Действие магнитного поля на организм»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА

Цель работы: ознакомление с методикой измерения магнитной индукции магнитного поля и исследование поля постоянного магнита.

Задачи работы: 1)изучение магнитного поля соленоида с помощью магнитометра; 2) градуировка магнитометра; 3) экспериментальное исследование поля постоянного магнита.

Обеспечивающие средства: магнитометр (блок питания, зонд, микроамперметр), соленоид, амперметр, постоянный магнит.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Индукция магнитного поля. Магнитный поток. Магнитное поле соленоида.

Взаимодействие токов осуществляется через поле, называемое магнитным. Это название происходит от того, что, как обнаружил в 1820 году Эрстед, поле, возбуждаемое током, оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. В опыте Эрстеда проволока, по которой тек ток, была натянута над магнитной стрелкой, вращающейся на игле. При включении тока стрелка устанавливалась перпендикулярно к проволоке. Изменение направления тока заставляло стрелку повернуться в противоположную сторону.

Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину называют вектором магнитной индукции В.

Магнитное поле в отличии от электрического не оказывает действия на покоящийся заряд. Сила со стороны магнитного поля возникает лишь тогда, когда заряд движется. Проводник с током представляет собой электрически нейтральную систему зарядов, в которой заряды одного знака движутся в одну сторону, а заряды другого знака – в противоположную (либо покоятся). Отсюда следует, что магнитное поле порождается движущимися зарядами.

Таким образом, движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства – создают в нем магнитное поле. Это поле проявляется в том, что на движущиеся в нем заряды (токи) действуют силы.

Рассмотрим некоторый объект – «пробное тело», реагирующее на магнитное поле. В качестве такого тела достаточно взять малую рамку с током, чтобы можно было считать, что рамка помещается в некоторую точку поля. Опыт показывает, что на пробную рамку с током в магнитном поле действует момент силы M, зависящий от ряда факторов, в том числе и от ориентации рамки. Максимальное значение M_max зависит от магнитного поля, в котором находится контур, и от самого контура: силы тока I, протекающего по нему, и площади S, охватываемой контуром, т. е.

M_max ~ IS.                                          (1)

Величину

p_m = IS                                      (2)

называют магнитным моментом контура с током. Таким образом,

M_max ~ p_m.                                                (3)

    Магнитный момент – векторная величина. Для плоского контура с током вектор p _m направлен перпендикулярно плоскости контура S (вдоль направления нормали n) и связан с направлением тока I правилом правого винта (винт указывает направление p _m, если вращение производится в направлении распространения тока в рамке).

 

                                                         

 

       Магнитный момент является характеристикой не только контура с током, но и многих элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и т. д.), определяя поведение их в магнитном поле.

       Единицей магнитного момента служит ампер - квадратный метр (A·м²). Магнитный момент элементарных частиц, ядер, атомов и молекул выражают в особых единицах, называемых или атомным (µ_Б), или ядерным (µ_Я) магнетоном Бора.

       Зависимость (3) используют для введения силовой характеристики магнитного поля – магнитной индукции B.

     Магнитная индукция в некоторой точке поля равна отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с током в одном магнитном поле, к магнитному моменту этой рамки:

B=M_max/p_m.                                                             (4)

     В общем случае момент сил, действующих на рамку с током равен:

М= p_m · В · sin α,                                                        (5)

где α - угол между векторами В и p _m (нормалью n к плоскости контура). Момент силы равен нулю, если нормаль (перпендикуляр) к рамке параллельна индукции магнитного поля (α = 0^о), и максимален, если нормаль перпендикулярна индукции магнитного поля (α = 90^о). Под действием вращающего момента сил М рамка с током будет поворачиваться так, чтобы векторы В и p _m стали параллельными и одинаково направленными. На рис.1 показано положение рамки с током в магнитном поле индукции B, соответствующее максимальному моменту силы (а) и нулевому (б). Последний случай соответствует устойчивому равновесию контура (векторы B и p _m коллинеарны).

 

 

 

    Единицей магнитной индукции является тесла(Тл): 1 Тл= (1 Н·м)/(1 А·м)= 1 Н/ (А·м).

     Таким образом, в поле с магнитной индукцией 1 Тл на контур, магнитный момент которого 1 А·м², действует максимальный момент силы 1 Н·м.

    Магнитное поле графически изображается с помощью линий магнитной индукции, касательные к которым показывают направление вектора B. Линии магнитной индукции не имеют начала или конца и являются замкнутыми. Подобные поля называют вихревыми.

    Обычно проводят не все линии магнитной индукции, а совершенно определенное их число. При этом условии густота линий на рисунке наглядно показывает, где поле сильнее, а где слабее. Будем считать, что число линий, проходящих через единичную, перпендикулярно им расположенную площадь, численно равно значению модуля вектора B. Рассмотрим некоторую площадку S, находящуюся в области некоторого магнитного поля индукции B (рис.2). Проведём линии магнитной индукции через эту площадку. Её проекция на плоскость, перпендикулярную линиям, равна S₀. Число линий, пронизывающих S и S₀, одинаково. Так как густота линий соответствует значению B, то общее число линий, пронизывающих площадки, равно

Ф = B·S₀                                                (6)

Из рис. 2 видно, что S₀ = S· cos α, откуда            

Ф = B·S · cos α  или    Ф = B_n·· S,                  (7)

где B_n = B · cos α - проекция вектора B на направление нормали n (перпендикуляру) к площадке; Ф – магнитный поток.

 

                                                                                     

 

В более общем случае неоднородного магнитного поля (рис.3) магнитный поток Фтакже равен числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность.

Единицей магнитного потока Ф является вебер (Вб):1 Вб = 1Тл·м².

Рассмотрим магнитное поле внутри соленоида (рис.4). Соленоид - длинная катушка, на которую намотан проводник, по которому протекает ток I. Чем длиннее (относительно диаметра) катушка, тем более однородным является магнитное поле внутри соленоида. Силовые линии внутри соленоида параллельны и расположены плотно, а вне соленоида расположены редко. Следовательно, индукция магнитного поля внутри соленоида значительно превосходит индукцию поля вне соленоида.

                                                          

 

 

 

                                                 Рис. 4

 

 Индукция магнитного поля внутри соленоида B_c зависит от силы тока I, протекающего по проводам соленоида, от плотности витков соленоида  (числа витков на единицу длины) и от магнитных свойств среды, в которую помещен соленоид.

B_c = m ^. m₀ ^. I ^. n = m ^. m₀ ^. I ^. ,                                                 (8)

где m - магнитная проницаемость вещества, величина безразмерная (m_{воздуха} ≈1); m₀ = 4p ·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная; N - число витков соленоида; - длина соленоида. Из формулы (8) видно, что магнитное поле соленоида не зависит от диаметра витков катушки (для большого отношения длины к диаметру).

      В веществе магнитное поле возбуждается не только электрическими токами, текущими по проводам.Ранее было указано, что элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны), из которых состоят атомы и молекулы, обладают магнитным моментом. Векторная сумма магнитных моментов этих частиц представляет собой магнитный момент атома или молекулы. В магнитном поле магнитные моменты атомов и молекул вещества полностью или частично ориентируются вдоль поля, то есть вещество намагничивается. Большинство тел при внесении в магнитное поле намагничиваются слабо (это диамагнетики и парамагнетики). Сильными магнитными свойствами обладают только ферромагнитные вещества (ферромагнетики): железо, никель, кобальт, множество их сплавов и т.д. Постоянные магниты, изготовляемые из стали и различных магнитных сплавов, намагничены и в отсутствии внешнего магнитного поля.