Съдържа теоретичен материал по раздела "Магнетизъм" на дисциплината "Физика".
Предназначен за подпомагане на студенти от технически специалности от всички форми на обучение при самостоятелна работа, както и при подготовка за упражнения, колоквиуми и изпити.
© Андреев A.D., Chernykh L.M., 2009
Държавна образователна институция за висше професионално образование Санкт Петербургски държавен университет по телекомуникации. проф. М. А. Бонч-Бруевич, 2009 г
ВЪВЕДЕНИЕ
През 1820 г. Ханс Кристиан Ерстед, професор в университета в Копенхаген, изнася лекции по електричество, галванизъм и магнетизъм. По това време електростатиката се е наричала електричество, галванизмът е името, дадено на явленията, причинени от постоянен ток, получен от батериите, магнетизмът е бил свързан с известните свойства на железните руди, със стрелката на компаса, с магнитното поле на Земята.
В търсене на връзка между галванизма и магнетизма, Ерстед прави експеримент с преминаване на ток през жица, окачена над стрелка на компас. При пускане на тока стрелката се отклонява от меридионалната посока. Ако посоката на течението се промени или стрелката се постави над течението, то се отклонява от другата страна на меридиана.
Откритието на Ерстед беше мощен стимул за по-нататъшни изследвания и открития. Мина малко време и Ампер, Фарадей и други извършиха пълно и точно изследване на магнитното действие на електрическия ток. Откриването на феномена на електромагнитната индукция от Фарадей се случи 12 години след експеримента на Ерстед. Въз основа на тези експериментални открития е изградена класическата теория на електромагнетизма. Максуел му придава окончателна форма и математическа форма, а Херц брилянтно го потвърждава през 1888 г., като експериментално доказва съществуването на електромагнитни вълни.
1. МАГНИТНО ПОЛЕ ВЪВ ВАКУУМ
1.1. Взаимодействие на токовете. Магнитна индукция
Електрическите токове взаимодействат помежду си. Както показва опитът, два праволинейни успоредни проводника, през които протичат токове, се привличат, ако токовете в тях имат еднаква посока, и се отблъскват, ако токовете са противоположни по посока (фиг. 1). В този случай силата на тяхното взаимодействие на единица дължина на проводника е право пропорционална на силата на тока във всеки от проводниците и обратно пропорционална на разстоянието между тях. Законът за взаимодействие на токовете е установен от Андре Мари Ампер през 1820 г. експериментално.
В металите общият заряд на положително заредена йонна решетка и отрицателно заредени свободни електрони е нула. Зарядите са равномерно разпределени в проводника. Следователно около проводника няма електрическо поле. Ето защо проводниците при липса на ток не взаимодействат помежду си.
Но при наличие на ток (подредено движение на свободни носители на заряд) между проводниците възниква взаимодействие, което обикновено се нарича магнитно.
В съвременната физика магнитното взаимодействие на токовете се тълкува като релативистичен ефект, който възниква в референтна система, спрямо която има подредено движение на заряди. В това ръководство ще използваме концепцията за магнитно поле като свойство на пространството около електрическия ток. Съществуването на текущо магнитно поле се проявява при взаимодействие с други проводници с ток (закон на Ампер), или при взаимодействие с движеща се заредена частица (сила на Лоренц, раздел 2.1), или когато магнитна стрелка е поставена близо до проводник с ток проводник се отклонява (опит на Ерстед).
За да характеризираме магнитното поле на тока, въвеждаме понятието вектор на магнитна индукция. За да направим това, точно както концепцията за тестов точков заряд беше използвана при определяне на характеристиките на електростатично поле, при въвеждането на вектора на магнитната индукция ще използваме тестова верига с ток. Нека е плоско затворено 
контур с произволна форма и малки размери. Толкова малък, че в точките на неговото местоположение магнитното поле може да се счита за същото. Ориентацията на контура в пространството ще се характеризира с вектора на нормалата към контура, свързан с посоката на тока в него по правилото на десния винт (гимлет): когато дръжката на гимлета се завърти в посока на тока (фиг. 2), транслационното движение на върха на гимлета определя посоката на единичния вектор на нормалата към равнината на контура.
х 
Характеристиката на изпитвателната верига е нейният магнитен момент , където се площта на тестовия контур.
д 
Ако поставите тоководеща тестова верига в избрана точка до предния ток, токовете ще взаимодействат. В този случай въртящият момент на двойката сили ще действа върху пробната верига с ток М(фиг. 3). Големината на този момент, както показва опитът, зависи от свойствата на полето в дадена точка (контурът е малък по размер) и от свойствата на контура (неговия магнитен момент).
На фиг. 4, която е разрез на фиг. 3 в хоризонтална равнина са показани няколко позиции на тестова верига с ток в постоянно магнитно поле аз. Точката в кръга означава посоката на тока към наблюдателя. Кръстът обозначава посоката на тока на чертеж. Позиция 1 съответства на стабилното равновесие на контура ( М= 0), когато силите го разтягат. Позиция 2 съответства на нестабилно равновесие ( М= 0). В позиция 3 максималният въртящ момент действа върху изпитвателната верига с ток. В зависимост от ориентацията на веригата, стойността на въртящия момент може да приеме произволна стойност от нула до максимум. Както показва опитът, във всяка точка, т.е. максималната стойност на механичния момент на двойка сили зависи от големината на магнитния момент на тестовата верига и не може да служи като характеристика на магнитното поле в изследваната точка. Съотношението на максималния механичен момент на двойка сили към магнитния момент на пробната верига не зависи от последния и може да служи като характеристика на магнитното поле. Тази характеристика се нарича магнитна индукция (индукция на магнитно поле)
AT 
ние го обработваме като векторно количество. За посока на вектора на магнитната индукция ще вземем посоката на магнитния момент на изпитваната верига с ток, поставена в изследваната точка на полето, в положение на устойчиво равновесие (позиция 1 на фиг. 4). Тази посока съвпада с посоката на северния край на поставената в тази точка магнитна стрелка. От гореизложеното следва, че характеризира силовия ефект на магнитното поле върху тока и следователно е аналог на силата на полето в електростатиката. Векторното поле може да бъде представено с помощта на линии на магнитна индукция. Във всяка точка на линията векторът е насочен тангенциално към нея. Тъй като векторът на магнитната индукция във всяка точка на полето има определена посока, посоката на линията на магнитна индукция е уникална във всяка точка на полето. Следователно линиите на магнитната индукция, както и силовите линии на електрическото поле, не се пресичат. На фиг. 5 показва няколко линии на индукция на магнитното поле на постоянен ток, изобразени в равнина, перпендикулярна на тока. Те изглеждат като затворени кръгове, центрирани върху текущата ос.
Трябва да се отбележи, че линиите на магнитното поле винаги са затворени. Това е отличителна черта на вихровото поле, при което потокът на вектора на магнитната индукция през произволна затворена повърхност е равен на нула (теорема на Гаус в магнетизма).
1.2. Закон на Био-Савар-Лаплас.
Принцип на суперпозиция в магнетизма
Biot и Savart провеждат през 1820 г. изследване на магнитни полета на токове с различни форми. Те установиха, че магнитната индукция във всички случаи е пропорционална на силата на тока, който създава магнитното поле. Лаплас анализира експерименталните данни, получени от Био и Савар, и установи, че магнитното поле на тока азна всяка конфигурация може да се изчисли като векторна сума (суперпозиция) на полета, създадени от отделни елементарни текущи секции.
д 
дължината на всеки участък от течението е толкова малка, че може да се счита за прав сегмент, разстоянието от което до точката на наблюдение е много по-голямо. Удобно е да се въведе понятието токов елемент, където посоката на вектора съвпада с посоката на тока аз, а модулът му е (фиг. 6).
За индукция на магнитно поле, създадено от токов елемент в точка, разположена на разстояние rот него (фиг. 6) Лаплас извежда формула, която е валидна за вакуума:
. (1.1)
Формулата на закона на Био-Савар-Лаплас (1.1) е записана в системата SI, в която константата 
наречена магнитна константа.
Вече беше отбелязано, че в магнетизма, както и в електричеството, се прилага принципът на суперпозиция на полета, т.е. индукцията на магнитното поле, създадено от системата от токове в дадена точка на пространството, е равна на векторната сума на индукциите на магнитните полета, създадени в тази точка от всеки от токовете поотделно:
з 
и фиг. 7 показва пример за конструиране на вектор на магнитна индукция в полето на два успоредни и противоположни тока и :
1.3. Приложение на закона на Био-Савар-Лаплас.
Постоянно магнитно поле
Помислете за сегмент от постоянен ток. Токовият елемент създава магнитно поле, чиято индукция в точката НО(фиг. 8) съгласно закона на Био-Савар-Лаплас се намира по формулата:
, (1.3)
Взаимодействия.
Магнитното взаимодействие между желязо и магнит или между магнити възниква не само когато те са в пряк контакт, но и на разстояние. С увеличаване на разстоянието силата на взаимодействие намалява и при достатъчно голямо разстояние престава да се забелязва. Следователно свойствата на частта от пространството близо до магнита се различават от свойствата на тази част от пространството, където не се появяват магнитни сили. В пространството, където се проявяват магнитните сили, има магнитно поле.
Ако се въведе магнитна стрелка в магнитно поле, то ще се установи по съвсем определен начин и в различни местаполета ще бъде зададено по различен начин.
През 1905 г. Пол Ланжевин, въз основа на теоремата на Лармор и електронната теория на Лоренц, развива класическата интерпретация на теорията за диа- и парамагнетизма.
Естествени и изкуствени магнити
Магнетит (магнитна желязна руда) - камък, който привлича желязото, е описан от древни учени. Това е така нареченият естествен магнит, който се среща доста често в природата. Това е широко разпространен минерал със състав: 31% FeO и 69% Fe2O3, съдържащ 72,4% желязо.Ако от такъв материал се изреже лента и се окачи на конец, тогава тя ще бъде монтирана в пространството по съвсем определен начин: по права линия, минаваща от север на юг. Ако лентата бъде изведена от това състояние, т.е. отклонена от посоката, в която е била, и след това отново оставена на себе си, тогава лентата, след като направи няколко трептения, ще заеме предишното си положение, установявайки се в посока от север към юг.
Ако тази лента е потопена в железни стружки, тогава те няма да бъдат привлечени от лентата по един и същи начин навсякъде. Най-голямата сила на привличане ще бъде в краищата на ивицата, които са обърнати на север и юг.
Тези места на лентата, където се намира най-голямата сила на привличане, се наричат магнитни полюси. Полюсът, насочен на север, се нарича северен полюс на магнита (или положителен) и се обозначава с буквата N (или C); южният полюс" се нарича южен полюс (или отрицателен) и се обозначава с буквата S (или Yu). Взаимодействието на полюсите на магнита може да се изследва по следния начин. Нека вземем две ленти магнетит и окачи една от тях на конец, както вече беше споменато по-горе. Като държим втората лента в ръка, ще я донесем до първата с различни стълбове.
Оказва се, че ако до северния полюс на една лента се приближи южният полюс на другата, тогава между полюсите ще възникнат сили на привличане и лентата, окачена на конеца, ще бъде привлечена. Ако втора лента бъде доведена до северния полюс на окачената лента, също със северния полюс, тогава окачената лента ще бъде отблъсната.
Провеждайки такива експерименти, човек може да се убеди в валидността на закономерността, установена от Хилберт за взаимодействието на магнитните полюси: като полюсите се отблъскват, противоположните се привличат.
Ако искахме да разделим магнита наполовина, за да отделим северния магнитен полюс от южния, тогава се оказва, че няма да можем да направим това. Като разрежем магнита наполовина, получаваме два магнита, всеки с два полюса. Ако продължим този процес по-нататък, тогава, както показва опитът, никога няма да успеем да получим магнит с един полюс. Този опит ни убеждава, че полюсите на магнита не съществуват отделно, както съществуват отделно отрицателните и положителните електрически заряди. Следователно елементарните носители на магнетизъм или, както ги наричат, елементарни магнити, също трябва да имат два полюса.
Естествените магнити, описани по-горе, практически не се използват в момента. Много по-силни и удобни са изкуствените постоянни магнити. Най-лесният начин да направите постоянен изкуствен магнит е от стоманена лента, ако я натъркате от центъра към краищата с противоположни полюси на естествени или други изкуствени магнити. Лентовите магнити се наричат лентови магнити. Често е по-удобно да използвате магнит, който наподобява форма на подкова. Такъв магнит се нарича подковообразен.
Изкуствените магнити обикновено се правят така, че в краищата им да се създават противоположни магнитни полюси. Това обаче изобщо не е необходимо. Възможно е да се направи такъв магнит, в който двата края ще имат един и същ полюс, например север. Можете да направите такъв магнит, като натриете стоманена лента от средата към краищата със същите полюси.
Северният и южният полюс обаче са неразделни за такъв магнит. Наистина, ако се потопи в дървени стърготини, те ще бъдат силно привлечени не само по ръбовете на магнита, но и към средата му. Лесно е да се провери, че северните полюси са разположени по краищата, а южният полюс е в средата.
Магнитни свойства. Класове вещества
Това е кумулативното поведение на такива мини-магнити на атомите на кристалната решетка, което определя магнитните свойства на веществото. Според магнитните си свойства веществата се делят на три основни класа: феромагнетици, парамагнетиции диамагнити. Има и два отделни подкласа материали, отделени от общия клас феромагнетици - антиферомагнетиции феримагнетици. И в двата случая тези вещества принадлежат към класа на феромагнетиците, но имат специални свойства при ниски температури: магнитните полета на съседните атоми се подреждат строго успоредно, но в противоположни посоки. Антиферомагнетиците се състоят от атоми на един елемент и в резултат на това тяхното магнитно поле става равно на нула. Феримагнетиците са сплав от две или повече вещества и резултатът от суперпозиция на противоположно насочени полета е макроскопично магнитно поле, присъщо на материала като цяло.феромагнетици
Някои вещества и сплави (на първо място трябва да се отбележат желязо, никел и кобалт) при температури под точки на Кюрипридобиват способността да изграждат своята кристална решетка по такъв начин, че магнитните полета на атомите да са еднопосочни и да се подсилват взаимно, поради което извън материала възниква макроскопично магнитно поле. От такива материали се получават гореспоменатите постоянни магнити. Всъщност магнитното подреждане на атомите обикновено не се простира до неограничен обем от феромагнитен материал: намагнитването е ограничено до обем, съдържащ от няколко хиляди до няколко десетки хиляди атома, и такъв обем вещество обикновено се нарича домейн(от английски домейн - "област"). Когато желязото се охлади под точката на Кюри, се образуват много области, във всяка от които магнитното поле е ориентирано по свой начин. Следователно в нормално състояние твърдото желязо не е магнетизирано, въпреки че вътре в него се образуват домейни, всеки от които е завършен минимагнит. Въпреки това, под въздействието на външни условия (например, когато разтопеното желязо се втвърдява в присъствието на мощно магнитно поле), домейните се подреждат по подреден начин и техните магнитни полета се усилват взаимно. Тогава получаваме истински магнит - тяло с подчертано външно магнитно поле. Ето как работят постоянните магнити.
Парамагнетици
В повечето материали няма вътрешни сили за подравняване на магнитната ориентация на атомите, домейни не се образуват и магнитните полета на отделните атоми са произволно насочени. Поради това полетата на отделните магнитни атоми взаимно се гасят и такива материали нямат външно магнитно поле. Когато обаче такъв материал се постави в силно външно поле (например между полюсите на мощен магнит), магнитните полета на атомите са ориентирани в посока, съвпадаща с посоката на външното магнитно поле, и наблюдаваме ефектът от усилване на магнитното поле в присъствието на такъв материал. Материали с подобни свойства се наричат парамагнитни. Веднага щом външното магнитно поле бъде премахнато обаче, парамагнитът веднага се демагнетизира, тъй като атомите отново се подреждат произволно. Тоест парамагнетиците се характеризират със способността за временно магнетизиране.
Диамагнети
Във вещества, чиито атоми нямат собствен магнитен момент (т.е. в тези, където магнитните полета са изгасени дори в ембриона - на ниво електрони), може да възникне магнетизъм от различно естество. Според втория закон на Фарадей за електромагнитната индукция, с увеличаване на потока на магнитно поле, преминаващо през проводяща верига, промяната в електрическия ток във веригата противодейства на увеличаването на магнитния поток. В резултат на това, ако вещество, което няма свои собствени магнитни свойства, бъде въведено в силно магнитно поле, електроните в атомни орбити, които са микроскопични вериги, носещи ток, ще променят природата на своето движение по такъв начин, че да предотвратят увеличаване на магнитния поток, т.е. те ще създадат собствено магнитно поле, насочено в обратна посока в сравнение с външното поле. Такива материали обикновено се наричат диамагнети.
Магнетизъм в природата
Много природни явления се определят именно от магнитните сили. Те са източник на много явления на микросвета: поведението на атоми, молекули, атомни ядра и елементарни частици - електрони, протони, неутрони и др. В допълнение, магнитните явления са характерни и за огромните небесни тела: Слънцето и Земята са огромни магнити. Половината от енергията на електромагнитните вълни (радиовълни, инфрачервено, видимо и ултравиолетово лъчение, рентгенови и гама лъчи) е магнитна. Магнитното поле на Земята се проявява в редица явления и се оказва, по-специално, една от причините за полярните сияния.Немагнитни вещества по принцип не съществуват. Всяко вещество винаги е "магнитно", тоест променя свойствата си в магнитно поле. Понякога тези промени са доста малки и могат да бъдат открити само с помощта на специално оборудване; понякога те са доста значителни и се откриват без особени затруднения с помощта на много прости средства. Слабо магнитните вещества включват алуминий, мед, вода, живак и др., Силно магнитни или просто магнитни (при обикновени температури) - желязо, никел, кобалт и някои сплави.
Използването на магнетизъм
Съвременната електротехника много широко използва магнитните свойства на материята за получаване на електрическа енергия, за преобразуването й в различни други форми на енергия. В жични и безжични комуникационни устройства, в телевизията, автоматиката и телемеханиката се използват материали с определени магнитни свойства. Магнитните явления също играят съществена роля в живата природа.Изключителната общност на магнитните явления, тяхното огромно практическо значение естествено водят до факта, че учението за магнетизма е един от най-важните клонове на съвременната физика.
Магнетизмът също е неразделна част от компютърния свят: до 2010 г. магнитните носители за съхранение (компактни касети, флопи дискове и др.) бяха много разпространени в света, но магнитооптичните носители (DVD-RAM
През последните 50 години всички клонове на науката напреднаха бързо. Но след като прочетете много списания за природата на магнетизма и гравитацията, човек може да стигне до извода, че човек има още повече въпроси от преди.
Природата на магнетизма и гравитацията
За всички е очевидно и разбираемо, че изхвърлените предмети бързо падат на земята. Какво ги привлича? Спокойно можем да предположим, че те са привлечени от някакви неизвестни сили. Същите тези сили се наричат естествена гравитация. След това всеки, който се интересува, е изправен пред много спорове, предположения, предположения и въпроси. Каква е природата на магнетизма? Какви са В резултат на какво влияние се формират? Каква е тяхната същност, както и честота? Как влияят върху околната среда и всеки човек поотделно? Колко рационално може да се използва този феномен в полза на цивилизацията?
Понятието магнетизъм
В началото на деветнадесети век физикът Ханс Кристиан Ерстед открива магнитното поле на електрическия ток. Това направи възможно да се предположи, че природата на магнетизма е тясно свързана с електрическия ток, който се генерира във всеки от съществуващите атоми. Възниква въпросът какви явления могат да обяснят природата на земния магнетизъм?
Към днешна дата е установено, че магнитните полета в магнетизираните обекти се генерират в по-голяма степен от електрони, които непрекъснато се въртят около своята ос и около ядрото на съществуващ атом.
Отдавна е установено, че хаотичното движение на електрони е истински електрически ток и неговото преминаване провокира появата на магнитно поле. Обобщавайки тази част, можем спокойно да кажем, че електроните, поради своето хаотично движение вътре в атомите, генерират вътрешноатомни токове, които от своя страна допринасят за генерирането на магнитно поле.
Но каква е причината за това, че в различни материи магнитното поле има значителни разлики в собствената си стойност, както и различна сила на намагнитване? Това се дължи на факта, че осите и орбитите на движение на независими електрони в атомите могат да бъдат в различни позиции една спрямо друга. Това води до факта, че магнитните полета, произведени от движещите се електрони, също са разположени в съответните позиции.
По този начин трябва да се отбележи, че средата, в която възниква магнитното поле, влияе пряко върху него, като увеличава или отслабва самото поле.
Полето, което отслабва полученото поле, се нарича диамагнитно, а материалите, които усилват много слабо магнитното поле, се наричат парамагнитни.
Магнитни свойства на веществата
Трябва да се отбележи, че природата на магнетизма се ражда не само поради електрически ток, но и поради постоянни магнити.
Постоянните магнити могат да бъдат направени от малък брой вещества на Земята. Но си струва да се отбележи, че всички обекти, които ще бъдат в радиуса на магнитното поле, ще се намагнетизират и ще станат директни , След като анализираме горното, струва си да добавим, че векторът на магнитната индукция в случай на наличие на вещество се различава от вектора на вакуумната магнитна индукция.
Хипотезата на Ампер за природата на магнетизма
Причинно-следствената връзка, в резултат на която е установена връзката между притежаването на тела от магнитни свойства, е открита от изключителния френски учен Андре-Мари Ампер. Но каква е хипотезата на Ампер за природата на магнетизма?
Историята започна благодарение на силното впечатление от видяното от учения. Той беше свидетел на изследванията на Ерстед Лмиер, който смело предположи, че причината за магнетизма на Земята са теченията, които редовно преминават в земното кълбо. Основният и най-значим принос е направен: магнитните свойства на телата могат да бъдат обяснени с непрекъснатата циркулация на токове в тях. След като Ампер направи следното заключение: магнитните характеристики на всяко от съществуващите тела се определят от затворена верига от електрически токове, протичащи вътре в тях. Изявлението на физика беше смел и смел акт, тъй като той зачеркна всички предишни открития, обяснявайки магнитните свойства на телата.
Движение на електрони и електрически ток
Хипотезата на Ампер гласи, че във всеки атом и молекула има елементарен и циркулиращ заряд от електрически ток. Заслужава да се отбележи, че днес вече знаем, че същите тези токове се образуват в резултат на хаотичното и непрекъснато движение на електрони в атомите. Ако съгласуваните равнини са случайно една спрямо друга поради термичното движение на молекулите, тогава техните процеси са взаимно компенсирани и нямат абсолютно никакви магнитни свойства. И в магнетизиран обект най-простите токове са насочени към гарантиране, че техните действия са координирани.
Хипотезата на Ампер е в състояние да обясни защо магнитните стрелки и рамки с електрически ток в магнитно поле се държат идентично една спрямо друга. Стрелката от своя страна трябва да се разглежда като комплекс от малки вериги с ток, които са насочени еднакво.
Специална група, в която магнитното поле е значително засилено, се нарича феромагнитна. Тези материали включват желязо, никел, кобалт и гадолиний (и техните сплави).
Но как да обясним природата на магнетизма, постоянните полета се образуват от феромагнетиците не само в резултат на движението на електрони, но и в резултат на собственото им хаотично движение.
Ъгловият импулс (собственият въртящ момент) е придобил името - спин. През цялото време на съществуване електроните се въртят около оста си и, имайки заряд, генерират магнитно поле заедно с полето, образувано в резултат на орбиталното им движение около ядрата.
Температура Мария Кюри
Температурата, над която феромагнитното вещество губи магнетизация, е получила специфичното си име - температура на Кюри. Все пак френски учен с това име е направил това откритие. Той стигна до извода: ако магнетизиран обект се нагрее значително, тогава той ще загуби способността да привлича железни предмети към себе си.
Феромагнетици и тяхното приложение
Въпреки факта, че в света няма толкова много феромагнитни тела, техните магнитни свойства имат голямо практическа употребаи смисъл. Сърцевината в бобината, изработена от желязо или стомана, усилва многократно магнитното поле, като същевременно не надвишава консумацията на ток в бобината. Това явление значително помага за пестене на енергия. Ядрата са направени изключително от феромагнетици и няма значение за каква цел ще служи тази част.
Магнитен метод за запис на информация
С помощта на феромагнетици се правят първокласни магнитни ленти и миниатюрни магнитни филми. Магнитните ленти се използват широко в областта на звукозаписа и видеозаписа.
Магнитната лента е пластмасова основа, състояща се от PVC или други компоненти. Върху него се нанася слой, представляващ магнитен лак, който се състои от множество много малки игловидни частици желязо или друг феромагнетик.
Процесът на звукозапис се извършва на лента, поради което полето е подложено на промени във времето поради звукови вибрации. В резултат на движението на лентата около магнитната глава, всеки участък от филма е подложен на намагнитване.
Природата на гравитацията и нейните концепции
На първо място, заслужава да се отбележи, че гравитацията и нейните сили се съдържат в закона за всемирното притегляне, който гласи, че: две материални точки се привличат една друга със сила, право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.
Съвременната наука започна да разглежда понятията за гравитационната сила малко по-различно и я обяснява като действието на гравитационното поле на самата Земя, чийто произход, за съжаление, учените все още не са установили.
Обобщавайки всичко по-горе, бих искал да отбележа, че всичко в нашия свят е тясно свързано и няма съществена разлика между гравитацията и магнетизма. В крайна сметка гравитацията има същия магнетизъм, но не в голяма степен. На Земята е невъзможно да се отдели обект от природата - магнетизмът и гравитацията са нарушени, което в бъдеще може значително да усложни живота на цивилизацията. Човек трябва да бере плодовете на научните открития на велики учени и да се стреми към нови постижения, но трябва да използва всички дадености рационално, без да навреди на природата и човечеството.
Формули на електричеството и магнетизма. Изучаването на основите на електродинамиката традиционно започва с електрическо поле във вакуум. За да се изчисли силата на взаимодействие между два точни заряда и да се изчисли силата на електрическото поле, създадено от точков заряд, човек трябва да може да приложи закона на Кулон. За изчисляване на напрегнатостта на полето, създадено от разширени заряди (заредена нишка, равнина и т.н.), се прилага теоремата на Гаус. За система от електрически заряди е необходимо да се приложи принципът
При изучаване на темата "Постоянен ток" е необходимо да се вземат под внимание във всички форми законите на Ом и Джаул-Ленц При изучаване на "Магнетизъм" е необходимо да се има предвид, че магнитното поле се генерира от движещи се заряди и действа върху движещи се заряди . Тук трябва да обърнем внимание на закона на Био-Савар-Лаплас. Особено внимание трябва да се обърне на силата на Лоренц и да се разгледа движението на заредена частица в магнитно поле.
Електрическите и магнитните явления са свързани със специална форма на съществуване на материята - електромагнитно поле. Основата на теорията за електромагнитното поле е теорията на Максуел.
Таблица с основни формули за електричество и магнетизъм
|
Физически закони, формули, променливи |
Формули за електричество и магнетизъм |
||||||||
|
Закон на Кулон: |
|
||||||||
|
Сила на електрическото поле: където Ḟ е силата, действаща върху заряда q0 разположени в тази точка на полето. |
|||||||||
|
Сила на полето на разстояние r от източника на поле: 1) точков заряд 2) безкрайно дълга заредена нишка с линейна плътност на заряда τ: 3) равномерно заредена безкрайна равнина с повърхностна плътност на заряда σ: 4) между две противоположно заредени равнини |
|
||||||||
|
Потенциал на електрическото поле: където W е потенциалната енергия на заряда q 0 . |
|||||||||
|
Потенциал на полето на точков заряд на разстояние r от заряда: |
|
||||||||
|
Според принципа на суперпозиция на полетата, интензитетът: |
|
||||||||
|
потенциал: където Ēi и ϕ i- напрежение и потенциал в дадена точка на полето, създаден от iзареждане. |
|||||||||
|
Работата на силите на електрическото поле за преместване на заряда q от точка с потенциалφ 1 до степен на потенциалϕ 2: |
|
||||||||
|
Връзка между напрежение и потенциал 1) за нехомогенно поле: 2) за хомогенно поле: |
|
||||||||
|
Електрически капацитет на отделен проводник: |
|||||||||
|
Капацитет на кондензатора: |
|||||||||
|
Електрически капацитет на плосък кондензатор: където S е площта на плочата (една) на кондензатора, d е разстоянието между плочите. |
|||||||||
|
Енергия на зареден кондензатор: |
|||||||||
|
Текуща сила: |
|||||||||
|
плътност на тока: където S е площта на напречното сечение на проводника. |
|||||||||
|
Съпротивление на проводника: l е дължината на проводника; S е площта на напречното сечение. |
|||||||||
|
Закон на Ом 1) за хомогенен участък от веригата: 2) в диференциална форма: 3) за част от веригата, съдържаща ЕМП: Където ε е ЕМП на източника на ток, R и r - външно и вътрешно съпротивление на веригата; 4) за затворена верига: |
|
||||||||
|
Закон на Джаул-Ленц 1) за хомогенна секция на DC веригата: 2) за участък от веригата с ток, който се променя с течение на времето: |
|
||||||||
|
Текуща мощност: |
|||||||||
|
Връзка между магнитната индукция и силата на магнитното поле: където B е векторът на магнитната индукция, |
|
||||||||
|
Магнитна индукция(индукция на магнитно поле): 2) полета на безкрайно дълъг постоянен ток 3) полето, създадено от парче проводник с ток |
|
,
Електронен учебник по физика
KSTU-KHTI. Катедра по физика. Старостина И.А., Кондратиева О.И., Бурдова Е.В.
За да се придвижвате в текста на електронния учебник можете да използвате:
1 - натискане на клавиш PgDn, PgUp,, да се движат през страници и редове;
2- натискане на левия бутон на мишката върху избраниятекст да отидете в необходимия раздел;
3- щракнете с левия бутон на мишката върху избраната икона@ за да отидете на заглавието.
МАГНЕТИЗЪМ
МАГНЕТИЗЪМ
1. ОСНОВИ НА МАГНИТОСТАТИКАТА. МАГНИТНО ПОЛЕ ВЪВ ВАКУУМ
1.1. Магнитно поле и неговите характеристики [имейл защитен]
1.2. Закон на Ампер [имейл защитен]
1.3. Законът на Био-Савар-Лаплас и приложението му за изчисляване на магнитното поле. @
1.4. Взаимодействие на два паралелни проводника с ток. @
1.5. Действието на магнитното поле върху движеща се заредена частица. @
1.6. Законът за пълния ток за магнитно поле във вакуум (теорема за циркулацията на вектора B). @
1.7. Поток на вектора на магнитната индукция. Теорема на Гаус за магнитно поле. @
1. 8. Рамка с ток в еднородно магнитно поле. @
2. МАГНИТНО ПОЛЕ ВЪВ ВЕЩЕСТВОТО. @
2.1. Магнитни моменти на атомите. @
2.2. Атом в магнитно поле. @
2.3. Намагнитването на материята. @
2.4. Видове магнити. @
2.5. Диамагнетизъм. Диамагнети. @
2.6. Парамагнетизъм. Парамагнетици. @
2.7. Феромагнетизъм. Феромагнетици. @
2.8. Домейн структура на феромагнетици. @
2.9. Антиферомагнетици и ферити. @
3. ФЕНОМЕНЪТ ЕЛЕКТРОМАГНИТНА ИНДУКЦИЯ. @
3.1. Основен закон на електромагнитната индукция. @
3.2. Феноменът на самоиндукцията. @
3.3. Феноменът на взаимната индукция. @
3.4. Енергията на магнитното поле. @
4. УРАВНЕНИЯ НА МАКСУЕЛ. @
4.1. Теорията на Максуел за електромагнитното поле. @
4.2. Първото уравнение на Максуел. @
4.3. ток на отклонение. @
4.4. Второто уравнение на Максуел. @
4.5. Система от уравнения на Максуел в интегрална форма. @
4.6. Електромагнитно поле. електромагнитни вълни. @
МАГНЕТИЗЪМ
Магнетизъм- дял от физиката, който изучава взаимодействието между електрически токове, между токове и магнити (тела с магнитен момент) и между магнити.
Дълго време магнетизмът се смяташе за наука, напълно независима от електричеството. Въпреки това, редица от най-важните открития на 19-ти и 20-ти век от А. Ампер, М. Фарадей и други доказаха връзката между електрическите и магнитните явления, което направи възможно разглеждането на учението за магнетизма като неразделна част от учение за електричеството.
1. ОСНОВИ НА МАГНИТОСТАТИКАТА. МАГНИТНО ПОЛЕ ВЪВ ВАКУУМ
1.1. Магнитно поле и неговите характеристики. @
За първи път магнитните явления са последователно разгледани от английския лекар и физик Уилям Гилбърт в неговия труд – „За магнита, магнитните тела и големия магнит – Земята“. Тогава изглеждаше, че електричеството и магнетизмът нямат нищо общо. Едва в началото на 19-ти век датският учен G.H.Oersted излага идеята, че магнетизмът може да бъде една от скритите форми на електричество, което се потвърждава от експеримент през 1820 г. Този опит доведе до лавина от нови открития, които бяха от голямо значение.
Многобройни експерименти в началото на 19 век показаха, че всеки проводник с ток и постоянен магнит е в състояние да упражнява сила в пространството върху други проводници с ток или магнити. Това се дължи на факта, че около проводници с ток и магнити възниква поле, което се нарича магнитен.
За изследване на магнитното поле се използва малка магнитна игла, окачена на нишка или балансирана на точка (фиг. 1.1). Във всяка точка на магнитното поле произволно разположена стрелка ще бъде n
Фиг.1.1. Посока на магнитното поле
Помислете за серия от експерименти, които направиха възможно установяването на основните свойства на магнитното поле:
Въз основа на тези експерименти се стигна до заключението, че магнитното поле се създава само от движещи се заряди или движещи се заредени тела, както и от постоянни магнити. Това магнитно поле се различава от електрическото поле, което се създава както от движещи се, така и от неподвижни заряди и действа както върху едното, така и върху другото.
Основната характеристика на магнитното поле е векторът на магнитната индукция 
. Посоката на магнитната индукция в дадена точка на полето се приема като посока, по която е разположена оста на магнитната стрелка от S към N в дадена точка (фиг. 1.1). Графично магнитните полета се представят чрез силови линии на магнитна индукция, т.е. криви, допирателните към които във всяка точка съвпадат с посоката на вектора B.
Тези силови линии могат да се видят с помощта на железни стърготини: например, ако разпръснете дървени стърготини около дълъг прав проводник и прекарате ток през него, тогава стърготини ще се държат като малки магнити, разположени по линиите на магнитното поле (фиг. 1.2) .
Как да определим посоката на вектор 
около проводник с ток? Това може да се направи с помощта на правилото на дясната ръка, което е илюстрирано на фиг. 1.2. Палецът на дясната ръка е ориентиран по посока на тока, а останалите пръсти в свито положение показват посоката на линиите на магнитното поле. В случая, показан на фигура 1.2, линиите 
са концентрични кръгове. Линиите на вектора на магнитната индукция са винаги затворени покриват проводника с ток. По това те се различават от линиите на напрегнатост на електрическото поле, които започват на положителни и завършват на отрицателни заряди, т.е. отворен. Линиите на магнитна индукция на постоянен магнит излизат от единия полюс, наречен север (N) и влизат в другия - юг (S) (фиг. 1.3а). Първоначално изглежда, че тук има пълна аналогия с линиите на напрегнатостта на електрическото поле E, а полюсите на магнитите играят ролята на магнитни заряди. Ако обаче разрежете магнита, картината се запазва, получават се по-малки магнити със собствен северен и южен полюс, т.е. невъзможно е разделянето на полюсите, тъй като свободните магнитни заряди, за разлика от електрическите, не съществуват в природата. Установено е, че вътре в магнитите има магнитно поле и линиите на магнитна индукция на това поле са продължение на линиите на магнитна индукция извън магнита, т.е. затворете ги. Подобно на постоянен магнит, магнитното поле на соленоид е намотка от тънък изолиран проводник с дължина, много по-голяма от диаметъра, през който протича токът (фиг. 1.3b). Краят на соленоида, от който се вижда токът в бобината, протичащ обратно на часовниковата стрелка, съвпада със северния полюс на магнита, а другият - с южния. Магнитна индукция 
в системата SI се измерва в N / (A ∙ m), тази стойност е получила специално име - тесла.
ОТ 
Според предположението на френския физик А. Ампер, магнетизираното желязо (по-специално стрелките на компаса) съдържа непрекъснато движещи се заряди, т.е. електрически токове в атомен мащаб. Такива микроскопични токове, дължащи се на движението на електроните в атомите и молекулите, съществуват във всяко тяло. Тези микротокове създават свое собствено магнитно поле и могат сами да обръщат външни полета, създадени от проводници с ток.Например, ако проводник с ток се постави близо до тяло, тогава под действието на неговото магнитно поле микротоковете във всички атоми са ориентирани по определен начин, създавайки допълнително магнитно поле. По това време Ампер не може да каже нищо за природата и характера на тези микротокове, тъй като учението за структурата на материята все още е в самото начало начална фаза. Хипотезата на Ампер е блестящо потвърдена едва 100 години по-късно, след откриването на електрона и изясняването на структурата на атомите и молекулите.
Магнитните полета, които съществуват в природата, са разнообразни по мащаб и ефекти. Магнитното поле на Земята, което образува магнитосферата на Земята, се простира на разстояние от 70 - 80 хиляди км по посока на Слънцето и на много милиони километри в обратната посока. В околоземното пространство магнитното поле образува магнитен капан за високоенергийни заредени частици. Произходът на магнитното поле на Земята се свързва с движенията на проводимо течно вещество в ядрото на Земята. От другите планети в Слънчевата система само Юпитер и Сатурн имат значителни магнитни полета. Магнитното поле на Слънцето играе решаваща роля във всички процеси, протичащи на Слънцето - изригвания, поява на петна и изпъкналости, зараждане на слънчеви космически лъчи.
Магнитното поле се използва широко в различни индустрии, по-специално при почистване на брашно в пекарни от метални примеси. Специалните сита за брашно са оборудвани с магнити, които привличат малки парчета желязо и неговите съединения, които могат да се съдържат в брашното.
