Электрический диполь - идеализированная электронейтральная система, состоящая из точечных и равных по абсолютной величине положительного и отрицательногоэлектрических зарядов.

Другими словами, электрический диполь представляет собой совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга

Произведение вектора проведённого от отрицательного заряда к положительному, на абсолютную величину зарядовназывается дипольным моментом:

Во внешнем электрическом поле на электрический диполь действует момент силкоторый стремится повернуть его так, чтобы дипольный момент развернулся вдоль направления поля.

Потенциальная энергия электрического диполя в (постоянном) электрическом поле равна (В случае неоднородного поля это означает зависимость не только от момента диполя - его величины и направления, но и от места, точки нахождения диполя).

Вдали от электрического диполя напряжённость его электрического поляубывает с расстояниемкакто есть быстрее, чем уточечного заряда().

Любая в целом электронейтральная система, содержащая электрические заряды, в некотором приближении (то есть собственно в дипольном приближении ) может рассматриваться как электрический диполь с моментомгде- заряд-го элемента,- его радиус-вектор. При этом дипольное приближение будет корректным, если расстояние, на котором изучается электрическое поле системы, велико по сравнению с её характерными размерами.

Магнитный диполь

Магнитный диполь - аналог электрического, который можно представить себе как систему двух «магнитных зарядов» (эта аналогия условна, так как магнитных зарядов, с точки зрения современнойэлектродинамики, не существует). В качестве модели магнитного диполя можно рассматривать небольшую (по сравнению с расстояниями, на которых изучается генерируемое диполеммагнитное поле) плоскую замкнутую проводящую рамку площадипо которой течёт токПри этом магнитным моментом диполя (в системеСГСМ) называют величинугде- единичный вектор, направленный перпендикулярно плоскости рамки в том направлении, при наблюдении в котором ток в рамке представляется текущим по часовой стрелке.

Выражения для вращающего момента, действующего со стороны магнитного поля на магнитный диполь, и потенциальной энергии постоянного магнитногодиполя в магнитном поле, аналогичны соответствующим формулам для взаимодействия электрического диполя с электрическим полем, только входят тудамагнитный моментивектор магнитной индукции:

Поле колеблющегося диполя

В этом разделе рассматривается поле, создаваемое точечным электрическим диполем находящимся в заданной точке пространства.

Для облегчения решения задач магниторазведки вводится понятие магнитного потенциала точечной магнитной массы:

где r - расстояние от центра магнитной массы до точки наблюдения.

В теории магнетизма пользуются понятием магнитного диполя, т.е. двух равных, близко расположенных магнитных масс противоположного знака. Диполем можно считать такие связанные заряды, у которых расстояние между зарядами на порядок меньше расстояния до точки наблюдения. Потенциал диполя U в точке Р выражается формулой:

где r 1 и r 2 - расстояния от центра магнитных масс до точки наблюдения P. Для диполя магнитный момент равен M = ml, следова­тель­но, при значении dl dM = mdl, а значение потенциала - dU

Окончательное выражение для потен­циала диполя в точке Р будет:

По определению, градиент магнитного потенциала равен напряжен­но­сти магнитного поля Н, тогда:

(4)

Магнитным моментом может обладать не только диполь, представля­ющий собой постоянный магнит, но и замкнутый электрический контур площадью S. Такой замкнутый ток создает магнитный момент M = iS, где i – ток в контуре.

Интенсивность намагничения элементарного объема (J), согласно опре­делению, равна отношению магнитного момента (dM) к его объему (dV). По­этому выражение для потенциала магнитного диполя перепишется в следу­ющем виде: dU = (Jcosθ/μr 2)dV, где вектор J направлен вдоль оси диполя.

Mагнитный потенциал любого тела можно представить в виде интег­ра­ла по объему этого тела от потенциалов элементарных диполей, из которых состоит данное тело:

(5)

а напряженность поля, создаваемое этим телом будет:

(6)

где интегрирование ведут по всему объему тела V.

Уравнения (5) и (6) лежат в основе всей теории магниторазведки. Ана­ли­тические выражения при решении уравнения (6) получаются лишь для тел простой геометрической формы и однородной (постоянной) намагничен­но­сти. Для тел более сложной формы, да еще при разной намагниченности, возможны численные решения с помощью ЭВМ.

Магнитное поле Земли Элементы земного магнетизма

В любой точке земной поверхности существует магнитное поле, кото­рое определяется полным вектором напряженности Т. Вдоль вектора Т уста­навливается подвешенная у центра тяжести магнитная стрелка. Проекция этого вектора на горизонтальную поверхность и вертикальное направление, а также углы, составленные этим вектором с координатными осями, носят название главных элементов магнитного поля.

Если ось Х прямоугольной системы коор­динат направить на географический север, осьY - на восток, а ось Z - по отвесу вниз, то проекция полного вектора Т на ось Z называется вертикаль­ной составляющей и обозначается Z . Проекция полного вектора T на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей (H ). Направление H совпадает с магнитным мериди­аном. Проекция H на ось X называется северной (или южной) составляющей; проекция H на ось Y называется восточной (западной) составляющей. Угол между осью X и составляющей H называется склонением и обозначается D . Принято считать восточное склонение положительным, западное - отрицательным. Угол между вектором T и горизонтальной плоскостью называется наклонением и обозначается J . При наклоне вниз наклонение положительное, при наклоне вверх отрицательное. Взаимосвязь полученных элементов магнитного поля Земли выражается с помощью формул:

H = T * cosJ; Z = T * sinJ; Z = H * tgJ; T 2 = H 2 + Z 2 .

Элементы земного магнитного поля можно выразить через любые три соста­вляющие. При магнитной разведке измеряют лишь две составляющие поля Z или T , в особых случаях – Н .

Единицы измерений .

В магниторазведке измеряемым параметром магнитного поля является магнитная индукция (или плотность магнитного потока) В. Единицей магни­т­ной индукции в системе Си является тесла (Тл). В магниторазведке исполь­зуется более мелкая единица нанотесла (нТл), равная 10-9 Тл. Для большин­ства сред, в которых изучается магнитное поле (воздух, вода, громадное большинство немагнитных осадочных пород), близко по значению к прони­ца­е­мости вакуума (μ 0 = 4π * 10 -7 Гн/м). Поэтому количественно магнитное поле Земли можно измерять либо в единицах магнитной индукции (в нТл), либо в соответствующей ей напряженности поля – гамма (γ). (В = μμ 0 Н, где μ – относительная магнитная проницаемость среды).

Единицей напряженности геомагнитного поля (Н) в системе Си являет­ся ампер на метр (А/м). В магниторазведке применялась и другая единица Эрстед (Э) (СГС) или гамма (γ), равная 10 -5 Э (1Э = 80 A/m).

Магнитный диполь

Магнитным диполем является небольшая петля с током. Под словом «небольшая» понимают то, что размеры витка с током много меньше, чем геометрические величины, характеризующие размеры петли. Любая петля с током создает магнитное поле, которое можно уподобить электрическому полю от электрического диполя. Магнитный диполь характеризуется магнитным моментом ($\overrightarrow{p_m}$), как электрический диполь имеет электрический момент диполя ($\overrightarrow{p_e}=q\overrightarrow{l\ },$).

Определение

Произведение:

называется магнитным моментом магнитного диполя.

Из формулы (1) очевидно, что эта величина по модулю равна произведению силы тока, который течет в контуре на площадь, которая охвачена им. Направление магнитного момента совпадает с положительной нормалью к поверхности S. Векторный потенциал магнитного диполя примет вид:

\[\overrightarrow{A}\left(\overrightarrow{r}\right)=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{\overrightarrow{p_m}\times \overrightarrow{r}}{r^3}\left(2\right).\]

\[\overrightarrow{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\left\{\frac{3\left(\overrightarrow{p_m}\cdot \overrightarrow{r}\right)\overrightarrow{r}}{r^5}-\frac{\overrightarrow{p_m}}{r^3}\right\}\left(3\right).\]

На больших расстояниях от диполя в любом направлении поле убывает пропорционально $r^3$, и растет пропорционально площади витка.

Слово диполь в применении к токам слегка запутывает, так как нет отдельных магнитных полюсов, которые бы соответствовали электрическим зарядам. Магнитное «дипольное» поле создается не двумя зарядами, а элементарной петлей с током.

Взаимодействие магнитных диполей

Из представления о магнитном диполе как о витке с током можно представить следующую схему взаимодействия магнитных диполей. Один из витков (номе 1) тока создает магнитное поле, которое описывается формулой (3), другой виток с током (номер 2) в этом поле находится и взаимодействует с ним. Поле, которое создает магнитный диполь однородным не является ($\overrightarrow{B}\ne const$). Соответственно сила, с которой магнитное поле действует на виток с током отлична то нуля. Сила $\overrightarrow{dF}$, действующая на элемент контура (2), перпендикулярна к вектору индукции ($\overrightarrow{B}$) поля, которое создает диполь (1), то есть к линии в месте пересечения ее с элементом витка ($\overrightarrow{dl}$). Поэтому силы, которые приложены к различным элементам контура (магнитного диполя 2) имеют вид симметричного конического веера. Их результирующая, направлена в сторону возрастания магнитной индукции поля, следовательно, втягивает диполь в сторону более сильного поля.

Если ориентация магнитного момента диполя (2) остается неизменной по отношению к полю диполя (1), то легко найти количественное выражение для силы взаимодействия диполей. При этом потенциальная энергия механического взаимодействия диполей ($W_{p\ m}$) зависит только от x (через B). Следовательно:

где $B_1$ -- индукция поля, которое создает магнитный диполь (1), $p_{m2}$ -- магнитный момент диполя (2), $\alpha $ -- угол между вектором поля и вектором магнитного момента. В некоторых случаях считают, что в других направлениях поле изменяется слабо и тогда:

Согласно (5) сила, действующая на магнитный диполь в поле другого диполя, зависит от их взаимной ориентации магнитных моментов. Если вектор $\overrightarrow{p_{m2}}\uparrow \uparrow \overrightarrow{B_1}$ ($\alpha =0$), то сила взаимодействия диполей положительна, то есть, направлена в сторону возрастания $\overrightarrow{B_1}$ (считается, что $\frac{\partial B_1}{\partial x}>0$). Кроме силы F.

На контур с током будет действовать вращательный момент ($\overrightarrow{M}$), равный:

\[\overrightarrow{M}=\left[\overrightarrow{p_{m2}}\ \overrightarrow{B_1}\right]\ \left(6\right).\]

Модуль вектора М равен:

Энергия диполь-дипольного взаимодействия

Пусть два диполя имеют магнитные моменты $\overrightarrow{p_{mi\ ,}}\overrightarrow{p_{mj}}$, они располагаются в точках, которые определены радиус -- векторами: $\overrightarrow{r_{i\ ,}}\overrightarrow{r_j}$. Тогда энергия взаимодействия этих двух диполей может быть записана как:

Энергия диполь-дипольного взаимодействия зависит от взаимного расположения диполей.

Пример 1

Задание: Проведите сравнение поля электрического диполя и поля магнитного диполя.

Напряженности поля электрического диполя, имеет вид:

\[\overrightarrow{E}=\frac{1}{4\pi {\varepsilon }_0\varepsilon }\left(\frac{3\left({\overrightarrow{p}}_e\cdot \overrightarrow{r}\right)\overrightarrow{r}}{r^5}-\frac{\overrightarrow{p_e}}{r^3}\right)\left(1.1\right),\]

где $\overrightarrow{p_e}=q\overrightarrow{l\ }$-- электрический момент диполя.

Согласно формуле (1.1) напряженность поля диполя убывает, пропорционально третьей степени расстояния от диполя, до точки в которой рассматривается поле.

Магнитное поле, которое создает магнитный диполь, имеет вид:

\[\overrightarrow{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\left\{\frac{3\left(\overrightarrow{p_m}\cdot \overrightarrow{r}\right)\overrightarrow{r}}{r^5}-\frac{\overrightarrow{p_m}}{r^3}\right\}\left(1.2\right),\]

$\overrightarrow{p_m}=I\overrightarrow{S}-$магнитный момент магнитного диполя.

Исходя из вида формул (1.1) и (1.2) магнитное и электрические поля диполей ведут себя аналогично. Именно поэтому элементарный ток называют магнитным диполем. Похожесть этих полей объясняют тем, что дипольные поля возникают тогда, когда наблюдатель находится далеко от токов и зарядов. Тогда в большей части пространства уравнения для напряженности электрического поля и индукции магнитного поля очень похожи по форме. У них дивергенция и ротор равны нулю. Следовательно, они дают одни решения. Однако, источники, конфигурацию которых мы описываем с помощью дипольных моментов физически, существенно различны. В магнитном поле -- это ток, в электрическом поле заряды.

Пример 2

Задание: Покажите, что энергия диполь - дипольного взаимодействия зависит от взаимной ориентации диполей.

В качестве основания для решения задачи используем формулу для энергии магнитного взаимодействия диполей:

где $\overrightarrow{p_{mi\ ,}}\overrightarrow{p_{mj}}-$ магнитные моменты диполей, $\overrightarrow{r_{i\ ,}}\overrightarrow{r_j}$-радиус векторы, определяющие положения диполей.

Преобразуем выражение (2.1), получим:

где $r_{ij}=r_i-r_j$, $\vartheta_{ij}$ -- угол между векторами $\overrightarrow{p_{mi\ ,}}\overrightarrow{p_{mj}}$.

Так из (2.2) ясно видно, что энергия $W_{ij}$ -- зависит от взаимного расположения диполей. Для пары диполей с одинаковыми дипольными моментами $p_{mj}{=p}_{mi}=p$, при их горизонтальной параллельной ориентации энергия взаимодействия диполей минимальна и равна:

Так требуемое доказано.

Вопросы по физике

Сила Лоренца;

Сила Лоренца - сила, с которой, в рамках классической физики, электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. Иногда силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью заряд лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу - со стороны электромагнитного поля вообще , иначе говоря, со стороны электрического и магнитного полей. Выражается в СИ как:

Макроскопическим проявлением силы Лоренца является сила Ампера.

Заряженная частица

Сила Лоренца f действующая на заряженную частицу (заряда q ) при движении (с постоянной скоростью v ). E поле и B поле меняются в пространстве и во времени.

Сила F действующая на частицу с электрическим зарядом q , движущуюся с постоянной скоростью v , во внешнем электрическом E и магнитном B полях, такова:

где × векторное произведение. Все величины выделенные жирным являются векторами. Более явно:

где r - радиус-вектор заряженной частицы, t - время, точкой обозначена производная по времени.

Непрерывное распределение заряда

Сила Лоренца (на единичный 3-объём) f действующая на непрерывное распределение заряда (зарядовая плотность ρ) при движении. 3-плотность потока J соответствует движению заряженного элемента dq в объеме dV .

Для непрерывного распределения заряда, сила Лоренца принимает вид:

где d F - сила, действующая на маленький элемент dq .

Закон Ампера;

Зако́н Ампе́ра - закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных - отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Выражение для силы , с которой магнитное поле действует на элемент объёма проводника с током плотности , находящегося в магнитном поле с индукцией , в Международной системе единиц (СИ) имеет вид:

Если ток течёт по тонкому проводнику, то , где - «элемент длины» проводника - вектор, по модулю равный и совпадающий по направлению с током. Тогда предыдущее равенство можно переписать следующим образом:

Направление силы определяется по правилу вычисления векторного произведения, которое удобно запомнить при помощи правила левой руки.

Модуль силы Ампера можно найти по формуле:

где - угол между векторами магнитной индукции и тока.

Сила максимальна когда элемент проводника с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции ():

Наиболее известным примером, иллюстрирующим силу Ампера, является следующая задача. В вакууме на расстоянии друг от друга расположены два бесконечных параллельных проводника, в которых в одном направлении текут токи и . Требуется найти силу, действующую на единицу длины проводника.

В соответствии с законом Био - Савара - Лапласа бесконечный проводник с током в точке на расстоянии создаёт магнитное поле с индукцией

где - магнитная постоянная.

Теперь по закону Ампера найдём силу, с которой первый проводник действует на второй:

По правилу буравчика, направлена в сторону первого проводника (аналогично и для , а значит, проводники притягиваются).

Модуль данной силы ( - расстояние между проводниками):

Интегрируем, учитывая только проводник единичной длины (пределы от 0 до 1):

Полученная формула используется в СИ для установления численного значения магнитной постоянной . Действительно, ампер, являющийся одной из основных единиц СИ, определяется в ней как «сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10 −7 ньютона» .

Таким образом, из полученной формулы и определения ампера следует, что магнитная постоянная равна Н/А² или, что то же самое, Гн/ м точно .

Дипольный магнитный момент;

Магни́тный моме́нт , магни́тный дипо́льный моме́нт - основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Магнитным моментом обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина.