Способы обнаружения магнитного поля

Магнитное поле и его характеристики

Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией \(\overrightarrow B\), измеряющейся в теслах (Тл).

Еще одной характеристикой магнитного поля служит напряженность \(\overrightarrow Н\), она измеряется в эрстедах и гаммах.

Гамма, \(\gamma\) — стотысячная доля эрстеда. \(\overrightarrow Н\) — скорее вспомогательная характеристика, так как физически корректные и осмысленные методы измерения предполагают нахождение именно \(\overrightarrow B\), но \(\overrightarrow Н\) иногда оказывается удобнее для расчетов.

Суть ориентирующего действия магнитного поля

Существование монополей, магнитов с одним полюсом, невозможно, поскольку магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми. Полюсы магнита всегда направлены на север и на юг, если на магнит оказывает действие только геомагнитное поле Земли. Даже если разломать прямой или дугообразный магнит, каждая его из частей сохранит полярность и не станет монополем.

Способы обнаружения магнитного поля

Обнаружение того факта, что некоторые предметы, например, натертый тканью янтарь, способны притягивать другие предметы, произошло еще в античные времена, а возможно, и раньше. Тем не менее органы чувств человека не позволяют ему ощутить магнитное поле, поэтому выявление его наличия возможно только по его воздействию на движущиеся электрические заряды или магниты, которые перемещаются в пространстве.

Как действует на заряженные частицы

На заряженную частицу, которая движется в магнитном поле, воздействует сила Лоренца. В системе СИ она описывается следующим выражением:

\(F = q[v, B]\)

Квадратные скобки здесь обозначают векторное произведение.

Как действует на токи

Поскольку на любую движущуюся заряженную частицу в магнитном поле воздействует сила Лоренца, она будет воздействовать и на проводник, по которому идет ток. Сложив силы, влияющие на отдельные движущиеся заряды, можно вычислить силу Ампера — силу, с которой поле воздействует на проводник. Формула для ее вычисления:

\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\)

\(I\) здесь — сила тока, протекающего через проводник; \(l\) — вектор длины проводника, направленный в ту же сторону, куда течет ток; \(В\) — магнитная индукция.

Воздействие токов на магниты

Есть простой способ увидеть магнитные силовые линии — достаточно насыпать на лист железные опилки и положить постоянный магнит рядом с ними, или пропустить сквозь центр листа, перпендикулярно его поверхности, провод под током. Опилки намагнитятся и сами распределятся по листу, создав окружности вокруг магнита или провода. А с помощью глицерина, обладающего подходящими вязкостью и прозрачностью, можно создать условия для наблюдения магнитных силовых линий в объеме.

Намагниченная стрелка всегда отклоняется при попадании в электромагнитное поле, при этом направление отклонения зависит от направления тока, идущего по проводнику. Величина отклонения стрелки при этом пропорциональна напряженности магнитного поля. Именно на основе этого свойства намагниченных предметов были созданы первые детекторы магнитных полей. Приборы такого типа, где величина отклонения стрелки измеряется оптической системой, обеспечивают чувствительность до 4–5 \(\gamma\).

Если поместить намагниченный предмет внутрь проволочной спирали, по которой идет ток, намагничивание усилится. Подобное взаимодействие впервые обнаружил Ампер. На основе этого свойства магнитов работают более чувствительные устройства, которые представляют собой два стержня с обмотками, поверх которых надета измерительная катушка. Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке возникает напряжение. Если подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пункте, напряжение не появится. Но если геомагнитное поле изменится при перемещении к другому пункту, изменится и намагниченность стержней, соответственно в катушке появится сигнал.