс смотрел на север, а южный – на юг. Это объясняется взаимодействием магнитного моля катушки с магнитным полем Земли.

Причины существования магнитного поля, пронизывающего и окружающего  земной шар, пока еще точно не выяснены. Установлено, что магнитное поле Земли связано с электрическими явлениями в атмосфере. На высоте в десятки и сотни километров над поверхностью Земли имеются ионизированные слои воздуха (ионосфера), в которых часть атомов распалась на положительные ионы и электроны. Ионизация воздуха вызвана действием солнечного излучение и космических лучей, приходящих на Землю из удаленных частей Вселенной.

Одна из теорий земного магнетизма считает, что вследствие вращения земного шара вокруг своей оси находящиеся в атмосфере электрически заряженные частицы создают ток. Получается, что земной шар как бы окружен одним витком провода с током. Магнитное поле Земли создается этим атмосферным током, причем у северного географического полюса находится южный магнитный полюс, а у южного географического – северный магнитный. По другой теории основную роль играют токи, возникающие внутри Земли из-за ее вращения.

Следует отметить, что изменение солнечного излучения, вызванное различными процессами, происходящими на Солнце, оказывает значительное влияние на ионосферу. При этом изменяется и магнитное поле Земли. Иногда наблюдаются очень сильные его изменения, называемые магнитными бурями. Они вызываются резкими изменениями солнечной активности, например, появлением солнечных пятен, представляющих собою гигантские взрывы.

Источник: И.П. Жеребцов Электрические и магнитные цепи. Основы электротехники