Кой за първи път използва магнита. Магнитно поле Магнитното явление е наблюдавано за първи път от

Нека заедно разберем какво е магнитно поле. В крайна сметка много хора живеят в тази сфера през целия си живот и дори не мислят за това. Време е да го поправите!

Магнитно поле

Магнитно поле- особен вид материя. Проявява се в действие върху движещи се електрически заряди и тела, които имат собствен магнитен момент (постоянни магнити).

Важно: магнитното поле не влияе на стационарните заряди! Магнитно поле се създава и от движещи се електрически заряди, или от променящо се във времето електрическо поле, или от магнитните моменти на електроните в атомите. Тоест всеки проводник, през който протича ток, също става магнит!

Тяло със собствено магнитно поле.

Магнитът има полюси, наречени север и юг. Означенията "север" и "юг" са дадени само за удобство (като "плюс" и "минус" в електричеството).

Магнитното поле е изобразено от линии на магнитно поле... Силовите линии са непрекъснати и затворени, като посоката им винаги съвпада с посоката на действие на силите на полето. Ако металните стърготини са разпръснати около постоянния магнит, металните частици ще покажат визуална картина на линиите на магнитното поле, излизащи от север и навлизащи в южния полюс. Графична характеристика на магнитното поле - силови линии.

Характеристики на магнитното поле

Основните характеристики на магнитното поле са магнитна индукция, магнитен потоки магнитна пропускливост... Но нека поговорим за всичко по ред.

Веднага отбелязваме, че всички мерни единици са дадени в системата SI.

Магнитна индукция Б - вектор физическо количество, което е основната силова характеристика на магнитното поле. Обозначава се с буква Б ... Единица за измерване на магнитната индукция - Тесла (Т).

Магнитната индукция показва колко силно е полето, като определя силата, с която действа върху заряда. Тази сила се нарича от силата на Лоренц.

Тук q - зареждане, v - скоростта му в магнитно поле, Б - индукция, Ф е силата на Лоренц, с която полето действа върху заряда.

Ф- физическа величина, равна на произведението на магнитната индукция от площта на веригата и косинуса между индукционния вектор и нормалата към равнината на веригата, през която преминава потокът. Магнитният поток е скаларна характеристика на магнитното поле.

Можем да кажем, че магнитният поток характеризира броя на линиите на магнитна индукция, проникващи в единица площ. Магнитният поток се измерва в Weberh (Wb).

Магнитна пропускливост- определяне на коефициента магнитни свойствасряда. Един от параметрите, от които зависи магнитната индукция на полето, е магнитната проницаемост.

Нашата планета е огромен магнит от няколко милиарда години. Индукцията на магнитното поле на Земята се променя в зависимост от координатите. На екватора то е равно на около 3,1 по 10 до минус петата степен на Тесла. Освен това има магнитни аномалии, при които стойността и посоката на полето се различават значително от съседните региони. Някои от най-големите магнитни аномалии на планетата са Курски Бразилски магнитни аномалии.

Произходът на магнитното поле на Земята все още е загадка за учените. Предполага се, че източникът на полето е течнометалното ядро на Земята. Ядрото се движи, което означава, че стопената желязо-никелова сплав се движи, а движението на заредените частици е електрическият ток, който генерира магнитно поле. Проблемът е, че тази теория ( геодинамо) не обяснява как полето се поддържа стабилно.

Земята е огромен магнитен дипол.Магнитните полюси не съвпадат с географските, въпреки че са в непосредствена близост. Освен това магнитните полюси на Земята се движат. Изместването им се записва от 1885 г. Например през последните сто години магнитният полюс в Южното полукълбо се е изместил с почти 900 километра и сега е в Южния океан. Полюсът на Арктическото полукълбо се движи през Северния ледовит океан към Източносибирската магнитна аномалия, скоростта на неговото движение (по данни от 2004 г.) е около 60 километра годишно. Сега има ускоряване на движението на стълбовете - средно скоростта нараства с 3 километра годишно.

Какво е значението на магнитното поле на Земята за нас?На първо място, магнитното поле на Земята предпазва планетата от космическите лъчи и слънчевия вятър. Заредените частици от далечния космос не падат директно върху земята, а се отклоняват от гигантски магнит и се движат по силовите му линии. Така всички живи същества са защитени от вредни лъчения.

През историята на Земята е имало няколко инверсии(смени) на магнитните полюси. Обръщане на полюса- това е когато си сменят местата. Последен пъттова явление се е случило преди около 800 хиляди години, а геомагнитните обръщания в историята на Земята са били над 400. Някои учени смятат, че предвид наблюдаваното ускорение на магнитните полюси следващото обръщане на полюсите трябва да се очаква през следващата няколко хиляди години.

За щастие в нашия век не се очаква промяна на полярността. Това означава, че можете да мислите за приятното и да се наслаждавате на живота в доброто старо постоянно поле на Земята, като разгледате основните свойства и характеристики на магнитното поле. И за да можете да направите това, има наши автори, на които можете уверено да поверите част от образователните усилия! и други видове работа можете да поръчате на линка.

Магнитните полета възникват в природата и могат да бъдат създадени изкуствено. Мъжът ги забеляза полезни характеристики, в който се научих да прилагам Ежедневието... Какъв е източникът на магнитното поле?

Как се е развила теорията за магнитното поле

Магнитните свойства на някои вещества са забелязани още в древността, но тяхното истинско изследване започва в средновековна Европа. С помощта на малки стоманени игли учен от Франция Перегрин открива пресечната точка на магнитните силови линии в определени точки – полюсите. Само три века по-късно, воден от това откритие, Гилбърт продължава своето изследване и впоследствие защитава хипотезата си, че Земята има свое собствено магнитно поле.

Бързото развитие на теорията за магнетизма започва от началото на 19-ти век, когато Ампер открива и описва влиянието на електрическото поле върху появата на магнитно поле и откритието на Фарадей електромагнитна индукцияустанови обратна връзка.

Какво е магнитно поле

Магнитното поле се проявява в силен ефект върху електрически заряди в движение или върху тела, които имат магнитен момент.

Проводници, през които протича електрически ток;
Постоянни магнити;
Промяна на електрическото поле.

Основната причина за появата на магнитно поле е еднаква за всички източници: електрически микрозаряди - електрони, йони или протони имат собствен магнитен момент или са в насочено движение.

Важно!Електрически и магнитни полетапроменящи се с течение на времето. Тази зависимост се определя от уравненията на Максуел.

Характеристики на магнитното поле

Характеристиките на магнитното поле са:

Магнитен поток, скаларна величина, която определя колко силови линии на магнитно поле преминават през дадено напречно сечение. Означава се с буквата F. Изчислено по формулата:

F = B x S x cos α,

където B е векторът на магнитната индукция, S е сечението, α е ъгълът на наклона на вектора спрямо перпендикуляра, начертан към равнината на сечението. Мерна единица - weber (Wb);

Векторът на магнитната индукция (В) показва силата, действаща върху носителите на заряд. Насочена е настрани Северен полюскъдето сочи обичайната магнитна стрелка. Количествено магнитната индукция се измерва в тесла (T);
Напрежение MP (N). Определя се от магнитната пропускливост на различни среди. Във вакуум пропускливостта се приема като единица. Посоката на вектора на напрежението съвпада с посоката на магнитната индукция. Мерната единица е A / m.

Как да си представим магнитно поле

Лесно е да се види проявлението на магнитно поле на примера на постоянен магнит. Има два полюса и в зависимост от ориентацията двата магнита привличат или отблъскват. Магнитното поле характеризира процесите, протичащи в този случай:

MP се описва математически като векторно поле. Може да се конструира с помощта на множество вектори на магнитна индукция B, всеки от които е насочен към северния полюс на стрелката на компаса и има дължина, която зависи от магнитната сила;
Алтернативен начин да го представите е да използвате лей линии. Тези линии никога не се пресичат, не започват и не спират никъде, образувайки затворени контури. MF линиите се сливат в по-чести области, където магнитното поле е най-силно.

Важно!Плътността на силовите линии показва силата на магнитното поле.

Въпреки че MP не може да се види в реалността, силовите линии могат лесно да се визуализират в реалния свят чрез поставяне на железни стърготини в MP. Всяка частица действа като мъничък магнит със северен и южен полюс. Резултатът е модел, подобен на силови линии. Човек не е в състояние да усети въздействието на МП.

Измерване на магнитно поле

Тъй като това е векторна величина, има два параметъра за измерване на MF: сила и посока. Посоката е лесна за измерване с компас, свързан към полето. Пример за това е компас, поставен в земното магнитно поле.

Измерването на други характеристики е много по-трудно. Практическите магнитометри се появяват едва през 19 век. Повечето от тях работят, като използват силата, която електронът усеща, когато се движи по протежение на MP.

Много точно измерване на малки магнитни полета стана възможно след откриването през 1988 г. на гигантското магнитосъпротивление в слоевите материали. Това откритие във фундаменталната физика бързо беше приложено към технологията на магнитен твърд диск за съхранение на данни на компютри, което доведе до хилядократно увеличение на капацитета за съхранение само за няколко години.

В конвенционалните измервателни системи MF се измерва в тестове (T) или в гаус (G). 1 T = 10000 G. Гаус често се използва, защото Tesla е твърде голямо поле.

Интересно.Малък магнит върху хладилника създава MF, равна на 0,001 T, а магнитното поле на Земята средно е 0,00005 T.

Естеството на възникването на магнитното поле

Магнетизмът и магнитните полета са проява на електромагнитна сила. Има два възможни начиникак да организираме енергийния заряд в движение и следователно магнитното поле.

Първият е да свържете проводника към източник на ток, около него се образува MF.

Важно!С увеличаване на тока (броя на зарядите в движение) MF се увеличава пропорционално. С разстояние от жицата полето намалява в зависимост от разстоянието. Това се описва от закона на Ампер.

Някои материали с по-висока магнитна проницаемост са способни да концентрират магнитни полета.

Тъй като магнитното поле е вектор, е необходимо да се определи неговата посока. За нормален ток, протичащ през прав проводник, посоката може да се намери по правилото на дясната страна.

За да използвате правилото, трябва да си представите, че жицата е увита около дясната ръка и палецпоказва посоката на тока. Тогава останалите четири пръста ще покажат посоката на вектора на магнитната индукция около проводника.

Вторият начин за създаване на магнитно поле е да се използва фактът, че в някои вещества се появяват електрони със собствен магнитен момент. Ето как работят постоянните магнити:

Въпреки че атомите често имат много електрони, те обикновено се свързват така, че общото магнитно поле на двойката се компенсира. Казва се, че два електрона, сдвоени по този начин, имат противоположен спин. Следователно, за да намагнетизирате нещо, имате нужда от атоми, които имат един или повече електрони със същия спин. Например желязото има четири такива електрона и е подходящо за направата на магнити;
Милиардите електрони в атомите могат да бъдат ориентирани на случаен принцип и няма да има тотален MF, без значение колко несдвоени електрони има материалът. Той трябва да бъде стабилен при ниски температури, за да осигури цялостна предпочитана ориентация на електроните. Високата магнитна пропускливост определя намагнитването на такива вещества при определени условия извън влиянието на МП. Това са феромагнити;
Други материали могат да проявяват магнитни свойства в присъствието на външен MF. Външното поле служи за подравняване на всички завъртания на електрони, което изчезва след отстраняването на MF. Тези вещества са парамагнети. Металната врата на хладилника е пример за парамагнит.

Земята може да бъде представена под формата на кондензаторни пластини, чийто заряд има обратен знак: "минус" - y земната повърхности "плюс" - в йоносферата. Между тях е атмосферен въздух като изолационна подложка. Гигантският кондензатор поддържа постоянен заряд поради влиянието на MF на Земята. Използвайки тези знания, можете да създадете схема за получаване на електрическа енергия от магнитното поле на Земята. Вярно е, че резултатът ще бъде ниски стойности на напрежението.

Трябва да вземете:

устройство за заземяване;
жицата;
Трансформаторът на Тесла, способен да генерира високочестотни трептения и да създава коронен разряд, йонизиращ въздуха.

Бобината на Тесла ще действа като електронен емитер. Цялата конструкция е свързана заедно и трансформаторът трябва да бъде повдигнат на значителна височина, за да се осигури достатъчна потенциална разлика. Така ще се създаде електрическа верига, през която ще тече малък ток. Получаване голям бройелектричество с помощта на това устройство е невъзможно.

Електричеството и магнетизмът доминират в много светове около хората: от най-фундаменталните процеси в природата до авангардни електронни устройства.

Видео

Магнетизмът се изучава от древни времена и през последните два века се превърна в основата на съвременната цивилизация.

Алексей Левин

Човечеството събира знания за магнитните явления в продължение на най-малко три и половина хиляди години (първите наблюдения на електрическите сили се извършват хиляда години по-късно). Преди четиристотин години, в зората на физиката, магнитните свойства на веществата бяха разделени от електрическите, след което дълго време и двете бяха изследвани независимо. Така се създава експерименталната и теоретична основа, която до средата на 19 век става основа за единна теория на електромагнитните явления. необичайни свойстваестествен минерал магнетит (магнитна желязна руда, Fe3O4) са били известни в Месопотамия още през бронзовата епоха. И след появата на желязната металургия беше невъзможно да не се забележи, че магнетитът привлича железни продукти. Причините за това привличане вече се смятаха от бащата на гръцката философия Талес от Милет (около 640-546 г. пр. н. е.), който го обяснява със специалната одушевена природа на този минерал (Талес също знаеше, че кехлибарът, натъркан върху вълна, привлича сухи листа и малки чипове и следователно го надарили с духовна сила). По-късно гръцките мислители говорят за невидими пари, които обгръщат магнетита и желязото и ги привличат един към друг. Не е изненадващо, че самата дума "магнит" също има гръцки корени. Най-вероятно се връща към името на Магнезия-и-Сипила, град в Мала Азия, близо до който е отложен магнетит. Гръцкият поет Никандр споменава за овчаря Магнис, който се намирал до скала, която дръпнала железния връх на тоягата му, но това по всяка вероятност е просто красива легенда.

Интерес проявяваха и естествени магнити Древен Китай... Способността на магнетита да привлича желязо се споменава в трактата „Пролетните и есенните записи на Учителя Лиу“, датиран през 240 г. пр.н.е. Век по-късно китайците забелязали, че магнетитът няма ефект върху медта или керамиката. През VII-VIII век. / bm9icg ===> ekah установиха, че свободно окачена магнетизирана желязна игла се обръща към Полярната звезда. В резултат на това през втората половина на 11 век в Китай се появяват истински морски компаси, европейските мореплаватели ги овладяват сто години по-късно. Приблизително по същото време китайците открили, че намагнетизираната игла сочи на изток от посоката на север и така се отворила магнитна деклинация, далеч по-напред от европейските мореплаватели по този въпрос, които стигат до това заключение едва през 15 век.

Малки магнити

Във феромагнит, присъщите магнитни моменти на атомите са подравнени успоредно (енергията на тази ориентация е минимална). В резултат на това се образуват намагнетизирани области, домейни са микроскопични (10−4-10−6 m) постоянни магнити, разделени от доменни стени. При липса на външно магнитно поле магнитните моменти на домейните са произволно ориентирани във феромагнетика; във външното поле границите започват да се изместват, така че домейни с моменти, успоредни на полето, изместват всички останали - феромагнетикът е магнетизиран.

Произходът на науката за магнетизма

Първото в Европа описание на свойствата на естествените магнити е направено от французина Пиер дьо Марикур. През 1269 г. той служи в армията на крал Карл от Анжу Сицилийски, който обсади италианския град Лучера. Оттам той изпраща документ на свой приятел в Пикардия, който влиза в историята на науката като „Писмо върху магнита“ (Epistola de Magnete), където разказва за опитите си с магнитна желязна руда. Марикур забеляза, че във всяко парче магнетит има две области, които привличат желязото особено силно. Той видял паралел между тези зони и полюсите на небесната сфера и заимствал техните имена за областите с максимална магнитна сила - затова сега говорим за северния и южния магнитни полюси. Ако счупите парче магнетит на две, пише Марикур, всяко парче има свои собствени полюси. Марикур не само потвърди, че както привличането, така и отблъскването се случва между парчета магнетит (това вече беше известно), но за първи път свързва този ефект с взаимодействието между противоположни (северен и южен) или подобни полюси.

Много историци на науката смятат Марикур за безспорен пионер на европейската експериментална наука. Във всеки случай, неговите бележки за магнетизма се появяват в десетки екземпляри, а след появата на печата те са публикувани като отделна брошура. Те са цитирани с уважение от много естествоизпитатели до 17 век. Това произведение е добре известно на английския натуралист и лекар (лекар на кралица Елизабет и нейния наследник Джеймс I) Уилям Гилбърт, който през 1600 г. публикува (както би трябвало да бъде на латински) чудесен труд „На магнита, магнитни телаи голям магнит - Земята." В тази книга Хилберт не само цитира почти цялата известна информация за свойствата на естествените магнити и намагнетизираното желязо, но и описва собствените си експерименти с магнетитна топка, с помощта на които възпроизвежда основните характеристики на земния магнетизъм. Например, той установил, че и на двата магнитни полюса на такава „малка Земя“ (лат. terrella) стрелката на компаса е поставена перпендикулярно на нейната повърхност, на екватора – успоредно, а на средните ширини – в междинно положение. Така Хилберт моделира магнитния наклон, чието съществуване е известно в Европа повече от половин век (през 1544 г. това явление е описано за първи път от Нюрнбергския механик Георг Хартман).

Революция в навигацията. Компасът направи революция в морската навигация, превръщайки глобалното пътуване не просто в изолиран инцидент, а в редовна рутина.

Хилберт възпроизведе върху своя модел геомагнитното отклонение, което той приписва на не идеално гладката повърхност на топката (и следователно, в планетарен мащаб, обяснява този ефект с привличането на континентите). Той установи, че силно нагрятото желязо губи своите магнитни свойства, но при охлаждане те се възстановяват. И накрая, Хилберт е първият, който прави ясно разграничение между привличането на магнит и привличането на натрития кехлибар, което той нарича електрическа сила (от латинското наименование на кехлибарен електрик). Като цяло това беше изключително новаторско произведение, оценено както от съвременници, така и от потомци. Твърдението на Хилберт, че Земята трябва да се счита за „голям магнит“, стана второто фундаментално научно заключение за физични свойстванашата планета (първото е откриването на нейната сферичност, направено още в Античността).

Два века пауза

След Хилберт науката за магнетизма до началото на XIXвек е напреднал много малко. Направеното за това време буквално може да се преброи на пръсти. През 1640 г. ученикът на Галилей Бенедето Кастели обяснява привличането на магнетита с наличието на много малки магнитни частици в състава му – първото и много несъвършено предположение, че природата на магнетизма трябва да се търси на атомно ниво. Холандецът Себалд Бругманс забелязва през 1778 г., че бисмутът и антимонът се отблъскват от полюсите на магнитна игла - това е първият пример физическо явление, което 67 години по-късно Фарадей нарече диамагнетизъм. През 1785 г. Чарлз-Огюстин Кулон, чрез прецизни измервания на торсионна везна, показа, че силата на взаимодействие на магнитните полюси е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях - точно както силата на взаимодействие между електрическите заряди (през 1750 г. англичанинът Джон Мишел стига до подобно заключение, но кулоновското заключение е много по-надеждно).

Но изучаването на електричеството през онези години се премести със скокове и граници... Това не е трудно да се обясни. Естествените магнити остават единствените първични източници на магнитна сила - науката не познава други. Силата им е стабилна, нито може да бъде променена (освен ако не се унищожи чрез нагряване), камо ли да се генерира по желание. Ясно е, че това обстоятелство силно ограничава възможностите на експериментаторите.

Електричеството беше в много по-изгодно положение, защото можеше да се получава и съхранява. Първият генератор статични зарядипостроен през 1663 г. от бургомайстора на Магдебург Ото фон Герике (известните магдебургски полукълба също са негово рожба). Век по-късно подобни генератори станаха толкова разпространени, че бяха демонстрирани дори на приеми на висшето общество. През 1744 г. германецът Евалд Георг фон Клайст и малко по-късно холандецът Петер ван Мушенбрук изобретяват лейденския буркан – първият електрически кондензатор; по същото време се появяват първите електрометри. В резултат на това до края на 18 век науката знае много повече за електричеството, отколкото в началото. Но това не може да се каже за магнетизма.

И тогава всичко се промени. През 1800 г. Алесандро Волта изобретява първия химически източник електрически ток- галванична батерия, известна още като волтов полюс. След това откриването на връзката между електричеството и магнетизма беше въпрос на време. Можеше да се случи още през следващата година, когато френският химик Никола Готеро забеляза, че два успоредни проводника с ток се привличат един към друг. Но нито той, нито великият Лаплас, нито забележителният физик-експериментатор Жан-Батист Био, който по-късно наблюдава това явление, не му придават никакво значение. Следователно приоритетът с право беше на учения, който отдавна предположи съществуването на такава връзка и посвети много години на търсенето й.

От Копенхаген до Париж

Всички четат приказките и историите на Ханс Кристиан Андерсен, но малко хора знаят, че когато бъдещият автор на „Голият крал и Палечка“ достига Копенхаген като четиринадесетгодишен тийнейджър, той намира приятел и покровител в лицето на своя двоен съименник , обикновен професор по физика и химия в университета в Копенхаген Ханс Кристиан Ерстед. И двамата прославиха страната си пред целия свят.

Разнообразието от магнитни полета Ампер изследва взаимодействието между успоредни проводници с ток. Неговите идеи са разработени от Фарадей, който предлага концепцията за линиите на магнитното поле.

От 1813 г. Ерстед съвсем съзнателно се опитва да установи връзка между електричеството и магнетизма (той е привърженик на великия философ Имануел Кант, който вярва, че всички природни сили имат вътрешно единство). Ерстед използва компаси като индикатори, но дълго време без резултат. Ерстед очакваше, че магнитната сила на тока е успоредна на самия него и за да получи максимален въртящ момент, той позиционира електрическия проводник перпендикулярно на стрелката на компаса. Естествено, стрелката не реагира на включване на тока. И едва през пролетта на 1820 г., по време на лекция, Ерстед опъваше тел, успоредно на стрелата (или за да види какво ще излезе от това, или имаше нова хипотеза - историците на физиката все още спорят за това). И точно тук стрелката се залюля - не твърде много (Оерстед имаше батерия с ниска мощност), но все пак забележимо.

Вярно е, че голямото откритие все още не се е случило по това време. По някаква причина Ерстед прекъсва експериментите за три месеца и се връща към тях едва през юли. И тогава той разбра, че „магнитният ефект на електрическия ток е насочен по окръжностите, които обхващат този ток“. Това беше парадоксално заключение, тъй като по-рано въртящите се сили не се появяваха нито в механиката, нито в който и да е друг клон на физиката. Ерстед очертава констатациите си в статия и на 21 юли я изпраща на няколко научни списания... Тогава той вече не изучава електромагнетизма и релето премина на други учени. Парижаните първи го приеха. На 4 септември известният физик и математик Доминик Араго говори за откритието на Ерстед на заседание на Академията на науките. Неговият колега Андре-Мари Ампер решава да се справи с магнитното действие на токове и започва експерименти още на следващия ден. Преди всичко той повтори и потвърди опитите на Ерстед, а в началото на октомври открива, че успоредните проводници се привличат, ако токове протичат през тях в една и съща посока, и се отблъскват - ако са в противоположни посоки. Ампер изучава взаимодействието между непаралелни проводници и го представя с формулата (законът на Ампер). Той също така показа, че навитите проводници с ток се въртят в магнитно поле, като стрелка на компас (и междувременно изобретява соленоид - магнитна намотка). Накрая той изложи смела хипотеза: незатихващи микроскопични успоредни кръгови токове протичат вътре в намагнетизирани материали, които са причината за тяхното магнитно действие. В същото време, Bio и Felix Savard съвместно идентифицираха математическа връзка, която позволява да се определи интензитета на магнитното поле, създадено от постоянен ток(Законът на Био-Савард).

За да подчертае новостта на изследваните ефекти, Ампер предлага термина "електродинамични явления" и постоянно го използва в своите публикации. Но това все още не беше електродинамика в съвременния смисъл. Oersted, Ampere и техните колеги са работили с постоянни токове, които създават статика магнитни сили... Физиците трябваше само да открият и обяснят наистина динамични нестационарни електромагнитни процеси. Тази задача е решена през 1830-1870-те години. Около дузина изследователи от Европа (включително Русия – спомнете си правилото на Ленц) и САЩ имаха пръст в това. Основната заслуга обаче несъмнено принадлежи на двамата титани на британската наука - Фарадей и Максуел.

Лондонски тандем

За Майкъл Фарадей 1821 г. беше наистина съдбоносна година. Получава желаната позиция на суперинтендант на Кралския институт в Лондон и всъщност случайно започва изследователска програма, благодарение на която заема уникално място в историята на световната наука.

Магнитна и не много магнитна. Различните вещества във външно магнитно поле се държат различно, това се дължи на различното поведение на присъщите магнитни моменти на атомите. Най-известните са феромагнетиците, има парамагнети, антиферомагнети и феримагнети, както и диамагнети, чиито атоми нямат собствени магнитни моменти (във външно поле те са слабо намагнетизирани „срещу полето“).

Случи се така. Редакторът на списание Annals of Philosophy Ричард Филипс покани Фарадей да напише критичен преглед на нова работа върху магнитното действие на тока. Фарадей не само следва този съвет и публикува „Историческа скица на електромагнетизма“, но започва свое собствено изследване, което се простира в продължение на много години. Отначало той, подобно на Ампер, повтори експеримента на Ерстед, след което продължи. До края на 1821 г. той създава устройство, при което проводник с ток се върти около лентов магнит, а друг магнит се върти около втори проводник. Фарадей предполага, че както магнитът, така и живият проводник са заобиколени от концентрични силови линии, които определят тяхната механично въздействие... Това вече беше ембрионът на концепцията за магнитно поле, въпреки че самият Фарадей не използва такъв термин.

Първоначално той почиташе силовите линии като удобен метод за описване на наблюдения, но с течение на времето се убеди в тяхната физическа реалност (особено след като намери начин да ги наблюдава с помощта на железни стърготини, разпръснати между магнитите). В края на 1830-те той ясно осъзнава, че енергията, която е източник на постоянни магнити и токови проводници, се разпределя в пространство, изпълнено със силови линии. Всъщност Фарадей вече е мислил в теоретико-полево отношение, в което е значително по-напред от своите съвременници.

Но основното му откритие беше друго. През август 1831 г. Фарадей успява да накара магнетизма да генерира електрически ток. Устройството му се състоеше от железен пръстен с две противоположни намотки. Едната от спиралите може да бъде свързана към електрическа батерия, другата беше свързана към проводник, разположен над магнитния компас. Стрелката не променя позицията си, ако през първата намотка тече постоянен ток, но се люлееше, когато беше включена и изключена. Фарадей осъзна, че по това време във втората намотка се появяват електрически импулси, поради появата или изчезването на линиите на магнитното поле. С други думи, той открива, че промените в магнитното поле са причината за електродвижещата сила. Този ефект е открит и от американския физик Джоузеф Хенри, но той публикува резултатите си по-късно от Фарадей и не прави толкова сериозни теоретични заключения.

Електромагнитите и соленоидите са в основата на много технологии, без които е невъзможно да си представим съвременната цивилизация: от генератори за генериране на енергия, електродвигатели, трансформатори до радиокомуникации и почти цялата съвременна електроника като цяло.

Към края на живота си Фарадей стига до заключението, че новите знания за електромагнетизма се нуждаят от математическа формулировка. Той решава, че тази задача ще бъде на Джеймс Клерк Максуел, млад професор в Marishal College в шотландския град Абърдийн, за който пише през ноември 1857 г. И Максуел наистина комбинира всички тогавашни знания за електромагнетизма в една математизирана теория. Тази работа е извършена основно през първата половина на 1860-те години, когато той става професор. натурфилософияЛондонския кралски колеж. Концепция електромагнитно полесе появява за първи път през 1864 г. в мемоари, представени на Кралското общество в Лондон. Максуел въвежда този термин, за да означава „тази част от пространството, която съдържа и заобикаля тела, които са в електрически или магнитно състояние”, И той специално подчерта, че това пространство може да бъде или празно, или изпълнено с всякакъв вид материя.

Основният резултат от работата на Максуел е система от уравнения, свързващи електромагнитните явления. В Трактат за електричеството и магнетизма, публикуван през 1873 г., той ги нарича общи уравненияелектромагнитно поле, а днес те се наричат уравнения на Максуел. По-късно те бяха обобщени повече от веднъж (например за описване на електромагнитни явления в различни среди), а също и пренаписани с помощта на все по-съвършен математически формализъм. Максуел също така показа, че тези уравнения допускат решения, които включват незатихнали срязващи вълни, частен случай на които е видимата светлина.

Теорията на Максуел представя магнетизма като специален вид взаимодействие между електрически токове. Квантовата физика XX век добави към тази картина само два нови момента. Сега знаем, че електромагнитните взаимодействия се носят от фотони и че електроните и много други елементарни частициимат свои собствени магнитни моменти. Цялата експериментална и теоретична работа в областта на магнетизма се основава на тази основа.

Електрическите и магнитните явления са известни на човечеството от древни времена, в края на краищата те са виждали светкавици и много древни хора са знаели за магнити, които привличат някои метали. Багдадската батерия, изобретена преди 4000 години, е едно от доказателствата, че човечеството е използвало електричество много преди нашите дни и очевидно е знаело как работи. Въпреки това се смята, че до началото на 19-ти век електричеството и магнетизмът винаги са се разглеждали отделно един от друг, приемани са като несвързани явления и принадлежат към различни клонове на физиката.

Изучаването на магнитното поле започва през 1269 г., когато френският учен Петер Перегрин (рицар Пиер от Мерикур) отбелязва магнитното поле върху повърхността на сферичен магнит с помощта на стоманени игли и установява, че получените линии на магнитно поле се пресичат в две точки, които той нарече „полюси.“ по аналогия с полюсите на Земята.

Ерстед в своите експерименти едва през 1819 г. открива отклонението на стрелката на компаса, разположена близо до проводник с ток, и тогава ученият стига до извода, че има известна връзка между електрическите и магнитните явления.

5 години по-късно, през 1824 г., Ампер успява математически да опише взаимодействието на проводник с ток с магнит, както и взаимодействието на проводниците един с друг, както следва: „силата, действаща върху проводник с ток, поставен в еднородно магнитно поле е пропорционален на дължината на проводника, токът на синуса на ъгъла между вектора на магнитната индукция и проводника.

По отношение на ефекта на магнита върху тока, Ампер предполага, че вътре в постоянен магнит има микроскопични затворени токове, които създават магнитно поле на магнита, взаимодействащо с магнитното поле на проводник с ток.

Например, като преместите постоянен магнит близо до проводник, можете да получите пулсиращ ток в него и като подадете пулсиращ ток към една от намотките, върху общото желязно ядро, с което е разположена втората намотка, ще се появи пулсиращ ток също се появяват във втората намотка.

33 години по-късно, през 1864 г., Максуел успява да обобщи математически вече познатите електрически и магнитни явления - той създава теория на електромагнитното поле, според който електромагнитното поле включва взаимосвързани електрически и магнитни полета. Така, благодарение на Максуел, стана възможно научно да се комбинират резултатите от предишни експерименти в електродинамиката.

Последица от тези важни заключения на Максуел беше неговото предсказание, че по принцип всяка промяна в електромагнитното поле трябва да генерира електромагнитни вълни, които се разпространяват в пространството и в диелектричните среди с определена ограничена скорост, която зависи от магнитната и диелектричната проницаемост на среда за разпространение на вълни.

За вакуум тази скорост се оказва равна на скоростта на светлината, във връзка с което Максуел предполага, че светлината също е електромагнитна вълна и това предположение по-късно се потвърждава (въпреки че Юнг посочи вълновата природа на светлината много преди Оерстед експерименти).

Максуел, от друга страна, създава математическата основа за електромагнетизма и през 1884 г. известните уравнения на Максуел се появяват в съвременен вид. През 1887 г. Херц потвърждава теорията на Максуел, че приемникът ще записва електромагнитните вълни, изпращани от предавателя.

Класическата електродинамика се занимава с изучаване на електромагнитните полета. В рамките на квантовата електродинамика електромагнитното излъчване се разглежда като поток от фотони, в който електромагнитното взаимодействие се осъществява от частици носители - фотони - безмасови векторни бозони, които могат да бъдат представени като елементарни квантови възбуждения на електромагнитно поле. По този начин фотонът е квант на електромагнитното поле от гледна точка на квантовата електродинамика.

Електромагнитното взаимодействие днес се счита за едно от фундаменталните взаимодействия във физиката, а електромагнитното поле е едно от основните физически полета наред с гравитационните и фермионните.

Физични свойства на електромагнитното поле

Наличието на електрическо, или магнитно, или и двете полета в пространството може да се прецени по силовото действие на електромагнитното поле върху заредена частица или върху ток.

Електрическото поле действа върху електрически заряди, както подвижни, така и неподвижни, с определена сила, в зависимост от силата на електрическото поле в дадена точка от пространството в даден момент и от големината на пробния заряд q.

Знаейки силата (величина и посока), с която електрическото поле действа върху тестовия заряд, и знаейки големината на заряда, може да се намери силата E на електрическото поле в дадена точка от пространството.

Електрическото поле се създава от електрически заряди, неговите силови линии започват при положителни заряди (условно изтичат от тях) и завършват при отрицателни заряди (условно се вливат в тях). По този начин електрическите заряди са източници на електрическо поле. Друг източник на електрическото поле е променящото се магнитно поле, което се доказва математически от уравнения на Максуел.

Силата, действаща върху електрически заряд от страната на електрическото поле, е част от силата, действаща върху даден заряд от страната на електромагнитното поле.

Магнитното поле се създава от движещи се електрически заряди (токове) или от променящи се във времето електрически полета (както се вижда от уравненията на Максуел) и действа само върху движещи се електрически заряди.

Силата на действието на магнитното поле върху движещ се заряд е пропорционална на индукцията на магнитното поле, големината на движещия се заряд, скоростта на неговото движение и синуса на ъгъла между вектора на индукция на магнитното поле B и посоката на скоростта на движение на заряда. Тази сила често се нарича сила на Лоренц, но тя е само „магнитната“ част от нея.

Всъщност силата на Лоренц включва електрически и магнитни компоненти. Магнитното поле се създава от движещи се електрически заряди (токове), неговите силови линии винаги са затворени и покриват тока.

Една от първите рисунки на магнитно поле (Рене Декарт, 1644 г.). Въпреки че магнитите и магнетизмът са били известни много по-рано, изследването на магнитното поле започва през 1269 г., когато френският учен Петер Перегрин (рицар Пиер от Мерикур) отбелязва магнитното поле върху повърхността на сферичен магнит с помощта на стоманени игли и установява, че полученото линиите на магнитното поле се пресичаха в две точки, които той нарича "полюси" по аналогия с полюсите на Земята. Близо три века по-късно Уилям Гилбърт Колчестър използва работата на Питър Перегрин и за първи път категорично заявява, че самата Земя е магнит. Публикувана през 1600 г., работа на Гилбърт "De Magnete", положи основите на магнетизма като наука.

През 1750 г. Джон Мишел заявява, че магнитните полюси се привличат и отблъскват според закона на обратния квадрат. Шарл-Огюстин дьо Кулон тества експериментално това твърдение през 1785 г. и направо заявява, че северните и Южен полюсне могат да бъдат разделени. Въз основа на тази сила между полюсите Симеон Дени Поасон (1781-1840) създава първия успешен модел на магнитно поле, който представя през 1824 г. В този модел магнитното Н-поле се произвежда от магнитните полюси и магнетизмът възниква поради няколко двойки (север/юг) магнитни полюси (диполи).

Три последователни открития оспориха тази „основа на магнетизма“. Първо, през 1819 г. Ханс Кристиан Ерстед открива, че електрическият ток създава магнитно поле около себе си. Тогава, през 1820 г., Андре-Мари Ампер показа, че успоредните проводници, пренасящи ток в една и съща посока, се привличат. И накрая, Жан-Батист Био и Феликс Савард през 1820 г. откриват закон, наречен закон Био-Савар-Лаплас, който правилно предсказва магнитното поле около всеки захранван проводник.

Разширявайки тези експерименти, Ампер публикува свой собствен успешен модел на магнетизъм през 1825 г. В него той показа еквивалентността на електрическия ток в магнитите и вместо диполите на магнитния заряд от модела на Поасон, той предложи идеята, че магнетизмът е свързан с постоянно течащи токови контури. Тази идея обяснява защо магнитен заряд не може да бъде изолиран. Освен това Ампер извежда закон, наречен на негово име, който, подобно на закона на Био-Савар-Лаплас, правилно описва магнитното поле, създадено от постоянен ток, а също така въвежда теоремата за циркулацията на магнитното поле. Също така в тази работа Ампер въвежда термина "електродинамика", за да опише връзката между електричеството и магнетизма. През 1831 г. Майкъл Фарадей открива електромагнитната индукция, когато открива, че променливото магнитно поле генерира електричество. Той създаде дефиниция за това явление, което е известно като законът на Фарадей за електромагнитната индукция. По-късно Франц Ернст Нойман доказва, че за движещ се проводник в магнитно поле индукцията е следствие от действието на закона на Ампер. В същото време той въвежда векторния потенциал на електромагнитното поле, който, както беше показано по-късно, е еквивалентен на основния механизъм, предложен от Фарадей. През 1850 г. лорд Келвин, тогава известен като Уилям Томсън, обозначава разликата между двете магнитни полета като полета Хи Б... Първият беше приложим за модела на Поасон, а вторият за индукционния модел на Ампер. Освен това той изведе като Хи Бсвързани помежду си. Между 1861 и 1865 г. Джеймс Клерк Максуел разработва и публикува уравненията на Максуел, които обясняват и комбинират електричеството и магнетизма в класическата физика. Първата колекция от тези уравнения е публикувана в статия през 1861 г., озаглавена „Върху физическите линии на сила“... Установено е, че тези уравнения са валидни, макар и непълни. Максуел завърши своите уравнения в по-късната си работа от 1865 г "Динамична теория на електромагнитното поле"и установи, че светлината е електромагнитни вълни. Хайнрих Херц експериментално потвърждава този факт през 1887 г. Въпреки че силата на магнитното поле на движещ се електрически заряд, заложена в закона на Ампер, не е изрично посочена, през 1892 г. Хендрик Лоренц я извежда от уравненията на Максуел. В този случай класическата теория на електродинамиката беше основно завършена.

Двадесети век разшири възгледите за електродинамиката, благодарение на появата на теорията на относителността и квантовата механика. Алберт Айнщайн, в статията си от 1905 г., където е обоснована неговата теория на относителността, показва, че електрическите и магнитните полета са част от едно и също явление, разглеждано в различни референтни рамки - мисловен експеримент, който в крайна сметка помогна на Айнщайн да развие специална теорияотносителността. И накрая, квантовата механика беше комбинирана с електродинамиката, за да се образува квантова електродинамика (QED).