Exemplos de fenômenos eletromagnéticos na física 7. Apresentação sobre o tema “fenômenos magnéticos na natureza”

1. Fenômenos magnéticos Chernova Albina 8E
2. 1. O campo magnético da Terra (detectado pelo efeito na agulha da bússola). O campo magnético externo da Terra - a magnetosfera - se estende no espaço sideral por mais de 20 diâmetros terrestres e protege nosso planeta de forma confiável de um poderoso fluxo de partículas cósmicas. A manifestação mais marcante da magnetosfera são as tempestades magnéticas - rápidas oscilações caóticas de todos os componentes do campo geomagnético. Muitas vezes, as tempestades magnéticas cobrem todo o globo: são registradas por todos os observatórios magnéticos do mundo - da Antártica a Spitsbergen, e o tipo de magnetogramas obtidos nos pontos mais remotos da Terra é surpreendentemente semelhante. Portanto, não é por acaso que tais tempestades magnéticas são chamadas de globais.
3. 2. Ímanes permanentes (detectados pela sua acção sobre objectos metálicos). Existem dois tipos diferentes de ímãs. Alguns são os chamados ímãs permanentes, feitos de materiais “magnéticos duros”. Suas propriedades magnéticas não estão relacionadas ao uso de fontes ou correntes externas. Outro tipo inclui os chamados eletroímãs com núcleo feito de ferro “magnético macio”. Os campos magnéticos que eles criam devem-se principalmente ao fato de uma corrente elétrica passar pelo fio do enrolamento que envolve o núcleo. em motores - eletroímãs - campainha, telefone, telégrafo...
4. 3. Propriedades magnéticas das substâncias (Antiferromagnetos, Diamagnetos, Paramagnetos, Ferromagnetos, Ferrimagnetos - utilizados em tecnologia). 4. Geradores de corrente alternada (em usinas nucleares, usinas distritais estaduais...). 5. Instrumentos do sistema magnetoelétrico (galvanômetro - dispositivo sensível para medição de correntes fracas). 6. Transmissão de informação por meio de ondas eletromagnéticas. 7. Os fenômenos magnéticos incluem indução magnética, força Ampere, força de Lorentz, indução eletromagnética. 8. Os fluidos magnéticos, sintetizados em meados do século XX na intersecção das ciências da química coloidal, física dos fenômenos magnéticos e hidrodinâmica, pertencem a materiais controlados magneticamente e têm recebido ampla aplicação prática em engenharia mecânica, medicina...
5. Tais fenômenos magnéticos também são conhecidos como: Magnetização de materiais ferromagnéticos Ressonância paramagnética Ressonância ferromagnética Ressonância antiferromagnética Transição de fase para a fase ferromagnética na temperatura Curie Transição de fase para a fase antiferromagnética na temperatura Néel. Movimento de altos-fornos em um campo magnético externo Ondas de spin Histerese da curva de reversão de magnetização de ferromagnetos Formação de um campo magnético durante o movimento de cargas elétricas Ressonância de paredes de domínio em um campo magnético alternado Precessão do momento magnético em torno da direção do magnético campo Expulsão de diamagnetos de uma região de um campo magnético forte Retração de materiais paramagnéticos para uma região de um campo magnético forte Expulsão de um campo magnético campos de um supercondutor

14. Indução de campo magnético. O princípio da superposição de campos magnéticos. Potência Ampere. Força de Lorentz. Instrumentos de medição elétrica. Propriedades magnéticas da matéria.

Fenômenos magnéticos

Os fenômenos elétricos e magnéticos são a interação de corpos à distância. Essas interações se manifestam no surgimento de forças mecânicas e momentos de força atuando entre os corpos.

A diferença entre a interação elétrica e magnética se manifesta, por exemplo, no fato de que para separar cargas elétricas é possível esfregar objetos diferentes uns contra os outros, mas para obter ímãs é inútil esfregar objetos uns contra os outros. Ao envolver um objeto carregado em um pano úmido, você pode destruir sua carga elétrica. O mesmo procedimento para um ímã não levará ao desaparecimento das propriedades magnéticas. A magnetização de materiais magnéticos na presença de outros ímãs não resulta na separação de cargas elétricas. Esses dois tipos de interação de objetos à distância não podem ser reduzidos um ao outro.

Estudos experimentais de ímãs e diversos materiais mostram que alguns objetos possuem constantemente propriedades magnéticas, ou seja, são “ímãs permanentes”, enquanto outros corpos adquirem propriedades magnéticas apenas na presença de ímãs permanentes. Existem também materiais que não possuem propriedades magnéticas pronunciadas, ou seja, não são atraídos ou repelidos por ímãs permanentes fortes. As propriedades magnéticas intrínsecas e induzidas dos objetos levam a efeitos semelhantes. Por exemplo, tiras magnéticas permanentes, cujas amostras são normalmente encontradas em todas as salas de aula de física de qualquer escola, quando suspensas na posição horizontal, são orientadas de modo que suas extremidades apontem para o norte e para o sul. Somente esta propriedade dos ímãs serviu muito ao homem. A bússola foi inventada há muito tempo, mas os estudos quantitativos das propriedades magnéticas dos objetos e a análise matemática dessas propriedades foram realizados apenas nos séculos XVIII e XIX.

Vamos imaginar que temos ímãs “longos” com pólos bem espaçados entre si. Se dois pólos de dois ímãs diferentes são colocados próximos um do outro, e os segundos pólos dos mesmos ímãs estão localizados longe um do outro, então a interação de força entre pólos próximos é descrita pelas mesmas fórmulas da lei de Coulomb para o campo eletrostático . A cada pólo de um ímã pode ser atribuída uma carga magnética, o que caracterizará seu “norte” ou “sul”. É possível chegar a um procedimento que inclua medições de forças ou momentos de forças, o que permitiria comparar as “cargas” magnéticas de quaisquer ímãs com um padrão. Esta construção mental permite-nos resolver problemas práticos, desde que ainda não nos perguntemos: como funciona um íman de tira longa, ou seja, o que está dentro do íman na região do espaço que liga os dois pólos magnéticos.

Você pode inserir uma unidade de carga magnética. O procedimento mais simples para determinar tal unidade é assumir que a força de interação entre dois pólos magnéticos “pontuais” de uma carga magnética unitária, localizados a uma distância de 1 metro um do outro, é igual a 1 Newton. Como as tentativas de separar os pólos magnéticos eram sempre infrutíferas, ou seja, no local onde a tira magnética foi cortada sempre apareciam dois pólos magnéticos opostos, cujas magnitudes eram exatamente iguais às magnitudes dos pólos finais, concluiu-se que pólos magnéticos sempre existem apenas em pares. Conseqüentemente, qualquer ímã de tira longa pode ser representado como ímãs mais curtos dispostos em uma cadeia. Da mesma forma, qualquer ímã de dimensões finitas pode ser representado na forma de um grande número de ímãs curtos distribuídos pelo espaço.

Para descrever a interação de força de cargas elétricas e magnéticas, utiliza-se a mesma ideia sobre a existência de um determinado campo vetorial de força no espaço. No caso "elétrico", o vetor correspondente é chamado de vetor tensões campo elétrico E . Para o caso “magnético”, o vetor correspondente é chamado de vetor indução campo magnético EM . (1)

Os campos em ambos os casos podem ser descritos pela distribuição de “vetores de força” no espaço. Para o pólo magnético norte, a direção da força do campo magnético que atua sobre ele coincide com a direção do vetor EM , e para o pólo sul a força é direcionada oposta a este vetor. Se a magnitude da “carga magnética”, levando em consideração seu sinal (“norte” ou “sul”) for denotada pelo símbolo N, então a força que atua sobre a carga magnética do campo magnético é igual a F =N B .

Semelhante ao que fizemos ao descrever a interação de cargas elétricas através de um campo, também fazemos ao descrever a interação de cargas magnéticas. O campo magnético criado por uma carga magnética pontual no espaço circundante é descrito exatamente pela mesma fórmula que no caso de um campo elétrico.

B = K·mN R /R3.

A constante K m é um coeficiente de proporcionalidade que depende da escolha do sistema de unidades. Para a interação de cargas magnéticas, a lei de Coulomb também é válida, e o princípio da superposição também é válido.

Lembremos que a lei de Coulomb (ou lei da gravitação universal) e o teorema de Gauss são irmãos gêmeos. Como os pólos magnéticos não existem individualmente, e qualquer ímã pode ser representado como uma combinação de pares de pólos de polaridade oposta e com magnitudes iguais, então, no caso de um campo magnético, o fluxo do vetor de indução do campo magnético através de qualquer superfície fechada é sempre zero.

Estamos discutindo fenômenos magnéticos e usando a ideia de cargas magnéticas como se elas realmente existissem. Na verdade, esta é apenas uma maneira de descrever um campo magnético no espaço (descrevendo a interação magnética). Quando descobrirmos mais detalhadamente as propriedades do campo magnético, deixaremos de usar este método. Precisamos disso como os construtores florestais para erguer um edifício. Após a conclusão da construção, o andaime é desmontado e não fica mais visível ou necessário.

O mais interessante é que um campo magnético (estático) não tem efeito sobre uma carga elétrica estacionária (ou dipolo), e um campo elétrico (estático) não tem efeito sobre cargas magnéticas estacionárias (ou dipolos). A situação é como se os campos existissem independentemente um do outro. No entanto, a paz, como sabemos, é um conceito relativo. Ao escolher um sistema de referência diferente, um corpo “em repouso” pode tornar-se “em movimento”. Descobriu-se que os campos elétricos e magnéticos são algo unificados, e cada um dos campos representa, por assim dizer, lados diferentes da mesma moeda.

Agora falamos facilmente sobre a relação entre campos elétricos e magnéticos, mas até o início do século XIX os fenômenos elétricos e magnéticos não eram considerados relacionados. Eles adivinharam essa conexão e procuraram confirmação experimental. Por exemplo, o físico francês Arago coletou informações sobre navios que saíram do curso depois que um raio atingiu o navio. “O relâmpago é uma bússola quebrada” – existe uma conexão, mas como repetir o experimento? Eles ainda não sabiam reproduzir raios, por isso foi impossível realizar um estudo sistemático.

O ponto de partida para a compreensão da ligação entre esses fenômenos foi a descoberta feita em 1820 pelo dinamarquês Hans Christian Oersted. Foi estabelecida a influência de uma corrente elétrica fluindo através de um fio longo e reto na orientação de uma agulha magnética móvel localizada próxima ao fio. A flecha tendia a ser perpendicular ao fio. O fenômeno oposto: a influência de um campo magnético sobre uma corrente elétrica foi descoberta experimentalmente por Ampere.

Uma pequena bobina plana com corrente experimenta uma força e um efeito de orientação em um campo magnético. Se o campo magnético for uniforme, então a força total que atua na bobina com corrente é zero, e a bobina é orientada (assume uma posição de equilíbrio) na qual seu plano é perpendicular à direção do vetor de indução do campo magnético. Para estabelecer a unidade de indução do campo magnético, este fenômeno mecânico também pode ser utilizado.

Nos anos seguintes, após 1820, as principais características da interação dos condutores condutores de corrente entre si e com ímãs permanentes foram esclarecidas. Algumas delas agora são chamadas de leis. Essas leis estão associadas aos nomes dos físicos Ampere, Biot, Savart, Laplace. As conclusões mais gerais das leis de interação estabelecidas foram:

Partículas carregadas criam um campo elétrico no espaço ao seu redor.
O campo elétrico tem o mesmo efeito nas partículas carregadas, em movimento ou em repouso.
O movimento de partículas carregadas cria um campo magnético no espaço ao seu redor.
Um campo magnético exerce uma força sobre partículas carregadas em movimento e não atua sobre partículas carregadas em repouso.
Os campos elétricos e magnéticos criados por uma partícula carregada, quando sua posição e estado de movimento mudam, não mudam instantaneamente em todo o espaço, mas há um atraso.

Assim, descobriu-se que a interação de partículas carregadas entre si depende não apenas de seu arranjo espacial mútuo, mas também de seu movimento mútuo (relativo). As leis que descrevem essa interação revelaram-se bastante simples do ponto de vista matemático.

Ao estudar mecânica, usamos as leis de Newton, das quais se segue que um ponto material movendo-se com aceleração em qualquer referencial inercial tem a mesma aceleração em todos os outros ISOs, independentemente da escolha. Tornou-se agora claro que o campo magnético actua apenas sobre partículas carregadas em movimento. Vamos imaginar que em algum ISO uma partícula carregada se move em um campo magnético, mas não existe campo elétrico. Passemos para outro sistema de referência inercial, no qual em um determinado momento a partícula em questão tem velocidade zero. A influência da força do campo magnético desapareceu e a partícula ainda deve se mover com aceleração!!! Algo está errado no Reino da Dinamarca! Para que uma partícula carregada em repouso num determinado momento tenha aceleração, ela deve estar sujeita a um campo elétrico!

Assim, verifica-se que os campos elétrico e magnético não são absolutos, mas dependem da escolha do sistema de referência. A presença de interação é absoluta, mas como ela será descrita, de forma “elétrica” ou “magnética”, depende da escolha do sistema de referência. Portanto, devemos compreender que os campos elétrico e magnético não são independentes um do outro. Na verdade, seria correto considerar um único campo eletromagnético. Observe que a descrição correta dos campos é dada na teoria de James Clerk Maxwell. As equações nesta teoria são escritas de tal forma que sua forma não muda ao passar de um sistema de referência inercial para outro. Esta é a primeira teoria "relativística" da física.

Correntes elétricas e campo magnético

Voltemos ao início do século XIX. Durante demonstrações em palestras na Universidade de G.H. O próprio Oersted ou com a ajuda de alunos notou que uma agulha magnética que estava perto do fio mudava de posição quando uma corrente passava pelo fio. Um estudo mais aprofundado do fenômeno mostrou que, dependendo da magnitude e da direção da corrente em um fio longo e reto, as agulhas magnéticas eram orientadas conforme mostrado na figura:

As linhas de indução são fechadas e, no caso de um condutor longo e reto que transporta corrente, essas linhas fechadas têm a forma de círculos localizados em planos perpendiculares ao condutor que transporta a corrente. Os centros desses círculos estão no eixo do condutor que transporta corrente. A direção do vetor de indução magnética em um determinado ponto do espaço (tangente à linha de indução magnética) é determinada pela regra do “parafuso direito” (verruma, parafuso, saca-rolhas). A direção na qual o saca-rolhas mostrado na figura se move ao girar em torno de seu eixo corresponde à direção da corrente em um fio longo e reto, e as direções nas quais os pontos extremos de sua alça se movem correspondem à direção do vetor de indução magnética nos locais onde essas extremidades da alça estão localizadas.

Para um desenho esquemático com círculos concêntricos, partículas carregadas em um fio localizado perpendicularmente ao plano do desenho se movem ao longo desse fio e, se partículas carregadas positivamente estivessem se movendo, elas se moveriam “para longe de nós, além deste plano”. Se elétrons carregados negativamente se movem no fio, então eles também se movem ao longo do fio, mas “em nossa direção, por baixo do plano do desenho”.

O fator interferente foi o campo magnético da Terra. Quanto maior a corrente no fio, mais precisamente as setas foram orientadas na direção da tangente ao círculo com centro no local do fio. A conclusão é bastante óbvia - um campo magnético apareceu ao redor do condutor que transporta corrente. As setas magnéticas se alinham ao longo do vetor de indução do campo magnético.

De acordo com a terceira lei de Newton, a agulha magnética (ímã ou seu campo magnético), por sua vez, também atua sobre o condutor que transporta corrente. Descobriu-se que em uma seção reta de um condutor de comprimento L, através do qual flui a corrente I, do lado de um campo magnético uniforme com indução EM uma força proporcional a L, I e B atua, e a direção da força depende da orientação relativa dos vetores eu E EM . Vetor eu coincide na direção com a direção da velocidade das partículas carregadas positivas que criam uma corrente elétrica neste pedaço de fio. Esta força recebeu o nome de um dos pesquisadores ativos dos fenômenos magnéticos - A.M. Ampére.

F =K eu [ eu × B ].

Aqui K é o coeficiente de proporcionalidade. Colchetes denotam o produto vetorial de dois vetores. Se o condutor não for reto e o campo magnético não for uniforme, então, neste caso, para encontrar a força que atua no condutor que transporta corrente, é necessário dividi-lo (mentalmente) em vários pequenos segmentos. Para cada pequeno segmento podemos assumir que ele está em um campo uniforme. A força total é encontrada somando as forças Ampere sobre todos esses segmentos.

Interação de condutores com corrente

A corrente no fio cria um campo magnético no espaço circundante, e este campo magnético, por sua vez, exerce uma força sobre outro fio com corrente. (2) No sistema de unidades SI, a unidade de corrente 1 Ampere é determinada a partir da interação da força de condutores paralelos com a corrente. Dois condutores finos e longos paralelos, localizados a uma distância de 1 metro um do outro, através dos quais fluem correntes constantes idênticas da mesma direção com uma força de 1 Ampere, são atraídos um pelo outro com uma força de 2 × 10 -7 Newton por cada metro de comprimento do condutor.

No sistema SI, na fórmula da força Ampere, o coeficiente de proporcionalidade K é escolhido igual à unidade:

F =Eu [ eu × B ].

Força de Lorentz

Se substituirmos na fórmula da força Ampere a expressão para a magnitude da corrente, composta pelos termos criados por cada partícula carregada em movimento, então podemos concluir que em um campo magnético uma força atua sobre cada partícula carregada em movimento:

F =q[ v × EM ].

Na presença de campos elétricos e magnéticos no espaço, uma partícula carregada experimenta a força:

F =q[ v × EM ] +q E .

A força que atua sobre uma partícula carregada em um campo eletromagnético é chamada de força de Lorentz. Esta expressão para força é sempre válida e não apenas para campos estacionários.

Se calcularmos o trabalho da força de Lorentz que ela realiza durante o movimento elementar de uma partícula, então a expressão da força deve ser multiplicada escalarmente pelo produto v Δt. O primeiro termo na fórmula da força de Lorentz é o vetor perpendicular à velocidade da partícula, multiplicando-o por v Δt dá zero.

Assim, a componente magnética da força de Lorentz não realiza nenhum trabalho ao mover uma partícula carregada, uma vez que os deslocamentos elementares correspondentes e a componente magnética da força são sempre perpendiculares entre si.

Qual campo magnético é gerado pela corrente?

Os experimentos de Biot e Savart e o trabalho teórico de Laplace (todos físicos franceses) levaram a uma fórmula para encontrar a contribuição de cada pequena seção de um condutor condutor de corrente para a “causa comum” - a criação do vetor de indução do campo magnético. em um determinado ponto do espaço.

Ao derivar (mais precisamente: selecionar) a fórmula geral, assumiu-se que o campo total é composto por partes individuais, e o princípio da superposição é cumprido, ou seja, os campos criados por diferentes seções de condutores condutores de corrente se somam como vetores. Cada seção de um condutor que transporta corrente e, na verdade, cada partícula carregada em movimento, cria um campo magnético no espaço circundante. O campo resultante em um determinado ponto surge como resultado da adição de vetores de indução magnética criados por cada seção do condutor condutor de corrente.

Componente elementar do vetor de indução magnética Δ EM , criado por uma pequena seção do condutor Δ eu com corrente I em um ponto do espaço que difere em posição desta seção do condutor por vetor R , está de acordo com a fórmula:

Δ EM = (μ 0 /4π) I [Δ eu × R ]/R 3 .

Aqui [Δ eu × R ] é o produto vetorial de dois vetores. O coeficiente dimensional (μ 0 /4π) é introduzido exatamente desta forma no sistema SI por razões de conveniência, que, repetimos, não aparecem de forma alguma na física escolar.

O campo criado por um condutor de formato arbitrário, como sempre, é encontrado pela soma dos vetores elementares de indução magnética criados por pequenas seções desse condutor. Todos os resultados experimentais com correntes contínuas confirmam as previsões obtidas pela fórmula escrita acima, que leva o nome: Biot - Savart - Laplace.

Vamos lembrar a definição de corrente que introduzimos no semestre passado. Corrente é o fluxo do vetor de densidade de corrente através de uma superfície selecionada. A fórmula para encontrar a densidade de corrente incluía a soma de todas as partículas carregadas em movimento:

J. =Σqi v eu /V, eu=( JS )

A fórmula Biot – Savart – Laplace, portanto, inclui o produto (Δ eu S ), e este é o volume do condutor no qual as partículas carregadas se movem.

Podemos concluir que o campo magnético criado pela área condutora de corrente surge como resultado da ação combinada de todas as partículas carregadas nesta área. A contribuição de cada partícula com carga q e movendo-se com velocidade v igual a:

EM = (μ 0 /4π)q [ v × R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [ v × E ],

Onde E = q R /(4πε 0 R 3).

Aqui R é um vetor raio, cujo início está localizado no ponto onde a partícula está localizada, e o final do vetor está localizado no ponto do espaço onde o campo magnético é procurado. A segunda parte da fórmula mostra como os campos elétrico e magnético criados por uma partícula carregada no mesmo ponto do espaço estão relacionados entre si.

E - campo elétrico criado pela mesma partícula no mesmo ponto do espaço. µ 0 =

4π×10 -7 H/m - constante magnética.

“Não centralidade” das forças de interação eletromagnética

Se considerarmos a interação de partículas idênticas carregadas em movimento de dois pontos, chama-se a atenção para o fato de que as forças que descrevem essa interação não são direcionadas ao longo da linha reta que conecta as partículas. Na verdade, a parte elétrica das forças de interação é direcionada ao longo desta linha reta, mas a parte magnética não.

Deixe todas as outras partículas estarem muito distantes deste par de partículas. Para descrever a interação, escolhemos um sistema de referência associado ao centro de massa dessas partículas.

A soma das forças elétricas internas é obviamente zero, pois são direcionadas em direções opostas, localizadas ao longo da mesma linha reta e são iguais entre si em magnitude.

A soma das forças magnéticas também é zero:

Qμ 0 ε 0 [ v 2 [v 1 × E 1 ]] + qμ 0 ε 0 [ v 1 [v 2 × E 2 ]] = 0

v 2 = – v 1 ; E 1 = – E 2 .

Mas a soma dos momentos das forças internas pode não ser igual a zero:

Qμ 0 ε 0 [ R 12 [v 2 [v 1 × E 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [ v 1 × E 1 ](R 12 v 2 ).

Pode parecer que foi encontrado um exemplo que refuta a terceira lei de Newton. No entanto, deve-se notar que a própria terceira lei é formulada de forma modelo, desde que haja apenas dois participantes na interação, e não considera de forma alguma a natureza da transmissão da interação à distância. Neste caso, existem três participantes no evento: duas partículas e um campo eletromagnético no espaço ao seu redor. Se o sistema for isolado, então para ele como um todo a lei de conservação do momento e do momento angular é satisfeita, uma vez que não apenas as partículas, mas também o próprio campo eletromagnético possuem essas características de movimento. Conclui-se que é necessário considerar a interação de partículas carregadas em movimento, levando em consideração as mudanças no campo eletromagnético no espaço. Discutiremos (em uma das seções seguintes) o surgimento e a propagação de ondas eletromagnéticas no espaço durante o movimento acelerado de partículas carregadas.

Se escolhermos algum outro sistema de referência em que os módulos das velocidades dessas partículas v 1 e v 2, então a razão dos módulos do componente magnético da força de interação entre as partículas e o componente elétrico é menor ou igual ao valor:

Isto significa que em velocidades de partículas muito inferiores à velocidade da luz, o componente elétrico da interação desempenha o papel principal.

Em situações em que as cargas elétricas nos fios se compensam, a parte elétrica da interação de sistemas constituídos por um grande número de partículas carregadas torna-se significativamente menor que a parte magnética. Esta circunstância permite estudar a interação magnética “separadamente” da elétrica.

Medidores e alto-falantes

Após as descobertas de Oersted e Ampere, os físicos receberam instrumentos para registrar corrente: galvanômetros. Esses dispositivos usam a interação de corrente e campo magnético. Alguns dos dispositivos modernos usam ímãs permanentes e alguns usam uma corrente para criar o campo magnético. Eles agora são chamados de forma diferente - amperímetro, voltímetro, ohmímetro, wattímetro, etc. mas basicamente todos os dispositivos deste tipo são iguais. Neles, um campo magnético atua sobre uma bobina que transporta corrente.

Nos instrumentos de medição, a bobina com corrente está localizada de modo que um torque mecânico atue sobre ela do lado do campo magnético. Uma mola helicoidal presa a uma bobina cria um torque mecânico atuando na bobina. A posição de equilíbrio é alcançada girando a estrutura com a corrente em um ângulo correspondente à corrente que flui. Uma flecha está presa à bobina; o ângulo de rotação da flecha serve como medida de corrente.

Nos dispositivos do sistema magnetoelétrico, o campo magnético é constante. É criado por um ímã permanente. Em dispositivos de sistemas eletromagnéticos, o campo magnético é criado por uma corrente que flui através de uma bobina estacionária. O torque mecânico é proporcional ao produto da corrente da bobina móvel e da indução do campo magnético, que por sua vez é proporcional à corrente na bobina estacionária. Se, por exemplo, as correntes em ambas as bobinas de um dispositivo de sistema eletromagnético são proporcionais entre si, então o momento da força é proporcional ao quadrado da corrente.

A propósito, seus alto-falantes dinâmicos favoritos foram criados com base na interação da corrente e do campo magnético. Neles, a bobina por onde passa a corrente está localizada de forma que do lado do campo magnético uma força atue sobre ela ao longo do eixo do alto-falante. A magnitude da força é proporcional à corrente na bobina. Mudar a direção da corrente na bobina leva a uma mudança na direção da força.

Hipótese de Ampère

Para explicar a estrutura interna dos ímãs permanentes (feitos de materiais ferromagnéticos), Ampere apresentou uma suposição - uma hipótese - de que o material magnético consiste em um grande número de pequenos circuitos que transportam corrente. Cada molécula de uma substância forma uma pequena estrutura com corrente. Dentro do material magnético ao longo de todo o volume, as correntes moleculares se compensam, e na superfície do objeto é como se uma corrente “superficial” fluísse. Se houver uma cavidade dentro de um corpo magnético, uma corrente de “superfície” não compensada também flui ao longo da superfície dessa cavidade.

Esta corrente de superfície cria no espaço que rodeia o íman exatamente o mesmo campo magnético que as correntes de todas as moléculas do íman durante a sua ação combinada.

A hipótese de Ampere esperou várias décadas por confirmação experimental e, no final, justificou-se completamente. De acordo com os conceitos modernos, alguns átomos e moléculas possuem momentos magnéticos próprios associados ao movimento de partículas carregadas em seu interior, das quais esses átomos e moléculas são compostos. Acontece que as próprias partículas carregadas, a partir das quais os átomos e as moléculas são construídos, têm momentos dipolares magnéticos associados ao movimento mecânico interno dessas partículas. (3)

A hipótese de Ampere permite abandonar o modelo das cargas magnéticas, pois explica de forma bastante adequada a origem da interação magnética.

Tarefas:

Duas longas tiras magnéticas ficam próximas uma da outra, pólo a pólo. O norte está próximo ao norte, e o sul está próximo ao sul. Em uma linha que é uma continuação dos ímãs no ponto A, localizada a uma distância L dos pólos mais próximos a ela, é criado um campo magnético com indução B. Você recebeu a tarefa de aumentar a indução do campo no ponto A por 1,414 vezes, e mude a direção do campo neste ponto em 45°. Você tem permissão para mover um dos ímãs. Como você concluirá a tarefa?
Durante uma expedição ao pólo magnético norte da Terra, os expedicionários colocaram N = 1000 tripés muito leves, cada um com altura L = 1 m e base com diâmetro D = 10 cm, sobre uma superfície plana e horizontal de gelo. ao redor do poste e esticou um fio de metal com área de seção transversal S ao longo de seus pontos superiores = 1 mm 2. O resultado é um polígono plano com formato próximo a um anel de raio R = 100 m Qual corrente contínua mínima deve passar pelo fio para que todos os tripés caiam dentro do polígono formado por suas bases? A magnitude da indução do campo magnético B próximo ao pólo na superfície da Terra é 10 -4 Tesla. A densidade ρ do material do fio é 10 4 kg/m 3.
Dois fios finos paralelos transportam correntes iguais em sentidos opostos. Os fios estão localizados a uma distância L um do outro. No ponto A, localizado a uma distância L, tanto de um quanto do outro fio, as correntes criaram um campo magnético com indução B. Na parte inferior dos fios, a direção da corrente mudou para o oposto, mas a magnitude da corrente continuou o mesmo. Como a indução do campo magnético mudou (em magnitude e direção) neste ponto A?
Uma bobina redonda de fio rígido repousa sobre uma mesa horizontal lisa. O raio da bobina é R. A massa da bobina é M. No espaço existe um campo magnético horizontal uniforme com indução B. Que corrente contínua mínima deve passar pela bobina para que ela pare de ficar imóvel horizontalmente? Descreva seu movimento após passar por tal corrente.
Uma partícula com massa M e carga Q se move em um campo magnético uniforme com indução B. A velocidade da partícula forma um ângulo & (alfa) com o vetor de indução do campo magnético. Descreva a natureza do movimento da partícula. Qual é a forma de sua trajetória?
Uma partícula carregada entrou em uma região do espaço onde existe um campo elétrico E e um campo magnético B uniformes e mutuamente perpendiculares. A partícula se move a uma velocidade constante. Qual é o seu valor mínimo possível?
Dois prótons movendo-se em um campo magnético uniforme B = 0,1 T estão constantemente à mesma distância L = 1 m um do outro. Em que velocidades mínimas de prótons isso é possível?
Na região do espaço entre os planos X = A e X = C, existe um campo magnético uniforme B direcionado ao longo do eixo Y. Uma partícula com massa M e carga Q voa para esta região do espaço, tendo uma velocidade V direcionada ao longo o eixo Z. Qual será o ângulo da partícula com o plano X =const depois de deixar a região com campo magnético? Os eixos X, Y, Z são mutuamente perpendiculares.
Uma haste longa (L) uniforme é feita de um material “fracamente magnético” (não ferromagnético). Ele foi suspenso pelo meio em um fio longo e fino em um laboratório localizado próximo ao equador. No campo gravitacional e no campo magnético da Terra, a haste foi posicionada horizontalmente. A haste foi removida de sua posição de equilíbrio girando-a em um ângulo de 30° em torno de um eixo vertical coincidente com o fio. A haste foi deixada imóvel e liberada. Após 10 segundos a haste passou da posição de equilíbrio. Em que tempo mínimo ele ultrapassará novamente a posição de equilíbrio? Em seguida, a haste foi cortada em duas hastes de igual comprimento L/2. O mesmo experimento foi feito com um deles. Com que período a haste encurtada realiza pequenas oscilações próximas à posição de equilíbrio?
No eixo de um pequeno ímã cilíndrico há uma pequena bola “fracamente magnética”. A distância L da bola ao ímã é muito maior que as dimensões do ímã e da bola. Os corpos se atraem com uma força F. Com que força eles se atrairão se a distância entre eles diminuir 2 vezes? A bola permanece no eixo do ímã.

1 Os nomes históricos não refletem adequadamente o significado das grandezas introduzidas que caracterizam os componentes elétricos e magnéticos do “campo eletromagnético”, portanto não trataremos da etimologia dessas palavras.

2 Lembre-se: usamos aproximadamente a mesma formulação ao discutir a interação de cargas elétricas.

3 Neste caso, queremos dizer uma propriedade das partículas elementares como seu próprio momento angular mecânico - spin.

Os corpos físicos são os “atores” dos fenômenos físicos. Vamos conhecer alguns deles.

Fenômenos mecânicos

Os fenômenos mecânicos são o movimento dos corpos (Fig. 1.3) e suas ações uns sobre os outros, por exemplo, repulsão ou atração. A ação dos corpos uns sobre os outros é chamada de interação.

Conheceremos mais detalhadamente os fenômenos mecânicos neste ano letivo.

Arroz. 1.3. Exemplos de fenómenos mecânicos: movimento e interação dos corpos durante competições desportivas (a, b. c); movimento da Terra em torno do Sol e sua rotação em torno de seu próprio eixo (r)

Fenômenos sonoros

Os fenômenos sonoros, como o nome sugere, são fenômenos que envolvem som. Estes incluem, por exemplo, a propagação do som no ar ou na água, bem como a reflexão do som em vários obstáculos - por exemplo, montanhas ou edifícios. Quando o som é refletido, aparece um eco familiar.

Fenômenos térmicos

Os fenómenos térmicos são o aquecimento e o arrefecimento dos corpos, bem como, por exemplo, a evaporação (transformação de um líquido em vapor) e a fusão (transformação de um sólido em líquido).

Os fenômenos térmicos são extremamente difundidos: por exemplo, determinam o ciclo da água na natureza (Fig. 1.4).

Arroz. 1.4. Ciclo da água na natureza

A água dos oceanos e mares, aquecida pelos raios solares, evapora. À medida que o vapor sobe, ele esfria, transformando-se em gotículas de água ou cristais de gelo. Eles formam nuvens das quais a água retorna à Terra na forma de chuva ou neve.

O verdadeiro “laboratório” dos fenômenos térmicos é a cozinha: se a sopa está sendo preparada no fogão, se a água está fervendo na chaleira, se a comida está congelada na geladeira - todos esses são exemplos de fenômenos térmicos.

O funcionamento do motor de um carro também é determinado por fenômenos térmicos: quando a gasolina queima, forma-se um gás muito quente que empurra o pistão (parte do motor). E o movimento do pistão é transmitido através de mecanismos especiais às rodas do carro.

Fenômenos elétricos e magnéticos

O exemplo mais marcante (no sentido literal da palavra) de fenômeno elétrico é o relâmpago (Fig. 1.5, a). A iluminação elétrica e o transporte elétrico (Fig. 1.5, b) tornaram-se possíveis graças ao uso de fenômenos elétricos. Exemplos de fenômenos magnéticos são a atração de objetos de ferro e aço por ímãs permanentes, bem como a interação de ímãs permanentes.

Arroz. 1.5. Fenômenos elétricos e magnéticos e seus usos

A agulha da bússola (Fig. 1.5, c) gira de modo que sua extremidade “norte” aponte para o norte precisamente porque a agulha é um pequeno ímã permanente e a Terra é um enorme ímã. As Luzes do Norte (Fig. 1.5, d) são causadas pelo fato de que partículas eletricamente carregadas que voam do espaço interagem com a Terra como se fossem um ímã. Fenômenos elétricos e magnéticos determinam o funcionamento de televisores e computadores (Fig. 1.5, e, f).

Fenômenos ópticos

Para onde quer que olhemos, veremos fenômenos ópticos em todos os lugares (Fig. 1.6). Esses são fenômenos associados à luz.

Um exemplo de fenômeno óptico é o reflexo da luz por vários objetos. Os raios de luz refletidos pelos objetos entram em nossos olhos, graças aos quais vemos esses objetos.

Arroz. 1.6. Exemplos de fenômenos ópticos: O sol emite luz (a); A lua reflete a luz solar (b); Os espelhos (c) refletem a luz especialmente bem; um dos mais belos fenômenos ópticos - arco-íris (d)

Tempestades, etc. Como surgem? Pelo que eles são caracterizados?

Magnetismo

Os fenômenos e propriedades magnéticas são chamados coletivamente de magnetismo. A sua existência é conhecida há muito tempo. Supõe-se que já há quatro mil anos os chineses usaram esse conhecimento para criar uma bússola e navegar em viagens marítimas. Eles começaram a realizar experimentos e estudar seriamente o fenômeno físico magnético apenas no século XIX. Hans Oersted é considerado um dos primeiros pesquisadores nesta área.

Os fenômenos magnéticos podem ocorrer tanto no Espaço quanto na Terra e aparecer apenas dentro de campos magnéticos. Tais campos surgem de cargas elétricas. Quando as cargas estão estacionárias, um campo elétrico é formado ao seu redor. Quando eles se movem, há um campo magnético.

Ou seja, o fenômeno do campo magnético ocorre com o aparecimento de uma corrente elétrica ou de um campo elétrico alternado. Esta é uma região do espaço dentro da qual uma força atua sobre ímãs e condutores magnéticos. Tem direção própria e diminui à medida que se afasta de sua fonte - o condutor.

Ímãs

O corpo em torno do qual é formado é chamado de ímã. O menor deles é o elétron. A atração de ímãs é o fenômeno magnético físico mais famoso: se você colocar dois ímãs próximos um do outro, eles se atrairão ou se repelirão. É tudo uma questão de posição um em relação ao outro. Cada ímã possui dois pólos: norte e sul.

Pólos semelhantes se repelem e, ao contrário, pólos diferentes se atraem. Se você cortar em dois, os pólos norte e sul não se separarão. Como resultado, obteremos dois ímãs, cada um dos quais também terá dois pólos.

Existem vários materiais que possuem essas propriedades: ferro, cobalto, níquel, aço, etc. Entre eles estão líquidos, ligas e compostos químicos. Se você segurar ímãs perto de um ímã, eles próprios se tornarão um só.

Substâncias como o ferro puro adquirem facilmente essa propriedade, mas também se despedem dela rapidamente. Outros (por exemplo, aço) demoram mais para magnetizar, mas retêm o efeito por muito tempo.

Magnetização

Estabelecemos acima que um campo magnético surge quando partículas carregadas se movem. Mas de que tipo de movimento podemos falar, por exemplo, em um pedaço de ferro pendurado em uma geladeira? Todas as substâncias consistem em átomos, que contêm partículas em movimento.

Cada átomo tem seu próprio campo magnético. Mas em alguns materiais esses campos são direcionados caoticamente em direções diferentes. Por causa disso, não é criado um grande campo em torno deles. Tais substâncias não são capazes de magnetização.

Em outros materiais (ferro, cobalto, níquel, aço), os átomos são capazes de se alinhar de modo que todos apontem na mesma direção. Como resultado, um campo magnético geral é formado ao seu redor e o corpo fica magnetizado.

Acontece que a magnetização de um corpo é a ordenação dos campos dos seus átomos. Para quebrar esta ordem, basta bater com força, por exemplo com um martelo. Os campos dos átomos começarão a se mover caoticamente e perderão suas propriedades magnéticas. O mesmo acontecerá se o material for aquecido.

Indução magnética

Os fenômenos magnéticos estão associados a cargas em movimento. Assim, um campo magnético certamente surge em torno de um condutor que transporta corrente elétrica. Mas poderia ser o contrário? O físico inglês Michael Faraday certa vez fez essa pergunta e descobriu o fenômeno da indução magnética.

Ele concluiu que um campo constante não pode causar uma corrente elétrica, mas um campo alternado pode. A corrente surge em um circuito fechado de um campo magnético e é chamada de indução. A força eletromotriz mudará proporcionalmente à mudança na velocidade do campo que permeia o circuito.

A descoberta de Faraday foi um verdadeiro avanço e trouxe benefícios consideráveis aos fabricantes de equipamentos elétricos. Graças a ele foi possível gerar corrente a partir da energia mecânica. A lei derivada pelo cientista foi e é aplicada no projeto de motores elétricos, geradores diversos, transformadores, etc.

Campo magnético da Terra

Júpiter, Netuno, Saturno e Urano têm um campo magnético. Nosso planeta não é exceção. Na vida cotidiana, quase não percebemos isso. É intangível, não tem sabor nem cheiro. Mas os fenômenos magnéticos da natureza estão associados a ele. Como a aurora, tempestades magnéticas ou magnetorecepção em animais.

Em essência, a Terra é um ímã enorme, mas não muito forte, que possui dois pólos que não coincidem com os geográficos. As linhas magnéticas saem do Pólo Sul do planeta e entram no Pólo Norte. Isto significa que na verdade o Pólo Sul da Terra é o pólo norte do íman (é por isso que no Ocidente o azul é o pólo sul - S, e o vermelho é o pólo norte - N).

O campo magnético se estende por centenas de quilômetros da superfície do planeta. Serve como uma cúpula invisível que reflete a poderosa radiação galáctica e solar. Durante a colisão de partículas de radiação com a casca da Terra, muitos fenômenos magnéticos são formados. Vejamos os mais famosos deles.

Tempestades magnéticas

O Sol tem uma forte influência em nosso planeta. Não só nos dá calor e luz, mas também provoca fenômenos magnéticos desagradáveis como tempestades. Seu aparecimento está associado ao aumento da atividade solar e aos processos que ocorrem no interior desta estrela.

A Terra é constantemente influenciada pelo fluxo de partículas ionizadas do Sol. Eles se movem a uma velocidade de 300-1200 km/s e são caracterizados como vento solar. Mas, de tempos em tempos, ocorrem emissões repentinas de um grande número dessas partículas na estrela. Eles agem na concha da Terra como choques e fazem com que o campo magnético oscile.

Essas tempestades geralmente duram até três dias. Neste momento, alguns habitantes do nosso planeta não se sentem bem. As flutuações na membrana nos afetam com dores de cabeça, aumento da pressão arterial e fraqueza. Durante a vida, uma pessoa passa em média por 2.000 tempestades.

Aurora boreal

Existem também fenômenos magnéticos mais agradáveis na natureza - a aurora boreal ou a aurora. Aparece como um brilho no céu com cores que mudam rapidamente e ocorre principalmente em altas latitudes (67-70°). Com forte atividade solar, o brilho também é observado mais baixo.

Cerca de 64 quilómetros acima dos pólos, partículas solares carregadas encontram os confins do campo magnético. Aqui, alguns deles são direcionados para os pólos magnéticos da Terra, onde interagem com os gases atmosféricos, por isso surge o brilho.

O espectro do brilho depende da composição do ar e da sua rarefação. O brilho vermelho ocorre a uma altitude de 150 a 400 quilômetros. Tons de azul e verde estão associados a altos níveis de oxigênio e nitrogênio. Eles ocorrem a uma altitude de 100 quilômetros.

Magnetorecepção

A principal ciência que estuda os fenômenos magnéticos é a física. No entanto, alguns deles também podem envolver biologia. Por exemplo, a sensibilidade magnética dos organismos vivos é a capacidade de reconhecer o campo magnético da Terra.

Muitos animais, especialmente espécies migratórias, possuem esse dom único. A capacidade de magnetorecepção foi encontrada em morcegos, pombos, tartarugas, gatos, veados, algumas bactérias, etc. Ajuda os animais a navegar no espaço e a encontrar sua casa, afastando-se dela por dezenas de quilômetros.

Se uma pessoa usa uma bússola para orientação, os animais usam ferramentas completamente naturais. Os cientistas ainda não conseguem determinar exatamente como e por que funciona a magnetorecepção. Mas sabe-se que os pombos conseguem encontrar a sua casa mesmo que sejam levados a centenas de quilómetros dela, fechando a ave numa caixa completamente escura. As tartarugas encontram seu local de nascimento mesmo anos depois.

Graças aos seus “superpoderes”, os animais antecipam erupções vulcânicas, terremotos, tempestades e outros desastres. Eles sentem sutilmente as flutuações no campo magnético, o que aumenta sua capacidade de autopreservação.

Diapositivo 2

Etapas do trabalho

Estabeleça metas e objetivos Parte prática. Pesquisa e observação. Conclusão.

Diapositivo 3

Objetivo: estudar experimentalmente as propriedades dos fenômenos magnéticos. Objetivos: - Estudar literatura. - Realizar experimentos e observações.

Diapositivo 4

Magnetismo

O magnetismo é uma forma de interação de cargas elétricas em movimento, realizada à distância através de um campo magnético. A interação magnética desempenha um papel importante nos processos que ocorrem no Universo. Aqui estão dois exemplos que confirmam o que foi dito. Sabe-se que o campo magnético de uma estrela gera um vento estelar, semelhante ao vento solar, que, ao reduzir a massa e o momento de inércia da estrela, altera o curso do seu desenvolvimento. Sabe-se também que a magnetosfera da Terra nos protege dos efeitos desastrosos dos raios cósmicos. Se não existisse, a evolução dos seres vivos em nosso planeta aparentemente teria seguido um caminho diferente, e talvez a vida na Terra nem tivesse surgido.

Diapositivo 5

Diapositivo 6

Campo magnético da Terra

A principal razão para a presença do campo magnético da Terra é que o núcleo da Terra consiste em ferro quente (um bom condutor de correntes elétricas que surgem no interior da Terra). Graficamente, o campo magnético da Terra é semelhante ao campo magnético de um ímã permanente. O campo magnético da Terra forma uma magnetosfera, estendendo-se de 70 a 80 mil km na direção do Sol. Ele protege a superfície da Terra, protege contra os efeitos nocivos de partículas carregadas, altas energias e raios cósmicos e determina a natureza do clima. O campo magnético do Sol é 100 vezes maior que o da Terra.

Diapositivo 7

Mudança de campo magnético

A razão das constantes mudanças é a presença de depósitos minerais. Existem áreas na Terra onde o seu próprio campo magnético é grandemente distorcido pela ocorrência de minérios de ferro. Por exemplo, a anomalia magnética de Kursk, localizada na região de Kursk. A razão para as mudanças de curto prazo no campo magnético da Terra é a ação do "vento solar", ou seja, a ação de um fluxo de partículas carregadas emitidas pelo Sol. O campo magnético deste fluxo interage com o campo magnético da Terra e surgem "tempestades magnéticas".

Diapositivo 8

Homem e tempestades magnéticas

Sistema cardiovascular e circulatório, a pressão arterial aumenta, a circulação coronária piora. As tempestades magnéticas causam exacerbações no corpo de uma pessoa que sofre de doenças do sistema cardiovascular (infarto do miocárdio, acidente vascular cerebral, crise hipertensiva, etc.). Órgãos respiratórios Os biorritmos mudam sob a influência de tempestades magnéticas. A condição de alguns pacientes piora antes das tempestades magnéticas e de outros depois. A adaptabilidade desses pacientes às condições das tempestades magnéticas é muito baixa.

Diapositivo 9

Parte prática

Objectivo: recolher dados sobre o número de chamadas de ambulância em 2008 e tirar conclusões. Descobrir a correlação entre morbidade infantil e tempestades magnéticas.