Як виміряти поле

0 Comments

Що таке магнітне поле та як воно створюється?

Давайте розглянемо, що таке магнітне поле, як його виміряти та дізнатися про його силу?

“Магнітне поле – це область навколо магніту, магнітного об’єкта або електричного заряду, в якій діє магнітна сила”.

Скажімо так. Невидима область навколо магнітного об’єкта, яка може притягувати інший магнітний об’єкт до нього або відштовхувати інший магнітний об’єкт від нього, називається магнітним полем. Це щось на кшталт тих невидимих “силових полів”, які оточують об’єкт з невидимою силою у фантастичних фільмах і книгах.

Звучить як магія, чи не так? Тож як це працює? Нижче ви знайдете п’ять запитань (і відповіді на них!), які ви завжди хотіли поставити про магнітні поля:

Що таке магнітне поле та як воно створюється? / Photo: https://www.geeksforgeeks.org/magnetic-field/

Що створює магнітне поле?

Магнітні поля створюються рухомими електричними зарядами. Коли електрони, які мають негативний заряд, рухаються певним чином, можуть створюватися магнітне поле. Ці поля можуть створюватися всередині атомів магнітних об’єктів або всередині дротів (електромагнетизм).

Як ми вимірюємо магнітне поле?

Ми вимірюємо магнітне поле за його силою та напрямком.

Кожне магнітне поле трохи відрізняється. Деякі магнітні поля великі, деякі сильні, деякі малі, а деякі слабкі. Наприклад, магнітне поле Землі велике, але слабке.

Фізична близькість (наскільки близько чи далеко) дійсно має значення в магнетизмі. Чим ближче ви стоїте до магніту, тим сильнішим буде магнітне поле. Чим далі ви знаходитесь від магніту, тим слабшим стає магнітне поле. (Магнітне поле ніколи не закінчується – воно просто стає все слабшим і слабшим, чим далі ви віддаляєтеся, в принципі, навіть до нескінченності!)

Уявімо, що ви поклали скріпку на стіл. Якщо ви будете тримати магніт і стояти на іншому кінці кімнати від столу, скріпка відреагує на магнітне поле навколо магніту (хоча, можливо, і не помітно), але ця реакція буде дуже, дуже слабкою. Однак, якщо ви підійдете ближче, покладете магніт на стіл і посунете його до скріпки, буде момент, коли скріпка зістрибне зі столу і полетить по повітрю до магніту!

У цей момент магнітне поле буде достатньо сильним, щоб подолати сили тяжіння і тертя, які заважали скріпці рухатися до цього. (Це також чудовий приклад того, як магнітні сили можуть викликати рух!)

Які одиниці ми використовуємо для вимірювання напруженості магнітного поля?

Напруженість магнітного поля, яка називається густиною магнітного потоку, вимірюється в одиницях Тесла (Міжнародна система вимірювання або СІ). Існує також багато інших одиниць і термінів, що використовуються в галузі електромагнетизму, включаючи одиниці Вебера, Максвелла, Гаусса і навіть 109 гамма!

Що таке магнітне поле та як його побачити / Photo: https://www.dowlingmagnets.com/blog/2015/what-is-a-magnetic-field/

Як ми можемо “побачити” сили в магнітному полі?

Ми дізналися що таке магнітне поле, але чи можна його побачити?

Іноді ми малюємо силові лінії, щоб показати напрямок сил у різних точках магнітного поля. Силові лінії виходять з магніту на його північному полюсі, подорожують у повітрі і знову входять в магніт через його південний полюс. Силові лінії не починаються в одному місці і не закінчуються в іншому; магніти рухаються по “замкнутих траєкторіях”, що означає, що вони будуть продовжувати рухатися по одному і тому ж шляху знову і знову.

Пам’ятайте, що магнітне поле присутнє всюди навколо магніту, не тільки вздовж силових ліній, які ми малюємо, але навіть між ними. Лінії просто допомагають нам візуалізувати напрямок руху поля в різних місцях навколо магніту і навіть всередині магніту.

Чудовий спосіб побачити силові лінії в магнітному полі – використовувати залізні ошурки. Покладіть магніт на стіл і накрийте його аркушем паперу. Потім розсипте ошурки на папір і спостерігайте, як вони утворюють візерунки ліній, які зближуються на одному полюсі, розходяться, коли залишають цей полюс, і знову зближуються на іншому полюсі магніту. Ошурки вишиковуються вздовж силових ліній магнітного поля стрижневого магніту!

Чи проникають магнітні сили не лише через повітря?

Так! В експерименті із залізними ошурками магнітні сили від стрижневого магніту впливали на ошурки через аркуш паперу. Магніти на холодильнику роблять те саме, коли їх використовують для прикріплення аркуша паперу. Підняття ланцюжка скріпок магнітом показує, що магнітні поля можуть проникати навіть крізь сталь, від скріпки до скріпки!

Сили магнітного поля можуть проникати крізь воду та багато інших речовин… навіть крізь вашу руку!

Як виміряти електромагнітне поле

Вимірювання електромагнітного поля здійснюйте в двох напрямках. Перше – знайдіть його частоту, використовуючи вібратор Герца або коливальний контур. Для цього налаштуйте їх у резонанс із зовнішнім електромагнітним полем і розрахуйте їх власну частоту. Друге – це його інтенсивність. Для грубого вимірювання інтенсивності використовуйте котушку індуктивності (соленоїд). Для більш точного – спеціальні прилади.

Вам знадобиться

  • – вібратор Герца,
  • – коливальний контур з можливістю зміни налаштувань,
  • – мідний дріт,
  • – залізний сердечник,
  • – комплект приладів для вимірювання магнітного та електричного полів.

Інструкція

1. Визначення частоти електромагнітного поля Візьміть вібратор Герца. Це мідний стрижень, з кульками на кінцях, в розрив якого вставлена котушка Румкорфа (дві обмотки на одному сердечнику). При внесенні його в електромагнітне поле регулюйте зазор стрижня, поки в ньому не почнуть проскакувати іскри. За допомогою довідника за даними параметрами знайдіть частоту роботи даного вібратора, це і буде частота зовнішнього електромагнітного поля.

2. У другому випадку візьміть коливальний контур з котушкою малої індуктивності та конденсатором великої ємності. Увімкніть цей коливальний контур амперметр і (змінюючи його параметри, наприклад, збільшуючи або зменшуючи ємність) виміряйте, за яких значень йде найбільший струм. Це буде спостерігатися при збігу власної частоти контуру з частотою коливань електромагнітного поля. Даний прийом використовується в радіоприймачах, а тому можна брати контур з них. Приладами заміряйте індуктивність котушки і ємність конденсатора, при яких спостерігається резонанс, потім з твору індуктивності і ємності витягніть квадратний корінь і помножте результат на число 6,28. Число 1 поділіть на результат розрахунків. Результатом буде частота зовнішнього електромагнітного поля в Герцах.

3. Якщо відомо, що в даній точці простору є електромагнітне поле, візьміть мідний дріт великого перерізу довжиною близько 1 м, намотайте його у вигляді соленоїду (декількох ізольованих витків) і до висновків (кінців провідника), приєднайте вольтметр. Змінне магнітне поле, яке є складовою електромагнітного поля, збудить у провіднику ЕДС, заміряйте його за допомогою вольтметра. Чим більше показання вольтметра, тим інтенсивніше поле. Спеціальні вимірювачі магнітного поля можуть визначати його інтенсивність в різних діапазонах частот. Внесіть датчик приладу в поле і на його екрані з ‘являться його параметри.

§ 4. Фізичні величини. Вимірювання фізичних величин

Як ви вважаєте, наскільки часто люди виконують вимірювання? Наскільки важливо вміти це робити правильно? Яких наслідків слід очікувати, якщо результати вимірювань будуть хибними? Щоб допомогти вам відповісти на ці запитання, нагадаємо кілька приладів, якими ви та ваша родина користуєтесь майже щоденно: годинник, ваги, термометр, спідометр, манометр. Сподіваємось, що ви переконалися в необхідності ретельно опрацювати цей параграф!

1. Визначаємо поняття «фізична величина»

Люди здавна для опису яких-небудь явищ або властивостей тіл використовують їхні характеристики. Наприклад, коли ми говоримо, що тенісна кулька менша за повітряну кулю, то маємо на увазі, що об’єм тенісної кульки менший від об’єму повітряної кулі. Об’єм — приклад фізичної величини. Ця величина характеризує загальну властивість тіл займати певну частину простору (рис. 4.1, а). Зрозуміло, що об’єми тіл можуть суттєво різнитися. Ще одним прикладом фізичної величини може слугувати вже відоме вам поняття швидкість руху, яке характеризує рух тіл (рис. 4.1, б).

Фізична величина — це кількісно виражена характеристика тіла або фізичного явища.

Зрозуміло, що об’єм і швидкість руху — це далеко не всі фізичні величини, якими оперує фізика. Навіть у повсякденному житті ми маємо справу з великою кількістю фізичних величин: довжина, площа, об’єм, маса, час, шлях, температура.

Яку фізичну величину вимірює людина в разі застуди?

Для зручності кожну фізичну величину позначають певним символом (буквою латинського або грецького алфавіту). Наприклад, об’єм позначають символом V, час — символом t, швидкість руху — символом v.

2. Дізнаємося про Міжнародну систему одиниць

У романі Жуля Верна «П’ятнадцятирічний капітан» є такий епізод: «Пройшовши кроків триста берегом річки, маленький загін ступив під склепіння дрімучого лісу, звивистими стежками якого їм треба було мандрувати. ».

Проаналізуємо цей уривок і з’ясуємо, яку фізичну величину мав на увазі автор, чому дорівнює числове значення цієї величини та в яких одиницях була виміряна величина. Неважко встановити, що йдеться про фізичну величину шлях, числове значення якої становить триста, а одиницею шляху слугує один крок.

Рис. 4.1. Для характеристики властивості тіл займати ту чи іншу частину простору використовують фізичну величину об’єм (а); для характеристики руху тіл — швидкість руху (б)

Очевидно, що вибір кроку за одиницю шляху не може бути вдалим, адже довжина кроку в усіх є різною (рис. 4.2). Таким чином, зрозуміло, чому люди здавна почали домовлятися про те, щоб вимірювати одну й ту саму фізичну величину однаковими одиницями.

Зараз у більшості країн світу діє запроваджена в 1960 р. Міжнародна система одиниць, яку називають Система Інтернаціональна (CI) (рис. 4.3).

У CI одиницею довжини є метр (м), одиницею часу — секунда (с), об’єм вимірюється в метрах кубічних (м 3 ), швидкість руху — у метрах за секунду (м/с). Про інші одиниці CI ви дізнаєтеся пізніше.

Записуючи значення фізичної величини, треба навести символ, яким вона позначається, числове значення фізичної величини та її одиницю. Наприклад, запис v = 5 м/с означає, що швидкість руху якогось тіла становить 5 метрів за секунду.

3. З’ясовуємо, чим кратні одиниці відрізняються від частинних

Для зручного запису великих і малих значень фізичних величин використовують кратні та частинні одиниці.

Кратні одиниці — це одиниці, які більші за основні одиниці в 10, 100, 1000 і більше разів.

Частинні одиниці — це одиниці, які менші від основних одиниць у 10, 100, 1000 і більше разів.

Назви кратних і частинних одиниць містять спеціальні префікси. Наприклад, кілометр (1000 м) — кратна одиниця довжини; сантиметр (0,01 м) — частинна одиниця довжини.

У таблиці, поданій на с. 27, наведено найуживаніші префікси.

Рис. 4.2. Якщо бабуся й онук вимірюватимуть відстань у кроках, то, зрозуміло, вони отримають різні результати

Рис. 4.3. Основні одиниці Міжнародної системи одиниць (CI)

Префікси для утворення назв кратних і частинних одиниць

Префікс

Значення в перекладі з грецької або латинської мови

Символ

Множник