정지 전하가 다른 전하에 작용하는 것처럼 전기장, 전기다음을 통해 다른 전류에 작용합니다. 자기장 . 영구 자석에 대한 자기장의 효과는 물질의 원자 내에서 이동하고 미세한 원형 전류를 생성하는 전하에 미치는 영향으로 축소됩니다.
교리 전자기학두 가지 조항에 기초:
- 자기장은 움직이는 전하와 전류에 작용합니다.
- 전류와 이동하는 전하 주위에 자기장이 발생합니다.
자석 상호작용
영구 자석(또는 자침)은 지구의 자오선을 따라 방향이 지정됩니다. 북쪽을 가리키는 끝을 호출합니다. 북극(N), 반대쪽 끝은 남극 (에스). 두 개의 자석을 서로 더 가까이 가져가면 같은 극은 밀어내고 다른 극은 끌어당긴다는 것을 알 수 있습니다. 쌀. 1 ).
영구 자석을 두 부분으로 절단하여 극을 분리하면 각 극은 다음과 같은 특성을 갖습니다. 두 개의 극, 즉 영구 자석이 됩니다( 쌀. 2 ). 북극과 남극은 서로 분리될 수 없으며 동등한 권리를 갖습니다.
지구나 영구자석에 의해 생성된 자기장은 전기장과 마찬가지로 자력선으로 표현됩니다. 자석의 자기장선 그림은 그 위에 종이 한 장을 놓고 그 위에 철가루를 균일하게 뿌려서 얻을 수 있습니다. 자기장에 노출되면 톱밥은 자화됩니다. 각각의 톱밥에는 북극과 남극이 있습니다. 반대쪽 극은 서로 더 가까워지는 경향이 있지만 이는 종이에 있는 톱밥의 마찰로 인해 방지됩니다. 손가락으로 종이를 두드리면 마찰이 감소하고 종이끼리 서로 끌어당겨 자기장선을 나타내는 사슬을 형성합니다.
~에 쌀. 삼 직접 자석의 자기장에서 톱밥과 작은 자기 화살표의 위치를 보여 주며 자기력선의 방향을 나타냅니다. 이 방향은 자침의 북극 방향으로 간주됩니다.
외르스테드의 경험. 전류의 자기장 
안에 초기 XIX V. 덴마크 과학자 외르스테드했다 중요한 발견, 발견한 영구자석에 전류가 작용하는 현상 . 그는 자침 근처에 긴 와이어를 배치했습니다. 전선을 통해 전류가 흐르면 화살표가 회전하여 전선에 수직으로 위치하려고 합니다( 쌀. 4 ). 이는 도체 주변에 자기장이 발생하는 것으로 설명할 수 있습니다.
전류를 전달하는 직선 도체에 의해 생성된 자기력선은 전류가 통과하는 지점에 중심을 두고 수직인 평면에 위치한 동심원입니다. 쌀. 5 ). 선의 방향은 오른쪽 나사 규칙에 따라 결정됩니다.
나사를 자력선의 방향으로 회전시키면 도체의 전류 방향으로 움직입니다. .
자기장의 세기 특성은 자기 유도 벡터 B . 각 지점에서 필드 라인에 접선 방향으로 향합니다. 전기력선은 양전하에서 시작하여 음전하에서 끝나며, 이 장에서 전하에 작용하는 힘은 각 지점에서 선의 접선 방향으로 향합니다. 전기장과 달리 자기력선은 닫혀 있는데, 이는 자연적으로 "자기 전하"가 없기 때문입니다.
전류의 자기장은 기본적으로 영구 자석에 의해 생성된 자기장과 다르지 않습니다. 이러한 의미에서 편평한 자석의 유사체는 긴 솔레노이드입니다. 즉, 길이가 직경보다 훨씬 긴 와이어 코일입니다. 그에 의해 생성된 자기장 선의 다이어그램은 다음과 같습니다. 쌀. 6 , 편평한 자석의 경우와 유사합니다( 쌀. 삼 ). 원은 솔레노이드 권선을 형성하는 와이어의 단면을 나타냅니다. 관찰자로부터 멀어지는 와이어를 통해 흐르는 전류는 십자형으로 표시되고 관찰자를 향한 반대 방향의 전류는 점으로 표시됩니다. 자기력선이 도면 평면에 수직인 경우 동일한 표기법이 허용됩니다( 쌀. 7 a, b).
솔레노이드 권선의 전류 방향과 그 내부의 자기력선 방향도 오른쪽 나사의 법칙과 관련이 있으며, 이 경우 다음과 같이 공식화됩니다.
솔레노이드의 축을 따라 보면 시계 방향으로 흐르는 전류가 솔레노이드에 자기장을 생성하며 그 방향은 오른쪽 나사의 이동 방향과 일치합니다 ( 쌀. 8 )
이 규칙에 따르면 그림에 표시된 솔레노이드가 다음과 같이 이해하기 쉽습니다. 쌀. 6 , 북극은 오른쪽 끝이고 남극은 왼쪽입니다.
솔레노이드 내부의 자기장은 균일합니다. 자기 유도 벡터는 그곳에서 일정한 값을 갖습니다(B = const). 이러한 점에서 솔레노이드는 균일한 전기장이 생성되는 평행판 커패시터와 유사합니다.
전류가 흐르는 도체의 자기장에 작용하는 힘
경험있는 방법자기장 내에서 전류가 흐르는 도체에 힘이 작용한다는 것이 밝혀졌습니다. 균일한 필드에서 필드 벡터 B에 수직으로 위치한 전류 I가 흐르는 길이 l의 직선 도체는 다음과 같은 힘을 받습니다. F = 나는 B .
힘의 방향이 결정된다 왼손 법칙:
왼손의 뻗은 네 손가락이 도체의 전류 방향에 위치하고 손바닥이 벡터 B에 수직인 경우 확장된 엄지 손가락은 도체에 작용하는 힘의 방향을 나타냅니다. (쌀. 9 ).
자기장에 전류가 흐르는 도체에 작용하는 힘은 전기력처럼 힘선에 접선 방향으로 향하는 것이 아니라 수직 방향으로 향한다는 점에 유의해야 합니다. 자력선을 따라 위치한 도체는 자기력의 영향을 받지 않습니다.
방정식 F = IlB자기장 유도의 정량적 특성을 제공할 수 있습니다.
태도 
도체의 특성에 의존하지 않으며 자기장 자체의 특성을 나타냅니다.
자기 유도 벡터 B의 크기는 수치상으로 1암페어의 전류가 흐르는 단위 길이의 도체에 수직으로 위치한 도체에 작용하는 힘과 같습니다.
SI 시스템에서 자기장 유도 단위는 테슬라(T)입니다.
자기장. 표, 다이어그램, 수식
(자석의 상호작용, 외르스테드의 실험, 자기 유도 벡터, 벡터 방향, 중첩 원리. 자기장의 그래픽 표현, 자기 유도선. 자속, 자기장의 에너지 특성. 자기력, 암페어 힘, 로렌츠 힘. 하전 입자의 움직임 자기장에서 물질의 자기적 성질, 앙페르의 가설)
모든 공식은 다음을 엄격히 준수합니다. 연방 교육학 측정 연구소(FIPI)
3.3 자기장
3.3.1 자석의 기계적 상호작용
전하 근처에는 독특한 형태의 물질, 즉 전기장이 형성됩니다. 자석 주위에는 비슷한 형태의 물질이 있지만 기원의 성질이 다릅니다(결국 광석은 전기적으로 중성입니다). 이를 자기장이라고 합니다. 자기장을 연구하기 위해 직선 또는 말굽 자석이 사용됩니다. 자석의 특정 위치는 가장 큰 매력을 발휘하며 이를 극(북쪽과 남쪽)이라고 합니다. 반대쪽 자극은 끌어당기고 자극과 마찬가지로 밀어냅니다.
자기장. 자기 유도 벡터
자기장의 강도를 특성화하려면 자기장 유도 벡터 B를 사용하십시오. 자기장은 힘의 선(자기 유도선)을 사용하여 그래픽으로 표시됩니다. 선은 닫혀 있고 시작도 끝도 없습니다. 그들이 오는 곳 자기선- 북극(North), 자기선이 남극(South)으로 들어갑니다.
자기 유도 B [틀]- 벡터 물리량, 이는 자기장의 세기 특성이다.
자기장의 중첩 원리 -공간의 주어진 지점에서 자기장이 여러 자기장 소스에 의해 생성되면 자기 유도는 각 자기장 유도의 벡터 합입니다. :
자기장선. 스트립 및 말굽형 영구자석의 자력선 패턴
3.3.2 외르스테드의 실험 전류가 흐르는 도체의 자기장. 긴 직선 도체와 닫힌 링 도체, 전류가 흐르는 코일의 자력선 그림
자기장은 자석 주위뿐만 아니라 전류가 흐르는 도체 주위에도 존재합니다. Oersted의 실험은 자석에 전류가 미치는 영향을 보여줍니다. 전류를 전달하는 직선 도체가 작은 철 또는 강철 파일이 흩어져 있는 판지의 구멍을 통과하면 중심이 도체 축에 위치하는 동심원을 형성합니다. 이 원은 전류가 흐르는 도체의 자기장 선을 나타냅니다.
3.3.3 암페어력, 방향 및 크기:
암페어 전력- 자기장에서 전류가 흐르는 도체에 작용하는 힘. 암페어 힘의 방향은 왼손 법칙에 의해 결정됩니다. 즉, 자기 유도 벡터 B의 수직 성분이 손바닥에 들어가고 4개의 확장된 손가락이 전류 방향으로 향하도록 왼손을 배치하면 엄지손가락을 90도 구부리면 전류와 함께 세그먼트 도체에 작용하는 힘, 즉 암페어 힘의 방향이 표시됩니다.
어디 나- 도체의 전류 강도;
비
엘- 자기장에 위치한 도체의 길이;
α - 자기장 벡터와 도체의 전류 방향 사이의 각도.
3.3.4 로렌츠 힘, 방향 및 크기:
전류는 전하의 질서 있는 이동을 나타내기 때문에 전류를 운반하는 도체에 대한 자기장의 효과는 개별 이동 전하에 대한 작용의 결과입니다. 자기장이 이동하는 전하에 작용하는 힘을 로렌츠 힘이라고 합니다. 로렌츠 힘은 다음 관계식에 의해 결정됩니다.
어디 큐- 이동 전하의 크기;
V- 속도 모듈;
비- 자기장 유도 벡터의 모듈;
α 전하 속도 벡터와 자기 유도 벡터 사이의 각도입니다.
로렌츠 힘은 속도에 수직이므로 일을 하지 않으며, 전하 속도와 운동 에너지의 계수를 변경하지 않습니다. 그러나 속도의 방향은 계속해서 변합니다.
로렌츠 힘은 벡터에 수직입니다. 안에그리고 V, 그 방향은 암페어 힘의 방향과 동일한 왼손 법칙을 사용하여 결정됩니다. 왼손이 자기 유도 성분이 위치하도록 위치하는 경우 안에, 전하 속도에 수직으로 손바닥에 들어가고 네 손가락이 양전하의 움직임을 따라 향하게되었습니다 (예를 들어 전자와 같은 음전하의 움직임에 반대). 그러면 엄지 손가락이 90도 구부러진 것을 보여줍니다. 전하에 작용하는 로렌츠 힘의 방향 플로리다.
균일한 자기장에서 하전입자의 운동
하전입자가 자기장 내에서 움직일 때 로렌츠 힘은 작용하지 않습니다.따라서 입자가 움직일 때 속도 벡터의 크기는 변하지 않습니다. 하전입자가 로렌츠 힘의 영향을 받아 균일한 자기장 내에서 운동하고 그 속도가 평면에 있는 경우, 벡터에 수직그러면 입자는 반경 R의 원으로 움직일 것입니다.
테마 통합 상태 시험 코드화자 : 자석의 상호 작용, 도체의 자기장과 전류.
물질의 자기적 특성은 오랫동안 사람들에게 알려져 왔습니다. 자석의 이름은 다음에서 유래되었습니다. 고대 도시마그네시아: 광물(나중에 자성 철광석 또는 자철석이라고 함)이 주변에 널리 퍼져 있었고, 그 조각은 철 물체를 끌어당겼습니다.
자석 상호작용
각 자석의 양면에는 북극그리고 남극. 두 개의 자석은 반대 극에 의해 서로 끌어당겨지고 같은 극에 의해 반발됩니다. 자석은 진공 속에서도 서로 작용할 수 있습니다! 이 모든 것은 전하의 상호작용과 유사하지만 자석의 상호작용은 전기적이지 않다. 이는 다음과 같은 실험적 사실에 의해 입증됩니다.
자석이 가열되면 자력이 약해집니다. 점전하 상호작용의 강도는 온도에 의존하지 않습니다.
자석을 흔들면 자력이 약해집니다. 전기적으로 충전된 몸체에서는 이와 같은 일이 발생하지 않습니다.
양전하는 음전하와 분리될 수 있습니다(예: 신체에 전기를 공급하는 경우). 그러나 자석의 극을 분리하는 것은 불가능합니다. 자석을 두 부분으로 자르면 절단 부위에도 극이 나타나고 자석은 끝 부분에 반대 극이 있는 두 개의 자석으로 분리됩니다(정확히 같은 방식으로 방향 지정). 원래 자석의 극으로).
그래서 자석 언제나양극성, 그들은 형태로만 존재합니다 쌍극자. 고립된 자극(라고 함) 자기 단극- 전하 유사체)는 자연적으로 존재하지 않습니다(어쨌든 아직 실험적으로 발견되지 않았습니다). 이것은 아마도 전기와 자기 사이의 가장 눈에 띄는 비대칭성일 것입니다.
전하를 띤 물체와 마찬가지로 자석도 전하에 작용합니다. 그러나 자석은 다음에만 작용합니다. 움직이는요금; 전하가 자석에 대해 정지해 있으면 전하에 대한 자기력의 영향이 관찰되지 않습니다. 반대로, 전기가 흐르는 물체는 정지 상태이든 이동 중이든 관계없이 모든 전하에 작용합니다.
에 의해 현대적인 아이디어단거리 이론, 자석의 상호 작용은 다음을 통해 수행됩니다. 자기장즉, 자석은 주변 공간에 자기장을 생성하고, 이는 다른 자석에 작용하여 이러한 자석에 눈에 띄는 인력 또는 반발을 유발합니다.
자석의 예는 다음과 같습니다. 자기 바늘나침반. 자침을 사용하면 특정 공간 영역에서 자기장의 존재 여부와 자기장의 방향을 판단할 수 있습니다.
우리 행성 지구는 거대한 자석입니다. 지구의 북극에서 멀지 않은 곳에 남극이 있습니다. 따라서 지구의 남극을 향하는 나침반 바늘의 북쪽 끝은 지리적으로 북쪽을 가리킵니다. 여기서 자석의 '북극'이라는 이름이 유래되었습니다.
자기장선
우리가 기억하는 전기장은 작은 테스트 전하를 사용하여 전기장의 크기와 방향을 판단할 수 있는 효과에 따라 연구됩니다. 자기장의 경우 테스트 전하와 유사한 것은 작은 자기 바늘입니다.
예를 들어, 공간의 여러 지점에 아주 작은 나침반 바늘을 배치하면 자기장에 대한 기하학적 통찰력을 얻을 수 있습니다. 경험에 따르면 화살표는 소위 특정 선을 따라 정렬됩니다. 자기장선. 이 개념을 다음 세 가지 형태로 정의해 보겠습니다.
1. 자기장선 또는 자기력선은 다음과 같은 특성을 갖는 공간의 방향성 선입니다. 이러한 선의 각 지점에 배치된 작은 나침반 바늘은 이 선에 접하도록 방향이 지정됩니다..
2. 자기장선의 방향은 이 선상의 한 지점에 위치한 나침반 바늘의 북쪽 끝의 방향으로 간주됩니다..
3. 선의 밀도가 높을수록 특정 공간 영역의 자기장이 더 강해집니다..
철가루는 성공적으로 나침반 바늘 역할을 할 수 있습니다. 자기장에서는 작은 철가루가 자화되어 자침과 똑같이 행동합니다.
따라서 영구자석 주위에 철가루를 부으면 대략 다음과 같은 자기장선 그림을 볼 수 있습니다(그림 1).
쌀. 1. 영구자석장
자석의 북극은 파란색과 문자로 표시됩니다. 남극 - 빨간색과 문자 . 자력선은 자석의 북극을 떠나 남극으로 들어갑니다. 결국 나침반 바늘의 북쪽 끝이 자석의 남극을 향하게 됩니다.
외르스테드의 경험
고대부터 전기 및 자기 현상이 사람들에게 알려졌음에도 불구하고 그들 사이에는 아무런 관계가 없습니다. 오랫동안관찰되지 않았다. 수세기 동안 전기와 자기에 대한 연구는 서로 동시에 그리고 독립적으로 진행되었습니다.
전기 현상과 자기 현상이 실제로 서로 연관되어 있다는 놀라운 사실은 1820년 외르스테드의 유명한 실험에서 처음 발견되었습니다.
Oersted의 실험 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 2 (rt.mipt.ru 사이트의 이미지). 자기 바늘 위에(바늘의 북극과 남극) 전류원에 연결된 금속 도체가 있습니다. 회로를 닫으면 화살표가 도체에 수직으로 변합니다!
이 간단한 실험은 전기와 자기의 관계를 직접적으로 보여주었습니다. Oersted의 실험에 이어 이루어진 실험에서는 다음과 같은 패턴이 확실하게 확립되었습니다. 자기장은 전류에 의해 생성되고 전류에 작용합니다..
쌀. 2. 외르스테드의 실험
전류가 흐르는 도체에 의해 생성되는 자기장선의 패턴은 도체의 모양에 따라 달라집니다.
전류가 흐르는 직선의 자기장
전류가 흐르는 직선의 자기력선은 동심원이다. 이 원의 중심은 와이어 위에 있고 그 평면은 와이어에 수직입니다(그림 3).
쌀. 3. 전류가 흐르는 직선의 장
순방향 자기장선의 방향을 결정하는 두 가지 대체 규칙이 있습니다.
시계방향 법칙. 전류가 우리쪽으로 흐르도록 보면 필드 라인이 시계 반대 방향으로 이동합니다..
나사 규칙(또는 김렛 규칙, 또는 코르크 따개 규칙- 이것은 누군가에게 더 가까운 것입니다 ;-)). 필드 라인은 나사를 돌려야 하는 곳(일반 오른쪽 나사산 사용)으로 이동하여 나사산을 따라 전류 방향으로 이동합니다..
자신에게 가장 적합한 규칙을 사용하세요. 시계 방향 규칙에 익숙해지는 것이 더 낫습니다. 나중에 이것이 더 보편적이고 사용하기 쉽다는 것을 스스로 알게 될 것입니다(그리고 첫해에 분석 기하학을 공부할 때 감사하게 기억하십시오).
그림에서. 3 새로운 것이 나타났습니다. 이것은 벡터라고 합니다. 자기장 유도, 또는 자기 유도. 자기 유도 벡터는 전기장 강도 벡터와 유사합니다. 전력 특성자기장, 자기장이 움직이는 전하에 작용하는 힘을 결정합니다.
자기장의 힘에 대해서는 나중에 이야기하겠지만 지금은 자기장의 크기와 방향이 자기 유도 벡터에 의해 결정된다는 점만 언급하겠습니다. 공간의 각 지점에서 벡터는 나침반 바늘의 북쪽 끝과 같은 방향을 향합니다. 이 점, 즉 이 선 방향의 필드 선에 접합니다. 자기 유도는 다음과 같이 측정됩니다. 테슬라(Tl).
전기장의 경우와 마찬가지로 자기장 유도에도 다음이 적용됩니다. 중첩 원리. 그것은 사실이다 특정 지점에서 생성된 자기장 유도 다른 전류, 벡터적으로 합산하여 결과 자기 유도 벡터를 제공합니다..
전류가 흐르는 코일의 자기장
직류가 순환하는 원형 코일을 생각해 보십시오. 그림에 전류를 생성하는 소스는 표시되지 않습니다.
우리 궤도의 필드 라인 그림은 대략 다음과 같습니다 (그림 4).
쌀. 4. 전류가 흐르는 코일의 장
자기장이 어느 절반 공간(코일 평면을 기준으로)으로 향하는지를 결정하는 것이 중요합니다. 이번에도 두 가지 대체 규칙이 있습니다.
시계방향 법칙. 전류가 시계 반대 방향으로 순환하는 것처럼 보이는 곳에서 필드 라인이 거기로 이동합니다..
나사 규칙. 자기장 선은 전류 방향으로 회전할 때 나사(일반적인 오른쪽 나사산 포함)가 움직이는 곳으로 이동합니다..
보시다시피 직류의 경우 이러한 규칙의 공식화와 비교하여 전류 및 현장의 역할이 변경됩니다.
전류 코일의 자기장
코일와이어를 단단히 감고 충분히 긴 나선형으로 돌리면 작동합니다 (그림 5 - en.wikipedia.org의 이미지). 코일은 수십, 수백 또는 수천 개의 회전을 가질 수 있습니다. 코일이라고도합니다. 솔레노이드.
쌀. 5. 코일(솔레노이드)
우리가 알고 있듯이 한 바퀴의 자기장은 그다지 단순해 보이지 않습니다. 필드? 코일의 개별 회전은 서로 겹쳐져 있으며 결과는 매우 혼란스러운 그림이 될 것 같습니다. 그러나 이것은 그렇지 않습니다. 긴 코일의 필드는 예상외로 단순한 구조를 가지고 있습니다(그림 6).
쌀. 6. 전류 코일 필드
이 그림에서 코일의 전류는 왼쪽에서 볼 때 시계 반대 방향으로 흐릅니다(그림 5에서 코일의 오른쪽 끝이 전류 소스의 "플러스"에 연결되고 왼쪽 끝이 " 마이너스"). 코일의 자기장은 두 가지 특성을 가지고 있음을 알 수 있습니다.
1. 코일 내부의 가장자리에서 멀리 떨어진 자기장은 다음과 같습니다. 동종의: 각 지점에서 자기 유도 벡터의 크기와 방향이 동일합니다. 필드 라인은 평행한 직선입니다. 나올 때 코일 가장자리 근처에서만 구부러집니다.
2. 코일 외부의 자기장은 0에 가깝습니다. 코일이 많이 감길수록 외부 필드는 약해집니다.
무한히 긴 코일은 외부로 자기장을 전혀 방출하지 않습니다. 코일 외부에는 자기장이 없습니다. 이러한 코일 내부에서는 필드가 모든 곳에서 균일합니다.
아무것도 생각나지 않나요? 코일은 커패시터의 "자기" 아날로그입니다. 커패시터는 내부에 균일한 전기장을 생성하며 그 선은 플레이트 가장자리 근처에서만 구부러지고 커패시터 외부에서는 필드가 0에 가깝다는 것을 기억합니다. 무한 플레이트가 있는 커패시터는 필드를 외부로 전혀 방출하지 않으며 필드는 내부 모든 곳에서 균일합니다.
그리고 지금 - 주요 관찰. 코일 외부의 자기장선 그림(그림 6)을 그림 1의 자기장선과 비교해 보십시오. 1 . 똑같은 것 아닌가요? 그리고 이제 우리는 아마도 오랫동안 당신의 마음 속에 떠오른 질문에 도달했습니다. 자기장이 전류에 의해 생성되고 전류에 작용한다면 영구 자석 근처에 자기장이 나타나는 이유는 무엇입니까? 결국, 이 자석은 전류가 흐르는 도체가 아닌 것 같습니다!
앙페르의 가설. 초등 전류
처음에는 자석의 상호작용이 극에 집중된 특별한 자기 전하로 설명된다고 생각되었습니다. 그러나 전기와는 달리 자기 전하를 분리할 수 있는 사람은 아무도 없습니다. 결국 우리가 이미 말했듯이 자석의 북극과 남극을 별도로 얻는 것은 불가능합니다. 극은 항상 자석에 쌍으로 존재합니다.
자기장이 전류에 의해 생성된다는 것이 밝혀진 Oersted의 실험으로 인해 자기 전하에 대한 의구심이 더욱 커졌습니다. 더욱이, 어떤 자석에 대해서도 이 도체의 자기장이 자석의 자기장과 일치하도록 적절한 구성의 전류를 갖는 도체를 선택할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.
앙페르는 대담한 가설을 제시했습니다. 자기 전하가 없습니다. 자석의 작용은 내부의 닫힌 전류로 설명됩니다..
이 전류는 무엇입니까? 이것들 초등 전류원자와 분자 내부를 순환합니다. 그들은 원자 궤도를 따라 전자의 움직임과 관련이 있습니다. 모든 신체의 자기장은 이러한 기본 전류의 자기장으로 구성됩니다.
기본 전류는 서로에 대해 무작위로 위치할 수 있습니다. 그러면 그들의 장은 서로 상쇄되고 신체는 자기 특성을 나타내지 않습니다.
그러나 기본 흐름이 조화롭게 배열되면 해당 필드가 합쳐져 서로 강화됩니다. 몸은 자석이 됩니다(그림 7; 자기장은 우리를 향할 것이며 자석의 북극도 우리를 향할 것입니다).
쌀. 7. 초등자석전류
소전류에 대한 앙페르의 가설은 자석의 성질을 명확하게 하였으며, 자석을 가열하고 흔들면 소전류의 질서가 파괴되며, 자기적 성질꺾이다. 자석 극의 분리 불가능성이 분명해졌습니다. 자석이 절단되는 지점에서 끝 부분에서 동일한 기본 전류를 얻습니다. 자기장에서 자화되는 신체의 능력은 적절하게 "회전"하는 기본 전류의 조정된 정렬로 설명됩니다(다음 시트에서 자기장에서 원형 전류의 회전에 대해 읽어보세요).
앙페르의 가설이 사실로 밝혀졌습니다. 추가 개발물리학. 기본 전류에 대한 아이디어는 앙페르의 뛰어난 추측 이후 거의 100년이 지난 20세기에 이미 개발된 원자 이론의 필수적인 부분이 되었습니다.
작업 카탈로그.
임무 D13. 자기장. 전자기 유도
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말굽 자석의 극 사이에 위치한 광 전도 프레임을 통해 전류가 전달되었으며, 그 방향은 그림에서 화살표로 표시되었습니다.
해결책.
자기장은 자석의 북극에서 남쪽(프레임의 AB 측면에 수직)으로 향하게 됩니다. 전류가 흐르는 프레임의 측면은 암페어 힘에 의해 작용하며 그 방향은 왼손 법칙에 의해 결정되며 크기는 프레임의 전류 강도가 자기 유도의 크기와 같습니다. 자기장의 는 프레임의 해당 변의 길이이며, 자기 유도 벡터와 전류 방향 사이의 각도의 사인입니다. 따라서 프레임의 AB 측면과 그에 평행한 측면에서 크기는 동일하지만 방향이 반대인 힘이 작용합니다. 즉, 왼쪽에는 "우리로부터", 오른쪽에는 "우리에게" 작용합니다. 전류가 자기장 선과 평행하게 흐르기 때문에 나머지 측면에는 힘이 작용하지 않습니다. 따라서 위에서 보면 프레임이 시계 방향으로 회전하기 시작합니다.
회전함에 따라 힘의 방향이 바뀌고 프레임이 90° 회전하는 순간 토크의 방향이 바뀌므로 프레임이 더 이상 회전하지 않습니다. 프레임은 한동안 이 위치에서 진동한 후 그림 4에 표시된 위치에 도달하게 됩니다.
답: 4
출처: 주립 물리학 아카데미. 메인 웨이브. 옵션 1313.
그림에 방향이 표시된 코일을 통해 전류가 흐릅니다. 동시에 코일의 철심 끝부분에
1) 자극이 형성됩니다. 끝 1 - 북극; 끝 2 - 남부
2) 자극이 형성됩니다. 끝 1 - 남극; 끝 2 - 북부
3) 전하 축적: 끝 1 - 음전하; 결국 2는 긍정적이다
4) 전하 축적: 끝 1 - 양전하; 마지막에 2 - 부정적
해결책.
하전입자가 움직일 때 항상 자기장이 발생합니다. 규칙을 활용해보자 오른손자기 유도 벡터의 방향을 결정하려면 현재 선을 따라 손가락을 가리키면 구부러진 엄지 손가락이 자기 유도 벡터의 방향을 나타냅니다. 따라서 자기 유도선은 끝 1에서 끝 2로 향합니다. 자기장 선은 남쪽 자극으로 들어가고 북쪽에서 나옵니다.
정답은 숫자 아래에 표시됩니다 2.
메모.
자석(코일) 내부에서는 자기력선이 남극에서 북극으로 이동합니다.
답: 2
출처: 주립 물리학 아카데미. 메인 웨이브. 옵션 1326., OGE-2019. 메인 웨이브. 옵션 54416
그림은 철가루를 사용하여 얻은 두 개의 스트립 자석의 자기장선 사진을 보여줍니다. 자침의 위치로 판단하면 스트립 자석의 어느 극이 영역 1과 2에 해당합니까?
1) 1 - 북극; 2 - 남쪽
2) 1 - 남부; 2 - 북극
3) 1과 2 모두 - 북극으로
4) 1과 2 모두 - 남극으로
해결책.
자력선이 닫혀 있기 때문에 극은 남쪽과 북쪽이 될 수 없습니다. 문자 N(북쪽)은 북극, S(남쪽)는 남쪽을 나타냅니다. 북극은 남극에 끌립니다. 따라서 지역 1은 남극이고 지역 2는 북극입니다.
이번 강의에서는 "직류의 자기장"을 주제로 자석이 무엇인지, 다른 자석과 어떻게 상호작용하는지 배우고, 자기장의 정의와 자기유도 벡터를 적고, 자기 유도 벡터의 방향을 결정하는 김렛 규칙.
여러분 각자는 자석을 손에 쥐고 있으며 그 놀라운 특성을 알고 있습니다. 자석은 다른 자석이나 철 조각과 멀리서 상호 작용합니다. 이것을 제공하는 자석은 무엇입니까? 놀라운 속성? 자석을 직접 만들 수 있나요? 가능하며 우리 수업에서 이에 필요한 것이 무엇인지 배우게 될 것입니다. 앞서 나가자. 단순한 쇠못을 사용하면 자기적 성질이 없지만, 철사로 감싸서 배터리에 연결하면 자석이 생긴다(그림 1 참조).
쌀. 1. 못을 철사로 감아 배터리에 연결
자석을 얻으려면 전류, 즉 전하의 움직임이 필요하다는 것이 밝혀졌습니다. 냉장고 자석과 같은 영구 자석의 특성은 전하의 이동과도 관련이 있습니다. 전기와 같은 특정 자기 전하는 자연적으로 존재하지 않습니다. 필요하지 않으며 움직이는 전하만으로도 충분합니다.
직류의 자기장을 탐구하기 전에 자기장을 정량적으로 설명하는 방법에 동의해야 합니다. 을 위한 정량적 설명자기 현상을 위해서는 자기장의 힘 특성을 도입하는 것이 필요합니다. 자기장을 정량적으로 특성화하는 벡터량을 자기 유도라고 합니다. 일반적으로 대문자 라틴 문자 B로 지정되며 Tesla로 측정됩니다.
자기 유도는 공간의 특정 지점에서 자기장의 힘 특성인 벡터량입니다. 자기장의 방향은 정전기 모델과 유사하게 결정되며, 여기서 자기장은 정지 상태의 테스트 전하에 작용하는 것으로 특징지어집니다. 여기서만 자침(직사각형 영구 자석)이 "테스트 요소"로 사용됩니다. 당신은 나침반에서 그런 화살표를 보았습니다. 임의의 지점에서 자기장의 방향은 방향 전환 후 자기 바늘의 북극 N이 나타내는 방향으로 간주됩니다(그림 2 참조).
자기장의 완전하고 명확한 그림은 소위 자기장 선을 구성하여 얻을 수 있습니다(그림 3 참조).
쌀. 3. 영구자석의 자기력선
이는 공간의 각 지점에서 자기유도 벡터의 방향(즉, 자침의 N극 방향)을 나타내는 선입니다. 자침을 사용하면 다양한 자기장의 힘선 그림을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 영구 자석의 자기력선 사진이 있습니다 (그림 4 참조).
쌀. 4. 영구자석의 자기력선
자기장은 모든 지점에 존재하지만 서로 어느 정도 떨어진 곳에 선을 그립니다. 이것은 단순히 자기장을 묘사하는 방법이며, 전기장 강도에 대해서도 동일한 작업을 수행했습니다(그림 5 참조).
쌀. 5. 전기장 세기선
선이 촘촘하게 그려질수록 주어진 공간 영역에서 자기 유도 모듈이 더 커집니다. 보시다시피(그림 4 참조), 자력선은 자석의 북극을 떠나 남극으로 들어갑니다. 자석 내부에도 자기력선이 계속됩니다. 양전하에서 시작하여 음전하로 끝나는 전기력선과 달리 자기력선은 닫혀 있습니다(그림 6 참조).
쌀. 6. 자기장선이 닫혀 있다
필드 라인이 닫혀 있는 필드를 소용돌이 벡터 필드라고 합니다. 정전기장은 소용돌이가 아니라 전위입니다. 소용돌이와 전위장의 근본적인 차이점은 모든 닫힌 경로에서 전위장의 작업이 0이라는 것입니다. 소용돌이 장이것은 잘못된 것입니다. 지구는 또한 거대한 자석이며 나침반 바늘을 사용하여 감지할 수 있는 자기장을 가지고 있습니다. 지구 자기장에 대한 자세한 내용은 분기에 설명되어 있습니다.
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우리 행성 지구는 회전축과 표면의 교차점 근처에 극이 위치한 큰 자석입니다. 지리적으로 이들은 남극과 북극입니다. 이것이 바로 자석이기도 한 나침반의 바늘이 지구와 상호작용하는 이유입니다. 한쪽 끝은 북극을 가리키고 다른 쪽 끝은 남극을 가리키도록 방향이 지정되어 있습니다(그림 7 참조).
그림 7. 나침반 바늘은 지구와 상호 작용합니다 지구의 북극을 가리키는 것은 북쪽을 의미하는 N으로 지정되었으며 영어에서 "북쪽"으로 번역되었습니다. 그리고 지구의 남극을 가리키는 것은 S입니다. 이는 남쪽을 의미하며 영어에서 "South"로 번역됩니다. 자석의 반대극은 서로 끌어당기기 때문에 화살표의 북극은 지구의 남극을 가리킵니다(그림 8 참조).
쌀. 8. 나침반과 지구 자극의 상호 작용 남극은 지리적 북극에 위치하는 것으로 밝혀졌습니다. 반대로, 북극 자기극은 지구의 남극에 위치합니다. |
이제 자기장 모델에 대해 알게되었으므로 직류를 사용하는 도체의 자기장을 연구하겠습니다. 19세기에 덴마크 과학자 Oersted는 자기 바늘이 전류가 흐르는 도체와 상호 작용한다는 것을 발견했습니다(그림 9 참조).
쌀. 9. 자침과 도체의 상호 작용
실습에 따르면 전류가 흐르는 직선 도체의 자기장에서 각 지점의 자기 바늘은 특정 원에 접하게 설정됩니다. 이 원의 평면은 전류가 흐르는 도체에 수직이며 그 중심은 도체의 축에 있습니다(그림 10 참조).
쌀. 10. 직선 도체의 자기장에서 자침의 위치
도체를 통해 흐르는 전류의 방향을 바꾸면 각 지점의 자기 바늘이 회전합니다. 반대편(그림 11 참조).
쌀. 11. 전류의 흐름 방향을 바꿀 때
즉, 자기장의 방향은 도체를 통과하는 전류 흐름의 방향에 따라 달라집니다. 이러한 의존성은 실험적으로 확립된 간단한 방법을 사용하여 설명할 수 있습니다. 김렛 규칙:
방향이라면 전진 운동송곳니가 도체의 전류 방향과 일치하면 손잡이의 회전 방향은 이 도체에 의해 생성된 자기장의 방향과 일치합니다(그림 12 참조).
따라서 전류가 흐르는 도체의 자기장은 도체에 수직인 평면에 있는 원에 접하는 각 지점으로 향합니다. 원의 중심은 도체의 축과 일치합니다. 각 지점의 자기장 벡터의 방향은 김렛 법칙에 따라 도체의 전류 방향과 관련됩니다. 경험적으로 전류 강도와 도체로부터의 거리를 변경할 때 자기 유도 벡터의 크기는 전류에 비례하고 도체로부터의 거리에 반비례한다는 것이 확립되었습니다. 전류가 흐르는 무한 도체에 의해 생성된 자기장의 자기 유도 벡터 계수는 다음과 같습니다.
자기에서 흔히 발견되는 비례 계수는 어디에 있습니까? 이를 진공의 투자율이라고 합니다. 수치적으로 다음과 같습니다:
자기장의 경우 전기장과 마찬가지로 중첩의 원리가 유효합니다. 공간의 한 지점에서 서로 다른 소스에 의해 생성된 자기장은 합산됩니다(그림 13 참조).
쌀. 13. 서로 다른 소스의 자기장이 합산됩니다.
그러한 필드의 전체 힘 특성은 각 소스 필드의 힘 특성의 벡터 합이 됩니다. 특정 지점에서 전류에 의해 생성된 자기 유도장의 크기는 도체를 원으로 구부리면 증가할 수 있습니다. 이 회전 내부에 위치한 지점에서 그러한 와이어 회전의 작은 세그먼트의 자기장을 고려하면 이는 분명해질 것입니다. 예를 들어 중앙에 있습니다.
김릿 규칙에 따라 표시된 세그먼트는 위쪽을 향한 필드를 생성합니다(그림 14 참조).
쌀. 14. 세그먼트의 자기장
세그먼트는 마찬가지로 이 지점에서 그곳으로 향하는 자기장을 생성합니다. 다른 세그먼트에도 마찬가지입니다. 그러면 이 지점에서의 총 힘 특성(즉, 자기 유도 벡터 B)은 이 지점에서 모든 작은 세그먼트의 자기장의 힘 특성의 중첩이 되며 위쪽을 향하게 됩니다(그림 15 참조).
쌀. 15. 코일 중심에서의 총 힘 특성
예를 들어 정사각형 프레임(그림 16 참조)과 같이 원 모양일 필요는 없는 임의 회전의 경우 회전 내부 벡터의 크기는 자연스럽게 회전의 모양, 크기 및 현재 강도에 따라 달라집니다. 그러나 자기 유도 벡터의 방향은 항상 동일한 방식으로 결정됩니다(작은 세그먼트에 의해 생성된 필드의 중첩).
쌀. 16. 사각형 프레임 세그먼트의 자기장
턴 내부 필드의 방향 결정에 대해 자세히 설명했지만 일반적인 경우약간 수정된 gimlet 규칙을 사용하면 훨씬 쉽게 찾을 수 있습니다.
코일에 전류가 흐르는 방향으로 송곳의 손잡이를 돌리면 송곳의 끝부분이 코일 내부의 자기 유도 벡터의 방향을 나타냅니다(그림 17 참조).
즉, 이제 손잡이의 회전은 전류의 방향에 해당하고, 송곳의 움직임은 자기장의 방향에 해당합니다. 그리고 직접 지휘자의 경우처럼 그 반대도 아닙니다. 전류가 흐르는 긴 도체가 스프링으로 감겨지면 이 장치는 많은 회전으로 구성됩니다. 코일의 각 회전에 대한 자기장은 중첩 원리에 따라 합산됩니다. 따라서 어떤 지점에서 코일에 의해 생성된 필드는 해당 지점에서 각 회전에 의해 생성된 필드의 합이 됩니다. 그림 1에서 그러한 코일의 자력선 그림을 볼 수 있습니다. 18.
쌀. 18. 코일 전력선
이러한 장치를 코일, 솔레노이드 또는 전자석이라고 합니다. 코일의 자기 특성이 영구 자석의 자기 특성과 동일하다는 것을 쉽게 알 수 있습니다(그림 19 참조).
쌀. 19. 코일과 영구자석의 자기특성
코일의 한쪽(위 그림 참조)은 자석의 북극 역할을 하고 다른 쪽은 남극 역할을 합니다. 이러한 장치는 제어가 가능하기 때문에 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 즉, 코일에 전류가 흐를 때만 자석이 됩니다. 코일 내부의 자기장 선은 거의 평행하고 밀도가 높습니다. 솔레노이드 내부의 자기장은 매우 강하고 균일합니다. 코일 외부의 자기장은 균일하지 않으며 내부 자기장보다 훨씬 약하고 반대 방향으로 향합니다. 코일 내부의 자기장의 방향은 한 바퀴 내부의 자기장과 마찬가지로 김렛 법칙에 의해 결정됩니다. 손잡이의 회전 방향은 코일을 통해 흐르는 전류의 방향을 취하고, 송곳의 움직임은 내부 자기장의 방향을 나타냅니다(그림 20 참조).
쌀. 20. 릴 김렛 규칙
전류가 흐르는 코일을 자기장 안에 놓으면 마치 자기 바늘처럼 방향이 바뀌게 됩니다. 회전을 일으키는 힘의 순간은 다음과 같이 주어진 지점에서의 자기 유도 벡터의 크기, 코일의 면적 및 전류 강도와 관련됩니다.
이제 영구 자석의 자기 특성이 어디서 오는지 분명해졌습니다. 닫힌 경로를 따라 원자 내에서 움직이는 전자는 전류가 흐르는 코일과 같으며 코일과 마찬가지로 자기장을 가지고 있습니다. 그리고 코일의 예에서 보았듯이 특정 방식으로 정렬된 전류가 있는 많은 회전은 강한 자기장을 갖습니다.
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영구 자석에 의해 생성된 자기장은 그 내부의 전하 이동의 결과입니다. 그리고 이러한 전하는 원자 내 전자입니다(그림 21 참조).
쌀. 21. 원자 내 전자의 이동 발생 메커니즘을 설명하겠습니다. 품질 수준. 아시다시피 원자 안의 전자는 움직이고 있습니다. 따라서 각 원자의 각 전자는 자체 자기장을 생성하여 원자 크기만큼 엄청난 수의 자석을 생성합니다. 대부분의 물질에서 이러한 자석과 자기장의 방향은 무작위입니다. 따라서 신체가 생성하는 총 자기장은 0입니다. 그러나 개별 전자에 의해 생성된 자기장이 동일한 방향으로 향하는 물질이 있습니다(그림 22 참조).
쌀. 22. 자기장의 방향도 같은 방향이다 따라서 각 전자에 의해 생성된 자기장은 합산됩니다. 결과적으로 이러한 물질로 만들어진 몸체는 자기장을 가지며 영구자석이 된다. 외부 자기장에서는 우리가 알아낸 바와 같이 자체 자기장을 갖는 개별 원자 또는 원자 그룹이 나침반 바늘처럼 회전합니다(그림 23 참조).
쌀. 23. 외부 자기장에서 원자의 회전 이전에 한 방향으로 향하지 않았고 강한 총 자기장을 형성하지 않은 경우 기본 자석을 주문한 후에 자기장이 합산됩니다. 그리고 외부 장의 작용 후에도 질서가 유지되면 물질은 자석으로 유지됩니다. 설명된 과정을 자화라고 합니다. |
그림 1에 표시된 전압에서 솔레노이드를 공급하는 전류원의 극을 지정하십시오. 24 상호작용. 생각해 봅시다: 직류가 흐르는 솔레노이드는 자석처럼 행동합니다.
쌀. 24. 전류 소스
그림에 따르면 도 24에서 자기 바늘이 남극이 솔레노이드를 향하도록 방향이 지정되어 있음을 볼 수 있습니다. 자석의 극은 서로 밀어내고, 반대편 극은 끌어당기는 것과 같습니다. 솔레노이드 자체의 왼쪽 극은 북쪽입니다(그림 25 참조).
쌀. 25. 솔레노이드의 왼쪽 극은 북쪽입니다.
자기 유도 선은 북극을 떠나 남극으로 들어갑니다. 이는 솔레노이드 내부의 자기장이 왼쪽을 향한다는 것을 의미합니다(그림 26 참조).
쌀. 26. 솔레노이드 내부 필드는 왼쪽을 향합니다.
음, 솔레노이드 내부 필드의 방향은 김렛 규칙에 의해 결정됩니다. 우리는 필드가 왼쪽을 향하고 있다는 것을 알고 있습니다. 따라서 김렛이 이 방향으로 조여져 있다고 상상해 봅시다. 그런 다음 핸들은 솔레노이드의 전류 방향을 오른쪽에서 왼쪽으로 나타냅니다(그림 27 참조).
전류의 방향은 양전하가 이동하는 방향에 따라 결정됩니다. 그리고 양전하는 전위가 높은 지점(소스의 양극)에서 전위가 낮은 지점(소스의 음극)으로 이동합니다. 결과적으로 오른쪽에 위치한 소스 극은 양수이고 왼쪽은 음수입니다 (그림 28 참조).
쌀. 28. 소스 극의 결정
문제 2
400 면적의 프레임을 0.1T의 유도로 균일한 자기장에 배치하여 프레임의 법선이 유도선에 수직이 되도록 합니다. 토크 20이 프레임에 작용하는 전류 강도는 얼마입니까(그림 29 참조)?
쌀. 29. 문제 2에 대한 그림
회전을 일으키는 힘의 순간은 주어진 지점에서 자기 유도 벡터의 크기, 코일 면적 및 코일의 전류 강도와 다음 관계에 의해 관련됩니다.
우리의 경우 필요한 모든 데이터를 사용할 수 있습니다. 필요한 현재 강도를 표현하고 답을 계산하는 것이 남아 있습니다.
문제가 해결되었습니다.
서지
- Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. 물리학: 문제 해결의 예가 담긴 참고서입니다. - 2판 재파티션. -X.: Vesta: Ranok Publishing House, 2005. - 464p.
- Myakishev G.Ya. 물리학: 교과서. 11학년을 위해 일반 교육 기관. - M .: 교육, 2010.
- 인터넷 포털 "지식하이퍼마켓" ()
- 인터넷 포털 “TsOR 통합 컬렉션”()
숙제
