Medan magnet bisa Medan magnet


Medan magnet bumi

Medan magnet adalah medan gaya yang bekerja pada muatan listrik yang bergerak dan pada benda yang memiliki momen magnet, terlepas dari keadaan geraknya.

Sumber medan magnet makroskopik adalah benda magnet, konduktor pembawa arus, dan benda bermuatan listrik yang bergerak. Sifat dari sumber-sumber ini adalah sama: medan magnet muncul sebagai akibat dari pergerakan mikropartikel bermuatan (elektron, proton, ion), dan juga karena adanya momen magnet (putaran) mereka sendiri di dalam mikropartikel.

Medan magnet bolak-balik juga terjadi ketika medan listrik berubah seiring waktu. Pada gilirannya, ketika medan magnet berubah seiring waktu, medan listrik muncul. Deskripsi lengkap tentang medan listrik dan magnet dalam hubungannya diberikan oleh persamaan Maxwell. Untuk mengkarakterisasi medan magnet, konsep garis gaya medan (garis induksi magnet) sering diperkenalkan.

Berbagai jenis magnetometer digunakan untuk mengukur karakteristik medan magnet dan sifat magnetik suatu zat. Satuan induksi medan magnet dalam sistem CGS adalah Gauss (Gs), dalam Sistem Satuan Internasional (SI) - Tesla (T), 1 T = 104 Gs. Intensitas diukur, masing-masing, dalam oersted (Oe) dan ampere per meter (A / m, 1 A / m \u003d 0,01256 Oe; energi medan magnet - dalam Erg / cm 2 atau J / m 2, 1 J / m 2 \u003d 10 erg/cm2.


Kompas bereaksi
ke medan magnet bumi

Medan magnet di alam sangat beragam baik dalam skalanya maupun efek yang ditimbulkannya. Medan magnet bumi yang membentuk magnetosfer bumi memanjang hingga jarak 70-80 ribu km ke arah Matahari dan jutaan km ke arah yang berlawanan. Di permukaan bumi, medan magnet rata-rata 50 μT, di batas magnetosfer ~ 10 -3 G. Medan geomagnetik melindungi permukaan bumi dan biosfer dari aliran partikel bermuatan dari angin matahari dan sebagian dari sinar kosmik. Pengaruh medan geomagnetik itu sendiri terhadap aktivitas vital organisme dipelajari oleh magnetobiologi. Di ruang dekat Bumi, medan magnet membentuk jebakan magnet untuk partikel bermuatan energi tinggi - sabuk radiasi Bumi. Partikel yang terkandung dalam sabuk radiasi menimbulkan bahaya yang signifikan selama penerbangan luar angkasa. Asal usul medan magnet Bumi dikaitkan dengan gerakan konvektif zat cair konduktif di inti Bumi.

Pengukuran langsung dengan bantuan pesawat ruang angkasa telah menunjukkan bahwa benda kosmik yang paling dekat dengan Bumi - Bulan, planet Venus dan Mars tidak memiliki medan magnetnya sendiri, mirip dengan bumi. Dari planet lain di tata surya, hanya Jupiter dan, tampaknya, Saturnus yang memiliki medan magnetnya sendiri, cukup untuk membuat jebakan magnet planet. Medan magnet hingga 10 gauss dan sejumlah fenomena karakteristik (badai magnet, emisi radio sinkrotron, dan lainnya) telah ditemukan di Jupiter, yang menunjukkan peran signifikan medan magnet dalam proses planet.


© Foto: http://www.tesis.lebedev.ru
Foto Matahari
dalam spektrum sempit

Medan magnet antarplanet terutama merupakan bidang angin matahari (plasma korona matahari yang terus berkembang). Di dekat orbit Bumi, medan antarplanet adalah ~ 10 -4 -10 -5 Gs. Keteraturan medan magnet antarplanet dapat terganggu karena perkembangan berbagai jenis ketidakstabilan plasma, lewatnya gelombang kejut, dan perambatan aliran partikel cepat yang dihasilkan oleh semburan matahari.

Dalam semua proses di Matahari - suar, munculnya bintik dan tonjolan, kelahiran sinar kosmik matahari, medan magnet memainkan peran penting. Pengukuran berdasarkan efek Zeeman menunjukkan bahwa medan magnet bintik matahari mencapai beberapa ribu gauss, keunggulan dipegang oleh bidang ~ 10-100 gauss (dengan nilai rata-rata total medan magnet Matahari ~ 1 gauss).

Badai magnet

Badai magnet adalah gangguan kuat pada medan magnet Bumi, yang secara tajam mengganggu kelancaran elemen magnet terestrial setiap hari. Badai magnet berlangsung dari beberapa jam hingga beberapa hari dan diamati secara bersamaan di seluruh Bumi.

Sebagai aturan, badai magnet terdiri dari fase awal, awal dan utama, serta fase pemulihan. Pada fase awal, perubahan kecil dalam medan geomagnetik diamati (terutama di lintang tinggi), serta eksitasi osilasi medan periode pendek yang khas. Fase awal ditandai dengan perubahan tiba-tiba pada masing-masing komponen medan di seluruh Bumi, dan fase utama ditandai dengan fluktuasi medan yang besar dan penurunan yang kuat pada komponen horizontal. Pada fase pemulihan badai magnet, medan kembali ke nilai normalnya.



Pengaruh angin matahari
ke magnetosfer bumi

Badai magnet disebabkan oleh aliran plasma matahari dari daerah aktif Matahari, yang ditumpangkan pada angin matahari yang tenang. Oleh karena itu, badai magnet lebih sering diamati di dekat siklus maksimum 11 tahun aktivitas matahari. Mencapai Bumi, aliran plasma surya meningkatkan kompresi magnetosfer, menyebabkan fase awal badai magnet, dan sebagian menembus magnetosfer Bumi. Masuknya partikel berenergi tinggi ke atmosfer atas bumi dan pengaruhnya terhadap magnetosfer menyebabkan pembangkitan dan penguatan arus listrik di dalamnya, mencapai intensitas tertinggi di wilayah kutub ionosfer, yang menjadi alasan adanya zona lintang tinggi aktivitas magnetik. Perubahan sistem arus magnetosfer-ionosfer memanifestasikan dirinya di permukaan bumi dalam bentuk gangguan magnetik yang tidak teratur.

Dalam fenomena mikrokosmos, peran medan magnet sama pentingnya seperti pada skala kosmik. Ini disebabkan oleh keberadaan semua partikel - elemen struktur materi (elektron, proton, neutron), momen magnet, serta aksi medan magnet pada muatan listrik yang bergerak.

Penerapan medan magnet dalam sains dan teknologi. Medan magnet biasanya dibagi menjadi lemah (hingga 500 Gs), sedang (500 Gs - 40 kGs), kuat (40 kGs - 1 MGs) dan superkuat (lebih dari 1 MGs). Hampir semua teknik kelistrikan, teknik radio, dan elektronik didasarkan pada penggunaan medan magnet lemah dan sedang. Medan magnet lemah dan sedang diperoleh dengan menggunakan magnet permanen, elektromagnet, solenoida yang tidak didinginkan, magnet superkonduktor.

Sumber medan magnet

Semua sumber medan magnet dapat dibagi menjadi buatan dan alami. Sumber alami utama medan magnet adalah medan magnet Bumi sendiri dan angin matahari. Sumber buatan mencakup semua medan elektromagnetik yang begitu melimpah di dunia modern kita, dan rumah kita khususnya. Baca lebih lanjut tentang, dan baca tentang kami.

Transportasi listrik adalah sumber medan magnet yang kuat dalam kisaran dari 0 hingga 1000 Hz. Transportasi kereta api menggunakan arus bolak-balik. Transportasi kota bersifat permanen. Nilai maksimum induksi medan magnet pada transportasi listrik pinggiran kota mencapai 75 µT, nilai rata-rata sekitar 20 µT. Nilai rata-rata untuk kendaraan yang digerakkan DC ditetapkan pada 29 µT. Di trem, di mana kabel baliknya adalah rel, medan magnet saling mengimbangi pada jarak yang jauh lebih jauh daripada kabel bus listrik, dan di dalam bus listrik fluktuasi medan magnet kecil bahkan selama akselerasi. Tetapi fluktuasi terbesar dalam medan magnet ada di kereta bawah tanah. Saat komposisi dikirim, besarnya medan magnet pada platform adalah 50-100 μT atau lebih, melebihi medan geomagnetik. Bahkan ketika kereta sudah lama menghilang ke dalam terowongan, medan magnet tidak kembali ke nilai semula. Hanya setelah komposisi melewati titik sambungan berikutnya ke rel kontak, medan magnet akan kembali ke nilai lama. Benar, terkadang tidak punya waktu: kereta berikutnya sudah mendekati peron, dan saat melambat, medan magnetnya berubah lagi. Di dalam mobil itu sendiri, medan magnetnya bahkan lebih kuat - 150-200 μT, sepuluh kali lebih banyak daripada di kereta konvensional.

Nilai-nilai induksi medan magnet yang paling sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari ditunjukkan pada diagram di bawah ini. Melihat diagram ini, terlihat jelas bahwa kita terpapar medan magnet setiap saat dan di mana saja. Menurut beberapa ilmuwan, medan magnet dengan induksi lebih dari 0,2 µT dianggap berbahaya. Secara alami, tindakan pencegahan tertentu harus diambil untuk melindungi diri kita dari efek berbahaya dari medan di sekitar kita. Hanya dengan mengikuti beberapa aturan sederhana, Anda dapat secara signifikan mengurangi dampak medan magnet pada tubuh Anda.

SanPiN 2.1.2.2801-10 saat ini “Perubahan dan penambahan No. 1 ke SanPiN 2.1.2.2645-10 “Persyaratan sanitasi dan epidemiologis untuk kondisi kehidupan di bangunan dan bangunan tempat tinggal” menyatakan sebagai berikut: “Tingkat pelemahan geomagnetik maksimum yang diizinkan lapangan di tempat bangunan tempat tinggal ditetapkan sama dengan 1,5". Nilai maksimum yang diizinkan dari intensitas dan kekuatan medan magnet dengan frekuensi 50 Hz juga ditetapkan:

  • di tempat tinggal - 5 mikroT atau 4 A/m;
  • di tempat non-perumahan bangunan tempat tinggal, di daerah perumahan, termasuk di wilayah petak taman - 10 mikroT atau 8 A/m.

Berdasarkan standar tersebut, setiap orang dapat menghitung berapa banyak peralatan listrik yang dapat dihidupkan dan dalam keadaan siaga di setiap ruangan tertentu, atau berdasarkan rekomendasi yang akan dikeluarkan untuk normalisasi ruang hidup.

Video Terkait



Sebuah film ilmiah kecil tentang medan magnet bumi

Referensi

1. Ensiklopedia Soviet yang Hebat.

Medan magnet adalah wilayah ruang di mana konfigurasi bion, pemancar semua interaksi, adalah rotasi yang dinamis dan saling terkoordinasi.

Arah aksi gaya magnet bertepatan dengan sumbu rotasi bion menggunakan aturan sekrup kanan. Karakteristik gaya medan magnet ditentukan oleh frekuensi putaran bion. Semakin tinggi kecepatannya, semakin kuat medannya. Akan lebih tepat untuk menyebut medan magnet elektrodinamik, karena muncul hanya ketika partikel bermuatan bergerak, dan hanya bekerja pada muatan bergerak.

Mari kita jelaskan mengapa medan magnet bersifat dinamis. Agar medan magnet muncul, bion perlu mulai berputar, dan hanya muatan bergerak yang dapat membuatnya berputar, yang akan menarik salah satu kutub bion. Jika muatan tidak bergerak, maka bion tidak akan berputar.

Medan magnet terbentuk hanya di sekitar muatan listrik yang bergerak. Itulah sebabnya medan magnet dan listrik merupakan satu kesatuan dan bersama-sama membentuk medan elektromagnetik. Komponen medan magnet saling berhubungan dan bekerja satu sama lain, mengubah sifatnya.

Sifat medan magnet:

  • Medan magnet muncul di bawah pengaruh muatan penggerak arus listrik.
  • Pada titik mana pun, medan magnet dicirikan oleh vektor kuantitas fisik yang disebut induksi magnet, yang merupakan karakteristik gaya medan magnet.
  • Medan magnet hanya dapat memengaruhi magnet, konduktor konduktif, dan muatan bergerak.
  • Medan magnet dapat berupa tipe konstan dan variabel
  • Medan magnet diukur hanya dengan instrumen khusus dan tidak dapat dirasakan oleh indera manusia.
  • Medan magnet bersifat elektrodinamik, karena dihasilkan hanya selama pergerakan partikel bermuatan dan hanya memengaruhi muatan yang bergerak.
  • Partikel bermuatan bergerak sepanjang lintasan tegak lurus.

Besar kecilnya medan magnet bergantung pada laju perubahan medan magnet. Menurut fitur ini, ada dua jenis medan magnet: medan magnet dinamis dan medan magnet gravitasi. Medan magnet gravitasi muncul hanya di dekat partikel elementer dan terbentuk tergantung pada fitur struktural partikel ini.

Momen magnet terjadi ketika medan magnet bekerja pada bingkai konduktif. Dengan kata lain, momen magnet adalah vektor yang terletak pada garis yang tegak lurus terhadap rangka.

Medan magnet dapat direpresentasikan secara grafis menggunakan garis gaya magnet. Garis-garis ini ditarik sedemikian rupa sehingga arah gaya medan bertepatan dengan arah garis medan itu sendiri. Garis medan magnet kontinu dan tertutup pada waktu yang sama. Arah medan magnet ditentukan dengan menggunakan jarum magnet. Garis-garis gaya juga menentukan polaritas magnet, ujung dengan keluarnya garis-garis gaya adalah kutub utara, dan ujung dengan masuknya garis-garis ini adalah kutub selatan.

Perkenalan

Apa itu medan magnet? Semua orang mendengar tentang dia, semua orang melihat bagaimana jarum kompas bermagnet selalu berputar dengan satu ujung yang sama ke arah kutub magnet utara, dan ujung lainnya selalu ke arah kutub magnet selatan. Yang membedakan seseorang dari hewan yang paling cerdas adalah dia penasaran dan ingin tahu mengapa ini terjadi, bagaimana cara kerjanya, apa yang terjadi. Untuk menjelaskan apa yang terjadi di sekitarnya, lelaki kuno itu menemukan para dewa. Roh, dewa dalam benak orang adalah faktor yang menjelaskan segala sesuatu yang dilihat, didengar seseorang, pada keberuntungan yang bergantung pada perburuan dan perang, yang memindahkan Matahari melintasi langit, yang mengatur badai petir, menuangkan hujan dan salju, secara umum, semuanya, semua yang terjadi. Bayangkan, seorang cucu kecil mendatangi kakek, menunjuk ke petir dan bertanya: ada apa, mengapa api beterbangan dari awan ke tanah, dan siapa yang mengetuk awan dengan sangat keras di sana? Jika sang kakek menjawab: Saya tidak tahu, maka sang cucu memandangnya dengan penyesalan dan mulai kurang menghormatinya. Tetapi ketika sang kakek mengatakan bahwa dewa Yarilo yang mengendarai kereta melintasi awan dan menembakkan panah api ke arah orang jahat, sang cucu mendengarkan dan lebih menghormati kakeknya. Dia mulai tidak terlalu takut pada guntur dan kilat, karena dia tahu dia baik, jadi Yarilo tidak akan menembaknya.

Di masa kanak-kanak, ketika saya mulai bermain-main, nenek Anna berkata: "Shurka, lihat, jangan selendang, kalau tidak Tuhan akan menjatuhkan kerikil." Dan pada saat yang sama dia menunjuk ke ikon di sudut merah di rak dewa. Aku terdiam beberapa saat, dengan hati-hati memandangi petani tegas yang tergambar di papan tulis, tapi entah kenapa aku meragukan kemampuannya melempar batu. Dia meletakkan bangku di bangku, memanjatnya dan melihat ke rak di belakang ikon. Saya tidak melihat kerikil di sana, dan ketika nenek mulai menakuti saya sekali lagi, dia tertawa dan berkata: “Dia tidak punya batu, dan secara umum dia dicat dan tidak bisa melempar dirinya sendiri. Dengan cara yang sama, nenek moyang kita yang jauh pernah meragukan bahwa Yarilo-lah yang menunggangi langit dan menembakkan panah. Saat itulah pengetahuan rasional lahir, ketika orang mulai meragukan kemahakuasaan para dewa. Tapi dengan apa mereka menggantinya? Dan mereka mengganti para dewa dengan hukum alam, dan mulai mempercayai hukum ini dengan kuat. Tetapi di mana manusia tidak dapat menjelaskan apa yang terjadi menurut hukum alam, dia meninggalkan tempat untuk para dewa. Itulah sebabnya agama dan sains hidup berdampingan dalam masyarakat hingga saat ini.

Saya ingat bagaimana teman-teman yang lebih tua menunjukkan kepada kami anak-anak sebuah trik. Paku besi yang diletakkan di atas meja bergerak dengan sendirinya di atas meja, dan pesulap di bawah meja menggerakkan tangannya. Paku mengikuti tangan. Kami menatap ini dengan heran dan tidak mengerti mengapa paku itu bergerak. Ketika saya memberi tahu ibu saya tentang trik ini, dia menjelaskan bahwa pria itu memiliki magnet di tangannya yang menarik besi ke dirinya sendiri, bahwa pria di bawah meja tidak hanya menggerakkan tangannya, tetapi juga memiliki magnet di tangannya. Saat itu, penjelasan ini memuaskan keingintahuan saya, tetapi beberapa saat kemudian saya sudah ingin memahami mengapa magnet di kejauhan - melalui papan meja, melalui lapisan udara - menarik besi ke dirinya sendiri. Baik ibu maupun ayah saya tidak dapat menjawab pertanyaan ini. Aku harus menunggu sampai sekolah. Di sana, dalam pelajaran fisika, guru menjelaskan bahwa magnet bekerja pada besi melalui medan magnet yang tercipta di sekelilingnya, bahwa magnet memiliki dua kutub - utara dan selatan, bahwa beberapa garis gaya magnet yang tidak terlihat keluar dari utara, yang tekuk membentuk busur dan masuki Kutub Selatan.

Kemudian saya berpikir untuk pertama kalinya: artinya di dunia, selain yang terlihat, terdengar dan berwujud, ada sesuatu yang tidak terlihat dan tidak berwujud. Lalu saya berpikir: bagaimana jika Tuhan tidak terlihat dan tidak berwujud - seperti medan magnet ini. Tampaknya tidak ada di mana-mana, tetapi masih ada. Dan pada ikon dalam bentuk seorang petani, dia digambarkan dengan sangat bodoh. Saya tidak tahu bahwa filsuf Spinoza, yang mulai menganggap Alam dan Tuhan sebagai satu dan tidak terpisahkan, terlihat dan tidak terlihat, telah memikirkan hal ini bahkan sebelum saya. Alam adalah Tuhan!

Saya ingat saya mencoba membayangkan medan magnet ini, yang terdiri dari garis-garis gaya, dan tidak mengerti apa-apa. Saya belum pernah melihat atau mendengar baris-baris ini. Mereka tidak mencium bau apa pun, dan saat itu tidak terlalu jelas bagi saya untuk percaya bahwa mungkin ada sesuatu di sekitar kita yang tidak kita rasakan sama sekali. Paku besi dan serbuk gergaji merasakan medan magnet dan berorientasi serta bergerak di dalamnya, tetapi saya, dengan organ indera halus saya, tidak merasakan apa-apa. Rasa rendah diri ini terus terang menindas saya. Tapi bukan hanya saya. A. Einstein menulis tentang keterkejutan yang kuat pada sifat-sifat magnet yang dia lihat, yang diberikan ayahnya untuk ulang tahunnya sebagai seorang anak, dari fakta bahwa dia tidak dapat memahami bagaimana dan mengapa sifat menarik dari magnet ini terjadi.

Ketika guru ilmu sosial sudah di kelas 10 memperkenalkan kita pada definisi materi yang diberikan oleh V.I. Lenin: "materi adalah apa yang ada di sekitar kita dan diberikan kepada kita dalam sensasi", saya dengan marah bertanya kepadanya: "tetapi kita tidak merasakan medan magnet, tetapi itu ada, bukankah itu materi?" Ya, organ indera saja tidak cukup untuk memahami semua bentuk materi, diperlukan pikiran lain, dengan bantuannya, jika kita tidak merasakan sesuatu, kita tidak merasakannya, maka kita memahami bahwa itu ada. Setelah memahami ini, saya memutuskan untuk mempelajari sains dan mengembangkan pikiran saya, berharap ini memungkinkan saya untuk memahami banyak hal. Tetapi ketika saya memperluas ruang dari apa yang dapat saya pahami, yang tidak dapat dipahami tidak menghilang, tetapi hanya menjauh, dan garis cakrawala yang tidak dapat dipahami menjadi lebih panjang, seiring bertambahnya lingkaran yang diketahui dan panjang kelilingnya, memisahkan apa yang dipahami oleh pikiran saya dari yang tidak diketahui dan tidak dapat dipahami, juga meningkat. Inilah paradoks utama pengetahuan: semakin banyak kita belajar dan memahami, semakin banyak yang belum kita ketahui. Nicholas dari Cusa, yang karena alasan tertentu dianggap sebagai filsuf skolastik, menulis tentang ketidaktahuan ilmiah ini, meskipun kebenaran yang dia temukan agak menunjukkan bahwa dia adalah seorang ahli dialektika.

Batuan yang mampu menarik besi pertama kali disebutkan berasal dari zaman kuno. Legenda lama terhubung dengan magnet tentang gembala Magnus, yang pernah menemukan bahwa tongkat besi dan sandalnya yang dilapisi paku besi tertarik ke batu yang tidak dikenal. Sejak saat itu, batu ini disebut sebagai "batu Magnus", atau magnet.

Asal usul dan esensi medan magnet Bumi, serta medan magnet pada umumnya, masih menjadi misteri hingga saat ini. Ada banyak hipotesis - pilihan untuk menjelaskan fenomena ini, tetapi kebenarannya masih "di luar sana". Beginilah cara fisikawan mendefinisikan medan magnet: Medan magnet- ini adalah medan gaya yang bekerja pada muatan listrik yang bergerak dan pada benda dengan momen magnet, terlepas dari keadaan gerakannya "Dan selanjutnya:" Medan magnet dapat dibuat oleh arus partikel bermuatan dan / atau momen magnet dari elektron dalam atom (dan momen magnetik partikel lain, meskipun pada tingkat yang jauh lebih rendah). Selain itu, ia muncul di hadapan medan listrik yang bervariasi waktu. "Saya tidak akan mengatakan bahwa dari sudut pandang logis, ini adalah definisi yang cemerlang. Mengatakan bahwa medan magnet adalah medan gaya berarti tidak mengatakan apa-apa, itu adalah tautologi. Lagi pula, medan gravitasi "juga merupakan medan gaya, dan medan gaya nuklir adalah medan gaya! Indikasi pengaruh medan magnet pada muatan listrik yang bergerak mengatakan sesuatu, ini adalah deskripsi dari salah satu sifat-sifat medan magnet. Tetapi tidak jelas apakah medan magnet bekerja langsung pada partikel bermuatan listrik, atau bekerja pada medan magnet yang dibentuk oleh partikel-partikel ini, dan itu (medan transformasi partikel) pada gilirannya bertindak pada partikel - mereka mengirimkan momentum yang diterima kepada mereka.

Untuk pertama kalinya, fenomena magnet mulai dipelajari oleh dokter dan fisikawan Inggris William Gilbert, yang menulis karya "On the magnet, magnetic bodies and the large magnet - the Earth". Kemudian diyakini bahwa listrik dan magnet tidak memiliki kesamaan. Namun di awal abad XIX. Ilmuwan Denmark G.Kh. Oersted pada tahun 1820 secara eksperimental membuktikan bahwa magnetisme adalah salah satu bentuk listrik yang tersembunyi, dan menegaskannya secara eksperimental. Pengalaman ini menyebabkan longsoran penemuan baru yang sangat penting. Di sekitar konduktor dengan arus listrik, muncul medan, yang disebut magnetik. Seberkas elektron yang bergerak memiliki efek pada jarum magnet, mirip dengan konduktor pembawa arus (percobaan Ioffe). Arus konveksi partikel bermuatan listrik serupa dengan arus konduksi dalam aksinya pada jarum magnet (percobaan Eichenwald).

Medan magnet dibuat hanya dengan memindahkan muatan listrik atau menggerakkan benda bermuatan listrik, serta magnet permanen. Medan magnet ini berbeda dengan medan listrik, yang dihasilkan oleh muatan listrik yang bergerak dan diam.

Garis-garis vektor induksi magnetik (B) selalu tertutup dan menutupi konduktor dengan arus, dan garis-garis medan listrik mulai dari positif dan berakhir pada muatan negatif, terbuka. Garis-garis induksi magnet magnet permanen keluar dari satu kutub, disebut utara (N) dan masuk ke kutub lainnya - selatan (S). Pada awalnya tampaknya ada analogi yang lengkap dengan garis-garis kuat medan listrik (E). Kutub magnet memainkan peran muatan magnet. Namun, jika Anda memotong magnetnya, gambarnya tetap terjaga, magnet yang lebih kecil diperoleh - tetapi masing-masing dengan kutub utara dan selatannya sendiri. Tidak mungkin memisahkan kutub magnet sehingga kutub utara berada di satu bagian, dan selatan di bagian lain, karena muatan magnet bebas (diskrit), tidak seperti muatan listrik diskrit, tidak ada di alam.

Medan magnet yang ada di alam beragam dalam skala dan efek yang ditimbulkannya. Medan magnet bumi, yang membentuk magnetosfer bumi, membentang sejauh 70-80 ribu kilometer ke arah Matahari dan jutaan kilometer ke arah yang berlawanan. Asal usul medan magnet bumi dikaitkan dengan pergerakan zat cair yang menghantarkan partikel bermuatan listrik di inti bumi. Jupiter dan Saturnus memiliki medan magnet yang kuat. Medan magnet Matahari memainkan peran penting dalam semua proses yang terjadi di Matahari - suar, munculnya bintik dan tonjolan, kelahiran sinar kosmik matahari. Medan magnet banyak digunakan di berbagai industri: saat memuat skrap besi, saat membersihkan tepung di toko roti dari kotoran logam, dan juga dalam pengobatan untuk merawat pasien.

Apa itu medan magnet

Karakteristik kekuatan utama medan magnet adalah vektor induksi magnetik. Seringkali vektor induksi magnetik hanya disebut medan magnet untuk singkatnya (walaupun ini mungkin bukan penggunaan istilah yang paling ketat). Sebenarnya vektor adalah besaran yang memiliki arah dalam ruang, oleh karena itu kita dapat berbicara tentang arah induksi magnet dan besarnya. Tetapi mengatakan bahwa medan magnet hanyalah arah induksi magnet berarti tidak menjelaskan banyak hal. Ada karakteristik lain dari medan magnet - potensi vektor. Sebagai ciri utama medan magnet dalam ruang hampa, bukan vektor induksi magnet yang dipilih, melainkan vektornya kekuatan medan magnet. Dalam ruang hampa, kedua vektor ini bertepatan, tetapi tidak dalam materi, tetapi dari sudut pandang sistematis, karakteristik utama medan magnet harus dianggap tepat. potensi vektor.

Medan magnet dapat disebut jenis materi khusus, yang melaluinya interaksi dilakukan antara partikel bermuatan bergerak atau benda yang memiliki momen magnet. Medan magnet adalah konsekuensi yang diperlukan (dalam konteks relativitas khusus) dari keberadaan medan listrik. Medan magnet dan listrik bersama-sama membentuk medan elektromagnetik, yang manifestasinya, khususnya, cahaya dan semua gelombang elektromagnetik lainnya. Dari sudut pandang teori medan kuantum, interaksi magnetik - sebagai kasus khusus interaksi elektromagnetik - dibawa oleh boson tak bermassa fundamental - foton (partikel yang dapat direpresentasikan sebagai eksitasi kuantum medan elektromagnetik), seringkali (misalnya, dalam semua kasus bidang statis) virtual. Medan magnet diciptakan (dihasilkan) oleh arus partikel bermuatan, atau oleh medan listrik yang berubah-ubah waktu, atau oleh momen magnetik intrinsik partikel (yang terakhir, demi keseragaman gambar, dapat dikurangi secara formal menjadi arus listrik).

Menurut pendapat saya, definisi ini sangat kabur. Jelas bahwa medan magnet bukanlah kehampaan, tetapi sejenis materi khusus - bagian dari dunia nyata. Jelas bahwa medan magnet terkait erat dengan pergerakan muatan listrik - arus listrik. Tetapi bagaimana medan magnet dengan medan listrik membentuk medan elektromagnetik tunggal tidak jelas. Kemungkinan besar, ada medan terpadu tertentu, yang, tergantung pada keadaan, memanifestasikan dirinya sebagai medan magnet atau medan listrik. Sama seperti sejenis hermafrodit, yang dalam keadaan tertentu bisa jadi laki-laki, dan dalam keadaan lain - perempuan.

Gaya yang bekerja pada partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam medan magnet disebut gaya Lorentz. Gaya ini selalu diarahkan tegak lurus terhadap vektor kecepatan partikel - v dan potensi vektor medan magnet - B. Gaya ini sebanding dengan muatan partikel Q, kecepatannya ay, tegak lurus terhadap arah vektor medan magnet B dan sebanding dengan besarnya induksi medan magnet B. Izinkan saya menjelaskan kepada mereka yang benar-benar melupakan fisika sekolah: gaya adalah alasan yang menyebabkan percepatan gerak benda. Di sini gaya bekerja bukan pada massa partikel, tetapi pada muatannya. Dalam hal ini, gaya Lorentz berbeda dengan gaya gravitasi, yang bekerja pada massa partikel (benda), karena massa benda adalah muatan gravitasinya.

Medan magnet juga bekerja pada konduktor pembawa arus. Gaya yang bekerja pada konduktor pembawa arus disebut gaya ampere. Gaya ini adalah jumlah gaya yang bekerja pada muatan listrik individu yang bergerak di dalam konduktor. Ini adalah arus, diukur dalam ampere.

Ketika dua magnet berinteraksi, kutub yang sama saling menolak dan kutub yang berlawanan menarik. Namun, analisis terperinci menunjukkan bahwa sebenarnya ini bukanlah deskripsi fenomena yang sepenuhnya benar. Tidak jelas mengapa dipol tidak pernah dapat dipisahkan dalam kerangka model seperti itu. Eksperimen menunjukkan bahwa tidak ada benda terisolasi yang benar-benar memiliki muatan magnet dengan tanda yang sama. Setiap benda magnet memiliki dua kutub - utara dan selatan. Suatu gaya bekerja pada dipol magnet yang ditempatkan di medan magnet tidak seragam, yang cenderung memutarnya sehingga momen magnet dipol diarahkan bersama (bertepatan dengan arah) dengan medan magnet tempat dipol magnet ini ditempatkan.

Pada tahun 1831, Michael Faraday menemukan bahwa konduktor tertutup, ketika ditempatkan dalam medan magnet yang berubah, menghasilkan arus listrik. Fenomena ini dinamai induksi elektromagnetik.

M. Faraday menemukan bahwa gaya gerak listrik (EMF) yang terjadi pada rangkaian konduktor tertutup sebanding dengan laju perubahan fluks magnet yang melewati bagian rangkaian listrik yang ada di medan magnet tersebut. Nilai (EMF) tidak tergantung pada apa yang menyebabkan perubahan fluks - perubahan medan magnet itu sendiri atau pergerakan bagian sirkuit dalam medan magnet. Arus listrik yang ditimbulkan oleh EMF disebut arus induksi. Penemuan ini memungkinkan untuk membuat generator arus listrik dan membuat, sebenarnya, milik kita peradaban listrik. Siapa sangka di tahun 30-an abad XIX bahwa penemuan M. Faraday adalah penemuan peradaban zaman yang menentukan masa depan umat manusia?

Pada gilirannya, medan magnet dapat dibuat dan diubah (dilemahkan atau diperkuat) oleh medan listrik bolak-balik yang diciptakan oleh arus listrik dalam bentuk aliran partikel bermuatan. Struktur mikroskopis suatu zat yang ditempatkan dalam medan magnet bolak-balik mempengaruhi kekuatan arus yang muncul di dalamnya. Beberapa struktur melemahkan arus listrik yang muncul, sementara yang lain memperkuatnya hingga derajat yang berbeda-beda. Salah satu studi pertama tentang sifat magnetik materi dilakukan oleh Pierre Curie. Dalam hal ini, zat dalam kaitannya dengan sifat magnetiknya dibagi menjadi dua kelompok utama:

1. Feromagnetik - zat di mana, di bawah suhu kritis tertentu (titik Curie), tatanan feromagnetik jarak jauh dari momen magnetik partikel zat tersebut terbentuk.

2. Antiferromagnet - zat di mana urutan antiferomagnetik momen magnetik partikel materi - atom atau ion - telah ditetapkan: momen magnetik partikel zat diarahkan berlawanan dan memiliki kekuatan yang sama.

Ada juga zat diamagnet dan zat paramagnet.

Diamagnet adalah zat yang dimagnetisasi melawan arah medan magnet luar.

Paramagnet adalah zat yang termagnetisasi dalam medan magnet luar searah dengan medan magnet luar.

Jenis urutan momen magnetik atom dalam zat paramagnetik (a), feromagnetik (b) dan antiferomagnetik (c). Gambar dari situs: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Kelompok zat di atas terutama mencakup zat padat, cair dan gas yang umum. Superkonduktor dan plasma pada dasarnya berbeda dari keduanya dalam interaksinya dengan medan magnet.

Medan magnet feromagnet (contohnya adalah besi) terlihat pada jarak yang cukup jauh.

Sifat magnetik paramagnet mirip dengan feromagnet, tetapi jauh lebih sedikit diucapkan - pada jarak yang lebih pendek.

Diamagnet tidak ditarik, tetapi ditolak oleh magnet, gaya yang bekerja pada diamagnet diarahkan berlawanan dengan yang bekerja pada feromagnet dan paramagnet.

Menurut aturan Lenz, medan magnet arus listrik yang diinduksi dalam medan magnet diarahkan sedemikian rupa untuk menetralkan perubahan fluks magnet yang menginduksi arus ini. Saya ingin mencatat bahwa interaksi medan magnet bolak-balik dan arus listrik yang diinduksi olehnya dan medan listrik sesuai dengan prinsip Le Chatelier. Ini tidak lain adalah pengereman otomatis dari proses tersebut, yang melekat pada semua proses yang terjadi di dunia nyata.

Menurut prinsip Le Chatelier, setiap proses yang terjadi di dunia menimbulkan proses yang berlawanan arah dan memperlambat proses yang menyebabkannya. Menurut pendapat saya, ini adalah salah satu hukum utama alam semesta, yang karena alasan tertentu tidak diperhatikan oleh fisikawan maupun filsuf.

Semua zat bersifat magnetis pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil. Jika dua konduktor dengan arus listrik ditempatkan di media apa pun, maka kekuatan interaksi magnetik antara arus berubah. Induksi medan magnet yang diciptakan oleh arus listrik dalam suatu zat berbeda dengan induksi medan magnet yang diciptakan oleh arus yang sama dalam ruang hampa. Kuantitas fisik yang menunjukkan berapa kali induksi medan magnet dalam media homogen berbeda dalam nilai absolut dari induksi medan magnet dalam ruang hampa disebut permeabilitas magnetik. Vakum memiliki permeabilitas magnetik maksimum.

Sifat magnetik suatu zat ditentukan oleh sifat magnetik atom - elektron, proton, dan neutron yang membentuk atom. Sifat magnetik proton dan neutron hampir 1000 kali lebih lemah daripada sifat magnetik elektron. Oleh karena itu, sifat magnetik suatu zat terutama ditentukan oleh elektron yang menyusun atomnya.

Salah satu sifat paling penting dari sebuah elektron adalah bahwa ia tidak hanya memiliki medan listrik tetapi juga medan magnet. Medan magnet sendiri dari sebuah elektron, yang diduga muncul ketika berputar di sekitar porosnya, disebut medan putaran (spin - rotation). Tetapi elektron juga menciptakan medan magnet karena pergerakannya di sekitar inti atom, yang dapat disamakan dengan arus mikro yang melingkar. Medan spin elektron dan medan magnet karena gerakan orbitnya menentukan berbagai sifat magnetik suatu zat.

Perilaku paramagnet (1) dan diamagnet (2) dalam medan magnet yang tidak homogen. Gambar dari situs: http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph19/theory.html

Zat sangat beragam dalam sifat magnetiknya. Misalnya, platina, udara, aluminium, besi klorida bersifat paramagnetik, dan tembaga, bismut, air bersifat diamagnetik. Sampel paramagnetik dan diamagnetik yang ditempatkan di medan magnet yang tidak homogen antara kutub elektromagnet berperilaku berbeda - paramagnet ditarik ke wilayah medan yang kuat, sedangkan diamagnet, sebaliknya, didorong keluar darinya.

Para- dan diamagnetisme dijelaskan oleh perilaku orbit elektron dalam medan magnet luar. Dalam atom zat diamagnetik, dengan tidak adanya medan eksternal, medan magnet elektronnya sendiri dan medan yang diciptakan oleh gerakan orbitalnya dikompensasi sepenuhnya. Munculnya diamagnetisme dikaitkan dengan aksi gaya Lorentz pada orbit elektron. Di bawah aksi gaya ini, sifat gerakan orbital elektron berubah dan kompensasi medan magnet terganggu. Medan magnet atom yang dihasilkan ternyata diarahkan melawan arah induksi medan luar.

Dalam atom zat paramagnetik, medan magnet elektron tidak sepenuhnya dikompensasi, dan atom ternyata mirip dengan arus melingkar kecil. Dengan tidak adanya medan eksternal, arus mikro melingkar ini diorientasikan secara sewenang-wenang, sehingga total induksi magnetik adalah nol. Medan magnet eksternal memiliki efek orientasi - arus mikro cenderung mengarahkan dirinya sendiri sehingga medan magnetnya sendiri diarahkan ke arah induksi medan eksternal. Karena gerakan termal atom, orientasi arus mikro tidak pernah lengkap. Dengan peningkatan medan eksternal, efek orientasi meningkat, sehingga induksi medan magnet intrinsik sampel paramagnetik meningkat sebanding dengan induksi medan magnet eksternal. Total induksi medan magnet dalam sampel merupakan penjumlahan induksi medan magnet luar dan induksi medan magnet intrinsik yang timbul selama proses magnetisasi.

Atom dari zat apa pun memiliki sifat diamagnetik, tetapi dalam banyak kasus diamagnetismenya ditutupi oleh efek paramagnetik yang kuat. Fenomena diamagnetisme ditemukan oleh M. Faraday pada tahun 1845.

Feromagnet dapat menjadi magnet yang kuat dalam medan magnet, permeabilitas magnetnya sangat tinggi. Kelompok yang dipertimbangkan meliputi empat unsur kimia: besi, nikel, kobalt, gadolinium. Dari jumlah tersebut, besi memiliki permeabilitas magnetik tertinggi. Berbagai paduan dari unsur-unsur ini dapat berupa ferromagnet, misalnya bahan feromagnetik keramik - ferit.

Untuk setiap ferromagnet, ada suhu tertentu (yang disebut suhu atau titik Curie), di atasnya sifat feromagnetik menghilang, dan zat tersebut menjadi paramagnet. Untuk besi misalnya, suhu Curie adalah 770°C, untuk kobalt 1130°C, untuk nikel 360°C.

Bahan feromagnetik secara magnetis lunak dan keras secara magnetis. Bahan feromagnetik yang lunak secara magnetis hampir sepenuhnya mengalami demagnetisasi ketika medan magnet luar menjadi nol. Bahan magnet lunak termasuk, misalnya, besi murni, baja listrik, dan beberapa paduan. Bahan-bahan ini digunakan dalam perangkat AC di mana terjadi pembalikan magnetisasi terus menerus, yaitu perubahan arah medan magnet (transformator, motor listrik, dll.).

Bahan yang keras secara magnetis mempertahankan magnetisasinya sebagian besar bahkan setelah dikeluarkan dari medan magnet. Contoh material yang keras secara magnetis adalah baja karbon dan sejumlah paduan khusus. Bahan yang keras secara magnetis digunakan terutama untuk pembuatan magnet permanen.

Ciri khas dari proses magnetisasi ferromagnet adalah histeresis, yaitu ketergantungan magnetisasi pada prasejarah sampel. Kurva magnetisasi B (B0) dari sampel feromagnetik adalah loop bentuk kompleks, yang disebut loop histeresis.

Ketergantungan permeabilitas magnetik ferromagnet pada induksi medan magnet luar. Pada awalnya, feromagnet dimagnetisasi dengan cepat, tetapi setelah mencapai maksimum, magnetnya semakin lambat. Gambar dari situs: http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph19/theory.html

Loop histeresis tipikal untuk bahan feromagnetik yang keras secara magnetis. Pada titik 2, saturasi magnetik tercapai. Segmen 1-3 menentukan sisa induksi magnetik, dan segmen 1-4 - gaya koersif, yang mencirikan kemampuan sampel untuk menahan demagnetisasi. Gambar dari situs: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Sifat feromagnetisme dapat dipahami berdasarkan konsep kuantum. Feromagnetisme dijelaskan oleh adanya medan magnet intrinsik (spin) elektron. Dalam kristal bahan feromagnetik, kondisi muncul di mana, karena interaksi kuat medan magnet spin elektron tetangga, orientasi paralelnya menjadi menguntungkan secara energik. Sebagai hasil dari interaksi semacam itu, daerah yang termagnetisasi secara spontan muncul di dalam kristal feromagnet. Area-area ini disebut domain. Setiap domain adalah magnet permanen kecil.

Ilustrasi proses magnetisasi sampel feromagnetik:

a - materi tanpa adanya medan magnet luar: atom-atom individualnya, yang merupakan magnet kecil, disusun secara acak; b - zat magnet: di bawah aksi medan eksternal, atom-atom diorientasikan relatif satu sama lain dalam urutan tertentu sesuai dengan arah medan eksternal. Beras. dari situs: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Domain dalam teori magnetisme adalah daerah kecil yang termagnetisasi dari suatu material di mana momen medan magnet atom berorientasi sejajar satu sama lain. Domain dipisahkan satu sama lain oleh lapisan transisi yang disebut dinding Bloch. Gambar tersebut menunjukkan dua domain dengan orientasi magnetik berlawanan dan dinding Bloch di antaranya dengan orientasi menengah. Gambar dari situs: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Dengan tidak adanya medan magnet eksternal, arah vektor induksi medan magnet dalam domain yang berbeda diorientasikan secara acak dalam kristal besar. Kristal seperti itu ternyata tidak termagnetisasi. Ketika medan magnet eksternal diterapkan, batas domain dipindahkan sehingga volume domain yang berorientasi sepanjang medan eksternal meningkat. Dengan peningkatan induksi medan luar, induksi magnetik zat magnet meningkat. Dalam medan magnet eksternal yang sangat kuat, domain di mana medan magnetnya sendiri searah dengan medan eksternal menyerap semua domain lain, dan saturasi magnetik terjadi.

Namun, harus diingat bahwa semua gambar ini dan domain serta atom yang digambarkan di atasnya hanyalah diagram atau model dari fenomena magnetisme yang sebenarnya, tetapi bukan fenomena itu sendiri. Mereka digunakan selama tidak bertentangan dengan fakta yang diamati.

Elektromagnet sederhana yang dirancang untuk menangkap beban. Sumber energinya adalah baterai DC. Juga diperlihatkan garis-garis gaya medan elektromagnet, yang dapat dideteksi dengan metode serbuk besi biasa. Gambar dari situs: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.htmll

Terjadinya medan magnet di sekitar konduktor yang dilalui arus listrik searah diilustrasikan oleh elektromagnet. Arus mengalir melalui kawat yang melilit batang feromagnetik. Gaya magnetisasi dalam hal ini sama dengan hasil kali besar arus listrik pada kumparan dengan jumlah lilitan di dalamnya. Gaya ini diukur dalam ampere. Kekuatan medan magnet H sama dengan gaya magnetisasi per satuan panjang kumparan. Dengan demikian, nilai H diukur dalam ampere per meter; itu menentukan magnetisasi yang diperoleh oleh bahan di dalam koil. Dalam induksi magnetik vakum B sebanding dengan kekuatan medan magnet H.

Induksi medan magnet adalah besaran vektor, yang merupakan karakteristik gaya medan magnet. Arah induksi magnetik bertepatan dengan arah yang ditunjukkan oleh jarum magnet dalam medan magnet, dan modulus vektor ini sama dengan rasio modulus gaya magnet yang bekerja pada partikel bermuatan tegak lurus yang bergerak dengan modulus kecepatan dan muatan partikel ini. Induksi magnetik menurut SI diukur dalam teslas (T). Dalam sistem CGS, induksi magnetik diukur dalam gauss (gauss). Dalam hal ini, 1 T = 104 Gs.

Elektromagnet besar dengan inti besi dan jumlah belokan yang sangat besar, yang beroperasi dalam mode kontinu, memiliki gaya magnetisasi yang besar. Mereka menciptakan induksi magnetik di celah antara kutub hingga 6 tesla (T). Besarnya induksi dibatasi oleh tekanan mekanis, pemanasan kumparan dan saturasi magnetik inti.

Sejumlah elektromagnet raksasa (tanpa inti) dengan pendingin air, dan instalasi untuk menciptakan medan magnet berdenyut dirancang oleh P.L. Kapitsa di Cambridge dan di Institut Masalah Fisik Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet, serta F. Bitter di Institut Teknologi Massachusetts. Pada magnet semacam itu dimungkinkan untuk mencapai induksi hingga 50 T. Elektromagnet yang relatif kecil, menghasilkan medan hingga 6,2 T, mengonsumsi daya listrik 15 kW dan didinginkan oleh hidrogen cair, dikembangkan di Laboratorium Nasional Losalamos. Medan magnet serupa diperoleh pada suhu yang sangat rendah.

Vektor induksi magnetik dianggap sebagai salah satu besaran fisik yang mendasar dalam teori elektromagnetisme, dapat ditemukan dalam berbagai macam persamaan, dalam beberapa kasus secara langsung, dan terkadang melalui kekuatan medan magnet yang terkait dengannya. Satu-satunya area dalam teori klasik elektromagnetisme, di mana tidak ada vektor induksi magnetik, mungkin hanya elektrostatis murni.

Ampère pada tahun 1825 mengemukakan bahwa arus mikro listrik bersirkulasi di setiap atom magnet. Tetapi elektron baru ditemukan pada tahun 1897, dan model struktur internal atom - pada tahun 1913, hampir 100 tahun setelah tebakan brilian Ampere. Pada tahun 1852, W. Weber mengemukakan bahwa setiap atom dari suatu zat magnet adalah dipol magnet kecil. Magnetisasi akhir atau lengkap suatu zat dicapai ketika semua magnet atom individu berbaris dalam urutan tertentu. Weber percaya bahwa "gesekan" molekul atau atom membantu magnet elementer ini mempertahankan keteraturannya. Teorinya menjelaskan magnetisasi benda saat bersentuhan dengan magnet dan demagnetisasi saat dipukul atau dipanaskan. "Reproduksi" magnet juga dijelaskan ketika sepotong magnet atau batang magnet dipotong-potong, ketika setiap bagian selalu memiliki dua kutub. Namun, teori ini tidak menjelaskan asal muasal magnet elementer itu sendiri atau fenomena histeresis. Pada tahun 1890, teori Weber diperbaiki oleh J. Ewing, yang menggantikan hipotesis gesekan atom dengan gagasan gaya pembatas interatomik yang membantu mempertahankan urutan dipol elementer yang membentuk magnet permanen.

Pada tahun 1905 P. Langevin menjelaskan perilaku bahan paramagnetik dengan menganggap setiap atom arus elektron internal yang tidak terkompensasi. Menurut Langevin, arus inilah yang membentuk magnet kecil, yang berorientasi secara acak ketika medan magnet eksternal tidak ada, tetapi memperoleh orientasi yang teratur setelah penerapannya. Dalam hal ini, perkiraan untuk menyelesaikan pemesanan sesuai dengan saturasi magnetisasi. Langevin memperkenalkan konsep momen magnet magnet atom, sama dengan hasil kali "muatan magnet" dengan jarak antar kutub. Menurut teori ini, kemagnetan lemah bahan paramagnetik dijelaskan oleh momen magnetik netto lemah yang dihasilkan oleh arus elektron tak terkompensasi.

Pada tahun 1907, P. Weiss memperkenalkan konsep "domain", yang menjadi kontribusi penting bagi teori magnetisme modern. Sebuah domain individu mungkin memiliki dimensi linier di urutan 0,01 mm. Domain dipisahkan satu sama lain oleh apa yang disebut dinding Bloch, yang ketebalannya tidak melebihi 1000 dimensi atom. Dinding semacam itu adalah "lapisan transisi", atau mikrogradien dalam struktur nano magnetik suatu zat, di mana arah magnetisasi domain berubah. Ada dua konfirmasi eksperimental yang meyakinkan tentang keberadaan domain. Pada tahun 1919, G. Barkhausen menetapkan bahwa ketika medan eksternal diterapkan pada sampel bahan feromagnetik, magnetisasinya berubah dalam porsi diskrit kecil. Untuk mengungkap struktur domain magnet dengan metode angka bubuk, setetes suspensi koloid dari bubuk feromagnetik (oksida besi) diterapkan pada permukaan bahan magnet yang dipoles dengan baik. Partikel bubuk mengendap terutama di tempat-tempat dengan ketidakhomogenan maksimum medan magnet - di batas domain. Struktur seperti itu dapat dipelajari di bawah mikroskop. Sebuah metode telah dikembangkan untuk mempelajari medan magnet, berdasarkan lintasan cahaya terpolarisasi melalui bahan feromagnetik transparan.

Sebuah atom besi bebas memiliki dua kulit ( K Dan L), yang paling dekat dengan nukleus, diisi dengan elektron, dengan dua pada elektron pertama, dan delapan pada elektron kedua. DI DALAM K-kulit, putaran salah satu elektron positif, dan yang lainnya negatif. DI DALAM L-kulit (lebih tepatnya, dalam dua subkulitnya), empat dari delapan elektron memiliki putaran positif, dan empat lainnya memiliki putaran negatif. Dalam kedua kasus, spin elektron dalam kulit yang sama ditiadakan sepenuhnya, sehingga momen magnet total atom adalah nol. DI DALAM M-kulit, situasinya berbeda, karena dari enam elektron pada subkulit ketiga, lima elektron memiliki arah putaran

Medan magnet- ini adalah media material tempat interaksi antara konduktor dengan arus atau muatan bergerak dilakukan.

Sifat medan magnet:

Karakteristik medan magnet:

Untuk mempelajari medan magnet, rangkaian uji dengan arus digunakan. Itu kecil, dan arus di dalamnya jauh lebih sedikit daripada arus di konduktor yang menciptakan medan magnet. Di sisi berlawanan dari rangkaian dengan arus dari sisi medan magnet, gaya bekerja dengan besaran yang sama, tetapi diarahkan ke arah yang berlawanan, karena arah gaya bergantung pada arah arus. Titik penerapan gaya-gaya ini tidak terletak pada satu garis lurus. Kekuatan seperti itu disebut beberapa kekuatan. Akibat aksi sepasang gaya, kontur tidak dapat bergerak maju, ia berputar mengelilingi porosnya. Tindakan berputar dicirikan torsi.

, Di mana l–lengan sepasang kekuatan(jarak antara titik penerapan gaya).

Dengan peningkatan arus di sirkuit uji atau area sirkuit, momen sepasang gaya akan meningkat secara proporsional. Rasio momen gaya maksimum yang bekerja pada rangkaian pembawa arus dengan besarnya arus dalam rangkaian dan luas rangkaian adalah nilai konstan untuk titik medan tertentu. Ini disebut induksi magnetik.

, Di mana
-momen magnetik sirkuit dengan arus.

Satuan induksi magnetik - Tesla [T].

Momen magnetik rangkaian- besaran vektor, yang arahnya bergantung pada arah arus dalam rangkaian dan ditentukan oleh aturan sekrup kanan: kepalkan tangan kanan Anda, arahkan empat jari ke arah arus di sirkuit, maka ibu jari akan menunjukkan arah vektor momen magnet. Vektor momen magnetik selalu tegak lurus terhadap bidang kontur.

Di belakang arah vektor induksi magnetik ambil arah vektor momen magnetik dari rangkaian yang berorientasi pada medan magnet.

Garis induksi magnetik- sebuah garis, garis singgung yang pada setiap titik bertepatan dengan arah vektor induksi magnetik. Garis induksi magnet selalu tertutup, tidak pernah berpotongan. Garis induksi magnetik konduktor lurus dengan arus berbentuk lingkaran yang terletak pada bidang yang tegak lurus dengan konduktor. Arah garis induksi magnet ditentukan oleh aturan sekrup kanan. Garis induksi magnetik arus melingkar(kumparan dengan arus) juga berbentuk lingkaran. Setiap elemen kumparan panjang
dapat dianggap sebagai konduktor lurus yang menciptakan medan magnetnya sendiri. Untuk medan magnet, prinsip superposisi (penambahan bebas) terpenuhi. Total vektor induksi magnetik arus melingkar ditentukan sebagai hasil dari penambahan bidang-bidang ini di tengah koil sesuai dengan aturan sekrup kanan.

Jika besar dan arah vektor induksi magnetik sama di setiap titik dalam ruang, maka medan magnet disebut homogen. Jika besar dan arah vektor induksi magnet pada setiap titik tidak berubah dari waktu ke waktu, maka medan seperti itu disebut permanen.

Nilai induksi magnetik di setiap titik medan berbanding lurus dengan kekuatan arus dalam konduktor yang menciptakan medan, berbanding terbalik dengan jarak dari konduktor ke titik tertentu di medan, tergantung pada sifat media dan bentuk medan konduktor yang menciptakan medan.

, Di mana
PADA 2 ; H/m adalah konstanta magnetik vakum,

-permeabilitas magnetik relatif medium,

-permeabilitas magnetik absolut dari medium.

Bergantung pada besarnya permeabilitas magnetik, semua zat dibagi menjadi tiga kelas:


Dengan peningkatan permeabilitas absolut media, induksi magnetik pada titik tertentu di lapangan juga meningkat. Rasio induksi magnetik terhadap permeabilitas magnetik absolut dari medium adalah nilai konstan untuk titik poli tertentu, e disebut ketegangan.

.

Vektor tegangan dan induksi magnet berimpit arah. Kekuatan medan magnet tidak tergantung pada sifat-sifat media.

Kekuatan ampli- gaya yang digunakan medan magnet pada konduktor dengan arus.

Di mana l- panjang konduktor, - sudut antara vektor induksi magnetik dan arah arus.

Arah gaya Ampere ditentukan oleh aturan tangan kiri: tangan kiri diposisikan sedemikian rupa sehingga komponen vektor induksi magnet, tegak lurus konduktor, masuk ke telapak tangan, arahkan empat jari terulur di sepanjang arus, kemudian ibu jari yang ditekuk 90 0 akan menunjukkan arah gaya Ampere.

Hasil aksi gaya Ampere adalah pergerakan konduktor ke arah tertentu.

e jika = 90 0 , maka F=maks, jika = 0 0 , maka F= 0.

gaya Lorentz- gaya medan magnet pada muatan yang bergerak.

, di mana q adalah muatannya, v adalah kecepatan gerakannya, - sudut antara vektor tegangan dan kecepatan.

Gaya Lorentz selalu tegak lurus terhadap induksi magnetik dan vektor kecepatan. Arah ditentukan oleh aturan tangan kiri(jari - pada pergerakan muatan positif). Jika arah kecepatan partikel tegak lurus terhadap garis induksi magnetik medan magnet seragam, partikel bergerak dalam lingkaran tanpa mengubah energi kinetik.

Karena arah gaya Lorentz bergantung pada tanda muatan, gaya ini digunakan untuk memisahkan muatan.

fluks magnet- nilai yang sama dengan jumlah garis induksi magnetik yang melewati area mana pun yang terletak tegak lurus dengan garis induksi magnetik.

, Di mana - sudut antara induksi magnetik dan garis normal (tegak lurus) terhadap luas S.

Satuan– Weber [Wb].

Metode untuk mengukur fluks magnet:

    Mengubah orientasi situs dalam medan magnet (mengubah sudut)

    Perubahan luas kontur ditempatkan dalam medan magnet

    Mengubah kekuatan arus yang menciptakan medan magnet

    Mengubah jarak kontur dari sumber medan magnet

    Perubahan sifat magnetik medium.

F Araday merekam arus listrik di sirkuit yang tidak mengandung sumber, tetapi terletak di sebelah sirkuit lain yang mengandung sumber. Selain itu, arus di sirkuit primer muncul dalam kasus berikut: dengan setiap perubahan arus di sirkuit A, dengan pergerakan relatif sirkuit, dengan masuknya batang besi ke sirkuit A, dengan pergerakan magnet permanen relatif terhadap sirkuit B. Pergerakan terarah dari muatan bebas (arus) hanya terjadi di medan listrik. Ini berarti bahwa medan magnet yang berubah menghasilkan medan listrik, yang menggerakkan muatan bebas konduktor. Medan listrik ini disebut diinduksi atau pusaran arus.

Perbedaan antara medan listrik pusaran dan medan listrik statis:

    Sumber medan pusaran adalah medan magnet yang berubah.

    Garis kekuatan medan pusaran ditutup.

    Usaha yang dilakukan oleh medan ini untuk memindahkan muatan sepanjang rangkaian tertutup tidak sama dengan nol.

    Karakteristik energi medan pusaran bukanlah potensinya, melainkan induksi EMF- nilai yang sama dengan kerja gaya eksternal (gaya yang tidak berasal dari elektrostatis) dalam menggerakkan unit muatan di sepanjang sirkuit tertutup.

.Diukur dalam Volt[DI DALAM].

Medan listrik pusaran muncul dengan perubahan medan magnet apa pun, terlepas dari apakah ada loop tertutup konduktor atau tidak. Kontur hanya memungkinkan untuk mendeteksi medan listrik pusaran.

induksi elektromagnetik- ini adalah terjadinya EMF induksi dalam rangkaian tertutup dengan setiap perubahan fluks magnet melalui permukaannya.

EMF induksi dalam rangkaian tertutup menghasilkan arus induktif.

.

Arah arus induksi ditentukan oleh aturan Lenz: arus induksi memiliki arah sedemikian rupa sehingga medan magnet yang diciptakannya melawan setiap perubahan fluks magnet yang menghasilkan arus ini.

Hukum Faraday untuk induksi elektromagnetik: EMF induksi dalam loop tertutup berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnet melalui permukaan yang dibatasi oleh loop.

T oke foucault- arus induksi eddy yang terjadi pada konduktor besar yang ditempatkan di medan magnet yang berubah. Resistansi konduktor semacam itu kecil, karena memiliki penampang S yang besar, sehingga arus Foucault bisa besar, akibatnya konduktor memanas.

induksi diri- ini adalah terjadinya EMF induksi dalam konduktor ketika kekuatan arus di dalamnya berubah.

Sebuah konduktor pembawa arus menciptakan medan magnet. Induksi magnet tergantung pada kekuatan arus, oleh karena itu, fluks magnetnya sendiri juga tergantung pada kekuatan arus.

, di mana L adalah koefisien proporsionalitas, induktansi.

Satuan induktansi - Henry [H].

Induktansi konduktor tergantung pada ukuran, bentuk dan permeabilitas magnetik mediumnya.

Induktansi bertambah dengan panjang konduktor, induktansi koil lebih besar dari induktansi konduktor lurus dengan panjang yang sama, induktansi koil (konduktor dengan jumlah lilitan yang banyak) lebih besar dari induktansi satu putaran , induktansi koil meningkat jika batang besi dimasukkan ke dalamnya.

Hukum Faraday untuk induksi diri:
.

Induksi sendiri EMF berbanding lurus dengan laju perubahan arus.

Induksi sendiri EMF menghasilkan arus induksi sendiri, yang selalu mencegah setiap perubahan arus dalam rangkaian, yaitu, jika arus meningkat, arus induksi diri diarahkan ke arah yang berlawanan, ketika arus dalam rangkaian berkurang, arus induksi sendiri arus induksi diarahkan ke arah yang sama. Semakin besar induktansi koil, semakin banyak EMF induktansi diri terjadi di dalamnya.

Energi medan magnet sama dengan usaha yang dilakukan arus untuk mengatasi EMF induksi sendiri selama waktu hingga arus meningkat dari nol ke nilai maksimum.

.

Getaran elektromagnetik- ini adalah perubahan berkala dalam muatan, kekuatan arus, dan semua karakteristik medan listrik dan magnet.

Sistem osilasi listrik(rangkaian osilasi) terdiri dari kapasitor dan induktor.

Kondisi terjadinya getaran:

    Sistem harus dibawa keluar dari kesetimbangan, untuk ini, muatan diberikan ke kapasitor. Energi medan listrik kapasitor bermuatan:

.

    Sistem harus kembali ke keadaan setimbang. Di bawah pengaruh medan listrik, muatan berpindah dari satu pelat kapasitor ke pelat lainnya, yaitu arus listrik muncul di sirkuit, yang mengalir melalui koil. Dengan peningkatan arus dalam induktor, EMF induksi diri muncul, arus induksi diri diarahkan ke arah yang berlawanan. Ketika arus dalam koil berkurang, arus induksi sendiri diarahkan ke arah yang sama. Dengan demikian, arus induksi diri cenderung mengembalikan sistem ke keadaan setimbang.

    Resistansi listrik rangkaian harus kecil.

Rangkaian osilasi yang ideal tidak memiliki resistensi. Osilasi di dalamnya disebut bebas.

Untuk rangkaian listrik apa pun, hukum Ohm terpenuhi, yang menurutnya EMF yang bekerja di rangkaian sama dengan jumlah tegangan di semua bagian rangkaian. Tidak ada sumber arus di rangkaian osilasi, tetapi EMF induksi sendiri muncul di induktor, yang sama dengan tegangan melintasi kapasitor.

Kesimpulan: muatan kapasitor berubah sesuai dengan hukum harmonik.

Tegangan kapasitor:
.

Arus loop:
.

Nilai
- amplitudo kekuatan saat ini.

Perbedaan dari biaya pada
.

Periode osilasi bebas di sirkuit:

Energi medan listrik kapasitor:

Kumparan energi medan magnet:

Energi medan listrik dan magnet berubah menurut hukum harmonik, tetapi fase osilasinya berbeda: ketika energi medan listrik maksimum, energi medan magnet adalah nol.

Energi total dari sistem osilasi:
.

DI DALAM kontur yang ideal energi total tidak berubah.

Dalam proses osilasi, energi medan listrik diubah seluruhnya menjadi energi medan magnet dan sebaliknya. Ini berarti bahwa energi setiap saat sama dengan energi maksimum medan listrik, atau energi maksimum medan magnet.

Sirkuit osilasi nyata mengandung resistensi. Osilasi di dalamnya disebut kabur.

Hukum Ohm berbentuk:

Asalkan redamannya kecil (kuadrat frekuensi osilasi alami jauh lebih besar daripada kuadrat koefisien redaman), pengurangan redaman logaritmik:

Dengan redaman yang kuat (kuadrat frekuensi osilasi alami kurang dari kuadrat koefisien osilasi):




Persamaan ini menjelaskan proses pemakaian kapasitor melintasi resistor. Dengan tidak adanya induktansi, osilasi tidak akan terjadi. Menurut hukum ini, tegangan melintasi pelat kapasitor juga berubah.

energi total dalam rangkaian nyata, itu berkurang, karena panas dilepaskan pada resistansi R ketika arus lewat.

proses transisi- proses yang terjadi di sirkuit listrik selama transisi dari satu mode operasi ke mode lainnya. Perkiraan waktu ( ), di mana parameter yang mencirikan proses transien akan berubah dalam waktu e.


Untuk rangkaian dengan kapasitor dan resistor:
.

Teori Maxwell tentang medan elektromagnetik:

1 posisi:

Setiap medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet pusaran. Medan listrik bolak-balik disebut oleh Maxwell arus perpindahan, karena, seperti arus biasa, menginduksi medan magnet.

Untuk mendeteksi arus perpindahan, aliran arus melalui sistem, yang mencakup kapasitor dengan dielektrik, dipertimbangkan.

Kepadatan arus bias:
. Kepadatan arus diarahkan ke arah perubahan intensitas.

Persamaan pertama Maxwell:
- medan magnet pusaran dihasilkan baik oleh arus konduksi (memindahkan muatan listrik) dan arus perpindahan (medan listrik bolak-balik E).

2 posisi:

Setiap medan magnet bolak-balik menghasilkan medan listrik pusaran - hukum dasar induksi elektromagnetik.

persamaan kedua Maxwell:
- menghubungkan laju perubahan fluks magnet melalui permukaan apa pun dan sirkulasi vektor kekuatan medan listrik yang muncul dalam kasus ini.

Setiap konduktor dengan arus menciptakan medan magnet di ruang angkasa. Jika arus konstan (tidak berubah dari waktu ke waktu), maka medan magnet yang terkait juga konstan. Arus yang berubah menciptakan medan magnet yang berubah. Ada medan listrik di dalam konduktor pembawa arus. Oleh karena itu, medan listrik yang berubah menciptakan medan magnet yang berubah.

Medan magnet adalah pusaran, karena garis induksi magnet selalu tertutup. Besarnya kuat medan magnet H sebanding dengan laju perubahan kuat medan listrik . Arah vektor medan magnet berhubungan dengan perubahan kekuatan medan listrik dengan aturan sekrup kanan: kepalkan tangan kanan, arahkan ibu jari ke arah perubahan kekuatan medan listrik, kemudian 4 jari yang ditekuk akan menunjukkan arah garis kekuatan medan magnet.

Setiap medan magnet yang berubah menciptakan medan listrik pusaran, yang garis kekuatannya tertutup dan terletak pada bidang yang tegak lurus dengan kekuatan medan magnet.

Besarnya intensitas E medan listrik pusaran bergantung pada laju perubahan medan magnet . Arah vektor E terkait dengan arah perubahan medan magnet H dengan aturan sekrup kiri: kepalkan tangan kiri, arahkan ibu jari ke arah perubahan medan magnet, tekuk empat jari akan menunjukkan arah garis medan listrik pusaran.

Himpunan medan listrik dan magnet pusaran yang dihubungkan satu sama lain mewakili medan elektromagnetik. Medan elektromagnetik tidak tetap di tempat asalnya, tetapi merambat di ruang angkasa dalam bentuk gelombang elektromagnetik transversal.

gelombang elektromagnetik- ini adalah distribusi dalam ruang pusaran medan listrik dan magnet yang terhubung satu sama lain.

Syarat terjadinya gelombang elektromagnetik- pergerakan muatan dengan percepatan.

persamaan gelombang elektromagnetik:

- frekuensi siklik osilasi elektromagnetik

t adalah waktu dari awal osilasi

l adalah jarak dari sumber gelombang ke titik tertentu dalam ruang

- kecepatan rambat gelombang

Waktu yang dibutuhkan gelombang untuk berjalan dari sumber ke titik tertentu.

Vektor E dan H dalam gelombang elektromagnetik tegak lurus satu sama lain dan dengan kecepatan rambat gelombang.

Sumber gelombang elektromagnetik- konduktor yang melaluinya arus bolak-balik cepat (emitor makro), serta atom dan molekul tereksitasi (emitor mikro) mengalir. Semakin tinggi frekuensi osilasi, semakin baik gelombang elektromagnetik yang dipancarkan di ruang angkasa.

Sifat gelombang elektromagnetik:

    Semua gelombang elektromagnetik melintang

    Dalam medium homogen, gelombang elektromagnetik merambat dengan kecepatan tetap, yang bergantung pada properti lingkungan:

- permitivitas relatif media

adalah konstanta dielektrik vakum,
F/m, Cl 2 /nm 2

- permeabilitas magnetik relatif dari medium

- konstanta magnetik vakum,
PADA 2 ; H/m

    Gelombang elektromagnetik dipantulkan dari penghalang, diserap, dihamburkan, dibiaskan, terpolarisasi, difraksi, diinterferensi.

    Kepadatan energi volumetrik medan elektromagnetik terdiri dari kepadatan energi volumetrik medan listrik dan magnet:

    Kerapatan fluks energi gelombang - intensitas gelombang:

-Vektor Umov-Poynting.

Semua gelombang elektromagnetik disusun dalam rangkaian frekuensi atau panjang gelombang (
). Baris ini skala gelombang elektromagnetik.

    Getaran frekuensi rendah. 0 - 10 4 Hz. Diperoleh dari generator. Mereka tidak memancarkan dengan baik.

    gelombang radio. 10 4 - 10 13 Hz. Dipancarkan oleh konduktor padat, yang dilalui arus bolak-balik cepat.

    Radiasi infra merah- gelombang yang dipancarkan oleh semua benda pada suhu di atas 0 K, karena proses intra-atomik dan intra-molekul.

    cahaya tampak- gelombang yang bekerja pada mata, menimbulkan sensasi visual. 380-760 nm

    Radiasi ultraviolet. 10 - 380 nm. Cahaya tampak dan UV muncul ketika gerakan elektron di kulit terluar atom berubah.

    radiasi sinar-x. 80 - 10 -5 nm. Terjadi ketika gerakan elektron di kulit bagian dalam atom berubah.

    radiasi gamma. Terjadi selama peluruhan inti atom.

Medan gaya disebut jenis materi khusus, berbeda dari substansi, yang melaluinya aksi magnet ditransmisikan ke benda lain.

Medan magnet terjadi di ruang sekitar muatan listrik bergerak dan magnet permanen. Ini hanya mempengaruhi biaya bergerak. Di bawah pengaruh gaya elektromagnetik, partikel bermuatan bergerak dibelokkan

Dari jalur aslinya dengan arah tegak lurus bidang.

Medan magnet dan listrik tidak dapat dipisahkan dan bersama-sama membentuk medan elektromagnetik tunggal. Setiap perubahan Medan listrik mengarah pada munculnya medan magnet, dan sebaliknya, setiap perubahan medan magnet disertai dengan munculnya medan listrik. Medan elektromagnetik merambat dengan kecepatan cahaya, yaitu 300.000 km/detik.

Aksi magnet permanen dan elektromagnet pada benda feromagnetik, keberadaan dan kesatuan kutub magnet yang tidak terpisahkan dan interaksinya sudah diketahui dengan baik (kutub berlawanan menarik, seperti kutub menolak). Demikian pula

dengan kutub magnet bumi, disebut kutub magnet Utara dan selatan.

Medan magnet secara visual digambarkan oleh garis gaya magnet, yang mengatur arah medan magnet di ruang angkasa (Gbr..1). Garis-garis ini tidak memiliki awal maupun akhir, mis. tutup.

Garis-garis gaya medan magnet konduktor lurus adalah lingkaran konsentris yang melingkupi kawat. Semakin kuat arus, semakin kuat medan magnet di sekitar kawat. Saat Anda menjauh dari kabel pembawa arus, medan magnet melemah.

Di ruang yang mengelilingi magnet atau elektromagnet, arahnya dari kutub utara ke selatan. Semakin kuat medan magnet, semakin tinggi kerapatan garis medan.

Arah garis medan magnet ditentukan aturan gimlet:.

Beras. 1. Medan magnet magnet:

a - langsung; b - tapal kuda

Beras. 2. Medan magnet:

a - kawat lurus; b - kumparan induktif

Jika Anda mengencangkan sekrup ke arah arus, maka garis gaya magnet magnet akan diarahkan di sepanjang sekrup (Gbr. 2 a)

Untuk mendapatkan medan magnet yang lebih kuat, digunakan kumparan induktif dengan belitan kawat. Dalam hal ini, medan magnet dari masing-masing belokan kumparan induktif bertambah dan garis gayanya bergabung menjadi fluks magnet umum.

Garis medan magnet keluar dari kumparan induktif

di ujung di mana arus diarahkan berlawanan arah jarum jam, mis. ujung ini adalah kutub magnet utara (Gbr. 2, b).

Ketika arah arus dalam kumparan induktif berubah, arah medan magnet juga akan berubah.

ARTIKEL TERKAIT