A mágnesesség a fizika egyik ága. Mágnesesség bábukhoz: alapképletek, definíciók, példák

Elektromos térerősség

Az elektromos térerősség a mezőre jellemző vektor, egy adott referenciarendszerben nyugalmi egységnyi elektromos töltésre ható erő.

A feszültséget a következő képlet határozza meg:

$E↖(→)=(F↖(→))/(q)$

ahol $E↖(→)$ a térerősség; $F↖(→)$ a mező adott pontjában elhelyezett $q$ töltésre ható erő. A $E↖(→)$ vektor iránya egybeesik a pozitív töltésre ható erő irányával és ellentétes a negatív töltésre ható erő irányával.

A feszültség SI mértékegysége volt per méter (V/m).

Ponttöltés térerőssége. A Coulomb-törvény szerint egy $q_0$ ponttöltés egy másik $q$ töltésre akkora erővel hat

$F=k(|q_0||q|)/(r^2)$

Egy $q_0$ ponttöltés térerősségének modulusa tőle $r$ távolságban egyenlő

$E=(F)/(q)=k(|q_0|)/(r^2)$

Az intenzitásvektor az elektromos tér bármely pontjában az ezt a pontot és a töltést összekötő egyenes mentén irányul.

Elektromos erővonalak

Az elektromos teret a térben általában erővonalak ábrázolják. Az erővonalak fogalmát M. Faraday vezette be a mágnesesség tanulmányozása során. Ezt a koncepciót azután J. Maxwell dolgozta ki az elektromágnesességgel kapcsolatos kutatásai során.

Az erővonal vagy az elektromos térerősség vonala olyan egyenes, amelynek érintője minden pontban egybeesik a mező adott pontjában elhelyezkedő pozitív ponttöltésre ható erő irányával.

Pozitív töltésű golyó feszültségvonalai;

Két ellentétes töltésű golyó feszültségvonalai;

Két hasonló töltésű golyó feszítővonalai

Két különböző előjelű, de abszolút értékű töltésekkel feltöltött lemez feszültségvonalai.

Az utolsó ábrán látható feszültségvonalak a lemezek közötti térben szinte párhuzamosak, sűrűségük azonos. Ez arra utal, hogy a tér ebben a régiójában egységes a mező. Az elektromos teret homogénnek nevezzük, ha ereje a tér minden pontjában azonos.

Elektrosztatikus térben az erővonalak nincsenek zárva, mindig pozitív töltésekkel kezdődnek és negatív töltésekkel végződnek. Sehol nem metszik egymást, a térerősség irányának a metszéspontjában a metszéspontja jelezné. A térvonalak sűrűsége nagyobb töltött testek közelében, ahol nagyobb a térerősség.

Egy feltöltött labda mezője. Egy töltött vezető golyó térerősségét a golyó középpontjától a sugarát meghaladó távolságban $r≥R$ ugyanaz a képlet határozza meg, mint a ponttöltés mezőit. Ezt bizonyítja a mezővonalak eloszlása, hasonlóan a ponttöltés intenzitásvonalainak eloszlásához.

A labda töltete egyenletesen oszlik el a felületén. A vezető labdán belül a térerősség nulla.

Mágneses mező. Mágnes kölcsönhatás

Az állandó mágnesek közötti kölcsönhatás jelensége (mágneses tű létrehozása a Föld mágneses meridiánja mentén, az eltérő pólusok vonzása, a hasonló pólusok taszítása) ősidők óta ismert, és W. Gilbert is szisztematikusan tanulmányozta (az eredményeket 1600-ban megjelent „A mágnesről, a mágneses testekről és a nagy mágnesről – Földről” című értekezésében.

Természetes (természetes) mágnesek

Egyes természetes ásványok mágneses tulajdonságait már az ókorban is ismerték. Így több mint 2000 évvel ezelőtti írásos bizonyítékok állnak rendelkezésre a természetes állandó mágnesek iránytűként való használatáról Kínában. A mágnesek vonzását és taszítását, valamint a vasreszelékek általuk történő mágnesezését az ókori görög és római tudósok művei említik (például Lucretius Cara „A dolgok természetéről” című versében).

A természetes mágnesek mágneses vasérc (magnetit) darabok, amelyek $FeO$-ból (31%) és $Fe_2O$-ból (69%) állnak. Ha egy ilyen ásványi darabot kis vastárgyak - szögek, fűrészpor, vékony penge stb. - közelébe visznek, vonzódni fognak hozzá.

Mesterséges állandó mágnesek

Állandómágnes- ez egy olyan anyagból készült termék, amely állandó mágneses tér autonóm (független, izolált) forrása.

A mesterséges állandó mágnesek speciális ötvözetekből készülnek, amelyek magukban foglalják a vasat, nikkelt, kobaltot stb. Ezek a fémek mágneses tulajdonságokat szereznek (mágneseznek), ha az állandó mágnesekhez közel helyezik őket. Ezért ahhoz, hogy állandó mágneseket készítsenek belőlük, speciálisan erős mágneses mezőben tartják őket, ami után maguk is állandó mágneses tér forrásaivá válnak, és hosszú ideig képesek megőrizni a mágneses tulajdonságokat.

Az ábrán egy ív- és mágnesszalag látható.

ábrán. a mágnesek mágneses mezőinek képei láthatók, amelyeket M. Faraday először alkalmazott kutatásai során: vasreszelékek segítségével, amelyeket egy papírlapra szórtak, amelyen a mágnes fekszik. Minden mágnesnek két pólusa van - ezek a mágneses erővonalak legnagyobb koncentrációjának helyei (ezeket is hívják mágneses erővonalak, vagy mágneses indukciós mező vonalai). Ezek azok a helyek, amelyekhez leginkább vonzódnak a vasreszelékek. Az egyik pólust általában ún északi(($N$), egyéb - déli($S$). Ha két mágnest közel hozol egymáshoz hasonló pólusokkal, láthatod, hogy taszítják, ha pedig ellentétes pólusúak, akkor vonzzák.

ábrán. jól látható, hogy a mágnes mágneses vonalai zárt sorok. Két egymással szemben lévő, hasonló és eltérő pólusú mágnes mágneses erővonalai láthatók. Ezeknek a festményeknek a központi része két (ellentétes és hasonló) töltésű elektromos mező mintázatához hasonlít. Jelentős különbség azonban az elektromos és a mágneses mezők között, hogy az elektromos erővonalak töltéseknél kezdődnek és végződnek. Mágneses töltések nem léteznek a természetben. A mágneses erővonalak elhagyják a mágnes északi pólusát, és belépnek a délibe, a mágnes testében folytatódnak, azaz, mint fentebb említettük, zárt vonalak. Azokat a mezőket, amelyek mezővonalai zártak, hívjuk örvény. A mágneses tér örvénytér (ez a különbség az elektromostól).

Mágnesek alkalmazása

A legősibb mágneses eszköz a jól ismert iránytű. A modern technológiában a mágneseket nagyon széles körben használják: villanymotorokban, rádiótechnikában, elektromos mérőberendezésekben stb.

A Föld mágneses tere

A földgömb egy mágnes. Mint minden mágnesnek, ennek is megvan a maga mágneses tere és saját mágneses pólusai. Ez az oka annak, hogy az iránytű tűje egy bizonyos irányba van orientálva. Világos, hogy pontosan hova kell mutatnia a mágnestű északi pólusának, mert ellentétes pólusok vonzzák. Ezért a mágnestű északi pólusa a Föld déli mágneses pólusára mutat. Ez a pólus a földgömb északi részén található, kissé távolabb az északi földrajzi pólustól (a Prince of Wales-szigeten - kb. 75°$ északi szélesség és 99°$ nyugati hosszúság, kb. 2100$ km távolságra az északi földrajzi területtől pólus).

Az északi földrajzi pólushoz közeledve a Föld mágneses mezejének erővonalai egyre nagyobb szögben billennek a horizont felé, a déli mágneses pólus tartományában pedig függőlegessé válnak.

A Föld északi mágneses pólusa a déli földrajzi pólus közelében található, nevezetesen a déli szélesség 66,5°$-os és a keleti hosszúság 140°$-a. Itt lépnek ki a mágneses erővonalak a Földből.

Más szóval, a Föld mágneses pólusai nem esnek egybe a földrajzi pólusaival. Ezért a mágneses tű iránya nem esik egybe a földrajzi meridián irányával, és az iránytű mágneses tűje csak hozzávetőlegesen mutatja az északi irányt.

Az iránytűt bizonyos természeti jelenségek is befolyásolhatják, pl. mágneses viharok, amelyek a Föld mágneses mezőjében a naptevékenységgel összefüggő átmeneti változások. A naptevékenységet töltött részecskék, különösen elektronok és protonok sugárzása kíséri a Nap felszínéről. Ezek a nagy sebességgel mozgó patakok saját mágneses mezőt hoznak létre, amely kölcsönhatásba lép a Föld mágneses mezőjével.

A földgömbön (kivéve a mágneses tér rövid távú változásait) vannak olyan területek, ahol a mágnestű iránya állandóan eltér a Föld mágneses vonalának irányától. Ezek azok a területek mágneses anomália(a görög anomáliából - eltérés, rendellenesség). Az egyik legnagyobb ilyen terület a Kurszki mágneses anomália. Az anomáliákat a viszonylag sekély mélységben található hatalmas vasérclerakódások okozzák.

A Föld mágneses tere megbízhatóan védi a Föld felszínét a kozmikus sugárzástól, melynek élő szervezetekre gyakorolt ​​hatása pusztító.

A bolygóközi űrállomások és hajók repülései lehetővé tették annak megállapítását, hogy a Holdnak és a Vénusz bolygónak nincs mágneses tere, míg a Mars bolygón nagyon gyenge.

Oerstedai ​​​​Ampere kísérletei. Mágneses tér indukció

1820-ban a dán tudós, G. H. Oersted felfedezte, hogy egy olyan vezető közelében elhelyezett mágneses tű forog, amelyen keresztül áramlik, és merőleges a vezetőre.

G. H. Oersted kísérletének diagramja az ábrán látható. Az áramforrás áramkörében lévő vezető a mágnestű felett helyezkedik el, annak tengelyével párhuzamosan. Amikor az áramkör zárva van, a mágneses tű eltér az eredeti helyzetétől. Az áramkör nyitásakor a mágnestű visszatér eredeti helyzetébe. Ebből következik, hogy az áramvezető vezető és a mágnestű kölcsönhatásba lép egymással. E kísérlet alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy van egy mágneses tér, amely a vezetőben áramló áramhoz és ennek a mezőnek az örvényszerűségéhez kapcsolódik. A leírt kísérlet és annak eredményei Oersted legfontosabb tudományos eredményei voltak.

Ugyanebben az évben Ampere francia fizikus, aki érdeklődött Oersted kísérletei iránt, felfedezte két egyenes vezető és az áram kölcsönhatását. Kiderült, hogy ha a vezetőkben az áramok egy irányban haladnak, azaz párhuzamosak, akkor a vezetők vonzanak, ha ellentétes irányúak (azaz ellenpárhuzamosak), akkor taszítják.

Az áramvezetők közötti kölcsönhatásokat, azaz a mozgó elektromos töltések közötti kölcsönhatásokat mágnesesnek, az áramvezetők egymásra ható erőit pedig mágneses erőknek nevezzük.

A rövid hatótávolságú hatás elmélete szerint, amelyhez M. Faraday ragaszkodott, az egyik vezetőben lévő áram nem befolyásolhatja közvetlenül a másik vezető áramát. Hasonlóan az álló elektromos töltésekhez, amelyek körül elektromos tér van, arra a következtetésre jutottak az áramlatokat körülvevő térben mágneses tér van, amely valamilyen erővel hat egy másik, ebbe a mezőbe helyezett áramvezető vezetékre vagy egy állandó mágnesre. A második áramvezető által létrehozott mágneses tér viszont az első vezetőben lévő áramra hat.

Ahogyan az elektromos mezőt az ebbe a mezőbe bevitt teszttöltésre gyakorolt ​​hatása alapján észleljük, a mágneses mezőt a mágneses mezőnek a kereten lévő orientáló hatása révén lehet kimutatni, kis áramerősséggel (azokhoz a távolságokhoz képest, amelyeknél a mágneses tér mező észrevehetően megváltozik) méretei.

A keretet áramot adó vezetékeket össze kell fonni (vagy egymáshoz közel helyezni), ekkor a mágneses tér által ezekre a vezetékekre kifejtett erő nulla lesz. Az ilyen áramhordozó keretre ható erők úgy forgatják el, hogy síkja merőleges lesz a mágneses tér indukciós vonalaira. A példában a keret úgy fog forogni, hogy az áramvezető vezeték a keret síkjában legyen. Amikor az áram iránya a vezetőben megváltozik, a keret 180°$-ral elfordul. Az állandó mágnes pólusai közötti mezőben a keret a mágnes mágneses erővonalaira merőleges síkkal fog elfordulni.

Mágneses indukció

A mágneses indukció ($B↖(→)$) egy vektorfizikai mennyiség, amely a mágneses teret jellemzi.

A $B↖(→)$ mágneses indukciós vektor iránya a következő:

1) mágneses térben szabadon elhelyezett mágnestű iránya a $S$ déli pólustól az $N$ északi pólusig, vagy

2) a pozitív normál iránya egy zárt áramkörhöz, rugalmas felfüggesztésen, szabadon elhelyezve mágneses térben. Pozitívnak számít az a normál (jobbmenetes) karikatúra hegyének mozgása felé, amelynek fogantyúja a keretben az áram irányába van elforgatva.

Nyilvánvaló, hogy az 1) és 2) irány egybeesik, amit Ampere kísérletei határoztak meg.

Ami a mágneses indukció nagyságát (azaz modulusát) $B$ illeti, amely a tér erősségét jellemezheti, a kísérletek megállapították, hogy az a maximális erő $F$, amellyel a tér egy (merőlegesen elhelyezett) áramvezető vezetőre hat. az indukciós vonalak mágneses mezőjéhez), függ a vezetőben lévő $I$ áramerősségtől és annak $∆l$ hosszától (ezekkel arányos). Az áramelemre ható (egységnyi hosszúságú és áramerősségű) erő azonban csak magától a mezőtől függ, azaz egy adott mezőre vonatkozó $(F)/(I∆l)$ arány állandó érték (hasonlóan a erő/töltés aránya elektromos térre). Ezt az értéket a következőképpen határozzuk meg mágneses indukció.

A mágneses tér indukciója egy adott pontban egyenlő az áramot vezető vezetőre ható maximális erő és a vezető hosszának és az erre a pontra helyezett vezetékben lévő áramerősség arányával.

Minél nagyobb a mágneses indukció a mező adott pontjában, annál nagyobb erő hat a tér azon a pontján egy mágneses tűre vagy egy mozgó elektromos töltésre.

A mágneses indukció SI mértékegysége tesla(Tl), Nikola Tesla szerb villamosmérnökről nevezték el. A képletből látható, hogy $1$ T $=l(H)/(A m)$

Ha a mágneses térnek több különböző forrása van, amelyek indukciós vektorai a tér adott pontjában egyenlőek: $(В_1)↖(→), (В_2)↖(→), (В_3)↖(→),. ..$, akkor szerint a mezőszuperpozíció elve, a mágneses tér indukciója ezen a ponton egyenlő a létrehozott mágneses tér indukciós vektorok összegével minden forrás.

$В↖(→)=(В_1)↖(→)+(В_2)↖(→)+(В_3)↖(→)+...$

Mágneses indukciós vonalak

A mágneses tér megjelenítésére M. Faraday bevezette a koncepciót mágneses erővonalak, amelyet kísérletei során többször is bebizonyított. Kartonra szórt vasreszelékkel könnyen képet kaphatunk a terepvonalakról. Az ábrán láthatók: egyenáram mágneses indukciós vonalai, mágnesszelep, köráram, egyen mágnes.

Mágneses indukciós vonalak, vagy mágneses erővonalak, vagy egyszerűen mágneses vonalak olyan egyeneseknek nevezzük, amelyek érintői bármely pontban egybeesnek a mező ezen pontjában lévő $B↖(→)$ mágneses indukciós vektor irányával.

Ha vasreszelék helyett kis mágneses tűket helyezünk egy hosszú, egyenes áramvezető vezeték köré, akkor nemcsak a térerővonalak (koncentrikus körök) konfigurációját láthatjuk, hanem a térvonalak irányát is (az északi pólus). a mágnestű az indukciós vektor irányát jelzi egy adott pontban).

Az előremenő áram mágneses tér iránya meghatározható jobb gimlet szabály.

Ha a gimlet fogantyúját úgy forgatja, hogy a kardán hegyének transzlációs mozgása az áram irányát jelezze, akkor a kardán fogantyújának forgásiránya az áram mágneses erővonalainak irányát jelzi.

Az előremenő áram mágneses tér iránya is meghatározható a segítségével a jobb kéz első szabálya.

Ha jobb kezével megfogja a vezetőt, és a behajlított hüvelykujját az áram irányába irányítja, akkor a megmaradt ujjak hegyei minden ponton az indukciós vektor irányát mutatják az adott ponton.

Vortex mező

A mágneses indukciós vonalak zártak, ami azt jelzi, hogy a természetben nincsenek mágneses töltések. Azokat a mezőket, amelyek mezővonalai zártak, örvénymezőknek nevezzük. Vagyis a mágneses tér örvénytér. Ez eltér a töltések által létrehozott elektromos tértől.

Szolenoid

A mágnesszelep egy huzaltekercs, amely áramot szállít.

A mágnesszelepet a $n$ egységnyi hosszon, $l$ hosszon és $d$ átmérőnkénti fordulatok száma jellemzi. A szolenoidban lévő huzal vastagsága és a spirál menetemelkedése (spirálvonal) kicsi a $d$ átmérőjéhez és $l$ hosszához képest. A „szolenoid” kifejezést tágabb értelemben is használják - így nevezik azokat a tekercseket, amelyek tetszőleges keresztmetszetűek (négyzet alakú mágnesszelep, téglalap alakú mágnesszelep), és nem feltétlenül hengeres alakúak (toroid mágneses). Van hosszú mágnesszelep ($l>>d$) és rövid ($l

A mágnesszelepet 1820-ban A. Ampere találta fel, hogy fokozza az X. Oersted által felfedezett és D. Arago által az acélrudak mágnesezésével kapcsolatos kísérletekben használt áram mágneses hatását. A szolenoid mágneses tulajdonságait Ampere kísérletileg tanulmányozta 1822-ben (ugyanakkor bevezette a „szolenoid” kifejezést). Megállapították a mágnesszelep és az állandó természetes mágnesek egyenértékűségét, ami megerősítette Ampere elektrodinamikai elméletét, amely a mágnesességet a testekben elrejtett gyűrűs molekuláris áramok kölcsönhatásával magyarázta.

A szolenoid mágneses erővonalait az ábra mutatja. Ezen vonalak irányát a segítségével határozzuk meg a jobb kéz második szabálya.

Ha a mágnesszelepet a jobb tenyerével összefogja, négy ujját az áram mentén irányítva a kanyarokban, akkor a kinyújtott hüvelykujj jelzi a mágneses vonalak irányát a szolenoid belsejében.

Ha összehasonlítjuk a mágnestekercs mágneses terét egy állandó mágnes mezőjével, láthatjuk, hogy nagyon hasonlóak. A mágneshez hasonlóan a mágnesszelepnek is két pólusa van - északi ($N$) és déli ($S$). Az északi pólus az, ahonnan mágneses vonalak emelkednek ki; a déli sarkon lépnek be. A mágnesszelep északi pólusa mindig azon az oldalon található, amelyre a tenyér hüvelykujja mutat, amikor a jobb kéz második szabályának megfelelően van elhelyezve.

Mágnesként egy tekercs formájú, nagy fordulatszámú mágnesszelepet használnak.

A szolenoid mágneses terének vizsgálatai azt mutatják, hogy a szolenoid mágneses hatása növekszik az áramerősség és a szolenoid fordulatszámának növekedésével. Ezen túlmenően a mágnestekercs vagy az áramvezető tekercs mágneses hatását fokozzák, ha vasrudat vezetünk bele, ami ún. mag

Elektromágnesek

Egy vasmagos mágnesszelepet nevezünk elektromágnes.

Az elektromágnesek nem egy, hanem több tekercset (tekercset) tartalmazhatnak, és különböző alakú magjai lehetnek.

Ilyen elektromágnest először W. Sturgeon angol feltaláló épített meg 1825-ben. 0,2 USD kg tömegével W. Sturgeon elektromágnese 36 USD N súlyú terhelést tartott. Ugyanebben az évben J. Joule növelte a elektromágnes 200 $ N-ra, majd hat évvel később J. Henry amerikai tudós épített egy 300 $ kg súlyú elektromágnest, amely 1 $ t súlyú terhet képes elviselni!

A modern elektromágnesek több tíz tonna súlyú terheket is képesek felemelni. A gyárakban nehéz vas- és acéltermékek mozgatásakor használják. Az elektromágneseket a mezőgazdaságban és más iparágakban is használják számos növény szemének megtisztítására a gyomoktól.

Amper teljesítmény

A $∆l$ vezeték azon egyenes szakaszára, amelyen $I$ áram folyik, $B$ indukciójú mágneses térben $F$ erő hat.

Ennek az erőnek a kiszámításához használja a következő kifejezést:

$F=B|I|∆lsinα$

ahol $α$ a $B↖(→)$ vektor és a vezetőszakasz árammal (áramelem) iránya közötti szög; Az áramelem irányának azt az irányt vesszük, amelyben az áram áthalad a vezetőn. Az $F$ erőt nevezzük Amper erő A. M. Ampere francia fizikus tiszteletére, aki elsőként fedezte fel a mágneses mező hatását az áramvezetőre. (Valójában Ampere felállított egy törvényt az áramvezető vezetők két eleme közötti kölcsönhatás erejére. A nagy hatótávolságú hatás elméletének híve volt, és nem használta a mező fogalmát.

A hagyomány szerint és a tudós érdemeinek emlékére azonban a mágneses tér áramvezető vezetőjére ható erő kifejezését Ampere-törvénynek is nevezik.)

Az Amper erő irányát a bal oldali szabály segítségével határozzuk meg.

Ha bal kezed tenyerét úgy helyezed el, hogy a mágneses erővonalak merőlegesen menjenek be, és a négy kinyújtott ujj jelzi az áram irányát a vezetőben, akkor a kinyújtott hüvelykujj az áramerősségre ható erő irányát jelzi. hordozó karmester. Így az Amper-erő mindig merőleges mind a mágneses tér indukciós vektorára, mind a vezetőben lévő áram irányára, azaz merőleges arra a síkra, amelyben ez a két vektor található.

Az Amper-erő következménye az áramot szállító keret állandó mágneses térben való forgása. Ez számos eszközben gyakorlati alkalmazásra talál, pl. elektromos mérőműszerek- galvanométerek, ampermérők, ahol egy mozgatható keret forog árammal az állandó mágnes terében és a kerethez rögzített mutató eltérítési szöge alapján, meg lehet ítélni az áramkörben folyó áram nagyságát.

A mágneses tér forgó hatásának köszönhetően az áramvezető kereten lehetővé vált a létrehozása és használata is villanymotorok- olyan gépek, amelyekben az elektromos energiát mechanikai energiává alakítják.

Lorentz erő

A Lorentz-erő olyan erő, amely külső mágneses térben mozgóponti elektromos töltésre hat.

H. A. Lorenz holland fizikus a 19. század végén. megállapította, hogy a mágneses tér által a mozgó töltött részecskére kifejtett erő mindig merőleges a részecske mozgási irányára és annak a mágneses mezőnek az erővonalaira, amelyben ez a részecske mozog.

A Lorentz-erő iránya a bal oldali szabály segítségével határozható meg.

Ha bal kezed tenyerét úgy helyezed el, hogy a négy kinyújtott ujj a töltés mozgásának irányát jelölje, és a mágneses indukciós tér vektora a tenyérbe kerül, akkor a kinyújtott hüvelykujj jelzi a rá ható Lorentz-erő irányát. a pozitív töltés.

Ha a részecske töltése negatív, akkor a Lorentz-erő az ellenkező irányba fog irányulni.

A Lorentz-erő modulusa könnyen meghatározható az Ampere-törvényből, és a következő:

ahol $q$ a részecske töltése, $υ$ mozgásának sebessége, $α$ a sebesség és a mágneses tér indukciós vektora közötti szög.

Ha a mágneses téren kívül olyan elektromos tér is van, amely $(F_(el))↖(→)=qE↖(→)$ erővel hat a töltésre, akkor a töltésre ható összerő egyenlő:

$F↖(→)=(F_(el))↖(→)+(F_l)↖(→)$

Ezt a teljes erőt gyakran Lorentz-erőnek, a $F=|q|υBsinα$ képlettel kifejezett erőt pedig a Lorentz-erő mágneses része.

Mivel a Lorentz-erő merőleges a részecske mozgási irányára, nem tudja megváltoztatni a sebességét (nem működik), hanem csak a mozgás irányát tudja megváltoztatni, azaz meghajlítja a pályát.

Az elektronok pályájának ezt a görbületét a TV-képcsőben könnyű megfigyelni, ha állandó mágnest visz a képernyőjére: a kép torz lesz.

Töltött részecske mozgása egyenletes mágneses térben. Hagyja, hogy egy töltött részecske $υ$ sebességgel repüljön a feszültségvonalakra merőleges egyenletes mágneses térbe. A mágneses tér által a részecskére kifejtett erő hatására egyenletesen forog egy r sugarú körben, amit Newton második törvénye, a centripetális gyorsulás kifejezése és a $F=|q|υBsinα$ képlet segítségével könnyű megtalálni:

$(mυ^2)/(r)=|q|υB$

Innen kapunk

$r=(mυ)/(|q|B)$

ahol $m$ a részecske tömege.

A Lorentz-erő alkalmazása. A mágneses tér mozgó töltésekre gyakorolt ​​hatását használják például tömegspektrográfok, amelyek lehetővé teszik a töltött részecskék fajlagos töltéseik, azaz a részecske töltésének és tömegének aránya alapján történő elkülönítését, valamint a kapott eredményekből a részecskék tömegének pontos meghatározását.

A készülék vákuumkamrája egy mezőbe kerül (a $B↖(→)$ indukciós vektor merőleges az ábrára). Az elektromos tér által felgyorsított, feltöltött részecskék (elektronok vagy ionok), amelyek ívet írtak le, a fényképezőlapra esnek, ahol olyan nyomot hagynak, amely lehetővé teszi a $r$ pálya sugarának nagy pontosságú mérését. Ez a sugár határozza meg az ion fajlagos töltését. Egy ion töltésének ismeretében könnyű kiszámítani a tömegét.

Az anyagok mágneses tulajdonságai

Az állandó mágnesek mágneses tere létezésének megmagyarázására Ampere azt javasolta, hogy mikroszkopikus körkörös áramok léteznek egy mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagban (ezeket ún. molekuláris). Ez az elképzelés az elektron felfedezése és az atom szerkezetének felfedezése után fényesen beigazolódott: ezek az áramok az elektronok atommag körüli mozgása által jönnek létre, és azonos orientációjuk révén összességében mezőt hoznak létre körül és belül. a mágnes.

ábrán. a síkok, amelyekben az elemi elektromos áramok elhelyezkednek, az atomok kaotikus hőmozgása miatt véletlenszerűen orientáltak, és az anyag nem mutat mágneses tulajdonságokat. Mágneses állapotban (például külső mágneses tér hatására) ezek a síkok azonosan orientáltak, és hatásuk összeadódik.

Mágneses permeabilitás. A közeg reakcióját egy külső mágneses tér hatására $B_0$ indukcióval (vákuumtér) a $μ$ mágneses szuszceptibilitás határozza meg:

ahol $B$ a mágneses tér indukciója az anyagban. A mágneses permeabilitás hasonló a $ε$ dielektromos állandóhoz.

Mágneses tulajdonságaik alapján az anyagokat felosztják Diamágnesek, paramágnesek és ferromágnesek. Diamágneses anyagoknál a közeg mágneses tulajdonságait jellemző $μ$ együttható kisebb, mint $1$ (például bizmutnál $μ = 0,999824$); paramágneseknél $μ > 1$ (platinánál $μ = 1,00036 $); ferromágneseknél $μ >> 1$ (vas, nikkel, kobalt).

A diamágneseket mágnes taszítja, a paramágneses anyagokat vonzza. Ezen jellemzők alapján megkülönböztethetők egymástól. A legtöbb anyag esetében a mágneses permeabilitás gyakorlatilag nem különbözik az egységtől, csak a ferromágneseknél haladja meg ezt jelentősen, elérve a több tízezer egységet.

Ferromágnesek. A ferromágnesek mutatják a legerősebb mágneses tulajdonságokat. A ferromágnesek által létrehozott mágneses mezők sokkal erősebbek, mint a külső mágnesező tér. Igaz, a ferromágnesek mágneses tere nem az elektronok atommagok körüli forgása következtében jön létre - orbitális mágneses momentum, és az elektron saját forgása miatt - saját mágneses momentuma, az ún spin.

A Curie-hőmérséklet ($T_c$) az a hőmérséklet, amely felett a ferromágneses anyagok elvesztik mágneses tulajdonságaikat. Ez minden ferromágnesnél más. Például vasnál $Т_с = 753°$С, nikkelnél $Т_с = 365°$С, kobaltnál $Т_с = 1000°$ С Vannak ferromágneses ötvözetek, amelyek értéke $Т_с

A ferromágnesek mágneses tulajdonságainak első részletes vizsgálatát a kiváló orosz fizikus, A. G. Stoletov (1839-1896) végezte.

A ferromágneseket nagyon széles körben használják: állandó mágnesként (elektromos mérőműszerekben, hangszórókban, telefonokban stb.), acélmagként transzformátorokban, generátorokban, villanymotorokban (a mágneses tér fokozása és az elektromosság megtakarítása érdekében). A ferromágneses anyagokból készült mágnesszalagok hangot és képet rögzítenek magnetofonokhoz és videomagnókhoz. Az információkat vékony mágneses fóliákra rögzítik az elektronikus számítógépek tárolóeszközeihez.

Lenz szabálya

A Lenz-szabályt (Lenz-törvényt) E. H. Lenz állapította meg 1834-ben. Finomítja az elektromágneses indukció törvényét, amelyet M. Faraday fedezett fel 1831-ben. A Lenz-szabály határozza meg az indukált áram irányát zárt hurokban, amikor az külső mágneses térben mozog.

Az indukciós áram iránya mindig olyan, hogy a mágneses térből származó erők ellensúlyozzák az áramkör mozgását, és az ezen áram által létrehozott mágneses fluxus $Ф_1$ kompenzálja a külső mágneses fluxus $Ф_e$ változásait.

A Lenz-törvény az elektromágneses jelenségek energiamaradásának törvényének kifejezése. Valóban, amikor egy zárt hurok mágneses térben mozog külső erők hatására, akkor bizonyos munkát kell végezni azokkal az erőkkel szemben, amelyek az indukált áram és a mágneses tér kölcsönhatása következtében keletkeznek, és a mozgással ellentétes irányba irányulnak. .

Lenz szabályát az ábra szemlélteti. Ha az állandó mágnest egy galvanométerhez zárt tekercsbe helyezik, akkor a tekercsben indukált áram olyan irányú lesz, hogy olyan mágneses teret hozzon létre, amelynek $B"$ vektora a mágnes tere $B$ indukciós vektorával ellentétes irányban irányul, azaz kinyomja a mágnest a tekercsből, vagy megzavarja a mozgását.Ha egy mágnest kihúznak a tekercsből, ellenkezőleg, az indukciós áram által létrehozott mező vonzza a tekercset, azaz ismét akadályozza a mozgását.

A Lenz-szabály alkalmazásához az áramkörben indukált $I_e$ áram irányának meghatározására, kövesse ezeket az ajánlásokat.

1. Állítsa be a külső mágneses tér $B↖(→)$ mágneses indukciós vonalainak irányát.
2. Nézze meg, hogy ennek a mezőnek a mágneses indukciós fluxusa a körvonal által határolt felületen keresztül ($∆Ф > 0$) növekszik vagy csökken ($∆Ф
3. Állítsa be az indukált áram $I_i$ mágneses mezőjének $В"↖(→)$ mágneses indukciós vonalainak irányát. Ezeket a vonalakat Lenz szabálya szerint a $В↖(→)$ vonalakkal ellentétes irányba kell irányítani. , ha $∆Ф > 0$, és irányuk megegyezik velük, ha $∆Ф
4. A $B"↖(→)$ mágneses indukciós vonalak irányának ismeretében határozza meg a $I_i$ indukciós áram irányát gimlet szabály.

Az elektromosság és a mágnesesség képlete. Az elektrodinamika alapjainak tanulmányozása hagyományosan az elektromos térrel vákuumban kezdődik. Két ponttöltés közötti kölcsönhatási erő kiszámításához és a ponttöltés által létrehozott elektromos tér erősségének kiszámításához tudnia kell a Coulomb-törvényt. A kiterjesztett töltések (töltött menet, sík stb.) által létrehozott térerősségek kiszámításához Gauss-tételt használjuk. Az elektromos töltések rendszeréhez az elvet kell alkalmazni

Az "egyenáram" téma tanulmányozásakor figyelembe kell venni az Ohm- és Joule-Lenz-törvényeket minden formában A "mágnesesség" tanulmányozása során szem előtt kell tartani, hogy a mágneses mezőt mozgó töltések generálják, és a mozgó töltésekre hat. Itt érdemes figyelni a Biot-Savart-Laplace törvényre. Különös figyelmet kell fordítani a Lorentz-erőre, és figyelembe kell venni a töltött részecske mozgását a mágneses térben.

Az elektromos és mágneses jelenségeket az anyag létezésének egy különleges formája – az elektromágneses tér – köti össze. Az elektromágneses tér elméletének alapja Maxwell elmélete.

Az elektromosság és a mágnesesség alapképleteinek táblázata

Fizikai törvények, képletek, változók	Az elektromosság és a mágnesesség képlete
Coulomb törvénye: Ahol q 1 és q 2 - a ponttöltések értékei,— 1 - elektromos állandó; ε - izotróp közeg dielektromos állandója (vákuum esetén ε = 1), r a töltések közötti távolság.
Elektromos térerősség: ahol Ḟ - a töltetre ható erő q 0 , amely a mező adott pontján található.
Térerősség a térforrástól r távolságra: 1) pontdíj 2) végtelenül hosszú töltött menet τ lineáris töltéssűrűséggel: 3) egyenletes töltésű végtelen sík felületi töltéssűrűséggel σ: 4) két ellentétes töltésű sík között
Elektromos tér potenciál: ahol W a töltés potenciális energiája q 0 .
Ponttöltés térpotenciálja a töltéstől r távolságra:
A mezőszuperpozíció elve szerint a feszültség:
Lehetséges: ahol Ē i és ϕ i- feszültség és potenciál az i-edik töltés által létrehozott mező adott pontjában.
Az elektromos tér által végzett munka arra kényszeríti, hogy a q töltést egy potenciállal rendelkező pontból elmozdítsaϕ 1 potenciállal rendelkező pontigϕ 2:
A feszültség és a potenciál kapcsolata 1) nem egységes mező esetén: 2) egységes mezőre:
Magányos vezető elektromos kapacitása:
A kondenzátor kapacitása:
Lapos kondenzátor elektromos kapacitása: ahol S a kondenzátor lapjának (egyik) területe, d a lemezek közötti távolság.
Töltött kondenzátor energiája:
Jelenlegi erősség:
Pillanatnyi sűrűség: ahol S a vezető keresztmetszete.
Vezető ellenállás: l a vezető hossza; S a keresztmetszeti terület.
Ohm törvénye 1) a lánc homogén szakaszára: 2) differenciált formában: 3) az áramkör EMF-et tartalmazó szakaszára: ahol ε az áramforrás emf-je, R és r - az áramkör külső és belső ellenállása; 4) zárt áramkör esetén:
Joule-Lenz törvény 1) egy egyenáramú áramkör homogén szakaszára: ahol Q az áramvezetőben felszabaduló hő mennyisége, t - aktuális áthaladási idő; 2) az áramkör egy szakaszára, amelynek áramerőssége idővel változik:
Jelenlegi teljesítmény:
A mágneses indukció és a mágneses térerősség kapcsolata: ahol B a mágneses indukciós vektor, μ √ izotróp közeg mágneses permeabilitása (vákuum esetén μ = 1), µ 0 - mágneses állandó, H - mágneses térerősség.
Mágneses indukció(mágneses tér indukció): 1) a köráram közepén ahol R a köráram sugara, 2) végtelen hosszú előremenő áramú mezők ahol r a vezető tengelyének legrövidebb távolsága; 3) az árammal rendelkező vezetőszakasz által létrehozott mező ahol ɑ 1 és ɑ 2 - szögek a vezetőszakasz és a szakasz végeit és a mezőpontot összekötő vonal között; 4) végtelenül hosszú mágnesszelep mezői ahol n a mágnesszelep egységnyi hosszára eső fordulatok száma.

Az elmúlt 50 évben a tudomány minden ága gyorsan előrelépett. De a mágnesesség és a gravitáció természetéről szóló számos folyóirat elolvasása után arra a következtetésre juthatunk, hogy az embernek még több kérdése van, mint korábban.

A mágnesesség és a gravitáció természete

Mindenki számára nyilvánvaló és világos, hogy a feldobott tárgyak gyorsan a földre esnek. Mi vonzza őket? Nyugodtan feltételezhetjük, hogy ismeretlen erők vonzzák őket. Ugyanezeket az erőket nevezzük természetes gravitációnak. Ezt követően sok vitával, találgatással, feltételezéssel és kérdéssel szembesül minden érdeklődő. Mi a mágnesesség természete? Mik ezek Milyen hatás hatására alakulnak ki? Mi a lényegük és a gyakoriságuk? Hogyan hatnak ezek a környezetre és minden emberre külön-külön? Hogyan lehet ezt a jelenséget ésszerűen felhasználni a civilizáció javára?

Mágnesesség fogalma

A tizenkilencedik század elején Oersted Hans Christian fizikus felfedezte az elektromos áram mágneses terét. Ez lehetővé tette annak feltételezését, hogy a mágnesesség természete szorosan összefügg az egyes létező atomok belsejében képződő elektromos árammal. Felmerül a kérdés: milyen jelenségek magyarázhatják a földi mágnesesség természetét?

Ma már megállapították, hogy a mágnesezett tárgyakban a mágneses mezőket nagyobb mértékben az elektronok generálják, amelyek folyamatosan forognak a tengelyük körül és egy létező atom magja körül.

Régóta megállapították, hogy az elektronok kaotikus mozgása valódi elektromos áram, és annak áthaladása mágneses mező keletkezését váltja ki. Összefoglalva ezt a részt, nyugodtan kijelenthetjük, hogy az elektronok az atomokon belüli kaotikus mozgásuk miatt atomon belüli áramokat generálnak, amelyek viszont hozzájárulnak a mágneses mező létrehozásához.

De mi az oka annak, hogy a különböző anyagokban a mágneses mezőnek jelentős eltérései vannak a saját nagyságrendjében, valamint különböző mágneses erőkben? Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az atomokban a független elektronok mozgási tengelyei és pályái egymáshoz képest különböző pozíciókban lehetnek. Ez oda vezet, hogy a mozgó elektronok által keltett mágneses mezők megfelelő pozíciókban helyezkednek el.

Ezért meg kell jegyezni, hogy az a környezet, amelyben a mágneses mező keletkezik, közvetlenül hat rá, magát a mezőt növelve vagy gyengítve.

Azt a teret, amely gyengíti a keletkező teret, diamágnesesnek, az olyan anyagokat pedig, amelyek a mágneses teret nagyon gyengén fokozzák, paramágnesesnek nevezzük.

Az anyagok mágneses tulajdonságai

Meg kell jegyezni, hogy a mágnesesség természetét nemcsak elektromos áram, hanem állandó mágnesek is generálják.

Állandó mágnesek a Földön kevés anyagból készíthetők. De érdemes megjegyezni, hogy minden tárgy, amely a mágneses tér sugarán belül lesz, mágnesezett lesz, és azonnalivá válik A fentiek elemzése után érdemes hozzátenni, hogy a mágneses indukciós vektor egy anyag jelenlétében eltér a vákuummágnesestől. indukciós vektor.

Ampere hipotézise a mágnesesség természetéről

Az ok-okozati összefüggést, amelynek eredményeként a testek mágneses tulajdonságainak birtoklása között létrejött az összefüggés, a kiváló francia tudós, Andre-Marie Ampère fedezte fel. De mi Ampere hipotézise a mágnesesség természetéről?

A történet a tudós által látottak erős benyomásának köszönhetően kezdődött. Tanúja volt Ørsted Lmyer kutatásának, aki merészen azt állította, hogy a Föld mágnesességének oka az áramlatok, amelyek rendszeresen áthaladnak a földgömbön belül. Egy alapvető és legjelentősebb hozzájárulás történt: a testek mágneses tulajdonságai a bennük lévő folyamatos áramkeringéssel magyarázhatók. Ezt követően Ampere a következő következtetést vonta le: bármely létező test mágneses tulajdonságait a benne folyó elektromos áramok zárt lánca határozza meg. A fizikus kijelentése merész és bátor tett volt, mivel minden korábbi felfedezést áthúzott a testek mágneses tulajdonságainak magyarázatával.

Az elektronok és az elektromos áram mozgása

Ampere hipotézise azt állítja, hogy minden atomon és molekulán belül van egy elemi és keringő elektromos áram töltés. Érdemes megjegyezni, hogy ma már tudjuk, hogy ezek az áramok az elektronok atomokban való kaotikus és folyamatos mozgásának eredményeként jönnek létre. Ha a megadott síkok véletlenszerűen helyezkednek el egymáshoz képest a molekulák hőmozgása miatt, akkor folyamataik kölcsönösen kompenzálódnak, és egyáltalán nincsenek mágneses jellemzőik. És egy mágnesezett tárgyban a legegyszerűbb áramok célja, hogy biztosítsák cselekvéseik összehangolását.

Ampere hipotézise képes megmagyarázni, hogy a mágneses tűk és a mágneses térben elektromos árammal rendelkező keretek miért viselkednek azonosan egymással. A nyilat viszont kis áramkörök komplexumának kell tekinteni, amelyek azonos irányúak.

Egy speciális csoportot, amelyben a mágneses tér jelentősen megnő, ferromágnesesnek nevezzük. Ezek az anyagok közé tartozik a vas, a nikkel, a kobalt és a gadolínium (és ötvözeteik).

De mivel magyarázhatjuk meg a mágnesesség természetét, a ferromágnesek nem csak az elektronok mozgása, hanem saját kaotikus mozgásuk eredményeként is hoznak létre állandó mezőket?

Az impulzus pillanata (saját forgási nyomatéka) a spin nevet kapta. Az elektronok teljes létezésük során a tengelyük körül forognak, és töltéssel rendelkeznek, az atommagok körüli keringési mozgásuk eredményeként létrejövő mezővel együtt mágneses teret hoznak létre.

Marie Curie hőmérséklet

Az a hőmérséklet, amely felett a ferromágneses anyag elveszti mágnesezettségét, sajátos nevét kapta - Curie-hőmérsékletnek. Végül is egy ilyen nevű francia tudós tette ezt a felfedezést. Arra a következtetésre jutott: ha jelentősen felmelegítünk egy mágnesezett tárgyat, akkor az elveszíti azt a képességét, hogy vonzza a vasból készült tárgyakat.

Ferromágnesek és felhasználásuk

Annak ellenére, hogy nem sok ferromágneses test létezik a világon, mágneses tulajdonságaik nagy gyakorlati alkalmazással és jelentőséggel bírnak. A tekercsben lévő vasból vagy acélból készült mag megsokszorozza a mágneses teret anélkül, hogy meghaladná a tekercs áramfelvételét. Ez a jelenség jelentősen hozzájárul az energiamegtakarításhoz. A magok kizárólag ferromágneses anyagokból készülnek, és nem mindegy, milyen célra használják ezt az alkatrészt.

Mágneses módszer az információ rögzítésére

A ferromágneses anyagokat első osztályú mágnesszalagok és miniatűr mágneses filmek előállítására használják. A mágnesszalagokat széles körben használják a hang- és videórögzítés területén.

A mágnesszalag egy műanyag alap, amely polivinil-kloridból vagy más alkatrészekből áll. A tetejére egy réteget visznek fel, ami egy mágneses lakk, amely sok nagyon kis tű alakú vas- vagy más ferromágneses anyagrészecskéből áll.

A hangrögzítés folyamata egy szalagon történik, melynek következtében a hangrezgések miatt a mező időben megváltozik. A szalagnak a mágneses fej közelében történő mozgása következtében a film minden része mágnesezésnek van kitéve.

A gravitáció természete és fogalmai

Mindenekelőtt érdemes megjegyezni, hogy a gravitációt és erőit az egyetemes gravitáció törvénye tartalmazza, amely kimondja, hogy: két anyagi pont olyan erővel vonzza egymást, amely egyenesen arányos a tömegük szorzatával és fordítottan arányos a tömegük négyzetével. távolság közöttük.

A modern tudomány egy kicsit másként kezdte figyelembe venni a gravitációs erő fogalmát, és úgy magyarázza, mint magának a Földnek a gravitációs mezőjének működését, amelynek eredetét sajnos a tudósok még nem állapították meg.

Összegezve a fentieket, szeretném megjegyezni, hogy világunkban minden szorosan összefügg egymással, és nincs jelentős különbség a gravitáció és a mágnesesség között. Végül is a gravitációnak ugyanolyan mágnesessége van, csak nem nagy mértékben. A Földön nem lehet elválasztani egy tárgyat a természettől - a mágnesesség és a gravitáció megszakad, ami a jövőben jelentősen megnehezítheti a civilizáció életét. Le kell aratni a nagy tudósok tudományos felfedezéseinek gyümölcsét, és új eredményekre kell törekedni, de minden adatot ésszerűen kell felhasználni, anélkül, hogy kárt okozna a természetnek és az emberiségnek.

Elméleti anyagot tartalmaz a „Fizika” tudományág „Mágnesesség” részéhez.

Célja, hogy segítse a műszaki szakterület hallgatóit az önálló munkavégzésben, valamint a gyakorlatokra, kollokviumokra és vizsgákra való felkészülésben.

© Andreev A.D., Chernykh L.M., 2009

 Állami szakmai felsőoktatási intézmény „Szentpétervári Állami Távközlési Egyetem. prof. M. A. Bonch-Bruevich", 2009

BEVEZETÉS

1820-ban Hans Christian Oersted, a Koppenhágai Egyetem professzora előadásokat tartott az elektromosságról, galvanizmusról és mágnesességről. Akkoriban az elektromosságot elektrosztatikának, galvanizmusnak nevezték az akkumulátorokból kapott egyenáram okozta jelenségeket, a mágnességet a vasércek ismert tulajdonságaival, az iránytű tűjével, a Föld mágneses terével társították.

A galvanizmus és a mágnesesség közötti kapcsolatot keresve Oersted kísérletet tett az áram átvezetésével egy iránytű tűje fölött felfüggesztett vezetéken. Az áram bekapcsolásakor a nyíl eltért a meridionális iránytól. Ha az áram iránya megváltozott, vagy a nyíl az áram fölé került, az a másik irányba tért el a meridiántól.

Oersted felfedezése erőteljes ösztönzést jelentett a további kutatásokhoz és felfedezésekhez. Eltelt egy kis idő, és Ampere, Faraday és mások teljes és pontos tanulmányt végeztek az elektromos áramok mágneses hatásáról. Faraday felfedezte az elektromágneses indukció jelenségét 12 évvel Oersted kísérlete után. E kísérleti felfedezések alapján épült fel az elektromágnesesség klasszikus elmélete. Maxwell megadta neki végső formáját és matematikai formáját, Hertz pedig 1888-ban briliánsan megerősítette, kísérletileg bizonyítva az elektromágneses hullámok létezését.

1. MÁGNESES MEZŐ VÁKUUMBAN

1.1. Az áramok kölcsönhatása. Mágneses indukció

Az elektromos áramok kölcsönhatásba lépnek egymással. A tapasztalatok szerint két egyenes párhuzamos vezető, amelyen keresztül az áramok átfolynak, akkor vonzzák egymást, ha az áramok azonos irányúak, és taszítják, ha az áramok ellentétes irányúak (1. ábra). Ezenkívül a kölcsönhatásuk ereje a vezető egységnyi hosszára vonatkoztatva egyenesen arányos az egyes vezetők áramerősségével, és fordítottan arányos a köztük lévő távolsággal. Az áramok kölcsönhatásának törvényét Andre Marie Ampere állapította meg kísérletileg 1820-ban.

Fémekben a pozitív töltésű ionrács és a negatív töltésű szabad elektronok össztöltése nulla. A töltések egyenletesen oszlanak el a vezetőben. Így a vezető körül nincs elektromos tér. Ez az oka annak, hogy a vezetők áram hiányában nem lépnek kölcsönhatásba egymással.

Azonban áram jelenlétében (a szabad töltéshordozók rendezett mozgása) kölcsönhatás lép fel a vezetők között, amit általában mágnesesnek neveznek.

A modern fizikában az áramok mágneses kölcsönhatását olyan relativisztikus hatásként értelmezik, amely egy referenciarendszerben lép fel, amelyhez képest a töltések rendezett mozgása megtörténik. Ebben az oktatóanyagban a mágneses mező fogalmát az elektromos áramot körülvevő tér tulajdonságaként fogjuk használni. Az áram mágneses mezeje akkor nyilvánul meg, amikor más vezetőkkel kölcsönhatásba lép árammal (Amper-törvény), vagy amikor kölcsönhatásba lép egy mozgó töltött részecskével (Lorentz-erő, 2.1 alfejezet), vagy amikor a vezető közelében elhelyezett mágnestűt eltérítjük. áram (Oersted kísérlete).

Az áram mágneses terének jellemzésére bevezetjük a mágneses indukciós vektor fogalmát. Ehhez hasonlóan ahhoz, ahogy az elektrosztatikus tér jellemzőinek meghatározásakor a tesztponti töltés fogalmát használták, a mágneses indukciós vektor bevezetésekor árammal működő tesztkört fogunk használni. Legyen lapos zárva tetszőleges alakú és kis méretű körvonal. Olyan kicsi, hogy azokon a pontokon, ahol ez található, a mágneses mező azonosnak tekinthető. A kontúr térbeli orientációját a kontúrhoz viszonyított normálvektor fogja jellemezni, a benne lévő áram irányához viszonyítva a jobb oldali csavar (karimálca) szabályával: amikor a kardán fogantyúját a körvonal irányába forgatjuk. az áramerősség (2. ábra), a kardán hegyének transzlációs mozgása határozza meg az egységnyi normálvektor irányát a kontúr síkjához.

x a tesztkör jellemzője a mágneses momentum, ahol s– a tesztkör területe.

E Ha egy tesztáramkört helyez el árammal egy kiválasztott ponton az egyenáram mellett, az áramok kölcsönhatásba lépnek. Ebben az esetben az árammal működő tesztáramkört egy erőpár nyomatéka befolyásolja M(3. ábra). Ennek a nyomatéknak a nagysága, amint azt a tapasztalat mutatja, az adott pontban lévő mező tulajdonságaitól (az áramkör kis méretű) és az áramkör tulajdonságaitól (mágneses momentuma) függ.

ábrán. ábra keresztmetszete. A 3. ábra vízszintes síkban a tesztáramkör több pozícióját mutatja egyenáramú mágneses térben én. A körben lévő pont jelzi az áram irányát a megfigyelő felé. A kereszt jelzi az áram irányát a minta mögött. Az 1. pozíció az áramkör stabil egyensúlyának felel meg ( M= 0), amikor az erők megfeszítik. A 2. pozíció instabil egyensúlynak felel meg ( M= 0). A 3. pozícióban az árammal rendelkező tesztáramkör maximális nyomatéknak van kitéve. Az áramkör tájolásától függően a nyomaték nagysága nullától a maximumig tetszőleges értéket vehet fel. A tapasztalatok szerint bármely ponton, azaz egy erőpár mechanikai nyomatékának maximális értéke a vizsgáló áramkör mágneses momentumának nagyságától függ, és nem szolgálhat a vizsgált pont mágneses mezőjének jellemzőjeként. Egy erőpár maximális mechanikai nyomatékának és a vizsgálókör mágneses nyomatékának aránya nem függ az utóbbitól, és a mágneses tér jellemzőjeként szolgálhat. Ezt a jellemzőt mágneses indukciónak (mágneses mező indukciónak) nevezik.

BAN BEN vektormennyiségként kezeljük. A mágneses indukciós vektor irányához a vizsgált térponton stabil egyensúlyi helyzetben (4. ábrán 1. pozíció) elhelyezett árammal működő vizsgálókör mágneses nyomatékának irányát vesszük. Ez az irány egybeesik az erre a pontra helyezett mágneses tű északi végének irányával. A fentiekből következik, hogy a mágneses tér áramerősségének hatását jellemzi, és ezért az elektrosztatika térerősségének analógja. A vektormező mágneses indukciós vonalak segítségével ábrázolható. Az egyenes minden pontjában a vektort érintőlegesen irányítjuk. Mivel a mágneses indukciós vektornak a mező bármely pontjában van egy bizonyos iránya, ezért a mágneses indukciós vonal iránya a mező minden pontjában egyedi. Következésképpen a mágneses indukciós vonalak, valamint az elektromos erővonalak nem metszik egymást. ábrán. Az 5. ábrán több egyenáramú mágneses tér indukciós vonal látható, amelyek az áramra merőleges síkban vannak ábrázolva. Zárt kör alakúak, középpontjuk az aktuális tengelyen van.

Meg kell jegyezni, hogy a mágneses erővonalak mindig zártak. Ez az örvénytér sajátossága, amelyben a mágneses indukciós vektor fluxusa egy tetszőleges zárt felületen nulla (Gauss-tétel a mágnesességben).

1.2. Biot-Savart-Laplace törvény.
A szuperpozíció elve a mágnesességben

Biot és Savard 1820-ban tanulmányt végzett a különböző alakú áramok mágneses mezőiről. Megállapították, hogy a mágneses indukció minden esetben arányos a mágneses teret létrehozó áram erősségével. Laplace elemezte Biot és Savart kísérleti adatait, és megállapította, hogy az áram mágneses tere én Bármely konfiguráció kiszámolható az áram egyes elemi szakaszai által létrehozott mezők vektorösszegeként (szuperpozíciójaként).

D Az áram minden szakaszának hossza olyan kicsi, hogy egyenes szakasznak tekinthető, a távolság a megfigyelési pontig sokkal nagyobb. Kényelmes bevezetni az áramelem fogalmát, ahol a vektor iránya egybeesik az áram irányával én, modulja pedig egyenlő (6. ábra).

Az áramelem által létrehozott mágneses mező indukálása egy távoli pontban r tőle (6. ábra) Laplace a vákuumra érvényes képletet származtatott:

. (1.1)

A Biot–Savart–Laplace törvény (1.1) képlete az SI rendszerbe van írva, amelyben az állandó mágneses állandónak nevezzük.

Már említettük, hogy a mágnesességben, akárcsak az elektromosságban, a térszuperpozíció elve érvényesül, azaz a tér egy adott pontjában áramrendszer által létrehozott mágneses tér indukciója megegyezik a tér indukcióinak vektorösszegével. az egyes áramok által ezen a ponton létrehozott mágneses mezők külön-külön:

N és ábra. A 7. ábra egy példát mutat mágneses indukciós vektor létrehozására két párhuzamos és ellentétes áram mezőjében, és:

1.3. A Biot-Savart-Laplace törvény alkalmazása.
Egyenáramú mágneses tér

Tekintsük az egyenáram szegmensét. Az áramelem mágneses teret hoz létre, melynek indukciója egy pontban A(8. ábra) a Biot-Savart-Laplace törvény szerint a következő képlettel található:

, (1.3)

A mágnesességet ősidők óta tanulmányozták, és az elmúlt két évszázad során a modern civilizáció alapjává vált.

Alekszej Levin

Az emberiség legalább három és fél ezer éve gyűjti a tudást a mágneses jelenségekről (az elektromos erők első megfigyelésére ezer évvel később került sor). Négyszáz évvel ezelőtt, a fizika hajnalán az anyagok mágneses tulajdonságait elválasztották az elektromosaktól, majd hosszú ideig mindkettőt egymástól függetlenül vizsgálták. Így létrejött egy kísérleti és elméleti bázis, amely a 19. század közepére az elektromágneses jelenségek egységes elméletének alapja lett Mezopotámia még a bronzkorban. És a vaskohászat megjelenése után lehetetlen volt nem észrevenni, hogy a magnetit vonzza a vastermékeket. Már a görög filozófia atyja, milétoszi Thalész (kb. Kr. e. 640–546) gondolkodott a vonzalom okain, aki ezt az ásvány különleges animációjával magyarázta (Thalész azt is tudta, hogy a gyapjúra dörzsölt borostyán vonzza a száraz leveleket és a kicsiket. szilánkokat, és ezért lelki erővel ruházta fel). Később a görög gondolkodók arról beszéltek, hogy láthatatlan gőzök borítják be a magnetitet és a vasat, és vonzzák őket egymáshoz. Nem meglepő, hogy magának a „mágnes” szónak is görög gyökerei vannak. Valószínűleg Magnesia-y-Sipila nevéhez nyúlik vissza, egy kis-ázsiai városhoz, amelynek közelében magnetit feküdt. Nikander görög költő megemlítette Magnis pásztort, aki egy szikla mellett találta magát, amely botja vashegyét maga felé húzta, de ez minden valószínűség szerint csak egy gyönyörű legenda.

Az ókori Kína is érdeklődött a természetes mágnesek iránt. A magnetit vasvonzó képességét a „Liu mester tavaszi és őszi feljegyzései” című értekezés említi, amely Kr.e. 240-ből származik. Egy évszázaddal később a kínaiak észrevették, hogy a magnetit nincs hatással sem a rézre, sem a kerámiára. A VII-VIII században. /bm9icg===>ekah rájöttek, hogy egy szabadon felfüggesztett mágnesezett vastű a Sarkcsillag felé fordul. Ennek eredményeként a 11. század második felében megjelentek Kínában az európai tengerészek, akik száz évvel később sajátították el őket. Ugyanebben az időben a kínaiak felfedezték, hogy a mágnesezett tű az északi iránytól keletre mutat, és ezáltal mágneses deklinációt fedeztek fel, messze megelőzve az európai navigátorokat, akik csak a 15. században jutottak erre a következtetésre.

Kis mágnesek

A ferromágnesben az atomok belső mágneses momentumai párhuzamosan helyezkednek el (ennek az orientációnak az energiája minimális). Ennek eredményeként mágnesezett területek képződnek, domének - mikroszkopikus (10-4-10-6 m) állandó mágnesek, amelyeket doménfalak választanak el. Külső mágneses tér hiányában a domének mágneses momentumai véletlenszerűen orientálódnak a ferromágnesben a külső térben, a határok elkezdenek eltolódni, így a térrel párhuzamos nyomatékú tartományok kiszorítják az összes többit – a ferromágnes mágnesezett; .

A mágnesesség tudományának születése

A természetes mágnesek tulajdonságait Európában először a francia Pierre de Maricourt írta le. 1269-ben Anjou Károly szicíliai király seregében szolgált, amely Lucera olasz várost ostromolta. Innen egy pikárdiai barátjának küldött egy dokumentumot, amely „Level a mágnesen” (Epistola de Magnete) néven vonult be a tudomány történetébe, ahol a mágneses vasérccsel végzett kísérleteiről beszélt. Maricourt észrevette, hogy a magnetit minden darabjában van két olyan terület, amely különösen erősen vonzza a vasat. Párhuzamot látott e zónák és az égi szféra pólusai között, és kölcsönvette a nevüket a maximális mágneses erővel rendelkező területekre – ezért beszélünk most az északi és déli mágneses pólusokról. Ha ketté törsz egy magnetitdarabot, írja Maricourt, minden töredéknek saját pólusa lesz. Maricourt nemcsak azt erősítette meg, hogy a vonzás és a taszítás egyaránt fellép a magnetitdarabok között (ezt már ismerték), hanem először társította ezt a hatást az ellentétes (északi és déli) vagy hasonló pólusok kölcsönhatásával.

Sok tudománytörténész Maricourtot az európai kísérleti tudomány vitathatatlan úttörőjének tartja. A mágnesességről írt jegyzeteit mindenesetre tucatnyi listán terjesztették, majd a nyomtatás megjelenése után külön brosúraként adták ki. Sok természettudós idézte őket tisztelettel egészen a 17. századig. Ezt a művet jól ismerte William Gilbert angol természettudós és orvos (Erzsébet királynő és utóda I. Jakab orvosa), William Gilbert, aki 1600-ban (a várakozásoknak megfelelően latinul) kiadott egy csodálatos munkát „A mágnesről, a mágneses testekről és a nagy mágnesről”. - a Föld " Gilbert ebben a könyvben nemcsak a természetes mágnesek és a mágnesezett vas tulajdonságairól közölt szinte minden ismert információt, hanem saját magnetitgolyóval végzett kísérleteit is leírta, amelyek segítségével reprodukálta a földi mágnesesség főbb jellemzőit. Például felfedezte, hogy egy ilyen „kis Föld” (latinul terrella) mindkét mágneses pólusánál az iránytűt a felületére merőlegesen, az egyenlítőn párhuzamosan, a középső szélességeken pedig közbenső helyzetbe állítják. Hilbert így modellezte a mágneses inklinációt, amelynek létezését Európában több mint fél évszázada ismerték (1544-ben Georg Hartmann nürnbergi szerelő írta le először ezt a jelenséget).

Forradalom a navigációban. Az iránytű igazi forradalmat hozott a tengeri navigációban, a globális utazást nem elszigetelt esetekké, hanem megszokott, megszokott rutinná tette.

Gilbert modelljén a geomágneses deklinációt is reprodukálta, amit a labda nem tökéletesen sima felületének tulajdonított (és ezért bolygóskálán ezt a hatást a kontinensek vonzásával magyarázta). Felfedezte, hogy az erősen hevített vas elveszti mágneses tulajdonságait, de lehűtve helyreáll. Végül Gilbert volt az első, aki egyértelmű különbséget tett a mágnes vonzása és a dörzsölt borostyán vonzása között, amelyet elektromos erőnek nevezett el (a borostyán latin nevéből, electrum). Általánosságban elmondható, hogy rendkívül újító alkotás volt, a kortársak és a leszármazottak egyaránt nagyra értékelték. Gilbert kijelentése, miszerint a Földet „nagy mágnesnek” kell tekinteni, lett a második alapvető tudományos következtetés bolygónk fizikai tulajdonságairól (az első a gömb alakjának felfedezése volt, még az ókorban).

Két évszázad szünet

Gilbert után a mágnesesség tudománya a 19. század elejéig nagyon csekély előrehaladást ért el. Ami ezalatt az idő alatt megvalósult, az szó szerint az ujjain megszámolható. 1640-ben Galilei tanítványa, Benedetto Castelli azzal magyarázta a magnetit vonzerejét, hogy összetételében sok apró mágneses részecske található – ez az első és nagyon tökéletlen sejtés, hogy a mágnesesség természetét atomi szinten kell keresni. A holland Sebald Brugmans 1778-ban vette észre, hogy a bizmutot és az antimont egy mágnestű pólusai taszítják – ez volt az első példa olyan fizikai jelenségre, amelyet Faraday 67 évvel később diamagnetizmusnak nevezett. 1785-ben Charles-Augustin Coulomb torziós mérlegen végzett precíziós mérésekkel kimutatta, hogy a mágneses pólusok közötti kölcsönhatás ereje fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével – akárcsak az elektromos töltések közötti kölcsönhatás ereje (1750-ben, az angol John Michell is hasonló következtetésre jutott, de a Coulomb-következtetés sokkal megbízhatóbb).

De az elektromosság tanulmányozása ezekben az években ugrásszerűen fejlődött. Nem nehéz elmagyarázni. A természetes mágnesek maradtak a mágneses erő egyetlen elsődleges forrásai – a tudomány nem ismert másokat. Erősségük stabil, nem változtatható (kivéve, ha hő hatására elpusztul), még kevésbé tetszőlegesen generálható. Nyilvánvaló, hogy ez a körülmény nagymértékben behatárolta a kísérletezők lehetőségeit.

A villany sokkal előnyösebb helyzetben volt - mert lehetett fogadni és tárolni. Az első statikus töltésgenerátort 1663-ban a magdeburgi polgármester, Otto von Guericke építette (a híres magdeburgi féltekék is az ő ötlete). Egy évszázaddal később az ilyen generátorok olyan széles körben elterjedtek, hogy a nagyközönség fogadásain is bemutatták őket. 1744-ben a német Ewald Georg von Kleist és valamivel később a holland Pieter van Musschenbroek feltalálta a Leyden-edényt - az első elektromos kondenzátort; Ezzel egy időben megjelentek az első elektrométerek. Ennek eredményeként a 18. század végére a tudomány sokkal többet tudott az elektromosságról, mint annak kezdetén. De ugyanez nem mondható el a mágnesességről.

És akkor minden megváltozott. 1800-ban Alessandro Volta feltalálta az első kémiai elektromos áramforrást, a voltakkumulátort, más néven voltaic cellát. Ezt követően az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatának felfedezése idő kérdése volt. Ez már a következő évben megtörténhetett, amikor Nicolas Gauthereau francia kémikus észrevette, hogy két párhuzamos, áramot szállító vezeték vonzódik egymáshoz. Azonban sem ő, sem a nagy Laplace, sem a csodálatos kísérleti fizikus, Jean-Baptiste Biot, aki később megfigyelte ezt a jelenséget, nem tulajdonított ennek semmilyen jelentőséget. Ezért az elsőbbséget jogosan a tudós kapta, aki régóta feltételezte egy ilyen kapcsolat létezését, és sok évet szentelt annak keresésének.

Koppenhágától Párizsig

Mindenki olvasta Hans Christian Andersen meséit és történeteit, de kevesen tudják, hogy amikor a „A meztelen király” és a „Thumbelina” leendő szerzője tizennégy éves tinédzserként Koppenhágába ért, barátra és mecénásra talált kettős névrokona, a Koppenhágai Egyetem fizika és kémia professzora, Hans Christian Oersted személye. És mindketten dicsőítették országukat az egész világon.

A mágneses terek sokfélesége Az Ampere az áramot hordozó párhuzamos vezetők közötti kölcsönhatást vizsgálta. Elképzeléseit Faraday dolgozta ki, aki a mágneses erővonalak koncepcióját javasolta.

1813 óta Oersted egészen tudatosan próbált kapcsolatot teremteni az elektromosság és a mágnesesség között (a nagy filozófus, Immanuel Kant híve volt, aki úgy gondolta, hogy minden természeti erőnek belső egysége van). Oersted iránytűt használt jelzőként, de sokáig hiába. Oersted arra számított, hogy az áram mágneses ereje önmagával párhuzamos, és a maximális nyomaték elérése érdekében az elektromos vezetéket az iránytű tűjére merőlegesen helyezte el. Természetesen a nyíl nem reagált az áram bekapcsolásakor. És csak 1820 tavaszán, egy előadás során Oersted a nyíllal párhuzamosan feszítette ki a vezetéket (vagy hogy lássa, mi lesz belőle, vagy új hipotézissel állt elő - a fizikatörténészek még mindig vitatkoznak erről). És itt lendült a tű - nem túl sokat (az Oerstednek alacsony fogyasztású akkumulátora volt), de még mindig észrevehetően.

Igaz, a nagy felfedezés még nem történt meg. Oersted valamiért három hónapra megszakította a kísérleteket, és csak júliusban tért vissza hozzájuk. És ekkor jött rá, hogy „az elektromos áram mágneses hatása az áramot körülvevő körök mentén irányul”. Ez paradox következtetés volt, mivel a forgó erők korábban nem jelentek meg sem a mechanikában, sem a fizika más ágában. Ørsted egy közleményben vázolta megállapításait, és július 21-én több tudományos folyóiratnak is benyújtotta. Ezután már nem tanulmányozta az elektromágnesességet, és a staféta más tudósokhoz került. A párizsiak fogadták el először. Szeptember 4-én a híres fizikus és matematikus, Dominic Arago beszélt Oersted felfedezéséről a Tudományos Akadémia ülésén. Kollégája, Andre-Marie Ampere úgy döntött, hogy tanulmányozza az áramok mágneses hatását, és szó szerint másnap kísérletezésbe kezdett. Mindenekelőtt megismételte és megerősítette Oersted kísérleteit, majd október elején felfedezte, hogy a párhuzamos vezetők vonzanak, ha az áramok ugyanabban az irányban haladnak át rajtuk, és taszítják, ha ellenkező irányú. Ampere a nem párhuzamos vezetők közötti kölcsönhatást tanulmányozta és egy képlettel mutatta be (Ampere törvénye). Azt is kimutatta, hogy az áramot hordozó tekercses vezetők mágneses térben forognak, mint egy iránytű (és mellesleg feltalált egy mágnestekercset - egy mágnestekercset). Végül egy merész hipotézist terjesztett elő: csillapítatlan mikroszkopikus, párhuzamos körkörös áramok áramlanak a mágnesezett anyagok belsejében, amelyek mágneses hatásukat okozzák. Ugyanakkor Biot és Felix Savart közösen azonosítottak egy matematikai összefüggést, amely lehetővé teszi az egyenáram által létrehozott mágneses tér intenzitásának meghatározását (Biot-Savart törvénye).

A vizsgált hatások újszerűségének hangsúlyozására Ampere javasolta az „elektrodinamikai jelenségek” kifejezést, és folyamatosan használta publikációiban. De ez még nem volt a mai értelemben vett elektrodinamika. Oersted, Ampere és kollégáik egyenárammal dolgoztak, amelyek statikus mágneses erőket hoztak létre. A fizikusoknak még nem kellett felfedezniük és megmagyarázniuk a valóban dinamikus, nem álló elektromágneses folyamatokat. Ezt a problémát az 1830-1870-es években oldották meg. Körülbelül egy tucat kutató Európából (köztük Oroszországból – ne feledjük Lenz uralmát) és az Egyesült Államokból is részt vett ebben. A fő érdem azonban kétségtelenül a brit tudomány két titánja - Faraday és Maxwell.

London tandem

Michael Faraday számára 1821 valóban sorsdöntő év volt. Megkapta a Londoni Királyi Intézmény áhított felügyelői posztját, és gyakorlatilag véletlenül olyan kutatási programba kezdett, amely egyedülálló helyet biztosított számára a világtudomány történetében.

Mágneses és nem annyira. A különböző anyagok eltérően viselkednek egy külső mágneses térben, ez az atomok saját mágneses momentumainak eltérő viselkedéséből adódik. A legismertebbek a ferromágnesek, az antiferromágnesek és a ferrimágnesek, valamint a diamágnesek, amelyek atomjainak nincs saját mágneses momentuma (külső térben gyengén mágneseznek a „térrel szemben”).

Ez így történt. Az Annals of Philosophy szerkesztője, Richard Phillips felkérte Faradayt, hogy írjon kritikai áttekintést az áram mágneses hatásáról szóló új művekről. Faraday nemcsak követte ezt a tanácsot, és megjelentette az „Elektromágnesesség történeti vázlatát”, hanem megkezdte saját kutatását, amely sok évig tartott. Először Ampere-hez hasonlóan megismételte Oersted kísérletét, majd továbbment. 1821 végére készített egy olyan eszközt, amelyben egy áramvezető vezető forog egy szalagmágnes körül, egy másik mágnes pedig egy második vezető körül. Faraday azt javasolta, hogy mind a mágnest, mind a feszültség alatt álló vezetéket koncentrikus erővonalak veszik körül, erővonalak, amelyek meghatározzák mechanikai hatásukat. Ez már a mágneses tér fogalmának embriója volt, bár maga Faraday nem használt ilyen kifejezést.

Eleinte a térvonalakat kényelmes módszernek tartotta a megfigyelések leírására, de idővel meggyőződött azok fizikai valóságáról (főleg, hogy megtalálta a módját, hogy a mágnesek között szétszórt vasreszelék segítségével megfigyelje őket). Az 1830-as évek végére világosan felismerte, hogy az energia, amelynek forrása az állandó mágnesek és az élő vezetékek, az erővonalakkal teli térben oszlik meg. Faraday ugyanis már térelméleti keretekben gondolkodott, amiben jelentősen megelőzte kortársait.

De fő felfedezése más volt. 1831 augusztusában Faraday képes volt arra, hogy a mágnesesség elektromos áramot generáljon. Készüléke egy vasgyűrűből állt, két ellentétes tekercseléssel. Az egyik spirál elektromos akkumulátorhoz, a másik a mágneses iránytű felett elhelyezkedő vezetőhöz volt csatlakoztatva. A nyíl nem változtatta helyzetét, ha egyenáram folyt át az első tekercsen, hanem lendült, amikor be- és kikapcsolták. Faraday rájött, hogy ekkor a második tekercsben elektromos impulzusok keletkeztek, amelyeket mágneses erővonalak megjelenése vagy eltűnése okoz. Más szóval, felfedezte, hogy az elektromotoros erőt a mágneses tér változásai okozzák. Ezt a hatást Joseph Henry amerikai fizikus is felfedezte, de eredményeit később publikálta, mint Faraday, és nem tett ilyen komoly elméleti következtetéseket.

Az elektromágnesek és szolenoidok számos technológia hátterében állnak, amelyek nélkül elképzelhetetlen a modern civilizáció: az elektromos áramot termelő elektromos generátoroktól, villanymotoroktól, transzformátoroktól a rádiókommunikációig és általában szinte az összes modern elektronikáig.

Élete vége felé Faraday arra a következtetésre jutott, hogy az elektromágnesességgel kapcsolatos új ismeretek matematikai megfogalmazást igényelnek. Úgy döntött, hogy ez a feladat James Clerk Maxwellre, a skóciai Aberdeen város Marischal College fiatal professzorára hárul, amiről 1857 novemberében írt neki. És Maxwell valóban egyesítette az összes akkori elektromágneses tudást egyetlen matematikai elméletben. Ezt a munkát nagyrészt az 1860-as évek első felében végezték el, amikor a londoni King's College természetfilozófia professzora lett. Az elektromágneses mező fogalma először 1864-ben jelent meg a Londoni Királyi Társaságnak bemutatott emlékiratban. Maxwell bevezette ezt a kifejezést, hogy megjelölje „a térnek azt a részét, amely elektromos vagy mágneses állapotú testeket tartalmaz és körülvesz”, és kifejezetten hangsúlyozta, hogy ez a tér lehet üres vagy bármilyen anyaggal megtöltve.

Maxwell munkájának fő eredménye egy elektromágneses jelenségeket összekötő egyenletrendszer volt. Az 1873-ban megjelent Traktátum az elektromosságról és mágnesességről című művében az elektromágneses tér általános egyenleteinek nevezte őket, ma pedig Maxwell-egyenleteknek. Később többször általánosították őket (például elektromágneses jelenségek leírására különféle médiában), és át is írták egy egyre kifinomultabb matematikai formalizmussal. Maxwell azt is kimutatta, hogy ezek az egyenletek csillapítatlan transzverzális hullámokat tartalmazó megoldásokat engednek meg, amelyek közül a látható fény egy speciális eset.

Maxwell elmélete a mágnesességet az elektromos áramok közötti kölcsönhatás speciális fajtájaként vezette be. A 20. századi kvantumfizika csak két új pontot adott ehhez a képhez. Ma már tudjuk, hogy az elektromágneses kölcsönhatásokat fotonok hordozzák, és hogy az elektronoknak és sok más elemi részecskének saját mágneses momentumai vannak. A mágnesesség területén végzett minden kísérleti és elméleti munka erre az alapra épül.