Как обнаружить магнитное поле тока

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля. Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.

Учение об электромагнетизме основано на двух положениях:

• магнитное поле действует на движущиеся заряды и токи;
• магнитное поле возникает вокруг токов и движущихся зарядов.

Взаимодействие магнитов

Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который указывает на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец — южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются ( рис. 1 ).

Если разделить полюса, разрезав постоянный магнит на две части, то мы обнаружим, что каждая из них тоже будет иметь два полюса, т. е. будет постоянным магнитом ( рис. 2 ). Оба полюса — северный и южный, — неотделимые друг от друга, равноправны.

Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-либо магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются — у каждой из них появляется северный и южный полюсы. Противоположные полюсы стремятся сблизиться друг с другом, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие линии магнитного поля.

На рис. 3 показано расположение в поле прямого магнита опилок и маленьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.

Опыт Эрстэда. Магнитное поле тока

В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты. Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему ( рис. 4 ). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.

Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток ( рис. 5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. В каждой точке он направлен по касательной к линии поля. Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, а сила, действующая в этом поле на заряд, направлена по касательной к линии в каждой ее точке. В отличие от электрического, линии магнитного поля замкнуты, что связано с отсутствием в природе «магнитных зарядов».

Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид — катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , аналогична таковой для плоского магнита ( рис. 3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления — к наблюдателю — обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа ( рис. 7 а, б).

Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:

Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным — левый.

Магнитное поле внутри соленоида является однородным — вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const). В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.

Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током

Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B.

Направление силы определяется правилом левой руки:

Следует отметить, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, направлена не по касательной к его силовым линиям, подобно электрической силе, а перпендикулярна им. На проводник, расположенный вдоль силовых линий, магнитная сила не действует.

Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.

Отношение не зависит от свойств проводника и характеризует само магнитное поле.

Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.

В системе СИ единицей индукции магнитного поля служит тесла (Тл):

Магнитное поле. Таблицы, схемы, формулы

(Взаимодействие магнитов, опыт Эрстеда, вектор магнитной индукции, направление вектора, принцип суперпозиции. Графическое изображение магнитных полей, линии магнитной индукции. Магнитный поток, энергетическая характеристика поля. Магнитные силы, сила Ампера, сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Магнитные свойства вещества, гипотеза Ампера)

Дополнительные материалы по теме: Электромагнитные явления

Конспект по теме «Магнитное поле. Теория, формулы, схемы».

Обнаружение магнитного поля

При помощи органов чувств человек не может обнаружить магнитное поле. Наличие магнитного поля можно установить при его воздействии на:

• магнитную стрелку,
• проводник с током,
• движущийся электрический заряд.

Так, магнитное поле способно поворачивать в пространстве магнитные стрелки и рамки с токами, то есть на данные объекты наше поле оказывает ориентирующее воздействие. На проводник с током и перемещающийся заряд в магнитном поле действуют магнитные силы, перпендикулярные направлению перемещения зарядов.

Ориентирующее действие магнитного поля

Поместим малую (пробную) рамку с током в магнитное поле.

Пробная рамка с током отвечает следующим требованиям:

1. Она имеет малые размеры, такие, что ее поведение отражало бы характер поля в точке.
2. Сила тока в рамке должна быть малой, такой, что влияние этого тока на источники исследуемого магнитного поля было бы несущественным.

Повернем нашу рамку на некоторый угол $alpha $ относительно ее положения равновесия. Тогда на рамку будет оказывать действие момент сил, зависящий от силы тока в рамке $I$, площади ее поверхности $S$:

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

где $alpha $ – угол поворота рамки.

Если рамку развернуть перпендикулярно силовым линиям поля, тогда $alpha =frac<2>,$, а вращающий момент сил становится наибольшим:

$M_sim ISleft( 2 right)$.

Отношение $M_max$ к силе тока и площади сечения рамки будет характеристикой магнитного поля в точке расположения рамки:

где $B$ – величина вектора магнитной индукции поля, являющаяся одним из основных параметров, описывающих поле.

Действие магнитного поля на заряженные частицы

Проведем следующий эксперимент. В трубке осциллографа получим прямолинейный пучок электронов, которые движутся по прямой линии. Падая на экран, этот пучок оставит лед в виде небольшого пятна. Приблизим к этому пучку снизу северный полюс линейного магнита. Пучок электронов сместится. Изменим полюс магнита, смещение пучка произойдет в противоположную сторону. Данный эксперимент указывает на то, что перемещающиеся электроны испытывают действие некоторой специфической силы в магнитном поле. Причем опыты показали, что эта сила пропорциональна скорости движения электронов. Подобным образом ведут себя любые другие заряженные частицы, перемещающиеся в магнитном поле.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Сила, действующая на заряженную частицу, перемещающуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, она равна:

$vec_=qleft( vectimes vec right)left( 4 right)$,

где характеристиками частицы являются:

• $q$ – величина заряда частицы;
• $vec v$ – скорость движения частицы.

характеристикой поля является вектор магнитной индукции.

Выражение (4) является справедливым для постоянных и переменных магнитных полей.

На заряд, находящийся в покое, магнитное поле не оказывает действия. Индикатором наличия магнитного поля служит перемещающийся заряд.

Формула (4) показывает принципиальный способ измерения индукции магнитного поля по силе воздействия поля на движущийся заряд.

С этой целью убеждаются в отсутствии электрического поля при помощи неподвижного заряда.

Находят такое направление скорости ($vec v$), при котором сила Лоренца становится равной нулю. Это будет происходить, если вектор скорости сонаправлен или направлен в противоположную сторону вектору индукции. Так, с точностью до знака определяется направление магнитного поля.

Измеряют силу Лоренца при движении заряда нормально к вектору индукции поля. При этом:

$F_=qleft( vec_times vec right)left( 5 right)$,

где $vec_quad $ – скорость движения частицы перпендикулярная вектору поля ($left( vec_vec right)=0)$. Следовательно:

Формула (6) однозначно определяет вектор магнитной индукции.

Действие магнитного поля на токи

Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.

Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:

Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:

$dvec=nqleft( vectimes vec right)dV=(vectimesvec)dVleft( 8 right)$,

где $N=ndV$ – число частиц в объеме $dV$.

Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:

$dvec=Ileft( dvectimes vec right)left( 9 right)$.

где $vec jdV=I dvec j$. Направление вектора $ dvec j$ – совпадает с направлением силы тока.

Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.

Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:

где $l$ – длина прямого проводника.

Модуль силы Ампера из (10) равен:

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $vec l$ и $vec B$ и направлен по правилу правого винта.

Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:

где R – расстояние между проводниками, $dF$ – сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.

Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.

Воздействие токов на магниты

Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.

Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки.

Разделы: Физика

Цели урока:

• Образовательные:
  • изучить как обнаруживается магнитное поле по его действию на электрический ток, изучить правило левой руки, повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений;
  • закрепить знания по предыдущим темам;
  • научить применять знания, полученные на уроке;
  • показать связь с жизнью;
  • расширить межпредметные связи.
• Воспитательные:
  • формировать интерес к предмету, к учебе, воспитывать инициативу, творческое отношение, воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки, как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.
• Развивающие:
  • развивать физическое мышление учащихся, их творческие способности, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес путем привлечения дополнительного материала, а также потребности к углублению и расширению знаний;
  • развивать речевые навыки;
  • формировать умения выделять главное, делать выводы, развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Этапы урока:

1. Организационный момент – 2 мин.
2. Проверка домашнего задания, знаний и умений – 6 мин.
3. Объяснение нового материала – 18 мин.
4. Физкультминутка – 2 мин.
5. Закрепление. Решение задач – 15 мин.
6. Итоги. Выводы. Домашнее задание – 2 мин.

I. Проверка домашнего задания, знаний и умений – 6 мин

1. Магнитное поле порождается______________ (электрическим током).
2. Магнитное поле создается ______________заряженными частицами (движущимися).
3. За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает _________полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку (северный).
4.Магнитные линии выходят из _________ полюса магнита и входят в ________. (Северного, южный).
5. Как взаимодействуют два провода троллейбусной линии: притягиваются или отталкиваются? (Притягиваются).
Поменялись листочками и проверили друг друга. На кодоскопе высвечиваются правильные ответы.
Правильных ответов: 5 ответов– 5 баллов, 4 ответа – 4 балла, 3 ответа – 3 балла, 1 – 2 ответа – 2 балла.

II. Объяснение нового материала – 20 мин

Учитель: Как можно обнаружить магнитное поле? Оно не действует на наши органы чувств – не имеет запаха, цвета, вкуса. Мы не можем, правда, с уверенностью утверждать, что в животном мире нет существ, чувствующих магнитное поле. В США и Канаде для отгона миног с места скопления мальков на реках, впадающих в Великие озера, установлены электромагнитные барьеры. Ученые объясняют способность рыб ориентироваться в просторах океана их реакцией на магнитные поля…
Сегодня на уроке мы изучим, как обнаружить магнитного поля по его действию на электрический ток и изучим правило левой руки.
На всякий проводник с током, помещенный в магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с некоторой силой, наличие такой силы можно посмотреть с помощью такого опыта: проводник подвешен на гибких проводах, который через ключ присоединен к аккумуляторам. Проводник помещен между полюсами подковообразного магнита, т. е. находится в магнитном поле.
При замыкании ключа в цепи возникает электрический ток, и проводник приходит в движение. Если убрать магнит, то при замыкании цепи проводник с током двигаться не будет.

Если ученики смогут сами ответить: Значит, со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила, отклоняющая его от первоначального положения.

Учитель: Действие магнитного поля на проводник с током может быть использовано для обнаружения магнитного поля в данной области пространства.
Конечно, обнаружить магнитное поле проще с помощью компаса. Но действие магнитного поля на находящуюся в нем магнитную стрелку компаса, по существу, тоже сводится к действию поля на элементарные электрические токи, циркулирующие в молекулах и атомах магнитного вещества, из которого изготовлена стрелка.

Вывод 1: Таким образом, магнитное поле создается электрическим током и обнаруживается по его действию на электрический ток.
Выясним, от чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Опыт показывает, что при изменении направления тока изменяется и направление движения проводника, а значит, и направление действующей на него силы Направление силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами полюсы магнита (т. е. изменить направление линий магнитного поля).
Следовательно, направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.
Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить, пользуясь правилом левой руки. В наиболее простом случае, когда проводник расположен в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, это правило заключается в следующем: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Ученики: за направление тока во внешней части электрической цепи (т.е. вне источника тока) принимается направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Учитель: Пользуясь правилом левой руки это следует помнить.
Другими словами, четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в электрической цепи. В таких проводящих средах, как растворы электролитов, где электрический ток создается движением зарядов обоих знаков, направление тока, а значит, и направление четырех пальцев левой руки совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.
С помощью правила левой руки можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятую движущуюся в нем частицу, как положительно, так и отрицательно заряженную. Для наиболее простого случая, когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это правило формулируется следующим образом: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Пользуясь правилом левой руки, можно определить не только направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током или движущуюся заряженную частицу. По этому правилу мы можем определить направление тока (если знаем, как направлены линии магнитного поля и действующая на проводник сила), направление магнитных линий (если известны направления тока и силы), знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы).
Сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линиями магнитного поля или параллельны им.

III. Физкультминутка – 2 мин.

Встаньте, пожалуйста. Вы – компас, ваше лицо – указывает всегда на север, затылок – на юг, стена – это северный полюс, противоположная доска – южный полюс. – Дети поворачиваются лицом к стене. Полюса поменялись. Дети поворачиваются лицом к доске. Возникают магнитные бури – дети начинают качаться и вращаться.
Отдохнули, спасибо, присаживайтесь.

А знаете ли вы, что…

• Сильное магнитное поле влияет на рост кристаллов: например, монокристаллы меди, сформировавшиеся в сильных магнитных полях, обладают более совершенной кристаллической решеткой.
• Сильное магнитное поле используется и для лечения такого распространенного и опасного заболевания, как нарушение ритма сердечных сокращений (аритмия). Сердце – орган, непрерывно совершающий ритмичные сокращения, период которых определяется слабыми электрическими сигналами, посылаемыми головным мозгом. При заболеваниях сердца ритм сокращений нарушается. В особо тяжелых случаях используют дефибрилляторы – приборы, генерирующие импульсы высокого напряжения, причем электроды накладываются непосредственно на область сердца, в результате чего нередко получается ожог. При использовании пульсирующего магнитного поля, вызывающего индукционные токи в нервных клетках, эта опасность исключается.

Магнитный страж прилавка

Чтобы как-то защититься от краж, владельцы магазинов прикрепляют к товару особые бирки, которые отрываются на контрольном пункте после того, как уплачены деньги. Бирки – крошечные антенны – при попытке вынести покупку из магазина без оплаты включают на выходе сигнал тревоги за счет резонансного усиления радиосигнала, поступающего от небольших радиопередатчиков, установленных на выходе. Однако этот способ оказался не совсем надежен: вор может, заэкранировав бирку кусочком фольги или собственным телом, обмануть сигнальное устройство.
Чтобы этого не случалось, фирма «Чекмейт системс» разработала новую систему. Контрольная бирка изготавливается теперь из магнитного материала, а на выходе магазина стоят высокочувствительные магнитометры.
Система отрегулирована так, что она не реагирует на металлические предметы малого размера: ключи, часы, пряжки и ювелирные изделия, но отчаянно трезвонит, когда замечает контрольную бирку.

IV. Закрепление материала. Решение задач – 15 мин.

Учитель:Упр. 36 (1). В какую сторону покатится легкая алюминиевая трубочка при замыкании цепи?
Ученики дают ответы: по правилу левой руки линии магнитного поля входят в ладонь, электрический ток течет по трубочке, значит, трубочка покатится к источнику тока.
Учитель: Давайте проверим на опыте ваши ответы.

Решение задач: № 1068, № 1069 (а, б), № 1070, № 1078.

Учитель: Сегодня на уроке мы изучили, как обнаружить магнитное поле по его действию на электрический ток. Рассмотрели правило левой руки.

V. Домашнее задание: § 46, упр. 36 (2, 3, 4, 5).

Направление тока и направление линий его магнитного поля (Зарицкий А.Н.)

На этом уроке мы узнаем о магнитном действии тока на примере опыта Эрстеда и опыта Ампера. Рассмотрим правило буравчика и правило правой руки для прямого проводника с током и для соленоида с током

Опыт Эрстеда

Продолжительное время электрические и магнитные поля изучались раздельно. Но в 1820 году датский учёный Ханс Кристиан Эрстед во время лекции по физике обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается возле проводника с током (см. Рис. 1). Это доказало магнитное действие тока. После проведения нескольких экспериментов Эрстед обнаружил, что поворот магнитной стрелки зависел от направления тока в проводнике.

Рис. 1. Опыт Эрстеда

Для того чтобы представить, по какому принципу происходит поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током, рассмотрим вид с торца проводника (см. Рис. 2, ток направлен в рисунок, – из рисунка), возле которого установлены магнитные стрелки. После пропускания тока стрелки выстроятся определённым образом, противоположными полюсами друг к другу. Так как магнитные стрелки выстраиваются по касательным к магнитным линиям, то магнитные линии прямого проводника с током представляют собой окружности, а их направление зависит от направления тока в проводнике.

Рис. 2. Расположение магнитных стрелок возле прямого проводника с током

Для более наглядной демонстрации магнитных линий проводника с током можно провести следующий опыт. Если вокруг проводника с током высыпать железные опилки, то через некоторое время опилки, попав в магнитное поле проводника, намагнитятся и расположатся по окружностям, которые охватывают проводник (см. Рис. 3).

Рис. 3. Расположение железных опилок вокруг проводника с током (Источник)

Правило буравчика. Правило правой руки

Для определения направления магнитных линий возле проводника с током существует правило буравчика (правило правого винта) – если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 4).

Рис. 4. Правило буравчика (Источник)

Также можно использовать правило правой руки – если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 5).

Рис. 5. Правило правой руки (Источник)

Оба указанных правила дают один и тот же результат и могут быть использованы для определения направления тока по направлению магнитных линий поля.

Разветвление: Взаимодействие проводников с током в опытах Ампера

После открытия явления возникновения магнитного поля вблизи проводника с током Эрстед разослал результаты своих исследований большинству ведущих учёных Европы. Получив эти данные, французский математик и физик Ампер приступил к своей серии экспериментов и через некоторое время продемонстрировал публике опыт по взаимодействию двух параллельных проводников с током. Ампер установил, что если по двум расположенным параллельно проводникам течёт электрический ток в одну сторону, то такие проводники притягиваются (см. Рис. 6 б) если ток течёт в противоположные стороны – проводники отталкиваются (см. Рис. 6 а).

Рис. 6. Опыт Ампера (Источник)

Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:

1. Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле.

2. Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле.

3. Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник с током.

Разветвление: Задача на применение правила буравчика для прямого проводника с током

На рисунке 7 изображён проволочный прямоугольник, направление тока в котором показано стрелками. Используя правило буравчика, начертить возле сторон прямоугольника по одной магнитной линии, указав стрелкой её направление.

Рис. 7. Иллюстрация к задаче

Вдоль сторон прямоугольника (проводящей рамки) вкручиваем мнимый буравчик по направлению тока.

Вблизи правой боковой стороны рамки магнитные линии будут выходить из рисунка слева от проводника и входить в плоскость рисунка справа от него. Это обозначается с помощью правила стрелы в виде точки слева от проводника и крестика справа от него (см. Рис. 8).

Аналогично определяем направление магнитных линий возле других сторон рамки.

Рис. 8. Иллюстрация к задаче

Образование магнитного поля вблизи катушки с током (соленоида)

Опыт Ампера, в котором вокруг катушки устанавливались магнитные стрелки, показал, что при протекании по катушке тока стрелки к торцам соленоида устанавливались разными полюсами вдоль мнимых линий (см. Рис. 9). Это явление показало, что вблизи катушки с током есть магнитное поле, а также что у соленоида есть магнитные полюса. Если изменить направление тока в катушке, магнитные стрелки развернутся.

Рис. 9. Опыт Ампера. Образование магнитного поля вблизи катушки с током

Для определения магнитных полюсов катушки с током используется правило правой руки для соленоида (см. Рис. 10) – если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида, то есть на его северный полюс. Это правило позволяет определять направление тока в витках катушки по расположению её магнитных полюсов.

Рис. 10. Правило правой руки для соленоида с током

Разветвление: Задача на применение правила правой руки для соленоида с током

Определите направление тока в катушке и полюсы у источника тока, если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке 11 магнитные полюсы.

Рис. 11. Иллюстрация к задаче

Согласно правилу правой руки для соленоида, обхватим катушку таким образом, чтобы большой палец показывал на её северный полюс. Четыре согнутых пальца укажут на направление тока вниз по проводнику, следовательно, правый полюс источника тока положительный (см. Рис. 12).

Рис. 12. Иллюстрация к задаче

Итоги урока

На данном уроке мы рассмотрели явление возникновения магнитного поля вблизи прямого проводника с током и катушки с током (соленоида). Также были изучены правила нахождения магнитных линий данных полей.

Список литературы

1. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9. – Дрофа, 2006.
2. Г.Н. Степанова. Сборник задач по физике. – М.: Просвещение, 2001.
3. А.Фадеева. Тесты физика (7 – 11 классы). – М., 2002.
4. В. Григорьев, Г. Мякишев Силы в природе. – М.: Наука, 1997.

Домашнее задание

1. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9: § 44, стр. 149, упр. 35 (1–5) (Источник).
2. Что можно определить, используя правило буравчика?
3. Что можно определить, используя правило правой руки?
4. Определить направление тока по известному направлению магнитных линий (см. Рис. 13).
   
   Рис. 13. Иллюстрация к задаче

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Clck.ru (Источник).
2. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
3. Интернет-портал Festival.1september.ru (Источник).

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Магнитное поле. Линии

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1 ).

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3 ).

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.

Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

Магнитное поле витка с током

Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.

Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4 ).

Рис. 4. Поле витка с током

Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.

Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.

Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.

Магнитное поле катушки с током

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 – изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.

Рис. 5. Катушка (соленоид)

Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6 ).

Рис. 6. поле катушки с током

На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.

1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.

2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.

Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.

Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.

А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6 ) с линиями поля магнита на рис. 1 . Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.

Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.

Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.

Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.

Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.

Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7 ; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).

Рис. 7. Элементарные токи магнита

Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).

Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.