Comment se forme un champ magnétique autour des aimants permanents. Champ magnétique des aimants permanents

Détermination du champ magnétique. Ses sources

Définition

Un champ magnétique est l'une des formes de champ électromagnétique qui agit uniquement sur les corps en mouvement porteurs d'une charge électrique ou sur les corps magnétisés, quel que soit leur mouvement.

Les sources de ce champ sont des courants électriques constants, des charges électriques en mouvement (corps et particules), des corps magnétisés, des champs électriques alternatifs. Les sources de champ magnétique constant sont les courants continus.

Propriétés du champ magnétique

À une époque où l’étude des phénomènes magnétiques venait tout juste de commencer, les chercheurs portaient une attention particulière au fait que les barreaux aimantés contiennent des pôles. En eux, les propriétés magnétiques se sont manifestées particulièrement clairement. En même temps, il était clairement visible que les pôles de l'aimant étaient différents. Les pôles opposés sont attirés et les pôles semblables sont repoussés. Gilbert a proposé l'idée de l'existence de « charges magnétiques ». Ces idées ont été soutenues et développées par Coulomb. Sur la base des expériences de Coulomb, la force caractéristique d'un champ magnétique est devenue la force avec laquelle le champ magnétique agit sur une charge magnétique égale à l'unité. Coulomb a attiré l'attention sur les différences significatives entre les phénomènes d'électricité et de magnétisme. La différence est déjà évidente dans le fait que les charges électriques peuvent être séparées et obtenir des corps avec un excès de charges positives ou négatives, alors qu'il est impossible de séparer les pôles nord et sud d'un aimant et d'obtenir un corps avec un seul pôle. De l'impossibilité de diviser un aimant en exclusivement « nord » ou « sud », Coulomb a décidé que ces deux types de charges sont indissociables dans chaque particule élémentaire de la substance magnétisante. Ainsi, il a été reconnu que chaque particule de matière - un atome, une molécule ou un groupe d'entre eux - est quelque chose comme un micro-aimant à deux pôles. Dans ce cas, l'aimantation d'un corps est le processus d'orientation de ses aimants élémentaires sous l'influence d'un champ magnétique externe (analogue à la polarisation des diélectriques).

L'interaction des courants est réalisée grâce aux champs magnétiques. Oersted a découvert que le champ magnétique est excité par le courant et a un effet d'orientation sur l'aiguille magnétique. Oersted avait un conducteur porteur de courant situé au-dessus d'une aiguille magnétique, qui pouvait tourner. Lorsque le courant circulait dans le conducteur, la flèche devenait perpendiculaire au fil. Un changement de direction du courant provoquait une réorientation de l’aiguille. De l'expérience d'Oersted, il résulte que le champ magnétique a une direction et doit être caractérisé par une quantité vectorielle. Cette quantité a été appelée induction magnétique et notée : $\overrightarrow(B).$ $\overrightarrow(B)$ est similaire au vecteur de force du champ électrique ($\overrightarrow(E)$). L'analogue du vecteur de déplacement $\overrightarrow(D)\ $pour le champ magnétique est devenu le vecteur $\overrightarrow(H)$ - appelé vecteur d'intensité du champ magnétique.

Un champ magnétique n’affecte qu’une charge électrique en mouvement. Un champ magnétique est généré par le déplacement de charges électriques.

Champ magnétique d'une charge en mouvement. Champ magnétique d'une bobine avec courant. Principe de superposition

Le champ magnétique d’une charge électrique qui se déplace à vitesse constante a la forme :

\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1\droite),\]

où $(\mu )_0=4\pi \cdot (10)^(-7)\frac(H)(m)(in\SI)$ est la constante magnétique, $\overrightarrow(v)$ est la vitesse mouvement de la charge, $\overrightarrow(r)$ est le rayon vecteur qui détermine l'emplacement de la charge, q est l'ampleur de la charge, $\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right]$ est le produit vectoriel.

Induction magnétique d'un élément avec courant dans le système SI :

où $\ \overrightarrow(r)$ est le rayon vecteur tracé depuis l'élément courant jusqu'au point considéré, $\overrightarrow(dl)$ est l'élément du conducteur avec courant (la direction du courant est précisée), $ \vartheta$ est l'angle entre $ \overrightarrow(dl)$ et $\overrightarrow(r)$. La direction du vecteur $\overrightarrow(dB)$ est perpendiculaire au plan dans lequel se trouvent $\overrightarrow(dl)$ et $\overrightarrow(r)$. Déterminé par la bonne règle de vis.

Pour un champ magnétique, le principe de superposition est valable :

\[\overrightarrow(B)=\sum((\overrightarrow(B))_i\left(3\right),)\]

où $(\overrightarrow(B))_i$ sont des champs individuels générés par des charges en mouvement, $\overrightarrow(B)$ est l'induction totale du champ magnétique.

Exemple 1

Tâche : Trouver le rapport des forces d'interaction magnétique et coulombienne de deux électrons qui se déplacent avec les mêmes vitesses $v$ en parallèle. La distance entre les particules est constante.

\[\overrightarrow(F_m)=q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(B)\right]\left(1.1\right).\]

Le champ qui crée le deuxième électron en mouvement est égal à :

\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1.2\droite).\]

Soit la distance entre les électrons égale à $a=r\ (constante)$. On utilise la propriété algébrique du produit vectoriel (l'identité de Lagrange ($\left[\overrightarrow(a)\left[\overrightarrow(b)\overrightarrow(c)\right]\right]=\overrightarrow(b)\left( \overrightarrow(a )\overrightarrow(c)\right)-\overrightarrow(c)\left(\overrightarrow(a)\overrightarrow(b)\right)$))

\[(\overrightarrow(F))_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2)(a^3)\left[\overrightarrow(v)\left[\overrightarrow (v)\overrightarrow(a)\right]\right]=\left(\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)-\overrightarrow(a)\left(\overrightarrow (v)\overrightarrow(v)\right)\right)=-\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2\overrightarrow(a)v^2)(a^3) \ ,\]

$\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)=0$, puisque $\overrightarrow(v\bot )\overrightarrow(a)$.

Module de force $F_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2),\ $where $q=q_e=1.6\cdot 10^( -19 )Kl$.

Le module de la force coulombienne, qui agit sur un électron, dans le champ est égal à :

Trouvons le rapport des forces $\frac(F_m)(F_q)$ :

\[\frac(F_m)(F_q)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2):\frac(q^2)((4 \pi (\varepsilon )_0a)^2)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.\]

Réponse : $\frac(F_m)(F_q)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.$

Exemple 2

Tâche : Un courant continu de force I circule le long d'une bobine avec un courant en forme de cercle de rayon R. Trouver l'induction magnétique au centre du cercle.

Sélectionnons une section élémentaire sur le conducteur porteur de courant (Fig. 1) comme base pour résoudre le problème, nous utilisons la formule d'induction pour un élément de bobine porteur de courant :

où $\ \overrightarrow(r)$ est le rayon vecteur tracé depuis l'élément courant jusqu'au point considéré, $\overrightarrow(dl)$ est l'élément du conducteur avec courant (la direction du courant est précisée), $ \vartheta$ est l'angle entre $ \overrightarrow(dl)$ et $\overrightarrow(r)$. Basé sur la fig. 1 $\vartheta=90()^\circ $, donc (2.1) sera simplifié, en plus, la distance du centre du cercle (le point où l'on recherche le champ magnétique) de l'élément conducteur avec courant est constant et égal au rayon de virage (R), on a donc :

Tous les éléments actuels généreront des champs magnétiques dirigés le long de l’axe x. Cela signifie que le vecteur d'induction du champ magnétique résultant peut être trouvé comme la somme des projections des vecteurs individuels$\ \ \overrightarrow(dB).$ Ensuite, selon le principe de superposition, l'induction totale du champ magnétique peut être obtenue en passant à l'intégrale :

En remplaçant (2.2) dans (2.3), on obtient :

Réponse : $B$=$\frac((\mu )_0)(2)\frac(I)(R).$

Tout le monde est habitué depuis longtemps à un objet tel qu'un aimant. Nous ne voyons rien de spécial en lui. On l'associe généralement à des cours de physique ou à des démonstrations sous forme d'astuces sur les propriétés d'un aimant pour les enfants d'âge préscolaire. Et on pense rarement au nombre d’aimants qui nous entourent au quotidien. Il y en a des dizaines dans n'importe quel appartement. Un aimant est présent dans chaque haut-parleur, magnétophone, rasoir électrique et montre. Même un pot de clous est comme ça.

Quoi d'autre?

Nous, les gens, ne faisons pas exception. Grâce aux biocourants circulant dans le corps, il existe un motif invisible de ses lignes électriques autour de nous. La planète Terre est un énorme aimant. Et la boule de plasma du soleil est encore plus grandiose. Les dimensions des galaxies et des nébuleuses, incompréhensibles pour l'esprit humain, permettent rarement l'idée que toutes celles-ci sont aussi des aimants.

La science moderne nécessite la création de nouveaux aimants grands et super puissants, dont les domaines d'application sont liés à la fusion thermonucléaire, à la génération d'énergie électrique, à l'accélération de particules chargées dans les synchrotrons et à la récupération des navires coulés. Créer un champ extrêmement puissant est l’une des tâches de la physique moderne.

Clarifions les concepts

Un champ magnétique est une force agissant sur des corps chargés en mouvement. Il « ne fonctionne pas » avec des objets stationnaires (ou sans charge) et constitue l'une des formes du champ électromagnétique, qui existe comme un concept plus général.

Si des corps peuvent créer un champ magnétique autour d’eux et ressentir eux-mêmes la force de son influence, ils sont appelés aimants. C'est-à-dire que ces objets sont magnétisés (ont le moment correspondant).

Différents matériaux réagissent différemment aux champs externes. Ceux qui affaiblissent son action en eux-mêmes sont appelés paramagnétiques, et ceux qui la renforcent sont appelés diamagnétiques. Certains matériaux ont la propriété d’amplifier par mille leur champ magnétique externe. Il s'agit de ferromagnétiques (cobalt, nickel avec fer, gadolinium, ainsi que des composés et alliages des métaux mentionnés). Ceux d'entre eux qui, lorsqu'ils sont exposés à un champ externe puissant, acquièrent eux-mêmes des propriétés magnétiques sont appelés magnétiques durs. D'autres, capables de se comporter comme des aimants uniquement sous l'influence directe du champ et cessant de l'être lorsqu'il disparaît, sont magnétiques doux.

Un peu d'histoire

Les gens étudient les propriétés des aimants permanents depuis des temps très anciens. Ils sont mentionnés dans les travaux des scientifiques de la Grèce antique dès 600 ans avant JC. Des aimants naturels (d’origine naturelle) peuvent être trouvés dans les gisements de minerai magnétique. Le plus célèbre des grands aimants naturels est conservé à l'Université de Tartu. Il pèse 13 kilogrammes et la charge pouvant être soulevée avec son aide est de 40 kg.

L'humanité a appris à créer des aimants artificiels à l'aide de divers ferromagnétiques. La valeur des poudres (à base de cobalt, de fer, etc.) réside dans leur capacité à supporter une charge pesant 5 000 fois son propre poids. Les spécimens artificiels peuvent être permanents (obtenus à partir d'électro-aimants ayant un noyau dont le matériau est du fer magnétique doux. Le champ de tension qu'ils contiennent résulte du passage du courant électrique à travers les fils de l'enroulement qui entourent le noyau.

Le premier livre sérieux contenant des tentatives d'étude scientifique des propriétés d'un aimant est l'ouvrage du médecin londonien Gilbert, publié en 1600. Cet ouvrage contient l’ensemble des informations disponibles à l’époque concernant le magnétisme et l’électricité, ainsi que les expériences de l’auteur.

L'homme essaie d'adapter n'importe lequel des phénomènes existants à la vie pratique. Bien entendu, l’aimant ne faisait pas exception.

Comment les aimants sont-ils utilisés ?

Quelles propriétés des aimants l’humanité a-t-elle adoptées ? Son champ d'application est si large que nous avons l'occasion d'aborder brièvement les principaux appareils et domaines d'application de ce merveilleux article.

Une boussole est un appareil bien connu pour déterminer des directions au sol. Grâce à lui, des itinéraires sont tracés pour les avions et les navires, le transport terrestre et le trafic piétonnier. Ces instruments peuvent être magnétiques (type pointeur), utilisés par les touristes et les topographes, ou non magnétiques (radio et hydrocompas).

Les premières boussoles ont été fabriquées au XIe siècle et étaient utilisées pour la navigation. Leur action repose sur la rotation libre dans un plan horizontal d'une longue aiguille en matériau magnétique, équilibrée sur un axe. Une extrémité est toujours tournée vers le sud, l'autre vers le nord. De cette façon, vous pouvez toujours connaître avec précision les principales directions concernant les points cardinaux.

Zones principales

Les domaines dans lesquels les propriétés des aimants ont trouvé leur principale application sont l'ingénierie radio et électrique, la fabrication d'instruments, l'automatisation et la télémécanique. On en fabrique des relais, des circuits magnétiques, etc. En 1820, on découvre la propriété d'un conducteur chargé de courant d'influencer l'aiguille d'un aimant, le forçant à tourner. Dans le même temps, une autre découverte a été faite : une paire de conducteurs parallèles, à travers lesquels passe un courant de même direction, ont la propriété de s'attirer mutuellement.

Grâce à cela, une hypothèse a été faite sur la raison des propriétés de l'aimant. Tous ces phénomènes surviennent en relation avec les courants, y compris ceux circulant à l’intérieur des matériaux magnétiques. Les idées scientifiques modernes coïncident complètement avec cette hypothèse.

À propos des moteurs et des générateurs

Sur cette base, de nombreuses variétés de moteurs électriques et de générateurs électriques ont été créées, c'est-à-dire des machines de type rotatif dont le principe de fonctionnement repose sur la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique (on parle de générateurs) ou électrique. énergie en énergie mécanique (on parle de moteurs). Tout générateur fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique, c'est-à-dire que la CEM (force électromotrice) se produit dans un fil qui se déplace dans un champ magnétique. Un moteur électrique fonctionne sur la base du phénomène de force apparaissant dans un fil porteur de courant placé dans un champ transversal.

En utilisant la force d'interaction du champ avec le courant qui traverse les spires de leurs pièces mobiles, des dispositifs appelés magnétoélectriques fonctionnent. Un compteur électrique à induction agit comme un nouveau moteur électrique à courant alternatif puissant à deux enroulements. Un disque conducteur situé entre les enroulements est soumis à une rotation selon un couple dont la force est proportionnelle à la consommation électrique.

Et dans la vie de tous les jours ?

Les montres-bracelets électriques équipées d'une pile miniature sont familières à tout le monde. Grâce à l'utilisation d'une paire d'aimants, d'une paire d'inductances et d'un transistor, leur conception est bien plus simple en termes de nombre de pièces disponibles que celle d'une montre mécanique.

Les serrures de type électromagnétique ou les serrures à cylindre équipées d'éléments magnétiques sont de plus en plus utilisées. La clé et la serrure sont équipées d'un cadran combiné. Lorsque la bonne clé est insérée dans le trou de la serrure, les éléments internes de la serrure magnétique sont attirés vers la position souhaitée, permettant ainsi son ouverture.

L'action des aimants est à la base de la conception de dynamomètres et de galvanomètres (un appareil très sensible permettant de mesurer de faibles courants). Les propriétés des aimants ont trouvé des applications dans la production d'abrasifs. C'est le nom donné aux particules pointues, petites et très dures, nécessaires au traitement mécanique (meulage, polissage, grattage) d'une grande variété d'objets et de matériaux. Lors de leur fabrication, le ferrosilicium nécessaire au mélange se dépose en partie au fond des fours, et est partiellement introduit dans la composition de l'abrasif. Des aimants sont nécessaires pour le retirer de là.

Sciences et communications

Grâce aux propriétés magnétiques des substances, la science a la possibilité d'étudier la structure d'une grande variété de corps. On ne peut citer que la magnétochimie ou (une méthode de détection des défauts en étudiant la distorsion du champ magnétique dans certaines zones des produits).

Ils sont également utilisés dans la production d'équipements à ultra-haute fréquence, de systèmes de communication radio (à des fins militaires et commerciales), pour le traitement thermique, tant à la maison que dans l'industrie alimentaire (tout le monde connaît les fours à micro-ondes). Il est presque impossible, dans le cadre d'un seul article, d'énumérer tous ces dispositifs techniques et domaines d'application très complexes où les propriétés magnétiques des substances sont aujourd'hui utilisées.

Domaine médical

Le domaine du diagnostic et de la thérapie médicale ne fait pas exception. Grâce aux accélérateurs linéaires d'électrons générant des rayons X, la thérapie tumorale est réalisée dans des cyclotrons ou des synchrotrons, qui présentent des avantages par rapport aux rayons X en termes de directionnalité locale et une efficacité accrue dans le traitement des tumeurs oculaires et cérébrales.

Quant à la science biologique, même avant le milieu du siècle dernier, les fonctions vitales de l'organisme n'étaient en aucun cas liées à l'existence de champs magnétiques. La littérature scientifique s'est parfois enrichie de rapports isolés sur l'un ou l'autre de leurs effets médicaux. Mais depuis les années soixante, les publications sur les propriétés biologiques des aimants affluent en avalanche.

Avant et maintenant

Cependant, des tentatives pour traiter les gens avec ce médicament ont été faites par des alchimistes au 16ème siècle. Il y a eu de nombreuses tentatives réussies pour guérir les maux de dents, les troubles nerveux, l'insomnie et de nombreux problèmes d'organes internes. Il semble que l'aimant ait trouvé son utilisation en médecine au plus tard en navigation.

Au cours du dernier demi-siècle, les bracelets magnétiques ont été largement utilisés, très appréciés des patients souffrant d'hypertension artérielle. Les scientifiques croyaient sérieusement à la capacité d’un aimant à augmenter la résistance du corps humain. À l’aide d’appareils électromagnétiques, ils ont appris à mesurer la vitesse du flux sanguin, à prélever des échantillons ou à administrer les médicaments nécessaires à partir de gélules.

Un aimant est utilisé pour éliminer les petites particules métalliques qui pénètrent dans les yeux. Le travail des capteurs électriques repose sur son action (chacun d'entre nous connaît la procédure de réalisation d'un électrocardiogramme). De nos jours, la collaboration entre physiciens et biologistes pour étudier les mécanismes profonds de l’influence du champ magnétique sur le corps humain devient de plus en plus étroite et nécessaire.

Aimant néodyme : propriétés et applications

Les aimants en néodyme sont considérés comme ayant le plus grand impact sur la santé humaine. Ils sont constitués de néodyme, de fer et de bore. Leur formule chimique est NdFeB. Le principal avantage d’un tel aimant est le fort impact de son champ sur une taille relativement petite. Ainsi, le poids d'un aimant d'une force de 200 gauss est d'environ 1 g. À titre de comparaison, un aimant en fer de force égale a un poids environ 10 fois supérieur.

Un autre avantage incontestable des aimants mentionnés est leur bonne stabilité et leur capacité à conserver les qualités nécessaires pendant des centaines d'années. Au cours d'un siècle, un aimant ne perd ses propriétés que de 1 %.

Comment sont-ils traités exactement avec un aimant en néodyme ?

Avec son aide, ils améliorent la circulation sanguine, stabilisent la tension artérielle et combattent les migraines.

Les propriétés des aimants en néodyme ont commencé à être utilisées à des fins thérapeutiques il y a environ 2 000 ans. Des mentions de ce type de thérapie se trouvent dans des manuscrits de la Chine ancienne. Ils étaient ensuite traités en appliquant des pierres magnétisées sur le corps humain.

La thérapie existait également sous la forme de leur fixation au corps. La légende prétend que Cléopâtre devait son excellente santé et sa beauté surnaturelle au port constant d'un bandage magnétique sur la tête. Au Xe siècle, des scientifiques persans ont décrit en détail les effets bénéfiques des propriétés des aimants en néodyme sur le corps humain en cas d'élimination de l'inflammation et des spasmes musculaires. Sur la base des preuves survivantes de cette époque, on peut juger de leur utilisation pour augmenter la force musculaire, la solidité des os et réduire les douleurs articulaires.

De tous les maux...

La preuve de l'efficacité de cet effet a été publiée en 1530 par le célèbre médecin suisse Paracelse. Dans ses écrits, le médecin décrit les propriétés magiques d’un aimant capable de stimuler les pouvoirs du corps et de provoquer l’auto-guérison. À cette époque, un grand nombre de maladies commençaient à être vaincues à l'aide d'un aimant.

L'automédication avec ce remède s'est généralisée aux États-Unis dans les années d'après-guerre (1861-1865), alors qu'il y avait une pénurie catégorique de médicaments. Il était utilisé à la fois comme médicament et comme analgésique.

Depuis le 20e siècle, les propriétés curatives des aimants ont reçu des preuves scientifiques. En 1976, le médecin japonais Nikagawa introduit le concept de syndrome de déficience du champ magnétique. La recherche a établi ses symptômes exacts. Ils consistent en une faiblesse, une fatigue, une diminution des performances et des troubles du sommeil. Il existe également des migraines, des douleurs articulaires et vertébrales, des problèmes du système digestif et cardiovasculaire sous forme d'hypotension ou d'hypertension. Le syndrome concerne à la fois le domaine de la gynécologie et les modifications cutanées. L'utilisation de la thérapie magnétique peut normaliser avec succès ces conditions.

La science ne reste pas immobile

Les scientifiques continuent d'expérimenter les champs magnétiques. Des expériences sont menées aussi bien sur des animaux et des oiseaux que sur des bactéries. Les conditions d'un champ magnétique affaibli réduisent le succès des processus métaboliques chez les oiseaux et les souris expérimentaux ; les bactéries cessent brusquement de se reproduire. En cas de déficience prolongée du champ, les tissus vivants subissent des changements irréversibles.

C’est pour lutter contre tous ces phénomènes et les nombreuses conséquences négatives qu’ils entraînent que la magnétothérapie en tant que telle est utilisée. Il semble qu’à l’heure actuelle, toutes les propriétés utiles des aimants n’aient pas encore été suffisamment étudiées. Les médecins ont devant eux de nombreuses découvertes intéressantes et de nouveaux développements.

Sujet : Champ magnétique

Préparé par : Baygarashev D.M.

Vérifié par : Gabdullina A.T.

Un champ magnétique

Si deux conducteurs parallèles sont connectés à une source de courant de manière à ce qu'un courant électrique les traverse, alors, selon la direction du courant qui les traverse, les conducteurs se repoussent ou s'attirent.

Une explication de ce phénomène est possible à partir de la position de l'émergence d'un type particulier de matière autour des conducteurs - un champ magnétique.

Les forces avec lesquelles interagissent les conducteurs porteurs de courant sont appelées magnétique.

Un champ magnétique- il s'agit d'un type particulier de matière dont la spécificité est l'effet sur une charge électrique en mouvement, des conducteurs porteurs de courant, des corps à moment magnétique, avec une force dépendant du vecteur vitesse de charge, du sens du courant dans le conducteur et la direction du moment magnétique du corps.

L’histoire du magnétisme remonte aux temps anciens, aux anciennes civilisations d’Asie Mineure. C'est sur le territoire de l'Asie Mineure, en Magnésie, que furent trouvées des roches dont les échantillons étaient attirés les uns vers les autres. En fonction du nom de la zone, ces échantillons ont commencé à être appelés « aimants ». Tout aimant en forme de barre ou de fer à cheval a deux extrémités appelées pôles ; C'est à cet endroit que ses propriétés magnétiques sont les plus prononcées. Si vous accrochez un aimant à une ficelle, un pôle pointera toujours vers le nord. La boussole est basée sur ce principe. Le pôle nord d’un aimant suspendu est appelé pôle nord (N) de l’aimant. Le pôle opposé est appelé pôle sud (S).

Les pôles magnétiques interagissent les uns avec les autres : des pôles semblables se repoussent et des pôles différents s'attirent. Semblable au concept de champ électrique entourant une charge électrique, le concept de champ magnétique autour d’un aimant est introduit.

En 1820, Oersted (1777-1851) a découvert qu'une aiguille magnétique située à côté d'un conducteur électrique est déviée lorsque le courant traverse le conducteur, c'est-à-dire qu'un champ magnétique est créé autour du conducteur porteur de courant. Si nous prenons un cadre avec du courant, alors le champ magnétique externe interagit avec le champ magnétique du cadre et a un effet d'orientation sur celui-ci, c'est-à-dire qu'il existe une position du cadre à laquelle le champ magnétique externe a un effet de rotation maximal sur lui. , et il existe une position où la force de couple est nulle.

Le champ magnétique en tout point peut être caractérisé par le vecteur B, appelé vecteur d'induction magnétique ou induction magnétiqueà ce point.

L'induction magnétique B est une grandeur physique vectorielle, qui est une force caractéristique du champ magnétique en un point. Il est égal au rapport du moment mécanique maximum des forces agissant sur un cadre avec un courant placé dans un champ uniforme au produit de l'intensité du courant dans le cadre et sa surface :

La direction du vecteur induction magnétique B est considérée comme la direction de la normale positive au cadre, qui est liée au courant dans le cadre par la règle de la vis droite, avec un couple mécanique égal à zéro.

De la même manière que les lignes d’intensité du champ électrique ont été représentées, les lignes d’induction du champ magnétique sont représentées. La ligne de champ magnétique est une ligne imaginaire dont la tangente coïncide avec la direction B en un point.

Les directions du champ magnétique en un point donné peuvent également être définies comme la direction qui indique

le pôle nord de l'aiguille de la boussole placée à cet endroit. On pense que les lignes de champ magnétique sont dirigées du pôle nord vers le sud.

La direction des lignes d'induction magnétique du champ magnétique créé par un courant électrique qui traverse un conducteur droit est déterminée par la règle de la vrille ou de la vis à droite. La direction des lignes d'induction magnétique est considérée comme le sens de rotation de la tête de vis, ce qui assurerait son mouvement de translation dans le sens du courant électrique (Fig. 59).

où n01 = 4 Pi 10 -7 Vs/(A·m). - constante magnétique, R - distance, I - intensité du courant dans le conducteur.

Contrairement aux lignes de champ électrostatique, qui commencent par une charge positive et se terminent par une charge négative, les lignes de champ magnétique sont toujours fermées. Aucune charge magnétique similaire à une charge électrique n’a été détectée.

Un tesla (1 T) est considéré comme unité d'induction - l'induction d'un champ magnétique aussi uniforme dans lequel un couple mécanique maximum de 1 N m agit sur un cadre d'une superficie de 1 m2, à travers lequel un courant de 1 A coule.

L'induction du champ magnétique peut également être déterminée par la force agissant sur un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique.

Un conducteur porteur de courant placé dans un champ magnétique est soumis à l'action d'une force ampère dont l'amplitude est déterminée par l'expression suivante :

où I est l'intensité du courant dans le conducteur, je- la longueur du conducteur, B est l'amplitude du vecteur d'induction magnétique et est l'angle entre le vecteur et la direction du courant.

La direction de la force Ampère peut être déterminée par la règle de la main gauche : on place la paume de la main gauche de manière à ce que les lignes d'induction magnétique entrent dans la paume, on place quatre doigts dans le sens du courant dans le conducteur, puis le pouce plié montre la direction de la force Ampère.

En tenant compte du fait que I = q 0 nSv, et en substituant cette expression dans (3.21), nous obtenons F = q 0 nSh/B sin un. Le nombre de particules (N) dans un volume donné d'un conducteur est N = nSl, alors F = q 0 NvB sin un.

Déterminons la force exercée par le champ magnétique sur une particule chargée individuelle se déplaçant dans un champ magnétique :

Cette force est appelée force de Lorentz (1853-1928). La direction de la force de Lorentz peut être déterminée par la règle de la main gauche : on place la paume de la main gauche de manière à ce que les lignes d'induction magnétique pénètrent dans la paume, quatre doigts montrent la direction de déplacement de la charge positive, le grand le doigt plié montre la direction de la force de Lorentz.

La force d'interaction entre deux conducteurs parallèles transportant des courants I 1 et I 2 est égale à :

Où je- partie d'un conducteur située dans un champ magnétique. Si les courants sont dans le même sens, alors les conducteurs s'attirent (Fig. 60), s'ils sont dans le sens opposé, ils se repoussent. Les forces agissant sur chaque conducteur sont de même ampleur et de direction opposée. La formule (3.22) constitue la base pour déterminer l'unité de courant 1 ampère (1 A).

Les propriétés magnétiques d'une substance sont caractérisées par une grandeur physique scalaire - la perméabilité magnétique, qui montre combien de fois l'induction B du champ magnétique dans une substance qui remplit complètement le champ diffère en ampleur de l'induction B 0 du champ magnétique dans un aspirateur:

Selon leurs propriétés magnétiques, toutes les substances sont divisées en diamagnétique, paramagnétique Et ferromagnétique.

Considérons la nature des propriétés magnétiques des substances.

Les électrons dans la coquille des atomes d’une substance se déplacent sur différentes orbites. Pour simplifier, on considère que ces orbites sont circulaires, et chaque électron en orbite autour d’un noyau atomique peut être considéré comme un courant électrique circulaire. Chaque électron, comme un courant circulaire, crée un champ magnétique, que nous appelons orbital. De plus, un électron dans un atome possède son propre champ magnétique, appelé champ de spin.

Si, lorsqu'il est introduit dans un champ magnétique externe avec induction B 0, une induction B est créée à l'intérieur de la substance< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).

DANS diamagnétique Dans les matériaux, en l'absence de champ magnétique externe, les champs magnétiques des électrons sont compensés et lorsqu'ils sont introduits dans un champ magnétique, l'induction du champ magnétique de l'atome devient dirigée contre le champ externe. Le matériau diamagnétique est poussé hors du champ magnétique externe.

U paramagnétique matériaux, l'induction magnétique des électrons dans les atomes n'est pas complètement compensée et l'atome dans son ensemble s'avère être comme un petit aimant permanent. Habituellement, dans une substance, tous ces petits aimants sont orientés de manière aléatoire et l'induction magnétique totale de tous leurs champs est nulle. Si vous placez un para-aimant dans un champ magnétique externe, alors tous les petits aimants - les atomes tourneront dans le champ magnétique externe comme les aiguilles d'une boussole et le champ magnétique dans la substance augmentera ( n >= 1).

Ferromagnétique sont les matériaux dans lesquels n" 1. Dans les matériaux ferromagnétiques, ce qu'on appelle des domaines sont créés, des régions macroscopiques d'aimantation spontanée.

Dans différents domaines, les inductions de champ magnétique ont des directions différentes (Fig. 61) et dans un grand cristal

se compensent mutuellement. Lorsqu'un échantillon ferromagnétique est introduit dans un champ magnétique externe, les limites des domaines individuels se déplacent de sorte que le volume des domaines orientés le long du champ externe augmente.

Avec une augmentation de l'induction du champ externe B 0, l'induction magnétique de la substance magnétisée augmente. A certaines valeurs de B 0, l'induction cesse d'augmenter fortement. Ce phénomène est appelé saturation magnétique.

Un trait caractéristique des matériaux ferromagnétiques est le phénomène d'hystérésis, qui consiste en la dépendance ambiguë de l'induction dans le matériau à l'induction du champ magnétique externe lorsqu'il change.

La boucle d'hystérésis magnétique est une courbe fermée (cdc`d`c), exprimant la dépendance de l'induction dans le matériau à l'amplitude de l'induction du champ extérieur avec une évolution périodique assez lente de ce dernier (Fig. 62).

La boucle d'hystérésis est caractérisée par les valeurs suivantes : B s, Br, B c. B s - valeur maximale de l'induction matérielle à B 0s ; In r est l'induction résiduelle, égale à la valeur d'induction dans le matériau lorsque l'induction du champ magnétique externe diminue de B 0s à zéro ; -B c et B c - force coercitive - une valeur égale à l'induction du champ magnétique externe nécessaire pour faire passer l'induction dans le matériau de résiduelle à zéro.

Pour chaque ferromagnétique il existe une température (point de Curie (J. Curie, 1859-1906), au-dessus de laquelle le ferromagnétique perd ses propriétés ferromagnétiques.

Il existe deux manières d'amener un ferromagnétique magnétisé dans un état démagnétisé : a) chauffer au-dessus du point de Curie et refroidir ; b) magnétiser le matériau avec un champ magnétique alternatif d'amplitude lentement décroissante.

Les ferromagnétiques à faible induction résiduelle et force coercitive sont appelés magnétiques doux. Ils trouvent une application dans les appareils où les ferromagnétiques doivent souvent être remagnétisés (noyaux de transformateurs, générateurs, etc.).

Des ferromagnétiques magnétiquement durs, dotés d’une force coercitive élevée, sont utilisés pour fabriquer des aimants permanents.

Qu'est-ce qu'un aimant permanent ? Un aimant permanent est un corps capable de maintenir une magnétisation pendant une longue période. Grâce à des recherches répétées et à de nombreuses expériences, nous pouvons affirmer que seules trois substances sur Terre peuvent être des aimants permanents (Fig. 1).

Riz. 1. Aimants permanents. ()

Seules ces trois substances et leurs alliages peuvent être des aimants permanents, eux seuls peuvent être magnétisés et maintenir cet état pendant longtemps.

Les aimants permanents sont utilisés depuis très longtemps, et ce sont avant tout des dispositifs d'orientation dans l'espace - la première boussole a été inventée en Chine pour naviguer dans le désert. Aujourd'hui, personne ne conteste les aiguilles magnétiques ou les aimants permanents ; ils sont utilisés partout dans les téléphones et les émetteurs radio et simplement dans divers produits électriques. Ils peuvent être différents : il existe des bandes magnétiques (Fig. 2)

Riz. 2. Bande magnétique ()

Et il existe des aimants appelés en forme d'arc ou en forme de fer à cheval (Fig. 3)

Riz. 3. Arc magnétique ()

L'étude des aimants permanents est exclusivement liée à leur interaction. Un champ magnétique peut être créé par un courant électrique et un aimant permanent, c'est pourquoi la première chose qui a été faite a été une recherche avec des aiguilles magnétiques. Si nous rapprochons un aimant de la flèche, nous verrons une interaction : les pôles semblables se repousseront et les pôles différents s'attireront. Cette interaction est observée avec tous les aimants.

Plaçons de petites flèches magnétiques le long de la bande magnétique (Fig. 4), le pôle sud interagira avec le nord et le nord attirera le sud. Les aiguilles magnétiques seront situées le long de la ligne du champ magnétique. Il est généralement admis que les lignes magnétiques sont dirigées à l’extérieur d’un aimant permanent du pôle nord vers le sud et à l’intérieur de l’aimant du pôle sud vers le nord. Ainsi, les lignes magnétiques sont fermées exactement de la même manière que celles d'un courant électrique, ce sont des cercles concentriques, elles sont fermées à l'intérieur de l'aimant lui-même. Il s'avère qu'à l'extérieur de l'aimant, le champ magnétique est dirigé du nord au sud et à l'intérieur de l'aimant du sud au nord.

Riz. 4. Lignes de champ magnétique d'une bande magnétique ()

Afin d'observer la forme du champ magnétique d'une bande magnétique, la forme du champ magnétique d'un aimant en forme d'arc, nous utiliserons les dispositifs ou pièces suivants. Prenons une plaque transparente, de la limaille de fer et menons une expérience. Saupoudrons de la limaille de fer sur la plaque située sur la bande magnétique (Fig. 5) :

Riz. 5. Forme du champ magnétique d'une bande magnétique ()

On voit que les lignes du champ magnétique quittent le pôle nord et entrent dans le pôle sud ; par la densité des lignes on peut juger des pôles de l'aimant là où les lignes sont plus épaisses, les pôles de l'aimant s'y trouvent (Fig. 6).

Riz. 6. Forme du champ magnétique d'un aimant en forme d'arc ()

Nous réaliserons une expérience similaire avec un aimant en forme d’arc. Nous voyons que les lignes magnétiques commencent au nord et se terminent au pôle sud dans tout l’aimant.

Nous savons déjà qu'un champ magnétique se forme uniquement autour des aimants et des courants électriques. Comment pouvons-nous déterminer le champ magnétique terrestre ? Toute aiguille, toute boussole dans le champ magnétique terrestre est strictement orientée. Puisque l’aiguille magnétique est strictement orientée dans l’espace, elle est donc affectée par un champ magnétique, et il s’agit du champ magnétique terrestre. Nous pouvons conclure que notre Terre est un grand aimant (Fig. 7) et, par conséquent, cet aimant crée un champ magnétique assez puissant dans l'espace. Lorsque nous regardons l’aiguille d’un compas magnétique, nous savons que la flèche rouge pointe vers le sud et la flèche bleue pointe vers le nord. Comment se situent les pôles magnétiques terrestres ? Dans ce cas, il faut rappeler que le pôle magnétique sud est situé au pôle géographique nord de la Terre et le pôle magnétique nord de la Terre est situé au pôle géographique sud. Si nous considérons la Terre comme un corps situé dans l'espace, alors nous pouvons dire que lorsque nous allons vers le nord le long de la boussole, nous arriverons au pôle magnétique sud, et lorsque nous allons vers le sud, nous arriverons au pôle magnétique nord. A l'équateur, l'aiguille de la boussole sera située presque horizontalement par rapport à la surface de la Terre, et plus on sera proche des pôles, plus l'aiguille sera verticale. Le champ magnétique terrestre pouvait changer ; il y avait des moments où les pôles changeaient les uns par rapport aux autres, c'est-à-dire que le sud était là où se trouvait le nord, et vice versa. Selon les scientifiques, c'était le signe avant-coureur de grandes catastrophes sur Terre. Cela n’a pas été observé au cours des dernières dizaines de millénaires.

Riz. 7. Le champ magnétique terrestre ()

Les pôles magnétiques et géographiques ne coïncident pas. Il existe également un champ magnétique à l’intérieur de la Terre elle-même et, comme dans un aimant permanent, il est dirigé du pôle magnétique sud vers le nord.

D'où vient le champ magnétique des aimants permanents ? La réponse à cette question a été donnée par le scientifique français André-Marie Ampère. Il a exprimé l'idée que le champ magnétique des aimants permanents s'explique par les courants élémentaires et les plus simples circulant à l'intérieur des aimants permanents. Ces courants élémentaires les plus simples se renforcent d'une certaine manière et créent un champ magnétique. Une particule chargée négativement - un électron - se déplace autour du noyau d'un atome ; ce mouvement peut être considéré comme dirigé et, par conséquent, un champ magnétique est créé autour d'une telle charge en mouvement. À l'intérieur de tout corps, le nombre d'atomes et d'électrons est tout simplement énorme ; par conséquent, tous ces courants élémentaires prennent une direction ordonnée, et nous obtenons un champ magnétique assez important. Nous pouvons dire la même chose de la Terre, c'est-à-dire que le champ magnétique terrestre est très similaire au champ magnétique d'un aimant permanent. Un aimant permanent est une caractéristique assez brillante de toute manifestation d'un champ magnétique.

Outre l’existence d’orages magnétiques, il existe également des anomalies magnétiques. Ils sont associés au champ magnétique solaire. Lorsque des explosions ou des éjections suffisamment puissantes se produisent sur le Soleil, elles ne se produisent pas sans l'aide de la manifestation du champ magnétique solaire. Cet écho atteint la Terre et affecte son champ magnétique, ce qui entraîne des orages magnétiques. Les anomalies magnétiques sont associées aux gisements de minerai de fer sur Terre, d'énormes gisements sont magnétisés par le champ magnétique terrestre pendant une longue période, et tous les corps autour subiront le champ magnétique de cette anomalie, les flèches de la boussole indiqueront la mauvaise direction.

Dans la prochaine leçon, nous examinerons d'autres phénomènes associés aux actions magnétiques.

Bibliographie

1. Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Physique 8 / Éd. Orlova V.A., Roizena I.I. - M. : Mnémosyne.
2. Perychkine A.V. Physique 8. - M. : Outarde, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Physique 8. - M. : Lumières.

1. Classe-fizika.narod.ru ().
2. Classe-fizika.narod.ru ().
3. Fichiers.school-collection.edu.ru ().

Devoirs

1. Quelle extrémité de l’aiguille de la boussole est attirée par le pôle nord de la Terre ?
2. Dans quel endroit sur Terre ne peut-on pas faire confiance à l’aiguille magnétique ?
3. Qu'indique la densité des lignes sur un aimant ?

Sources champs magnétiques constants (PMF) sur les lieux de travail se trouvent des aimants permanents, des électro-aimants, des systèmes à courant continu à fort courant (lignes de transmission CC, bains d'électrolyte, etc.).

Les aimants permanents et les électro-aimants sont largement utilisés dans l'instrumentation, dans les rondelles magnétiques des grues, dans les séparateurs magnétiques, dans les dispositifs de traitement magnétique de l'eau, dans les générateurs magnétohydrodynamiques (MHD), les installations de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de résonance paramagnétique électronique (EPR), ainsi que ainsi que dans la pratique physiothérapeutique.

Les principaux paramètres physiques caractérisant le PMP sont l'intensité du champ (N), le flux magnétique (F) et l'induction magnétique (V). L'unité SI de mesure de l'intensité du champ magnétique est ampère par mètre (A/m), flux magnétique - Weber (Wb ), densité de flux magnétique (induction magnétique) - Tesla (T ).

Des changements dans l’état de santé des personnes travaillant avec des sources de PMF ont été identifiés. Le plus souvent, ces changements se manifestent sous la forme de dystonie végétative, de syndromes asthéno-végétatifs et vaso-végétatifs périphériques ou d'une combinaison de ceux-ci.

Selon la norme en vigueur dans notre pays (« Niveaux maximaux admissibles d'exposition à des champs magnétiques constants lors de travaux avec des appareils magnétiques et des matériaux magnétiques » n° 1742-77), la tension PMF sur les lieux de travail ne doit pas dépasser 8 kA/m (10 mT ). Les niveaux admissibles de PMF recommandés par le Comité international sur les rayonnements non ionisants (1991) sont différenciés selon la population, le lieu d'exposition et la durée du travail. Pour les professionnels : 0,2 T - avec exposition à temps plein (8 heures) ; 2 T - avec exposition à court terme au corps ; 5 T - avec exposition à court terme aux mains. Pour la population, le niveau d’exposition continue aux PMF ne doit pas dépasser 0,01 T.

Les sources radiofréquences EMR sont largement utilisées dans une grande variété de secteurs de l’économie nationale. Ils sont utilisés pour transmettre des informations à distance (radiodiffusion, communications radiotéléphoniques, télévision, radar, etc.). Dans l'industrie, les ondes radioélectriques EMR sont utilisées pour le chauffage par induction et diélectrique de matériaux (durcissement, fusion, brasage, soudage, pulvérisation de métal, chauffage des pièces métalliques internes des appareils à vide électriques lors du pompage, séchage du bois, chauffage des plastiques, collage de composés plastiques, chaleur traitement des produits alimentaires, etc.) . L'EMR est largement utilisé dans la recherche scientifique (radiospectroscopie, radioastronomie) et en médecine (physiothérapie, chirurgie, oncologie). Dans certains cas, les interférences électromagnétiques apparaissent comme un facteur secondaire inutilisé, par exemple à proximité de lignes électriques aériennes (OHT), de sous-stations de transformation et d'appareils électriques, y compris domestiques. Les principales sources de rayonnement RF EMF dans l'environnement sont les systèmes d'antennes des stations radar, des stations de radio et de télévision, y compris les systèmes de radiocommunication mobiles et les lignes électriques aériennes.

Le corps humain et animal est très sensible aux effets des RF EMF.

Les organes et systèmes critiques comprennent : le système nerveux central, les yeux, les gonades et, selon certains auteurs, le système hématopoïétique. L'effet biologique de ces rayonnements dépend de la longueur d'onde (ou fréquence du rayonnement), du mode de génération (continu, pulsé) et des conditions d'exposition de l'organisme (continue, intermittente ; générale, locale ; intensité ; durée). Il est à noter que l’activité biologique diminue avec l’augmentation de la longueur d’onde (ou la diminution de la fréquence) du rayonnement. Les plus actives sont les gammes d'ondes radio centimétriques, décimétriques et métriques. Les lésions causées par RF EMR peuvent être aiguës ou chroniques. Les aigus surviennent sous l'influence d'intensités de rayonnement thermique importantes. Ils se produisent extrêmement rarement - en cas d'accidents ou de violations flagrantes des règles de sécurité au niveau du radar. Pour les conditions professionnelles, les lésions chroniques sont plus typiques, généralement détectées après plusieurs années de travail avec des sources DME micro-ondes.

Les principaux documents réglementaires réglementant les niveaux d'exposition admissibles aux RF EMR sont : GOST 12.1.006 - 84 « SSBT. Champs électromagnétiques des radiofréquences.

Niveaux admissibles" et SanPiN 2.2.4/2.1.8.055-96 "Rayonnement électromagnétique dans la gamme des fréquences radio". Ils normalisent l'exposition énergétique (EE) aux champs électriques (E) et magnétiques (H), ainsi que la densité de flux énergétique (EF) pour une journée de travail (tableau 5.11).

Tableau 5.11.

Niveaux maximaux admissibles (MAL) par jour ouvrable pour les travailleurs

Avec DME RF

Pour l’ensemble de la population exposée en continu, les LMR suivantes pour l’intensité du champ électrique, V/m, ont été établies :

Gamme de fréquence MHz

0,03-0,30........................................................... 25

0,3-3,0.............................................................. 15

3-30.................................................................. 10

30-300............................................................... 3*

300-300000...................................................... 10

* Sauf pour les chaînes de télévision dont les télécommandes sont différenciées selon

selon la fréquence de 2,5 à 5 V/m.

Les appareils fonctionnant dans la gamme des fréquences radio comprennent les affichages vidéo des terminaux d'ordinateurs personnels. De nos jours, les ordinateurs personnels (PC) sont largement utilisés dans la production, dans la recherche scientifique, dans les établissements médicaux, dans la vie quotidienne, dans les universités, les écoles et même les jardins d'enfants. Lorsqu'ils sont utilisés en production, les PC, en fonction des tâches technologiques, peuvent affecter le corps humain pendant une longue période (pendant la journée de travail). Dans la vie de tous les jours, la durée d'utilisation d'un PC est totalement incontrôlable.

Pour les terminaux d'affichage vidéo PC (VDT), les PDU EMI suivants sont installés (SanPiN 2.2.2.542-96 « Exigences d'hygiène pour les terminaux d'affichage vidéo, les ordinateurs électroniques personnels et l'organisation du travail ») - tableau. 5.12.

Tableau 5.12. Niveaux maximaux admissibles de DME générés par les RCCB