Магнитное поле постояннoго электрического тока. Видеоурок. Физика 11 Класс
Каждый из вас держал в руках магнит и знает его удивительное свойство: он на расстоянии взаимодействует с другим магнитом или с куском железа. Что есть такого в магните, что придает ему эти удивительные свойства? Можно ли самому сделать магнит? Можно, и что для этого нужно – вы узнаете из нашего урока. Забежим наперед: если взять простой железный гвоздь, он не будет обладать магнитными свойствами, но, если обмотать его проволокой и подключить ее к батарейке, мы получим магнит (см. рис. 1).
Рис. 1. Гвоздь, обмотанный проволокой и подключенный к батарейке
Оказывается, чтобы получить магнит, нужен электрический ток – движение электрического заряда. С движением электрического заряда связаны и свойства постоянных магнитов, таких как магнитики на холодильнике. Некого магнитного заряда, подобно электрическому, в природе не существует. Он и не нужен, достаточно движущихся электрических зарядов.
Прежде чем исследовать магнитное поле постоянного электрического тока, нужно договориться, как количественно описывать магнитное поле. Для количественного описания магнитных явлений необходимо ввести силовую характеристику магнитного поля. Векторная величина, количественно характеризующая магнитное поле, называется магнитной индукцией. Обозначается она обычно большой латинской буквой B, измеряется в тесла.
Магнитная индукции 
– векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Направление магнитного поля определяется по аналогии с моделью электростатики, в которой поле характеризуется действием на пробный покоящийся заряд. Только здесь в качестве «пробного элемента» используется магнитная стрелка (продолговатый постоянный магнит). Такую стрелку вы видели в компасе. За направление магнитного поля в какой-либо точке принято направление, которое укажет северный полюс N магнитной стрелки после переориентации (см. рис. 2).
Рис. 2. Направление магнитного поля
Полную и наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые силовые линии магнитного поля (см. рис. 3).
Рис. 3. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита
Это линии, показывающие направление вектора магнитной индукции (то есть направления полюса N магнитной стрелки) в каждой точке пространства. С помощью магнитной стрелки, таким образом, можно получить картину силовых линии различных магнитных полей. Вот, например, картина силовых линий магнитного поля постоянного магнита (см. рис. 4).
Рис. 4. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита
Магнитное поле существует в каждой точке, но линии мы изображаем на некотором расстоянии друг от друга. Это просто способ изображения магнитного поля, аналогично мы поступали с напряженностью электрического поля (см. рис. 5).
Рис. 5. Линии напряженности электрического поля
Чем более плотно нарисованы линии – тем больше модуль магнитной индукции в данной области пространства. Как видите (см. рис. 4), силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс. Внутри магнита силовые линии поля также продолжаются. В отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, силовые линии магнитного поля замкнутые (см. рис. 6).
Рис. 6. Силовые линии магнитного поля замкнуты
Поле, силовые линии которого замкнуты, называется вихревым векторным полем. Электростатическое поле не является вихревым, оно потенциальное. Принципиальное различие вихревых и потенциальных полей в том, что работа потенциального поля на любом замкнутом пути равна нулю, для вихревого поля это не так. Земля тоже является огромным магнитом, она обладает магнитным полем, которое мы обнаруживаем с помощью стрелки компаса. Подробнее о магнитном поле Земли рассказано в ответвлении.
|
Наша планета Земля является большим магнитом, полюса которого находятся неподалеку от пересечения поверхности с осью вращения. Географически это Южный и Северный полюса. Именно поэтому стрелка в компасе, которая тоже является магнитом, взаимодействует с Землей. Она ориентируется таким образом, что один конец указывает на Северный полюс, а другой – на Южный (см. рис. 7).
Рис.7. Стрелка в компасе взаимодействует с Землей Тот, который указывает на Северный полюс Земли, обозначили N, что означает North – в переводе с английского «Север». А тот, который указывает на Южный полюс Земли – S, что означает South – в переводе с английского «Юг». Так как притягиваются разноименные полюса магнитов, то северный полюс стрелки указывает на Южный магнитный полюс Земли (см. рис. 8).
Рис. 8. Взаимодействие компаса и магнитных полюсов Земли Получается, что Южный магнитный полюс находится у Северного географического. И наоборот, Северный магнитный находится у Южного географического полюса Земли. |
Теперь, познакомившись с моделью магнитного поля, исследуем поле проводника с постоянным током. Еще в XIX веке датский ученый Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка взаимодействует с проводником, по которому течет электрический ток (см. рис. 9).
Рис. 9. Взаимодействие магнитной стрелки с проводником
Практика показывает, что в магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке будет устанавливаться по касательной к некоторой окружности. Плоскость этой окружности перпендикулярна проводнику с током, а ее центр лежит на оси проводника (см. рис. 10).
Рис. 10. Расположение магнитной стрелки в магнитном поле прямого проводника
Если изменить направление протекания тока по проводнику, то магнитная стрелка в каждой точке развернется в противоположную сторону (см. рис. 11).
Рис. 11. При изменении направления протекания электрического тока
То есть направление магнитного поля зависит от направления протекания тока по проводнику. Описать эту зависимость можно при помощи простого экспериментально установленного метода – правила буравчика:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения его ручки совпадает с направлением магнитного поля, создаваемого этим проводником (см. рис. 12).
Рис.12. Направление магнитного поля
Итак, магнитное поле проводника с током направлено в каждой точке по касательной к окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружности совпадает с осью проводника. Направление вектора магнитного поля в каждой точке связано с направлением тока в проводнике правилом буравчика. Опытным путем, при изменении силы тока и расстояния от проводника, установлено, что модуль вектора магнитной индукции пропорционален току 
и обратно пропорционален расстоянию от проводника 
где 
– коэффициент пропорциональности, который нередко встречается в магнетизме. Называется магнитной проницаемостью вакуума. Численно равен:
Для магнитных полей, как и для электрических, справедлив принцип суперпозиции. Магнитные поля, создаваемые разными источниками в одной точке пространства, складываются (см. рис. 13).
Рис. 13. Магнитные поля разных источников складываются
Суммарная силовая характеристика такого поля будет векторной суммой силовых характеристик полей каждого из источников. Величину магнитной индукции поля, создаваемого током в определенной точке, можно увеличить, если согнуть проводник в окружность. Это будет понятно, если рассмотреть магнитные поля небольших сегментов такого витка провода в точке, находящейся внутри этого витка. Например, в центре.
Сегмент, обозначенный 
, по правилу буравчика создает в ней поле, направленное вверх (см. рис. 14).
Рис. 14. Магнитное поле сегментов
Сегмент 
аналогично создает в этой точке магнитное поле, направленное туда же. Аналогично и для других сегментов. Тогда суммарная силовая характеристика (то есть вектор магнитной индукции B) в этой точке будет суперпозицией силовых характеристик магнитных полей всех малых сегментов в этой и будет направлено вверх (см. рис. 15).
Рис. 15. Суммарная силовая характеристика в центре витка
Для произвольного витка, не обязательно в форме окружности, например для квадратной рамки (см. рис. 16), величина вектора 
внутри витка будет, естественно, зависеть от формы, размеров витка и силы тока в нем, но направление вектора магнитной индукции всегда будет определяться таким же способом (как суперпозиция полей, создаваемых малыми сегментами).
Рис. 16. Магнитное поле сегментов квадратной рамки
Мы подробно описали определение направления поля внутри витка, но в общем случае его можно находить гораздо проще, по немного измененному правилу буравчика:
если вращать рукоятку буравчика в том направлении, куда течет ток в витке, то острие буравчика укажет направление вектора магнитной индукции внутри витка (см. рис. 17).
Рис. 17. Направление вектора магнитной индукции в витке
То есть теперь вращение рукоятки соответствует направлению тока, а перемещение буравчика – направлению поля. А не наоборот, как было в случае с прямым проводником. Если длинный проводник, по которому течет ток, свернуть в пружину, то это устройство будет представлять из себя множество витков. Магнитные поля каждого витка катушки по принципу суперпозиции будут складываться. Таким образом, поле, создаваемое катушкой в некоторой точке, будет суммой полей, создаваемых каждым из витков в этой точке. Картину силовых линий поля такой катушки вы видите на рис. 18.
Рис. 18. Силовые линии катушки
Такое устройство называется катушкой, соленоидом или электромагнитом. Нетрудно заметить, что магнитные свойства катушки будут такими же, как у постоянного магнита (см. рис. 19).
Рис. 19. Магнитные свойства катушки и постоянного магнита
Одна сторона катушки (которая на рисунке сверху) играет роль северного полюса магнита, а другая сторона – южного полюса. Такое устройство широко применяется в технике, потому что им можно управлять: оно становится магнитом только при включении тока в катушке. Обратите внимание, что линии магнитного поля внутри катушки почти параллельны, их плотность велика. Поле внутри соленоида очень сильное и однородное. Поле снаружи катушки неоднородно, оно намного слабее поля внутри и направлено в противоположную сторону. Направление магнитного поля внутри катушки определяется по правилу буравчика как для поля внутри одного витка. За направление вращения рукоятки мы принимаем направление тока, который течет по катушке, а перемещение буравчика указывает направление магнитного поля внутри нее (см. рис. 20).
Рис. 20. Правило буравчика для катушки
Если поместить виток с током в магнитное поле, он будет переориентироваться, подобно магнитной стрелке. Момент силы, вызывающий поворот, связан c модулем вектора магнитной индукции в данной точке, площадью витка и силой тока в нем следующим соотношением:
Теперь нам становится понятно, откуда берутся магнитные свойства постоянного магнита: электрон, движущийся в атоме по замкнутой траектории, подобен витку с током, и, как и виток, он обладает магнитным полем. А, как мы увидели на примере катушки, множество витков с током, упорядоченных определенным образом, обладают сильным магнитным полем.
|
Поле, создаваемое постоянными магнитами, – результат движения зарядов внутри них. И эти заряды – электроны в атомах (см. рис. 21).
Рис. 21. Движение электронов в атомах Объясним механизм его возникновения на качественном уровне. Как известно, электроны в атоме находятся в движении. Так вот, каждый электрон, в каждом атоме создает свое магнитное поле, таким образом, получается огромное количество магнитов размером с атом. У большинства веществ эти магниты и их магнитные поля ориентированы хаотично. Поэтому суммарное магнитное поле, создаваемое телом, равно нулю. Но есть вещества, у которых магнитные поля, создаваемые отдельными электронами, ориентированы одинаково (см. рис. 22).
Рис. 22. Магнитные поля ориентированы одинаково Поэтому магнитные поля, создаваемые каждым электроном, складываются. В итоге тело из такого вещества обладает магнитным полем и является постоянным магнитом. Во внешнем магнитном поле отдельные атомы или группы атомов, обладающие, как мы выяснили, собственным магнитным полем, поворачиваются как стрелка компаса (см. рис. 23).
Рис. 23. Поворачивание атомов во внешнем магнитном поле Если они до этого не были ориентированы в одну сторону и не образовывали сильное суммарное магнитное поле, то после упорядочивания элементарных магнитов их магнитные поля сложатся. И если после действия внешнего поля упорядоченность сохранится, вещество останется магнитом. Описанный процесс называется намагничиванием. |
Обозначьте полюса источника тока, питающего соленоид при указанном на рис. 24 взаимодействии. Порассуждаем: соленоид, в котором течет постоянный ток, ведет себя подобно магниту.
Рис. 24. Источник тока
По рис. 24 видно, что магнитная стрелка ориентирована южным полюсом в сторону соленоида. Одноименные полюса магнитов отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Отсюда следует, что левый полюс самого соленоида – северный (см. рис. 25).
Рис. 25. Левый полюс соленоида северный
Линии магнитной индукции выходят из северного полюса и входят в южный. Значит, поле внутри соленоида направлено влево (см. рис. 26).
Рис. 26. Поле внутри соленоида направлено влево
Ну а направление поля внутри соленоида определяется по правилу буравчика. Мы знаем, что поле направлено влево – значит, представим, что буравчик вкручивается в этом направлении. Тогда его рукоятка будет указывать направление тока в соленоиде – справа налево (см. рис. 27).
Рис. 27. Направление тока в соленоиде
Направление тока определяется направлением перемещения положительного заряда. А положительный заряд перемещается от точки с большим потенциалом (положительный полюс источника) в точку с меньшим (отрицательный полюс источника). Следовательно, полюс источника, расположенный справа, – положительный, а слева – отрицательный (см. рис. 28).
Рис. 28. Определение полюсов источника
Задача 2
Рамка площадью 400 
помещена в однородное магнитное поле индукцией 0,1 Тл так, что нормаль рамки перпендикулярна линиям индукции. При какой силе тока на рамку будет действовать вращающий момент 20 
(см. рис. 29)?
Рис. 29. Рисунок к задаче 2
Порассуждаем: момент силы, вызывающий поворот, связан c модулем вектора магнитной индукции в данной точке, площадью витка и силой тока в нем следующим соотношением:
В нашем случае все необходимые данные имеются. Остается выразить искомую силу тока и рассчитать ответ:
Задача решена.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет портал «Гипермаркет знаний» (Источник)
Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле (Ерюткин Е.С.)
Cегодня мы в первую очередь повторим, что такое магнитное поле. Магнитное поле – силовое поле, которое образуется вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Оно связано с движущимися зарядами.
Теперь необходимо отметить свойства магнитного поля. Вы знаете, что с зарядом связано несколько полей. В частности, электрическое поле. Но мы будем обсуждать именно магнитное поле, создаваемое движущимися зарядами. У магнитного поля несколько свойств. Первое: магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Иными словами, магнитное поле образуется вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Следующее свойство, которое говорит, как магнитное поле определяется. Определяется оно по действию на другой движущийся электрический заряд. Или, говорят, на другой электрический ток. Наличие магнитного поля мы можем определить по действию на стрелку компаса, на т.н. магнитную стрелку.
Еще одно свойство: магнитное поле оказывает силовое действие. Поэтому говорят, что магнитное поле материально.
Эти три свойства являются отличительными чертами магнитного поля. После того, как мы определились с тем, что такое магнитное поле, и определили свойства такого поля, необходимо сказать, как магнитное поле исследуют. В первую очередь магнитное поле исследуется при помощи рамки с током. Если мы возьмем проводник, сделаем из этого проводника круглую или квадратную рамку и по этой рамке будем пропускать электрический ток, то в магнитном поле эта рамка будет определенным образом поворачиваться.
Рис. 1. Рамка с током поворачивается во внешнем магнитном поле
По тому, как поворачивается эта рамка, мы можем судить о магнитном поле. Только здесь есть одно важное условие: рамка должна быть очень маленькая или она должна быть очень малых размеров по сравнению с расстояниями, на которых мы изучаем магнитное поле. Такую рамку называют контур с током.
Исследовать магнитное поле мы можем и при помощи магнитных стрелок, размещая их в магнитном поле и наблюдая за их поведением.
Рис. 2. Действие магнитного поля на магнитные стрелки
Следующее, о чем мы будем говорить, о том, как можно изобразить магнитное поле. В результате исследований, которые были проведены в течение долгого времени, стало понятно, что магнитное поле удобно изображать при помощи магнитных линий. Чтобы пронаблюдать магнитные линии, проделаем один эксперимент. Для нашего эксперимента потребуется постоянный магнит, металлические железные опилки, стекло и лист белой бумаги.
Рис. 3. Железные опилки выстраиваются вдоль линий магнитного поля
Магнит накрываем стеклянной пластиной, а сверху кладем лист бумаги, белый лист бумаги. Сверху на лист бумаги сыплем железные опилки. В результате будет видно, как проявляются линии магнитного поля. То, что мы увидим, – это линии магнитного поля постоянного магнита. Их еще называют иногда спектром магнитных линий. Заметьте, что линии существуют по всем трем направлениям, не только в плоскости.
Магнитная линия – воображаемая линия, вдоль которой выстраивались бы оси магнитных стрелок.
Рис. 4. Схематическое изображение магнитной линии
Посмотрите, на рисунке представлено следующее: линия изогнутая, направление магнитной линии определяется направлением магнитной стрелки. Направление указывает северный полюс магнитной стрелки. Очень удобно изображать линии именно при помощи стрелок.
Рис. 5. Как обозначается направление силовых линий
Теперь поговорим о свойствах магнитных линий. Во-первых, у магнитных линий нет ни начала, ни конца. Это линии замкнутые. Раз магнитные линии замкнуты, то не существует магнитных зарядов.
Второе: это линии, которые не пересекаются, не прерываются, не свиваются каким-либо образом. При помощи магнитных линий мы можем характеризовать магнитное поле, представить себе не только его форму, но и говорить о силовом воздействии. Если изображать большую густоту таких линий, то в этом месте, в этой точке пространства, у нас силовое действие будет больше.
Если линии располагаются параллельно друг другу, их густота одинакова, то в этом случае говорят, что магнитное поле однородно. Если, наоборот, этого не выполняется, т.е. густота разная, линии искривлены, то такое поле будет называться неоднородным. В заключение урока хотелось бы обратить ваше внимание на следующие рисунки.
Рис. 6. Неоднородное магнитное поле
Во-первых, теперь мы уже знаем, что магнитные линии можно изображать стрелками. И рисунок представляет именно неоднородное магнитное поле. Густота в разных местах разная, значит, силовое воздействие этого поля на магнитную стрелку будет разным.
На следующем рисунке представлено уже однородное поле. Линии направлены в одну сторону, и их густота одинакова.
Рис. 7. Однородное магнитное поле
Однородное магнитное поле – это поле, которое встречается внутри катушки с большим числом витков или внутри прямолинейного, полосового магнита. Магнитное поле вне полосового магнита или то, что мы сегодня наблюдали на уроке, это поле неоднородное. Чтобы все это до конца усвоить, давайте посмотрим на таблицу.
|
|
Неоднородное магнитное поле |
Однородное Магнитное поле |
|
Сила, действующая в разных точках |
Различна |
Одинакова (как по модулю, так и по направлению) |
|
Линии магнитного поля |
Искривлены, их густота различна |
Параллельны, их густота одинакова |
|
Примеры |
Поле магнита вне его Поле прямолинейного проводника с током |
Поле внутри длинной катушки с большим числом витков. Поле внутри магнита |
Список дополнительной литературы:
Белкин И.К. Электрическое и магнитное поля // Квант. — 1984. — № 3. — С. 28-31. Кикоин А.К. Откуда берется магнетизм? // Квант. — 1992. — № 3. — С. 37-39,42 Леенсон И. Загадки магнитной стрелки // Квант. — 2009. — № 3. — С. 39-40. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 2. – М., 1974
Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Часть 1. Что мы уже знаем о магнитном поле
Нужна ли нам электроэнергия? Странный вопрос, скажете вы – конечно, без неё нельзя представить жизнь современного человека. Но, как это ни парадоксально, сама по себе электроэнергия нам не нужна. От лампочки нам нужен свет, от спирали электрочайника – тепло и т.д. Однако электрический ток удобен тем, что позволяет передавать энергию на большие расстояние с относительно небольшими потерями, и уже «на месте» преобразовывать её в нужный нам вид энергии (световая, тепловая, механическая и т.д.).
Электрическая энергия к нашим домам доставляется от электростанций. Как они работают? Производят энергию – подойдет ли такой ответ? Нет, энергию нельзя произвести или создать, ее можно преобразовать из одного вида в другой, об этом говорит закон сохранения энергии. По-другому и быть не могло, потому что мы так и задумали понятие энергии: выделили нечто, что сохраняется.
Хорошо, разберем для примера гидроэлектростанцию – ГЭС. Вода падает, вращается турбина, она что-то дальше приводит в движение, а на выходе по проводам течет электрический ток. Если не знать, что там за механизм, уже понятно: механическая энергия преобразуется в электрическую.
Электричество – это одно из проявлений некой более общей сущности. Заряд обладает электромагнитным полем, и это поле проявляется по-разному в разных системах отсчета. В системах отсчета, в которых заряд неподвижен, проявляется та составляющая, которую мы назвали электрическим полем. В системах отсчета, в которых заряд движется, добавляется вторая составляющая, которую назвали магнитным полем. Эта ситуация для нас тоже не новая: для человека в поезде яблоко на столе неподвижно, для человека на платформе – движется со скоростью поезда.
Вот от этой разницы между подвижной и неподвижной системами отсчета многое и зависит. Видите, связь между проявлениями электромагнитного поля, заключается в движении. Как раз движение магнита внутри проводящих катушек и создает в них ток.
Это понимание пока не позволит спроектировать электростанцию. Но мы уже хотя бы понимаем, что поток воды нужен, чтобы вращать магнит, и приблизительно представляем, что вращение магнита может быть связано с возникновением электрического тока.
Чтобы описывать эти процессы количественно, нужна четкая модель, поэтому давайте разберемся в явлении подробно и по порядку.
Об истории исследований
Исторически сложилось так, что электрическое поле и магнитное поле долго изучали раздельно. Человечество проделало долгий путь от наблюдения искр, пробегающих между наэлектризованными шерстью и янтарём, до изготовления электрических приборов. Люди также давно знакомы с постоянными магнитами, используют их в компасах. И когда электрические и магнитные явления были давно изучены отдельно, только потом постепенно начали узнавать об их связи. Выяснили, что магнитное поле тоже создается электрическим зарядом, только определенным образом, движущимся в данной системе отсчета, и что это два проявления одного электромагнитного поля.
Нам, живущим в 21 веке, повезло, что весь этот путь к пониманию уже давно проделан до нас, и мы можем сразу говорить об электромагнитном поле. Однако математически описать единое электромагнитное взаимодействие сложно. К тому же для отдельных его проявлений, электрического и магнитного, уже разработаны математические модели, изучены закономерности, которые подходят для решения своих задач. Поэтому мы ими свободно пользуемся и на их базе придумываем новые.
Как и всё ненаблюдаемое, мы изучаем магнитное поле по проявлениям, а проявляется оно во взаимодействии, которое назвали магнитным. Возьмем несколько постоянных магнитов и вспомним, какие мы вводили инструменты для описания магнитного поля.
Итак, у магнита есть две области, возле которых сильнее всего выражено взаимодействие с другими магнитами, такие области назвали полюсами. Возьмем один магнит и приблизим к его полюсу второй магнит, сначала одной стороной, потом второй. В одном случае они притянутся, во втором – оттолкнутся. Делаем вывод, что у магнита полюсы двух видов.
Найдем у двух магнитов полюсы одного вида (или одноимённые): пусть они оба притягиваются к одному и тому же полюсу третьего магнита. Поднесём их друг к другу – они отталкиваются. А разноимённые полюса притягиваются.
Чтобы как-то различать полюса, для них придумали обозначения. Одним из первых применений магнита был компас: стрелка компаса – это магнит, который своими полюсами ориентируется в направлении север-юг, поэтому полюса магнитов так и назвали: северный и южный.
Для магнитного поля придумали удобный способ их изобразить: линии магнитной индукции, еще мы их называли просто магнитными линиями. Это линии, вдоль которых ориентируется магнитная стрелка компаса, помещенная в магнитное поле, и северный полюс стрелки указывает на направление этих линий.
Рис. 1 — Магнитное поле магнитной стрелки компаса
Таким образом, линии магнитной индукции «выходят» из северного полюса магнита и «входят» в южный полюс. Эти линии замкнутые, их можно продолжить внутри магнита.
Однако магнитными полем обладает не только постоянный магнит. Магнитное поле – это проявление электромагнитного поля заряда, и проявляется оно в системах отсчета, в которых заряд движется. Движение электрического заряда – это электрический ток. Так что магнитное поле возникает вокруг проводника с током.
Опыт Эрстеда
Как мы обнаруживаем то, что не наблюдаем непосредственно? По проявлениям. Магнитное поле нельзя пощупать, но его можно выявить по наличию магнитного взаимодействия. Мы можем взять магнитную стрелку и поднести ее к постоянному магниту. Стрелка вступит во взаимодействие с магнитом, повернётся по касательной к линиям его магнитного поля.
Так же можно выявить и магнитное поле проводника с током, как это впервые сделал Ганс Кристиан Эрстед. Если поместить рядом с проводником магнитную стрелку параллельно проводнику и пропустить через проводник ток, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Если попробовать разные варианты взаимного расположения проводника и стрелок, то увидим: стрелки каждый раз ориентированы по касательной к окружности, через центр которой проводит проводник.
Рис. 2 – Расположение линий магнитного поля проводника с током
Это значит, что вокруг проводника с током есть магнитное поле, и линии его индукции представляют собой окружности.
С формой линий разобрались, осталось определить их направление. Оказалось, что при изменении направления тока в проводнике магнитная стрелка ориентировалась в противоположную сторону – магнитное поле определяется направлением тока. Закономерность такова: если направить винт со стандартной правой резьбой вдоль проводника, чтобы направление поступательного движения винта совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадёт с направлением линий магнитной индукции поля. Это правило назвали правилом правого винта или правилом буравчика.
Проводник можно свернуть в виток или сделать несколько витков – это уже получится катушка, причем магнитные поля витков сложатся.
Рис 3. – Магнитное поле катушки с током
Магнитное поле прямого проводника, витка и катушки с током
Мы уже умеем определять направление магнитного поля проводника с током по правилу буравчика. У нас до этого шла речь о прямом проводнике. А что, если проводник изогнут в виток или катушку? Можно рассмотреть небольшие участки проводника, которые по отдельности можно считать прямыми, и к ним можно применять правило буравчика. А поле всего проводника будет складываться из полей каждого такого участка. Рассмотрим на примере витка круглой формы.
Выберем небольшой участок проводника, в нем ток течет в одну сторону. Мысленно располагаем буравчик и вращаем его так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока. Тогда вращательное движение ручки покажет направление магнитного поля.
Рис. 4 – Направление магнитного поля в витке проводника с током
И какой бы мы ни взяли участок витка, везде линии магнитной индукции будут направлены вверх внутри витка и вниз – снаружи витка.
Рис. 5 – Магнитное поле витка с током
А теперь попробуем расположить несколько витков один за другим – получим катушку. Ее магнитное поле будет суммой магнитных полей всех её витков.
Рис. 6 – Магнитное поле катушки с током
Кстати, очень похожую на магнитное поле постоянного магнита, поэтому его можно равноценно заменить электромагнитом.
Магнитное поле постоянного магнита – это такое же магнитное поле, и создается оно движущимся электрическим зарядом. Мы знаем, что атомы содержат электрический заряд, отрицательно заряженные электроны с большой скоростью движутся вокруг ядер в каждом атоме – то самое необходимое движение заряда. И в некоторых веществах, в первую очередь железа и никеля, это движение может быть определенным образом ориентировано, так, чтобы вокруг этого вещества возникало магнитное поле.
Магнитное поле и его свойства
Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.
Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.
Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.
Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.
Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.
Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.
Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.
Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.
Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.
А направление силы Лоренца — силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике , а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.
На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.
Заметка: учите инглиш? — рейтинг школ английского языка (http://www.schoolrate.ru/) будет вам полезен при выборе.
Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях: