Что относится к магнитным явлениям 7 класс
Физические явления примеры магнитных, механических, звуковых, электрических и световых в таблице кратко
Физика — это наука об окружающей нас природе, она устанавливает самые общие закономерности, существующие между материальными объектами, и описывает их в виде физических законов. Любая из таких закономерностей проявляется в виде событий, называемых физическими явлениями. Поговорим об этих явлениях, рассмотрим их разнообразие и виды.
Физические явления в природе
Природа — это всё, что нас окружает. Земля, Солнце, воздух, предметы, люди, космос — всё это природа. Природа вечна и бесконечна.
Формой существования объектов в природе является движение в широком смысле — то есть всевозможные изменения, происходящие с ними. Не существует объектов, в которых бы никогда не происходило никаких изменений. Форма объекта, положение относительно других объектов, внутренняя структура, взаимодействия — хотя бы часть из этих характеристик любого предмета со временем всегда изменяется.
Изменения, происходящие с объектами в природе, объединяются под общим названием «явления». Большинство из них (но не все) изучает физика, поэтому такие явления называются физическими. Физическое явление — это явление, происходящее с материальными объектами, при котором предметы и вещества меняют своё состояние и характеристики, но при этом не появляется новых веществ.
Виды физических явлений
К физическим явлениям относятся механические, тепловые, звуковые электромагнитные, световые и некоторые другие процессы. Их можно представить в виде таблицы:
Рис. 2. Таблица физических явлений.
Приведём примеры физических явлений разных видов.
Механические явления
Механика изучает движение в узком смысле. То есть изменение положения тел в пространстве со временем и взаимодействие между этими телами.
Примеры механических явлений — это движение и соударение предметов, разгон и торможение, уравновешивание весов, земное притяжение, движения планет, сжатие пружины, всплывание предметов в жидкости.
Тепловые явления
Термодинамика изучает физическую сущность тепла, его источники и перенос между телами.
Примеры тепловых явлений — нагрев и остывание, кипение и конденсация, плавление и затвердевание.
Звуковые явления
Акустика изучает закономерности появления звука и его распространения в различных средах.
К звуковым явлениям относится сам звук, его слышимость, звуковоспроизведение и звукоизоляция.
Электромагнитные явления
Электродинамика изучает все, что относится к особой форме материи — электромагнитному полю.
Примеры электромагнитных явлений — это молния, электризация предметов, работа электрических приборов, движение тока по проводам, магнитные взаимодействия, работа электронных устройств.
Световые явления
Оптика изучает законы распространения света.
К световым явлениям относятся появление теней и полутеней, увеличение линзы, разложение белого света в спектр.
Явления, не изучаемые физикой
В заключение приведём пример явлений, которые физика не изучает. В первую очередь, это явления, относящиеся к смежным наукам. Например, превращения одних веществ в другие изучаются химией. Законы количественных соотношения и закономерностей изучаются математикой. Математика — это фактически «язык физики», физические наблюдения становятся законами только тогда, когда они выражены количественно на языке математики.
Кроме того, вне интересов физики лежат явления, происходящие в обществе, мыслительные процессы, искусство, религия, интересы людей. Эти явления изучаются гуманитарными науками.
Рис. 3. Гуманитарные науки.
Что мы узнали?
Физика изучает природные явления. Природа — это всё, что окружает нас. К физическим явлениям относятся механические, тепловые, звуковые, электромагнитные, световые процессы, происходящие в природе.
Магнетизм и электричество
Первое практическое применение магнит нашёл в виде кусочка намагниченной стали, плавающего на пробке в воде или масле. В этом случае одним концом магнит всегда указывает на север, а другим — на юг. Это был первый компас, применённый мореплавателями.
Так же давно, за несколько веков до нашей эры, людям было известно, что смолистое вещество — янтарь, если его натереть шерстью, получает на некоторое время способность притягивать лёгкие предметы: обрывки бумаги, кусочки нитки, пушинки. Это явление было названо электрическим («электрон» — по-гречески означает «янтарь»). Позднее было замечено, что наэлектризовываться трением может не только янтарь, но и другие вещества: стекло, сургучная палочка и др.
Долгое время люди не видели никакой связи между двумя необычными явлениями природы — магнетизмом и электричеством. Общим казался лишь внешний признак — свойство притягивать: магнит притягивал железо, а натёртая шерстью стеклянная палочка — кусочки бумаги. Правда, магнит действовал постоянно, а наэлектризованный предмет терял свои свойства через некоторое время, но и то и другое «притягивало».
Но вот, в конце XVII века было замечено, что молния — явление электрическое, — ударившая вблизи стальных предметов, может их намагнитить. Так, например, однажды стальные ножи, лежавшие в деревянном ящике, оказались, к несказанному удивлению хозяина, намагниченными после того, как молния попала в ящик и разбила его.
Со временем похожих случаев наблюдалось всё больше и больше. Однако это ещё не давало основания думать, что между электричеством и магнетизмом существует прочная связь. Такая связь была установлена лишь около 180 лет назад. Тогда было замечено, что магнитная стрелка компаса отклоняется, как только рядом с ней располагался проводник, по которому протекал электрический ток.
Почти в то же время учёные обнаружили другое, не менее поразительное явление. Оказалось, что проволока, по которой протекает электрический ток, в состоянии притягивать к себе мелкие железные опилки. Стояло, однако, прекратить ток в проволоке, как опилки немедленно осыпались, и проводник терял свои магнитные свойства.
Наконец, было обнаружено и ещё одно свойство электрического тока, окончательно утвердившее связь между электричеством и магнетизмом. Оказалось, что стальная игла, помещённая в середину проволочной катушки, через которую проходит электрический ток (такая катушка называется соленоидом), намагничивается так же, как будто её натёрли естественным магнитом.
Электромагниты и их использование
Из опыта со стальной иглой и родился электромагнит. Помещая в середину проволочной катушки вместо иглы стержень из мягкого железа, учёные убедились, что при пропускании тока через катушку железо приобретает свойство магнита, а после прекращения тока теряет это свойство. При этом было замечено, что чем больше витков проволоки в соленоиде, тем сильнее электромагнит.
Под влиянием движущегося магнита в проволочной катушке возникает электрический ток
Принцип действия электромагнитного реле
После того как было установлено, что электрический ток придаёт проводнику магнитные свойства, учёные задались вопросом: а не существует ли обратной связи между электричеством и магнетизмом? Не вызовет ли, например, сильный магнит, помещённый внутрь проволочной катушки, электрический ток в этой катушке?
В самом деле, если бы электрический ток возникал в проводнике под действием неподвижного магнита, то это полностью противоречило бы закону сохранения энергии. Согласно этому, закону для получения электрического тока необходимо затратить другую энергию, которая превращалась бы в электрическую. При получении электрического тока с помощью магнита в электрическую энергию и превращается энергия, затрачиваемая на передвижение магнита.
Изучение магнитных явлений
Еще в середине Х III века пытливые наблюдатели заметили, что магнитные стрелки компаса взаимодействуют между собой: концы, указывающие одно и тоже направление, отталкиваются, а указывающие разное — притягиваются.
Этот факт помог учёным объяснить действие компаса. Было высказано предположение, что земной шар представляет собой огромный магнит, и концы компасных стрелок упорно поворачиваются в нужном направлении, потому, что они отталкиваются от одного магнитного полюса Земли и притягиваются к другому. Это предположение оказалось верным.
В изучении магнитных явлений сильно помогли мелкие железные опилки, прилипающие к магниту любой силы. Прежде всего было замечено, что больше всего опилок прилипает к двум определённым местам магнита или, как их стали называть, — полюсам магнита. Выяснилось, что любой магнит всегда имеет, по меньшей мере, два полюса, из которых один стали называть северным (С), а другой — южным (Ю).
Железные опилки показывают расположение магнитных силовых линий в пространстве вокруг магнита
У магнита, имеющего вид полоски, его полюсы чаще всего располагаются на концах полоски. Особенно яркая картина предстала перед глазами наблюдателей, когда они догадались посыпать железные опилки на стекло или бумагу, под которой лежал магнит. Густо расположились опилки у полюсов магнита. Затем в виде тонких линий — сцепившихся между собой частиц железа — они потянулись от одного полюса к другому.
Дальнейшее изучение магнитных явлений показало, что в пространстве вокруг магнита действуют особые, магнитные силы, или, как говорят, магнитное поле. Направление и интенсивность магнитных сил и показывают железные опилки, расположенные над магнитом.
Опыты с опилками научили многому. Например, к полюсу магнита приближается кусочек железа. Если при этом бумагу, на которой лежат опилки, немного потрясти, рисунок из опилок начинает меняться. Становятся как бы видимыми магнитные линии. Они идут от полюса магнита к куску железа и становятся всё гуще и гуще по мере приближения железа к полюсу. Одновременно с этим возрастает и сила, с которой магнит тянет к себе кусочек железа.
На каком конце железного бруска электромагнита образуется при прохождении тока через катушку северный полюс, а на каком южный? Это легко определить по направлению электрического тока в катушке. Известно, что ток (поток отрицательных зарядов) течёт от отрицательного полюса источника к положительному.
Зная это и глядя на катушку электромагнита, можно представить, в каком направлении пойдёт ток в витках электромагнита. У того конца электромагнита, где ток будет совершать круговое движение по направлению движения часовой стрелки, образуется северный полюс, а у другого конца бруска, где движение тока будет противоположно движению часовой стрелки, — южный. Если переменить направление тока в обмотке электромагнита, то переменятся и его полюсы.
Далее, было замечено, что как постоянный магнит, так и электромагнит притягивают значительно сильнее, если они имеют форму не прямого бруска, а согнуты так, что их разноимённые полюсы близки друг к другу. В этом случае притягивает не один полюс, а два, и кроме того, магнитные силовые линии меньше рассеиваются в пространстве — они оказываются сосредоточенными между полюсами.
Когда притягиваемый железный предмет прилипает к обоим полюсам, подковообразный магнит почти перестаёт рассеивать в пространстве силовые линии. Это легко увидеть при помощи тех же опилок на бумаге. Магнитные силовые линии, ранее тянувшиеся от одного полюса к другому, теперь проходят через притянутый железный предмет, словно им легче проходить через железо, чем через воздух.
Исследования показали, что это действительно так. Появилось новое понятие — магнитная проницаемость, которым обозначается величина, указывающая, во сколько раз магнитным линиям легче проходить через какое-либо вещество, чем через воздух. Самая большая магнитная проницаемость оказалась у железа и у некоторых его сплавов. Этим и объясняется, что из металлов именно железо лучше всего притягивается магнитом.
С меньшей магнитной проницаемостью оказался другой металл — никель. И он хуже притягивается магнитом. Было обнаружено, что и некоторые другие вещества обладают магнитной проницаемостью, большей, чем воздух, и, следовательно, притягиваются магнитами.
Но магнитные свойства этих веществ выражены очень слабо. Поэтому все электротехнические приборы и машины, в которых так или иначе работают электромагниты, по сию пору не могут обойтись без железа или без специальных сплавов, в которые входит железо.
Естественно, что исследованию железа и его магнитных свойств почти с самого зарождения электротехники было уделено огромное внимание. Однако настоящие, строго научные расчёты в этой области стали возможны лишь после исследований русского учёного Александра Григорьевича Столетова, произведённых в 1872 году. Он нашёл, что магнитная проницаемость какого-либо куска железа — величина не постоянная. Она меняется от степени намагничивания этого куска.
Способ испытания магнитных свойств железа, предложенный Столетовым, имеет большую ценность и в наше время он применяется учёными и инженерами. Более глубокие исследования природы магнитных явлений стали возможны лишь после развития учения о строении вещества.
Современное представление о магнетизме
Теперь мы знаем, что любой химический элемент состоит из атомов — необычайно маленьких сложных частичек. В центре атома находится ядро, заряженное положительным электричеством. Вокруг него вращаются электроны, частицы, несущие в себе отрицательный электрический заряд. Число электронов неодинаково у атомов различных химических элементов. Например, у атома водорода вокруг ядра вращается всего один электрон, а у атома урана — девяносто два.
Путём внимательных наблюдений за различными электрическими явлениями учёные пришли к выводу, что электрический ток в проводнике есть не что иное, как перемещение электронов. Теперь вспомним, что вокруг проводника, в котором протекает электрический ток, то есть перемещаются электроны, всегда возникает магнитное поле.
Из этого следует, что магнитное поле всегда появляется там, где существует движение электронов, иными словами, существование магнитного поля есть следствие движения электронов.
Возникает вопрос: в любом веществе электроны постоянно вращаются вокруг своих атомных ядер, почему же в таком случае не всякое вещество образует вокруг себя магнитное поле?
Современная наука даёт на это следующий ответ. Каждый электрон не только обладает электрическим зарядом. Он обладает и свойствами магнита, является маленьким элементарным магнитиком. Таким образом создаваемое электронами магнитное поле при их движении вокруг ядра складывается с их собственным магнитным полем.
При этом у большинства атомов магнитные поля, складываясь, нацело уничтожают, поглощают друг друга. И только у немногих атомов — железа, никеля, кобальта и в гораздо меньшей степени у других, магнитные поля оказываются неуравновешенными, и атомы представляют собой крошечные магнитики. Эти вещества носят название ферромагнитных («феррум» значит железо).
Если атомы ферромагнитных веществ расположены беспорядочно, то магнитные поля разных атомов, направленные в разные стороны, в конечном итоге уничтожают друг друга. Но если их повернуть так, чтобы магнитные поля складывались,— а именно это мы и делаем при намагничивании — магнитные поля будут уже не погашаться, а складываться друг с другом.
Всё тело (кусок железа) будет создавать вокруг себя магнитное поле, становиться магнитом. Точно так же в случае, когда электроны перемещаются в одном направлении, что, например, имеет место при электрическом токе в проводнике, магнитное поле отдельных электронов складывается в общее магнитное поле.
В свою очередь электроны, попавшие во внешнее магнитное поле, всегда подвергаются воздействию последнего. Это позволяет управлять движением электронов с помощью магнитного поля.
Всё сказанное выше является лишь приближённой и очень упрощённой схемой. В действительности атомные явления, происходящие в проводниках и магнитных материалах, более сложны.
Наука о магнитах и магнитных явлениях — магнитология — очень важна для современной электротехники. Большой вклад в дело развития этой науки сделал магнитолог Николай Сергеевич Акулов, открывший важный закон, известный во всём мире как «закон Акулова». Этот закон позволяет заранее установить, как при намагничивании изменяются такие важные свойства металлов, как электропроводность, теплопроводность и пр.
Целые поколения учёных работали над тем, чтобы проникнуть в тайну магнитных явлений и поставить эти явления на службу человечеству. В наше время миллионы самых разнообразных магнитов и электромагнитов работают на благо человека в разнообразнейших электрических машинах и аппаратах. Они освобождают людей от тяжёлого физического труда, а подчас являются незаменимыми слугами.
Смотрите другие интересные и полезные статьи про магниты и их применение:
Магнетизм для чайников: основные формулы, определение, примеры
Часто бывает, что задачу не удается решить из-за того, что под рукой нет нужной формулы. Выводить формулу с самого начала – дело не самое быстрое, а у нас на счету каждая минута.
Ниже мы собрали вместе основные формулы по теме «Электричество и Магнетизм». Теперь, решая задачи, вы сможете пользоваться этим материалом как справочником, чтобы не терять время на поиски нужной информации.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Магнетизм: определение
Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.
Поле – особая форма материи. В рамках стандартной модели существует электрическое, магнитное, электромагнитные поля, поле ядерных сил, гравитационное поле и поле Хиггса. Возможно, есть и другие гипотетические поля, о которых мы пока что можем только догадываться или не догадываться вовсе. Сегодня нас интересует магнитное поле.
Магнитная индукция
Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле. Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды. А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.
Изображение магнитного поля при помощи силовых линий
Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.
Магнитная индукция – это силовая векторная характеристика магнитного поля.
Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл). По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.
Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про теорию магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли.
Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.
Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки. Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!
Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.
Сила Ампера
Представим, что есть магнитное поле с индукцией B. Если мы поместим в него проводник длиной l, по которому течет ток силой I, то поле будет действовать на проводник с силой:
Это и есть сила Ампера. Угол альфа – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили линии магнитной индукции, а вытянутые пальцы указывали бы направление тока, отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Сила Лоренца
Мы выяснили, что поле действует на проводник с током. Но если это так, то изначально оно действует отдельно на каждый движущийся заряд. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца. Здесь важно отметить слово «движущийся», так на неподвижные заряды магнитное поле не действует.
Итак, частица с зарядом q движется в магнитном поле с индукцией В со скоростью v, а альфа – это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Тогда сила, которая действует на частицу:
Как определить направление силы Лоренца? По правилу левой руки. Если вектор индукции входит в ладонь, а пальцы указывают на направление скорости, то отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Отметим, что так направление определяется для положительно заряженных частиц. Для отрицательных зарядов полученное направление нужно поменять на противоположное.
Если частица массы m влетает в поле перпендикулярно линиям индукции, то она будет двигаться по окружности, а сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы. Радиус окружности и период обращения частицы в однородном магнитном поле можно найти по формулам:
Взаимодействие токов
Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.
В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:
Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.
Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:
Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. Соленоид – это катушка, то есть множество круговых витков с током.
Пусть их количество – N, а длина самого соленоилда – l. Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Магнитный поток и ЭДС
Если магнитная индукция – векторная характеристика магнитного поля, то магнитный поток – скалярная величина, которая также является одной из самых важных характеристик поля. Представим, что у нас есть какая-то рамка или контур, имеющий определенную площадь. Магнитный поток показывает, какое количество силовых линий проходит через единицу площади, то есть характеризует интенсивность поля. Измеряется в Веберах (Вб) и обозначается Ф.
S – площадь контура, альфа – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура и вектором В.
При изменении магнитного потока через контур в контуре индуцируется ЭДС, равная скорости изменения магнитного потока через контур. Кстати, подробнее о том, что такое электродвижущая сила, вы можете почитать в еще одной нашей статье.
По сути формула выше – это формула для закона электромагнитной индукции Фарадея. Напоминаем, что скорость изменения какой-либо величины есть не что иное, как ее производная по времени.
Для магнитного потока и ЭДС индукции также справедливо обратное. Изменение тока в контуре приводит к изменению магнитного поля и, соответственно, к изменению магнитного потока. При этом возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока в контуре. Магнитный поток, который пронизывает контур с током, называется собственным магнитным потоком, пропорционален силе тока в контуре и вычисляется по формуле:
L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, который измеряется в Генри (Гн). На индуктивность влияют форма контура и свойства среды. Для катушки с длиной l и с числом витков N индуктивность рассчитывается по формуле:
Формула для ЭДС самоиндукции:
Энергия магнитного поля
Объемная плотность энергии поля:
