Номер 3, страница 67 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 3. Электромагнитные явления. Самостоятельные работы. СР-51. Магнитное поле. Вариант 2 - номер 3, страница 67.

Условие.

3. Что является источником магнитного поля?

Решение.

Решение

Источником магнитного поля, согласно фундаментальным законам электродинамики, являются движущиеся электрические заряды и изменяющиеся во времени электрические поля. Рассмотрим эти источники подробнее.

1. Движущиеся электрические заряды (электрический ток)

Любой движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле. Упорядоченное движение множества зарядов образует электрический ток, который является макроскопическим источником магнитного поля. Это было экспериментально обнаружено Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. Сила и направление этого поля описываются, например, законом Био-Савара-Лапласа для элемента проводника с током:

$d\vec{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{I(d\vec{l} \times \vec{r})}{r^3}$

где $d\vec{B}$ — вектор магнитной индукции, создаваемый элементом проводника $d\vec{l}$, $\text{I}$ — сила тока, $\mu_0$ — магнитная постоянная, $\vec{r}$ — радиус-вектор от элемента $d\vec{l}$ до точки, в которой измеряется поле.

Примерами таких источников являются проводники с током (прямые провода, соленоиды) и пучки заряженных частиц (например, в ускорителях).

2. Магнетизм на микроуровне (в постоянных магнитах)

Магнитные свойства веществ, в том числе постоянных магнитов, также объясняются движением зарядов, но уже на атомном и субатомном уровнях. Существуют два основных механизма:

• Орбитальное движение электронов. Электроны, вращаясь вокруг ядра атома, создают орбитальные токи. Каждый такой ток порождает собственный магнитный момент, превращая атом в микроскопический магнит (магнитный диполь).

• Спин электронов. Помимо орбитального движения, электроны обладают собственным моментом импульса, не связанным с движением в пространстве, — спином. Спин также порождает магнитный момент. Во многих веществах (например, в ферромагнетиках, таких как железо) именно спиновые магнитные моменты электронов вносят основной вклад в их магнитные свойства. В постоянных магнитах спиновые моменты большого числа атомов сонаправлены, что создает макроскопическое магнитное поле.

3. Переменное электрическое поле

Согласно теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, источником магнитного поля может быть не только электрический ток, но и изменяющееся во времени электрическое поле. Этот факт отражен в одном из уравнений Максвелла (закон Ампера-Максвелла в дифференциальной форме):

$\nabla \times \vec{B} = \mu_0 \left( \vec{j} + \varepsilon_0 \frac{\partial\vec{E}}{\partial t} \right)$

Здесь $\vec{j}$ — плотность тока (движущиеся заряды), а слагаемое $\varepsilon_0 \frac{\partial\vec{E}}{\partial t}$ описывает вклад от изменяющегося электрического поля $\vec{E}$ (так называемый ток смещения). Это явление играет ключевую роль в существовании электромагнитных волн, где переменное электрическое поле порождает переменное магнитное, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое, и так далее.

Ответ:

Источниками магнитного поля являются: 1) движущиеся электрические заряды (электрический ток), как на макроскопическом (ток в проводе), так и на микроскопическом уровне (движение и спин электронов в атомах); 2) изменяющиеся во времени электрические поля.