Какую линию называют магнитной линией магнитного поля

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Физика

Урок 1: Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле

• Видео
• Тренажер
• Теория

Магнитное взаимодействие. Постоянный магнит

Что многим из нас приходит в голову, когда мы слышим слово «магнит»? Скорее всего, это магнитная стрелка компаса. Вспомнив уроки географии и природоведения, подумаем, как же устроен компас. Основной его деталью является так называемая магнитная стрелка, обычно она двухцветная: синим покрыт её северный полюс, а красным южный.

Стрелка ориентируется в пространстве таким образом, что своей синей частью показывает на северный полюс Земли, красной же своей частью – на южный полюс. Именно из-за такого свойства магнитной стрелки и пошли названия полюсов магнита. Северный полюс магнита принято обозначать большой буквой N от голландского слова «норд», которое в переводе обозначает «север», южный полюс магнита принято обозначать буквой S, от немецкого слова «сьюден», которое в переводе обозначает «юг». Теперь давайте обратим внимание на основное свойство магнитной стрелки – притягиваться к определенным участкам нашей планеты. Таким образом, возникает сила, которая ориентирует стрелку в пространстве. Эту силу принято называть магнитной. Давайте вспомним другие примеры магнитного взаимодействия: практически ежедневно мы сталкиваемся с таким устройством, как электромагнитный замок, они установлены на множестве дверей с домофонами, в них массивная пластина притягивается к мощному магниту, установленному на дверной раме.

Рис. 2. Устройство домофона

Пока вы не используете магнитный ключ – дверь не откроется.

Еще одно устройство, которое любят демонстрировать в зарубежных фильмах и научно-популярных передачах: это огромный электромагнит, установленный на манипуляторе, который притягивает к себе и переносит старые разбитые автомобили на свалке мусора.

Рис. 3. Магнит для притягивания автомобилей

В данном случае речь идет также о магнитной силе, причем настолько значительной, что она свободно преодолевает силу тяжести в десятки тысяч ньютон. Все описанные устройства объединяет то, что они работают на так называемом магнитном взаимодействии (или, как это принято называть, электромагнитном взаимодействии). В случае с магнитной стрелкой мы имеем дело с постоянным магнитом, в двух других случаях речь идет об электромагнитах. Давайте дадим определение постоянному магниту: Постоянный магнит – это тело, обладающее собственным магнитным полем.

Магнитное поле и его графическое изображение

На прошлых уроках мы выяснили, что причиной возникновения магнитной силы является наличие магнитного поля. Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами и, в частности, электрическим током, поскольку это упорядоченный поток заряженных частиц. Например, магнитное поле образуется вокруг проводника с током. Каким же образом можно пояснить наличие магнитного поля у постоянных магнитов, у которых никаких видимых токов нет? Согласно гипотезе великого французского физика Ампера, в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах такие кольцевые токи ориентируются одинаково. Магнитные поля, которые они образуют, направлены одинаково и усиливают друг друга. В результате образуется магнитное поле внутри и вблизи постоянного магнита. Когда мы ранее сталкивались с понятием «поле», то возникала проблема понимания, что же это такое. Если сравнивать с понятием «вещество», этой проблемы, очевидно, нет, так как из вещества созданы все окружающие нас тела, мы их можем потрогать, мы их можем увидеть. Что же касается магнитного поля, то это особый вид материи, который проявляется через взаимодействие с определенными телами. Вспомним, что гравитационное поле взаимодействует с телами, имеющими массу, то есть со всеми телами. При этом электрическое поле взаимодействует с телами, имеющими заряд, что же касается поля магнитного, то оно будет взаимодействовать с телами, в которых есть подвижные заряды. Из этого возникает вопрос: если поле нельзя увидеть, можно ли его как-то изобразить? Проведем эксперимент, возьмем обыкновенный полосовой магнит, положим его на стол и накроем обыкновенной прозрачной пластиковой накладкой. Сверху на поверхность накладки над магнитом аккуратно посыпаем железные опилки, в процессе посыпания мы можем увидеть интересный эффект: опилки будут распределяться неравномерным образом, образуя так называемые дорожки, и картина этих дорожек получается упорядоченной. Что же мы увидели и почему так происходит?

Рис. 4. Силовые линии магнитного поля в опыте железными опилками

Наш опыт позволяет наглядно продемонстрировать так называемые силовые линии магнитного поля (или, как их еще именуют, просто магнитные линии). Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. В нашем эксперименте в роли магнитных стрелок выступают железные опилки. Они имеют очень простое свойство намагничиваться во внешнем магнитном поле и выстраиваться вдоль магнитных линий, причем по правилу взаимодействия магнитов, то есть противоположными полюсами друг к другу. Стоит отметить, что магнитные линии могут быть как прямолинейными, так и криволинейными, при этом правило их построения очень простое: в любой точке нахождения магнитной стрелки касательная, проведенная через нее должна быть и касательной к магнитной линии.

Для того чтобы правильно изображать магнитное поле, не проводя постоянных экспериментов с железными опилками и магнитами, необходимо знать правило его построени.

Во-первых, силовые линии магнитного поля являются замкнутыми либо уходят на бесконечность. Кроме этого, следует помнить, что они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Во-вторых, наиболее сильное магнитное поле является у полюсов магнитов, что изображается как более плотное расположение магнитных линий, в областях же с менее сильным магнитным полем магнитные линии изображают на большем расстоянии друг от друга.

Какие же выводы мы можем сделать из этих правил?

Магнитные линии позволяют изображать направление поля в данной точке. Магнитные линии позволяют определять силу действия этого поля.

Неоднородное и однородное магнитное поле

Рассмотрим картину поля полосового магнита. Вблизи полюсов его магнитные линии расположены более плотно, чем вдали них. Кроме того, линии искривлены, это означает, что в различных точках пространства вблизи магнита, его поле будет действовать на магнитную стрелку с различной силой и по-разному ее поворачивать.

Рис. 5. Силовые линии неоднородного магнитного поля

Таким образом, сила, с которой поле полосового магнита действует на магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различна как по модулю, так и по направлению. Такое поле называется неоднородным. Линии неоднородного магнитного поля искривлены, и их густота меняется от точки к точке. Другим примером неоднородного магнитного поля является поле проводника с током.

Рис. 6. Неоднородное магнитное поле проводника с током

На рисунке точкой обозначено направление тока на нас от рисунка, если бы там был крестик, то направление было бы от нас к рисунку. Эти обозначения именуют правилом стрелы. Точка обозначает острие, летящей в нашу сторону стрелы, а крестик ее хвостовое оперение, которое можно было бы увидеть, если бы стрела улетела от нас. Магнитные линии проводника представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от проводника, что означает, что поле тем слабее, чем дальше от проводника. Поскольку линии такого поля искривлены и в различных точках расположены на разном расстоянии, то такое поле неоднородно. Кроме этого, необходимо отметить, что магнитное поле нашей планеты Земля также является неоднородным. Его сила очень зависит от географического расположения: на экваторе оно слабее, а на полюсах соответственно сильнее.

Что касается однородного магнитного поля, то его можно рассматривать только в некотором приближении, связано это с тем, что однородное магнитное поле – это поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинаково по модулю и по направлению.

Рис. 7. Магнитные линии однородного магнитного поля

Поскольку линии магнитного поля в реальной ситуации всегда искривлены, то об однородности можно говорить только приблизительно. Во-первых, однородным можно считать поле внутри, вблизи середины полосового магнита, о котором мы уже многократно говорили.

Во-вторых, примером практически однородного магнитного поля является поле внутри цилиндрической катушки с током, которую принято называть соленоидом, причем ее длина должна быть больше диаметра. Магнитные линии однородного магнитного поля параллельны и находятся на одинаковом расстоянии.

Заключение

Итак, сегодня мы вспомнили такое понятие, как магнитное поле, перечислили случаи, когда оно образуется, ввели инструмент его графического изображения, то есть силовые магнитные линии.

На следующем уроке мы рассмотрим магнитное поле тока.

Список литературы

1. Перышкин А. В., Гутник Е. М. Физика 9, Дрофа, 2009.
2. Громов С. В., Родина Н. А. Физика 9. — М.: Просвещение.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «uchifiziku.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «ivanpobeda.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Дать определение магнитной силе.
2. В какой точке магнитное поле тока, протекающего по проводнику, действует на магнитную стрелку с наименьшей силой?
3. В чем состоит различие между однородным и неоднородным магнитными полями?

Видеоурок: Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле (Зарицкий А.Н.) по предмету Физика за 9 класс.

Какую линию называют магнитной линией магнитного поля

Что называют магнитной линией магнитного поля ответ кратко

Линии магнитной индукции — так наиболее точно можно назвать магнитные линии, служащие наглядной иллюстрацией магнитных полей.

Векторы магнитной индукции в какой угодно точке поля будут соответствовать касательным к линиям магнитной индукции.

Сравнивая векторы магнитной индукции (по направлению и модулю) в различных точках магнитных полей, увидим, что они будут идентичны в однородном и иметь различия в неоднородном магнитных полях.

В том случае, когда индукция магнитного поля в каждой его точке одна и та же, оно называется однородным магнитным полем. При невыполнении данного условия поле именуется неоднородным .

Сила, действующая со стороны магнитного поля на перемещающиеся заряды либо небольшие магнитные стрелки, увеличивается с возрастанием абсолютной величины вектора магнитной индукции в конкретной точке.

В магнитном поле железные опилки намагничиваются и становятся магнитными стрелочками. Ось каждой стрелочки в магнитном поле устанавливается вдоль направления действия сил магнитного поля.

2. Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?

Под действием магнитного поля железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.

3. Что называют магнитной линией магнитного поля?

Магнитные линии магнитного поля — линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок.

4. Для чего вводят понятие магнитной линии поля?

С помощью магнитных линий удобно изображать магнитные поля графически. Так как магнитное поле существует во всех точках пространства, окружающего проводник с током, то через любую точку можно провести магнитную линию.

5. Как на опыте показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока?

Надо расположить магнитную стрелку около проводника с током, а затем измерить направление тока. При этом мы заметим, что направление стрелки изменится на противоположное, т.е. она повернется на 180’С. Таким образом, проделанный опыт показывает, что направление магнитных линий связано с направлением тока.

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся частицы, обладающие электрическим зарядом. Для наглядности магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Какой вид имеют эти линии, где они начинаются и где кончаются – ответы на эти вопросы читайте ниже.

Немного из истории магнетизма

Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.

Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.

В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.

Основные признаки и свойства магнитных линий

Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов (полосовых, дугообразных или иной формы) и вокруг металлического провода, по которому течет электрический ток.

Магнитное поле изображается в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукция — это некая геометрическая кривая, в любой точке которой вектор (направление) магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Можно выделить основные свойства магнитных линий:

• Магнитные линии непрерывны;
• Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
• Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
• Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.

Магнитные линии полосового магнита

С помощью простого эксперимент можно продемонстрировать свойства магнитных линий. Полосовой магнит кладется на горизонтальную поверхность, на него сверху — прозрачная (неметаллическая) пластинка, на которую насыпают мелкие железные опилки. Под действием магнита опилки намагничиваются и становятся как бы магнитными стрелочками. Видно, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, которые выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S. Гуще всего линии расположены в районе полюсов магнита.

Рис. 1. Магнитные линии полосового магнита

Магнитные линии дугообразного магнита

По аналогичной схеме можно поставить эксперимент с дугообразным магнитом.

Рис. 2. Магнитные линии дугообразного магнита.

Видно, что по всему магниту магнитные линии начинаются на северном полюсе и оканчиваются на южном.

Магнитные линии прямого провода с током

Используем такую же схему эксперимента для прямого провода, по которому течет электрический ток. В данном случае можно заменить прозрачную пластину на кусок картона или фанеры.

Рис. 3. Магнитные линии прямого провода с током.

Видно, что опилки выстраиваются по концентрическим окружностям, показывая форму магнитных линий. При изменении направления тока опилки поворачиваются на 180 0 . Следовательно, направление магнитных линий в данном случае связано с направлением тока в проводнике.

Известно, что Земля — это огромный “полосовой” магнит. Благодаря этому, с помощью магнитной стрелки компаса мы можем ориентироваться в пространстве. Но надо иметь ввиду, что есть места с крупными залежами магнетитов (железных руд), которые создают сильное “фоновое” магнитное поле, которое поворачивает стрелку компаса вдоль своих магнитных линий. Одно из таких мест — Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области нашей страны.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что магнитное поле изображают в виде магнитных линий, которые: непрерывны, замкнуты, в постоянных магнитах магнитные линии выходят из северного полюса и заканчиваются в южном полюсе, направление магнитных линий прямого провода с электрическим током зависит от направления тока.

Вектор магнитной индукции — силовая характеристика магнитного поля. Она определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в поле с определенной скоростью. Обозначается как → B . Единица измерения — Тесла (Тл).

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.

Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:

B = F A m a x I l . .

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.

Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.

Напряженность магнитного поля

Вектор напряженности магнитного поля — характеристика магнитного поля, определяющая густоту силовых линий (линий магнитной индукции). Обозначается как → H . Единица измерения — А/м.

μ — магнитная проницаемость среды (у воздуха она равна 1), μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 π · 10 − 7 Гн/м.

Внимание! Направление напряженности всегда совпадает с направлением вектора магнитной индукции: → H ↑↑ → B .

Направление вектора магнитной индукции и способы его определения

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции, нужно:

В пространстве между полюсами постоянного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса:

При определении направления вектора магнитной индукции с помощью витка с током следует применять правило буравчика:

При вкручивании острия буравчика вдоль направления тока рукоятка будет вращаться по направлению вектора → B магнитной индукции.

Отсюда следует, что:

• Если по витку ток идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B направлен вверх.

• Если по витку ток идет по часовой стрелке, то вектор магнитной индукции → B направлен вниз.

Способы обозначения направлений векторов:

Вверх
Вниз
Влево
Вправо
На нас перпендикулярно плоскости чертежа
От нас перпендикулярно плоскости чертежа

Пример №1. На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) вектор магнитной индукции в точке С?

Если мысленно начать вкручивать острие буравчика по направлению тока, то окажется, что вектор магнитной индукции в точке С будет направлен к нам — к наблюдателю.

Магнитное поле прямолинейного тока

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.

Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:

Правило буравчика (правой руки)

Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:

B = μ μ 0 I 2 π r . .

Магнитное поле кругового тока

Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.

Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:

Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:

Модуль напряженности в центре витка:

Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?

Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.

Магнитное поле электромагнита (соленоида)

Соленоид — это катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра.

Число витков в соленоиде N определяется формулой:

l — длина соленоида, d — диаметр проволоки.

Линии магнитной индукции являются замкнутыми, причем внутри соленоида они располагаются параллельно друг другу. Поле внутри соленоида однородно.

Если ток по виткам соленоида идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B внутри соленоида направлен вверх, если по часовой стрелке, то вниз. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом правой руки для витка с током.

Модуль вектора магнитной индукции в центральной области соленоида:

B = μ μ 0 I N l . . = μ μ 0 I d . .

Модуль напряженности магнитного поля в центральной части соленоида:

H = I N l . . = I d . .

Алгоритм определения полярности электромагнита

Пример №3. Через соленоид пропускают ток. Определите полюсы катушки.

Ток условно течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Следовательно, ток течет по виткам от точки А к точке В. Мысленно обхватив соленоид пальцами правой руки так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках соленоида, отставим большой палец на угол 90 градусов. Он покажет направление линий магнитной индукции внутри соленоида. Проделав это, увидим, что линии магнитной индукции направлены вправо. Следовательно, они выходят из В, который будет являться северным полюсом. Тогда А будет являться южным полюсом.

На рисунке изображён круглый проволочный виток, по которому течёт электрический ток. Виток расположен в вертикальной плоскости. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен

а) вертикально вверх в плоскости витка

б) вертикально вниз в плоскости витка

в) вправо перпендикулярно плоскости витка

г) влево перпендикулярно плоскости витка

1. Определить правило, по которому можно определить направление вектора магнитной индукции в данном случае.

2. Применить выбранное правило и определить направление вектора магнитной индукции относительно рисунка.

По условию задачи мы имеем дело с круглым проволочным витком. Поэтому для определения вектора → B магнитной индукции мы будем использовать правило правой руки.

Чтобы применить это правило, нам нужно знать направление течение тока в проводнике. Условно ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Следовательно, на рисунке ток течет по витку в направлении хода часовой стрелки.

Теперь можем применить правило правой руки. Для этого мысленно направим четыре пальца правой руки в направлении тока в проволочном витке. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает относительно рисунка влево. Это и есть направление вектора магнитной индукции.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Магнитная стрелка компаса зафиксирована на оси (северный полюс затемнён, см. рисунок). К компасу поднесли сильный постоянный полосовой магнит и освободили стрелку. В каком положении установится стрелка?

а) повернётся на 180°

б) повернётся на 90° по часовой стрелке

в) повернётся на 90° против часовой стрелки

г) останется в прежнем положении

1. Вспомнить, как взаимодействуют магниты.
2. Определить исходное положение полюсов.
3. Определить конечное положение полюсов и установить, как изменится положение магнитной стрелки.

Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изначально южный полюс магнитной стрелки находится справа, а северный — слева. Полосовой магнит подносят к ее южному полюсу северной стороной. Поскольку это разноименные полюса, положение магнитной стрелки не изменится.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой вдоль её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рисунок). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.

1. Определить направление тока в соленоиде.
2. Определить полюса соленоида.
3. Установить, как будет взаимодействовать соленоид с магнитом.
4. Установить, как будет себя вести магнит после замыкания электрической цепи.

Чтобы определить направление тока в соленоиде, посмотрим на расположение полюсов источника тока. Ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. Следовательно, относительно рисунка ток в витках соленоида направлен по часовой стрелке.

Зная направление тока в соленоиде, можно определить его полюса. Северным будет тот полюс, из которого выходят линии магнитной индукции. Определить их направление поможет правило правой руки для соленоида. Мысленно обхватим соленоид так, чтобы направление четырех пальцев правой руки совпадало с направлением тока в витках соленоида. Теперь отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление вектора магнитной индукции. Проделав все манипуляции, получим, что вектор магнитной индукции направлен вниз. Следовательно, внизу соленоида расположен северный полюс, а вверху — южный.

Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Подвешенный полосовой магнит обращен к южному полюсу соленоида северным полюсом. А это значит, что при замыкании электрической цепи он будет растягивать пружину, притягиваясь к соленоиду (двигаться вниз).

1 Магнитное поле. Магнитная индукция. Линии магнитной индукции. Графическое изображение магнитных полей. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Остроцкого – Гаусса.

Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты).

Магни́тная инду́кция —векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Показывает, с какой силой магнитное поле действует назаряд , движущийся со скоростью.

Линиями магнитной индукции (силовыми линиями магнитного поля) называются линии, проведенные в магнитном поле так, что в каждой точке поля касательная к линии магнитной индукции совпадает с направлением вектора В в этой точке поля.

Линии магнитной индукции проще всего наблюдать с помощью мелких

Игольчатых железных опилок, которые намагничиваются в исследуемом поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам (свободная магнитная стрелка разворачивается в магнитном поле так, чтобы ось стрелки, соединяющая ее южный полюс с северным, совпадала с направлением В).

Вид линий магнитной индукции простейших магнитных полей показан

на рис. Из рис. б — г видно, что эти линии охватывают проводник с током, создающий поле. Вблизи проводника они лежат в плоскостях, перпендикулярных проводнику.

Направление линий индукции определяется поправилу буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению вектора плотности тока в проводнике, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление линий магнитной индукции.

Линии индукции магнитного по­ля

тока ни в каких точках не могут обрываться, т. е. ни начинаться, ни кончаться: они либо замкнуты (рис. б, в, г), либо бесконечно навиваются на некоторую поверхность, всюду плотно заполняя ее, но никогда не возвращаясь вторично в любую точку поверхности.

Теорема Гаусса для магнитной индукции

Поток вектора магнитной индукциичерез любую замкнутую поверхность равен нулю:

Это эквивалентно тому, что в природе не существует «магнитных зарядов» (монополей), которые создавали бы магнитное поле, как электрические заряды создают электрическое поле. Иными словами, теорема Гаусса для магнитной индукции показывает, что магнитное поле являетсявихревым.

2 Закон Био- Савара – Лапласа

Пусть постоянный ток течёт по контуру γ, находящемуся в вакууме,— точка, в которой ищется поле, тогдаиндукциямагнитного поля в этой точке выражается интегралом (в системеСИ)

Направление перпендикулярнои, то есть перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линиимагнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление, если поступательное движение буравчика соответствует направлению тока в элементе. Модуль вектораопределяется выражением (в системеСИ)

Векторный потенциалдаётся интегралом (в системеСИ)

Закон Био — Савара — Лапласа может быть получен из уравнений Максвелладля стационарного поля. При этом производные по времени равны 0, так что уравнения для поля в вакууме примут вид (в системеСГС)

где —плотность токав пространстве. При этом электрическое и магнитное поля оказываются независимыми. Воспользуемся векторным потенциалом для магнитного поля (в системеСГС):

Калибровочная инвариантностьуравнений позволяет наложить на векторный потенциал одно дополнительное условие:

Раскрывая двойной роторпоформуле векторного анализа, получим для векторного потенциала уравнение типауравнения Пуассона:

Его частное решение даётся интегралом, аналогичным ньютонову потенциалу:

Тогда магнитное поле определяется интегралом (в системе СГС)

аналогичным по форме закону Био — Савара — Лапласа. Это соответствие можно сделать точным, если воспользоваться обобщёнными функциямии записать пространственную плотность тока, соответствующую витку с током в пустом пространстве.Переходяот интегрирования по всему пространству к повторному интегралу вдоль витка и по ортогональным ему плоскостям и учитывая, что

Линии магнитного поля

Как определить силовые линии магнитного поля: схема силы и направлений линий магнитного поля, использование компаса для определения магнитных полюсов, рисунок.

Линии магнитного поля полезны для визуального отображения силы и направления магнитного поля.

Задача обучения

• Соотнести силы магнитного поля с плотностью линий магнитного поля.

Основные пункты

• Направление магнитного поля отображает стрелки компаса, касающиеся линий магнитного поля в любой указанной точке.
• Сила В-поля выступает обратно пропорциональной дистанции между линиями. Она также точно пропорциональна числу линий на единицу площади. Одна линия никогда не пересекает другую.
• Магнитное поле уникально в каждой точке пространства.
• Линии не прерываются и создают замкнутые петли.
• Линии тянутся с северного к южному полюсу.

Термины

• Линии магнитного поля – графическое изображение величины и направления магнитного поля.
• В-поле – синоним для магнитного поля.

Линии магнитного поля

Говорят, что в детстве Альберт Эйнштейн обожал разглядывать компас, размышляя о том, как игла ощущает силу без прямого физического контакт. Глубокое мышление и серьезный интерес, привели к тому, что ребенок вырос и создал свою революционную теорию относительности.

Так как магнитные силы влияют на удаленности, мы вычисляем магнитное поля для отображения этих сил. Графическая передача линий полезна для визуализации силы и направления магнитного поля. Вытянутость линий указывает на северную ориентацию стрелки компаса. Магнитное именуют В-полем.

(а) – Если для сопоставления магнитного поля вокруг стержневого магнита используют небольшой компас, то он покажет нужное направление от северного полюса к южному. (b) – Добавление стрелок создает непрерывные линии магнитного поля. Сила выступает пропорциональной близости линий. (с) – Если можно изучить внутренность магнита, то линии отобразятся в виде замкнутых петель

Нет ничего сложного в сопоставлении магнитного поля объекта. Для начала вычислите силу и направление магнитного поля в нескольких местах. Отметьте эти точки векторами, указывающими в направлении локального магнитного поля с величиной, пропорциональной его силе. Можно объединить стрелки, и сформировать линии магнитного поля. Направление в любой точке выступит параллельным направлению ближайших линий поля, а локальная плотность способна быть пропорциональной прочности.

Силовые линии магнитного поля напоминают контурные на топографических картах, так как показывают нечто непрерывное. Многие законы магнетизма можно сформулировать при помощи простых понятий, вроде количества полевых линий сквозь поверхность.

Направление линий магнитного поля, представленных выравниванием железных опилок на бумаге, расположенной над стержневым магнитом

На отображение линий влияют различные явления. Например, железные опилки на линии магнитного поля создают линии, которые соответствуют магнитным. Также они визуально отображаются в полярных сияниях.

Отправленный в поле небольшой компас выравнивается параллельно линии поля, а северный полюс укажет на В.

Миниатюрные компасы можно использовать для демонстрации полей. (а) – Магнитное поле круглого токового контура напоминает магнитное. (b) – Длинный и прямой провод формирует поле с линиями магнитного поля, создающего круговые петли. (с) – Когда провод оказывается в плоскости бумаги, то поле выступает перпендикулярным бумаге. Отметьте, какие именно символы используют для поля, указывающего внутрь и наружу

Детальное изучение магнитных полей помогло вывести ряд важных правил:

• Направление магнитного поля касается линии поля в любой точке пространства.
• Сила поля выступает пропорциональной близости линии. Она также точно пропорциональна количеству линий на единицу площади.
• Линии магнитного поля никогда не сталкиваются, а значит в любой точке пространства магнитное поле будет уникальным.
• Линии остаются непрерывными и следуют с северного к южному полюсу.

Последнее правило основывается на том, что полюса нельзя разделить. И это отличается от линий электрического поля, в которых конец и начало знаменуется положительными и отрицательными зарядами.

Урок№35. Индукция магнитного поля. Магнитный поток

Многие из вас наверняка замечали, что внешне похожие магниты создают разные по силе магнитные поля.

С другой стороны, вы также знаете, что, например, рамка с током, помещённая между полюсами подковообразного магнита, принимает ориентированное положение, при котором линии магнитного поля перпендикулярны плоскости рамки.

— Так какой же величиной можно охарактеризовать магнитное поле?

Для описания магнитного поля вводится векторная физическая величина, называемая индукцией магнитного поля (или просто магнитной индукцией). Обозначается она большой латинской буквой B.

Давайте поясним смысл этой величины и укажем способ её измерения. Для этого проведём такой опыт. Возьмём проводник, длиной пол метра, подвешенный на динамометре, и поместим его между полюсами подковообразного магнита перпендикулярно его магнитным линиям.

Первоначально проводник уравновешен, а показание динамометра численно равно модулю силы тяжести, действующей на проводник.

Теперь наша задача пропустить по проводнику ток такого направления, чтобы на него подействовала сила Ампера, направленная вертикально вниз. Для этого мы используем правило левой руки: линии магнитного поля должны входить в ладонь перпендикулярно к ней, а отставленный на девяносто градусов большой палец должен быть направлен вертикально вниз. При этом четыре сомкнутых пальца покажут направление тока в проводнике.

Замкнув цепь снимем показания динамометра. Далее определим значение силы Ампера, действующей на проводник, как разность показаний динамометра в конце и начале опыта. Теперь повторим эксперимент при неизменной силе тока, заменив проводник на более длинный и, как и в прошлый раз, найдём значение действующей на проводник силы Ампера.

Видно, что чем длиннее проводник, тем большая сила Ампера на него действует. Следовательно, сила Ампера пропорциональна длине проводника.

Теперь при неизменной длине проводника будем изменять силу тока в нём и, как и в прошлый раз, будем находить значение силы Ампера.

Можно прийти к заключению, что сила Ампера пропорциональна силе тока в проводнике.

Опыты показывают, что сила Ампера зависит и от ориентации проводника в магнитном поле. Она достигает своего максимального значения в случае, когда проводник расположен перпендикулярно линиям поля.

Однако отношение модуля силы Ампера к длине проводника и силе тока не зависит ни от длины проводника, ни от силы тока в нём:

Следовательно, отношение F/l зависит только от свойств магнитного поля и поэтому может служить его количественной характеристикой. Эту характеристику поля называют модулем магнитной индукции.

Таким образом, модуль вектора магнитной индукции — это физическая величина, равная отношению силы, действующей на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к произведению силы тока в нём на длину проводника.

Сразу обращаем ваше внимание на то, что по этой формуле можно определить индукцию однородного магнитного поля.

В международной системе единиц за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила, равная 1 Н. Эту единицу называют тесла в честь выдающегося югославского физика Николы Тесла.

Отметим, что тесла — это очень крупная единица. Так, например, большой лабораторный электромагнит может создать поле не более 5 Тл. Магнитное поле нашей планеты приблизительно равно 0,5 ∙ 10−4 Тл. И лишь в солнечных пятнах индукция магнитного поля достигает 10 Тл. Поэтому на практике используются более мелкие единицы индукции:

До сегодняшнего дня для графического изображения магнитных полей мы с вами пользовались магнитными линиями — воображаемыми линиями, направление которых совпадает с направлением, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки.

За направление же вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса к северному полюсу свободно устанавливающейся стрелки, помещённой в данную точку поля.

Сравните два определения.

Не трудно заметить, что они очень похожи. И это не случайно, дело в том, что более точное название магнитных линий — линии магнитной индукции.

Или, другими словами, линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в каждой точке поля в направлены так же, как и вектор магнитной индукции.

Например, картина линий магнитной индукции поля, образованного прямолинейным проводником с током, представляет собой систему концентрических окружностей, лежащих в плоскости, перпендикулярной этому проводнику. Проведённые к любой из этих окружностей касательные в любой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции условились проводить так, чтобы по их густоте можно было судить о модуле магнитной индукции: чем гуще линии магнитной индукции, тем больше её модуль.

Теперь, пользуясь понятием «магнитная индукция», дадим более строгое определение однородного и неоднородного магнитного поля. Для начала рассмотрим однородное магнитное поле между полюсами дугообразного магнита.

Магнитные линии здесь расположены параллельно друг другу. А так как во всех точках поля вектор магнитной индукции не только одинаково направлен, но и имеет одно и то же значение, то и густота линий магнитной индукции в любой области поля между полюсами будет одна и та же.

А теперь сравним это поле с неоднородным полем полосового магнита. Не трудно увидеть, что в таком поле вектор магнитной индукции меняется от точки к точке как по направлению, так и по величине.

Таким образом, магнитное поле называют однородным, если во всех его точках магнитная индукция одинакова как по направлению, так и по значению. В противном случае магнитное поле называют неоднородным.

Для объяснения опытов, которые будут проводиться в дальнейшем, нам необходимо ввести ещё одну физическую величину — магнитный поток, которая также является одной из важных характеристик магнитного поля.

Что мы понимаем под потоком в обычной жизни? Кому-то на ум придут потоки воды в реке, кому-то — потоки воздуха. Например, возьмём лист картона с отверстием. Подставив руку с обратной стороны листа, подуем в отверстие — рука явно ощущает поток воздуха. Сильнее дуем — больший поток воздуха. Будем дуть с такой же силой, но уменьшим отверстие — поток уменьшится. И наконец, если плоскость листа бумаги поставим параллельно направлению потока выдуваемого воздуха, ваша рука практически не почувствует влияние воздушного потока.

Аналогично и с магнитным потоком, который можно рассматривать как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через площадь, ограничивающую некоторую поверхность. Поскольку число магнитных линий зависит от их густоты, то, очевидно, что магнитный поток пропорционален модулю вектора индукции магнитного поля: чем больше индукция, тем больший магнитный поток, пронизывает контур.

Вместе с тем магнитный поток зависит и от площади контура: при том же значении магнитной индукции магнитный поток, пронизывающий контур большей площади, будет больше. Следовательно, магнитный поток пропорционален также площади контура.

Очевидно и то, что в случаях, когда линии магнитной индукции перпендикулярны плоскости контура, магнитный поток принимает наибольшее значение. А при изменении ориентации контура в магнитном поле, например, при его вращении вокруг оси, магнитный поток будет уменьшаться, так как будет уменьшаться число линий магнитной индукции, пронизывающей контур. А когда плоскость контура окажется параллельной линиям магнитной индукции, магнитный поток станет равным нулю.

Магнитный поток будет равен нулю и в том случае, если линии магнитной индукции лежат в плоскости контура, не пересекая ограниченную им площадь.

В Международной системе единиц за единицу магнитного потока принят вэбэр, названный в честь немецкого физика Вильгельма Эдуарда Вебера.

1 Вб — это магнитный поток через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную в однородном магнитном поле индукцией 1 Тл, перпендикулярной линиям индукции.

Похожие публикации:

1. 1 2 или 3 8 как определить
2. Сколько вольт выдерживает изолента
3. Бэс электростанция что это
4. Как обнаружить датчик движения

Физика

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.

Магнитное поле

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.

Сила Ампера и сила Лоренца

Чтобы решать задачи и создавать приборы, мало описать магнитное поле линиями магнитной индукции. Нужно описывать поле количественно, чтобы можно было сравнивать, в какой точке поля магнитное взаимодействие сильнее, в каком слабее, какую подать силу тока через катушку и т.д.

Количественно характеризовать магнитное поле имеет смысл через то, что мы можем измерить – через магнитное взаимодействие. Так как магнитное поле возникает вокруг проводника с током, то естественно, этот проводник вступает в магнитное взаимодействие. Если поместить проводник с током в магнитное поле, на проводник будет действовать сила. Эту силу назвали силой Ампера.

Сила Ампера

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, значит, он должен вступать в магнитное взаимодействие. Действительно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, вступает во взаимодействие с источником этого поля. Если не рассматривать, чем создано внешнее магнитное поле, то можно использовать такую модель: на проводник с током, помещенный во внешнее магнитное поле, действует сила, которую назвали силой Ампера.

Внешнее магнитное поле может быть создано другим проводником с током, и эти проводники будут взаимодействовать с силой Ампера. Если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если в противоположных – отталкиваются.

Отталкиваются проводники или притягиваются, можно определить, рассмотрев магнитное поле одного проводника, применив к нему правило буравчика. И затем, узнав направление магнитного поля, по правилу левой руки можно определить, в какую сторону направлена сила Ампера.

Рис. 7 – Направление силы Ампера

Экспериментальным путем обнаружили, что сила Ампера, действующая на проводник, прямо пропорциональна силе тока в этом проводнике и длине области, помещенной в магнитное поле,

Линии магнитного поля перпендикулярны проводнику.

Рис. 8 – Линии магнитного поля

Коэффициент пропорциональности, обозначим его буквой – это и будет силовая характеристика магнитного поля – магнитная индукция или индукция магнитного поля:

Магнитная индукция показывает, с какой силой действует магнитное поле на каждый метр проводника, по которому течет ток 1 А. Единицу измерения магнитной индукции назвали тесла и обозначили Тл в честь ученого и изобретателя, который работал в области электротехники, Николы Теслы.

Магнитное поле удобно описывать векторной величиной, оно направленное – мы сегодня уже говорили о линиях магнитной индукции, их направление определяет направление магнитного взаимодействия. Поэтому давайте зададим магнитную индукцию как вектор.

Рис. 9 – Линии индукции магнитного поля

Его модуль мы уже определили через силу Ампера, а направим его по касательной к магнитной линии в каждой точке поля, потому эти линии и называют линиями магнитной индукции или линиями индукции магнитного поля.

Плотность линий магнитной индукции

Направление магнитного поля графически удобно обозначить линиями магнитной индукции. А как обозначить количественные характеристики поля, сильное оно или слабое? Такой характеристикой является вектор магнитной индукции , его модуль соответствует длине вектора. Но если мы не чертим векторы, а обозначаем поле линиями магнитной индукции, то плотность этих линий дает представление о модуле вектора . Конечно, точное значение определить таким образом нельзя, но можно оценивать и сравнивать, что если в какой-то области линии магнитной индукции расположены плотнее, значит поле там сильнее.

Модуль силы Ампера, которая действует на проводник в магнитном поле, равен , с этим мы разобрались. Как определить её направление? Вообще силы не действуют, взаимодействуют тела, а сила – это мера взаимодействия. В нашем случае это взаимодействие зарядов посредством их электромагнитного поля. Это взаимодействие сложно описать математически, гораздо проще использовать модель магнитного поля и описать, как оно действует на помещенный в него движущийся заряд.

Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Нужно расположить левую руку так, чтобы:

1) четыре пальца показывали направление тока,

2) вектор магнитной индукции «входил» в ладонь с внутренней стороны,

3) отставленный на 90̊ большой палец укажет направление силы Ампера.

Рис. 10 – Правило левой руки

Движущийся заряд мы не обязательно описываем моделью электрического тока, это может быть просто единичная заряженная частица с зарядом , которая движется в магнитном поле. Принципиальной разницы нет, на нее тоже будет действовать сила, только формула для ее расчета немного преобразуется.

Чтобы разделить эти два случая – проводник с током и отдельная заряженная частица – этой силе дали другое название, сила Лоренца (и поставили индекс при F).

А направление силы Лоренца определяется так же, по правилу левой руки, только вместо направления тока будет направление движения положительного заряда (а мы помним, что движение отрицательного заряда математически эквивалентно движению положительного заряда в противоположную сторону).

Задача

Электрон движется в магнитном поле со скоростью 500 м/с перпендикулярно к направлению вектора магнитной индукции. Определите модуль и направление силы, с которой магнитное поле действует на электрон, если индукция поля равна 0,01 Тл.

Рис.11 – Условие задачи

Анализ условия.

Описан электрон, а это заряженная частица, которая движется в магнитном поле, значит, на нее действует сила Лоренца. Для ее вычисления у нас есть готовое уравнение. А направление силы Лоренца определим по правилу левой руки.

Физическая часть решения, запишем уравнение для силы Лоренца:

Уравнение простое, преобразований нет, давайте сразу проведем вычисления. Мы находим модуль силы, поэтому заряд электрона можем взять по модулю:

Найдём направление силы. Четыре пальца левой руки должны указывать направление движения положительного заряда. У нас движется электрон, это отрицательно заряженная частица. Математически движение отрицательного заряда в одну сторону эквивалентно движению такой же по модулю положительного заряда в противоположную сторону, мы это рассматривали, когда изучали электрический ток. Поэтому направляем пальцы руки противоположно движению отрицательно заряженного электрона. Ориентируем руку так, чтобы линии магнитной индукции «входили» в ладонь.

Рис. 12 – Решение задачи по правилу левой руки

Получим направление силы – к наблюдателю.

Электромагнитная индукция

Как же всё-таки возникает ток на электростанции? Оказывается, если вдвигать постоянный магнит в катушку, в катушке возникнет ток. Чтобы это увидеть, можно подключить катушку к гальванометру.

Рис. 13 – Возникновение тока в катушке при движении магнита

Что такое гальванометр?

Если не вдаваться в особенности строения гальванометра, то это прибор, стрелка которого отклоняется при протекании через него тока. Он с его помощью можно измерить силу тока, причем очень маленькую, десятки микроампер. Можно проградуировать его шкалу в единицах напряжения. Чтобы это был полноценный амперметр или вольтметр, нужно добавить определенное внутреннее сопротивление прибора. Нас же сейчас интересует гальванометр не столько как измерительный прибор, сколько как индикатор, мы обнаруживаем сам факт, что ток протекает.

Если выдвигать магнит из катушки, ток тоже возникнет и его направление будет противоположным тому, который возникал при движении магнита в катушку. Причем обратите внимание, ток протекает в катушке именно в процессе движения магнита – когда движение прекращается, ток пропадает. Эта деталь мешала обнаружить этот ток его первооткрывателю Фарадею, подробнее об опыте Фарадея вы можете узнать в ответвлении.

Опыт Фарадея

Когда обнаружили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, у ученых того времени возникла мысль: а не может ли из-за магнитного поля возникнуть ток в проводнике? Ведь стало понятно, что связь между ними какая-то есть. Майкл Фарадей пытался обнаружить такое возникновение тока, спровоцированное магнитным полем. Он подключал катушку к гальванометру, помещал в неё постоянный магнит и следил за стрелкой гальванометра.

В то время приборы были не такими помехозащищёнными, точными и надежными, как сейчас, поэтому, по одной из версий, гальванометр находился далеко от катушки, возможно даже в соседней комнате, чтобы никакие вибрации не создавали помехи. Поэтому, когда Фарадей помещал магнит в катушку, именно во время движения магнита в катушке возникал ток, и стрелка гальванометра отклонялась. Но когда магнит останавливался и ученый подходил к гальванометру, протекание тока уже прекращалось.

Считается, что обнаружить явление электромагнитной индукции помог ученик Фарадея, который находился возле гальванометра в момент, когда Фарадей помещал в катушку магнит, и заметил отклонение стрелки.

Это явление назвали электромагнитной индукцией, а возникающий при этом ток – индукционным.

Возникновение этого тока не должно нас удивлять при том, что мы уже знаем об электромагнитном поле. Мы изучили силу, которая действует на движущийся электрический заряд в магнитном поле. Но движение относительно, и заряд движется в магнитном поле или источник магнитного поля движется относительно заряда – это может быть одна и та же ситуация при рассмотрении в разных системах отсчета. И возможна ситуация, когда электроны будут двигаться в магнитном поле вместе с проводником, а сила, с которой на них действует магнитное поле, будет заставлять их двигаться вдоль проводника, то есть создаст электрический ток. Так что это еще одно проявление электромагнитного взаимодействия зарядов в атомах магнита и свободных зарядов в проводнике.

Для описания этого явления ввели удобный математический инструмент – магнитный поток через выбранную площадь. Что это за выбранная площадь? Мы рассматриваем возникновение тока в замкнутом контуре, и в этом случае ток будет зависеть от магнитного потока через площадь контура.

Так вот, магнитный поток – это по определению произведение магнитной индукции на площадь , поток через которую вычисляется, и на косинус угла между вектором и перпендикуляром к площади. Обозначать магнитный поток договорились большой греческой буквой , запишем:

Единицу измерения магнитного потока назвали вебер:

Теперь легко описать электромагнитную индукцию: при изменении магнитного потока через замкнутый контур в нем возникает ток, пропорциональный скорости изменения магнитного потока:

Коэффициентом пропорциональности здесь будет сопротивление всего контура . Это может быть суммарное сопротивление проводов, если контур состоит только из проводов, или сопротивление проводов плюс приборов, если в цепь включены какие-то приборы, как тот же гальванометр:

И вот что удобно: эта модель универсальна для разных случаев электромагнитной индукции. Магнит вдвигают в катушку – изменяется индукция магнитного поля через площадь одного витка, легко вычислить магнитный поток через виток, а так как это катушка, то умножаем магнитный поток через один виток на количество витков в катушке. Магнит выдвигают из катушки – опять изменяется и опять легко вычислить изменение магнитного потока , а значит и индукционный ток. Виток поворачивают в магнитном поле – изменяется угол между вектором и перпендикуляром к площади витка, а значит – изменение магнитного потока и индукционный ток легко посчитать. Мы можем изменить форму и площадь витка – и снова наша модель применима, изменение площади витка означает изменение магнитного потока через эту площадь.

Модуль тока мы определили. А как определить его направление? В опыте с магнитом, катушкой и гальванометром ток был направлен то в одну, то в другую сторону, в зависимости от того, в какую сторону движется магнит и каким полюсом. Эти направления должны подчиняться какой-то закономерности. Эту закономерность обнаружил ученый Эмилий Ленц, и она названа в его честь правилом Ленца.

Возникающий при изменении магнитного потока электрический ток направлен так, чтобы его магнитное поле противодействовало тому изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Давайте разберемся на примере, определим направление индукционного тока, который возникает, если вставить в него постоянный магнит северным полюсом вниз.

Магнитный поток создается магнитным полем, индукция которого направлена вниз. Магнитный поток увеличивается, так как при неизменной площади витков и при отсутствии вращения увеличивается магнитная индукция. По правилу Ленца магнитное поле должно противодействовать этому увеличению, поэтому магнитное поле тока в катушке будет направлено противоположно магнитному полю магнита, то есть вверх. По правилу буравчика определяем, в каком направлении течет ток, если вектор магнитной индукции его магнитного поля направлен вверх.

Рис. 14 – Направление индукционного тока в катушке при погружении в нее магнита

А если затем этот магнит вытащить из катушки? Линии индукции магнитного поля по-прежнему направлены вниз, магнитный поток через катушку уменьшается. По правилу Ленца магнитное поле индукционного тока будет противодействовать этому уменьшению, то есть это магнитное поле будет как бы поддерживать уменьшающееся поле магнита, оно будет с ним со направлено, будет тоже направлено вниз.

Рис. 15 — Направление индукционного тока в катушке при отдалении от нее магнита

Самоиндукция

Изменяющееся магнитное поле (количественно это удобнее выразить через магнитный поток) создаёт электрический ток в проводнике, это явление электромагнитной индукции. Давайте рассмотрим катушку, в которой мы увеличиваем силу тока. Ток в катушке создает магнитное поле катушки. Так как мы увеличиваем силу тока, то будет увеличиваться и индукция магнитного поля.

И что мы имеем: изменяющееся магнитное поле вокруг катушки. Можно даже вычислить магнитный поток через катушку, и этот магнитный поток будет изменяться. А при изменении магнитного потока в катушке должен возникать индукционный ток! Давайте разберемся, куда он может быть направлен. Изобразим направление тока в катушке и по правилу буравчика магнитное поле катушки. Оно увеличивается, значит, по правилу Ленца, магнитное поле индукционного тока должно быть направлено противоположно нарастающему полю. Найдем направление индукционного тока, он будет направлен против того изначального нарастающего тока. Такое явление, когда изменение магнитного поля катушки создает индукционный ток в этой же катушке, назвали самоиндукцией.

Конечно, неудобно рассматривать два тока, протекающие одновременно в одной катушке, мы рассмотрим их сумму. Так как токи направлены в противоположные стороны, то индукционный ток будет вычитаться из начального тока. Полностью прекратиться протекание тока или его нарастание не может, потому что тогда не будет изменяться магнитное поле и не будет возникать «сдерживающий» индукционный ток. А вот замедление нарастания тока происходит. Ток в катушке не только медленнее нарастает из-за самоиндукции, но и медленнее убывает. Можете в качестве упражнения проследить за процессами в катушке при уменьшении тока.

Токи самоиндукции могут вредить электроприборам в моменты их включения и выключения, и это нужно учитывать при их проектировании. Но вот это явление инерционности, что ток не нарастает и не убывает мгновенно, можно и использовать, нам оно еще пригодится.

Переменный ток

Мы разобрались с явлением электромагнитной индукции, как изменение магнитного потока приводит к возникновению электрического тока. Конечно, это можно использовать для получения тока! И теперь нам понятно, как именно это сделать, дело остается за тонкостями технической реализации.

Проблема в том, что ток через контур течет только на протяжении того времени, пока изменяется магнитный поток. А он не может уменьшаться или увеличиваться бесконечно, он быстро достигает предела. Как в нашем опыте: пока мы вставляем или извлекаем магнит из катушки, ток есть, но достаточно быстро магнит оказывается полностью вставленным в катушку или полностью извлеченным, и процесс останавливается.

А что, если сделать изменение магнитного потока периодичным? Смотрите: мы можем добиться краткосрочного протекания тока, вставляя или извлекая из катушки магнит. И мы можем быстро двигать магнит вверх-вниз, и по стрелке гальванометра увидим: ток будет с той же частотой менять направление, зато почти в любой момент времени ток в проводнике будет протекать, кроме тех моментов, когда магнит находится в крайнем положении. Он в этот момент на мгновение останавливается и меняет направление движения, в этот момент ток тоже меняет направление.

Такой ток назвали переменным, он с определенной периодичностью меняет направление. Его реально получить, но можно ли его использовать для работы электроприборов? Оказывается, да, и в чем-то он даже удобнее постоянного.

Допустим, в приборе работа электрического тока идет на нагревание, это не только кипятильники и обогреватели, но и лампа накаливания, она светится потому, что ее спираль раскалена. Тогда большой разницы нет, переменный ток или постоянный. Тепло выделяется при любом направлении протекания тока одинаково, а что ток периодически на мгновение становится равным нулю – за это время проводник не успевает остыть.

Эффективные значения напряжения и силы тока

При постоянном токе мы знаем значение силы тока, например, 2 А, это значит, что за каждую секунду через сечение проводника проходит заряд 2 Кл. Мы можем вычислять работу и мощность электрического тока, выделяемую прибором теплоту, если это нагревательный прибор:

А как быть, если ток переменный, его значение меняется каждое мгновение, направление меняется 50 раз в секунду – какое значение тока брать? Брать амплитудное значение было бы неправильно, большую часть времени значение силы тока меньше амплитудного. Удобно ввести некое эффективное (или другое название – действующее) значение силы тока, которое равно величине тока, который совершает такую же работу, как и данный переменный, но будучи постоянным. Поясню: переменный ток с амплитудой 10 А совершает такую же работу, какую совершал бы постоянный ток 7,07 А, это значит, что эффективное значение такого переменного тока 7,07 А. К напряжению применимо всё то, что мы сказали для тока.

Как эти значения вычислить – у нас пока нет для этого математических инструментов, поэтому я дам готовые формулы для эффективного значения силы тока и напряжения для синусоидального тока:

То знакомое нам значение напряжения 220 В в бытовой сети – это как раз эффективное значение напряжения.

Если всё же для работы прибора требуется постоянный ток, то сделать преобразователь переменного тока в постоянный тоже не проблема. Мы не будем сейчас разбирать, как он устроен, но главное, что это реализуемо. Всевозможные зарядные устройства и блоки питания представляют собой такие преобразователи.

Зато у переменного тока есть ряд преимуществ перед постоянным: его удобнее передавать на большие расстояния, а также в сетях переменного тока можно легко изменять напряжение, об этом чуть позже.

Давайте усовершенствуем способ получения тока, ведь обеспечивать поступательное движение магнита внутри катушки неудобно. Изменять магнитный поток можно не только изменяя магнитное поле, можно изменять угол между магнитом и катушкой, и это намного удобнее.

Теперь можно закрепить катушку (эту часть еще называют статор, потому что она статична), поместить внутри нее магнит так, чтобы он мог там вращаться (его назвали ротор, от слова «rotate» – вращаться), и останется соединить магнит с турбиной, которая и будет его вращать. Основная часть электростанции готова, это называется генератор, и у нас есть инструменты для его расчета: мы можем связать магнитное поле магнита, скорость его вращения, количество витков в катушке, силу тока.

Рис. 16 – Модель простейшего генератора

В промышленных сетях принят стандарт частоты переменного тока: 50 Гц. С такой большой скоростью турбины на электростанциях не вращаются, поэтому катушку-статор делают с несколькими обмотками, ориентированными под углом друг к другу, и тогда магнитный поток меняется чаще, увеличивается частота тока.

Рис. 17 – Катушка-статор

Сами обмотки для более эффективной генерации тока делают не цилиндрическими, а более приспособленными к вращению магнита. Это немного корректирует расчеты, но принцип не меняется.

Остается еще вопрос, каким способом вращать турбину генератора. Мы в начале урока говорили о гидроэлектростанции, где турбину вращает поток падающей воды – это один способ. Есть разновидность гидроэлектростанций, которые используют потоки воды при приливах и отливах.

Можно вращать турбину потоком водяного пара. А чтобы этот пар получить, воду нужно нагреть: сжигая топливо, как делается на теплоэлектростанциях, или используя ядерные реакции, как на атомных электростанциях. Можно вращать турбину с помощью ветра, ветряные электростанции популярны как одни из наиболее экологически чистых.

Есть еще электростанции на солнечных батареях, но в основе их работы лежит совсем другое явление, там ничего не вращается, и электромагнитная индукция не используется.

Трансформатор

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, которое мы сегодня изучили. Трансформатор представляет собой две катушки, надетые на один и тот же железный сердечник. Так как чаще всего это несъемные катушки, которые наматываются прямо на сердечник, их называют обмотками трансформатора.

Посмотрим, что будет происходить, если по одной из обмоток пустить переменный ток. Эту обмотку назвали первичной. Этот ток создаст магнитное поле, которое усилится железным сердечником. Так как ток переменный, магнитное поле тоже будет всё время изменяться. Изменяющееся магнитное поле в сердечнике, а значит и внутри второй обмотки, будет создавать в ней индукционный ток (если обмотка не разомкнута). Эту обмотку назвали вторичной. Мы сейчас не заостряем внимание на направлении магнитного поля и тока во вторичной обмотке в каждый момент, в любом случае это будет тоже синусоида с той же частотой, что и ток в первичной обмотке.

И что самое важное, напряжения на обмотках трансформатора отличаются во столько раз, во сколько раз отличается количество витков в обмотках:

Это уравнение справедливо для идеального трансформатора, в котором нет потерь энергии, но оно позволяет достаточно точно рассчитать и параметры реального трансформатора.

В зависимости от количества витков на обмотках, напряжение на вторичной обмотке может быть больше, чем на первичной, такой трансформатор назвали повышающим, а если наоборот – то понижающим.

Принципиально первичная и вторичная обмотки ничем не отличаются, поэтому мы можем их поменять местами: к другой обмотке подключить источник переменного тока, а оставшуюся подключить к нагрузке. Так можно из повышающего трансформатора сделать понижающий, и наоборот.

Трансформатор полезен не только для изменения напряжения переменного тока. Может быть полезен сам факт, что электроэнергия передается без электрического контакта между обмотками. Это используется для так называемой гальванической развязки, например, в медицинских приборах, чтобы исключить всякий контакт прибора с сетью 220 В.

Ссылки на литературу:

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е изд, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. — 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.

Ссылки на источники Интернет:

1. Интернет-портал «Класс!ная физика»
2. Интернет-портал «Класс!ная физика»
3. Интернет-портал «Класс!ная физика»
4. Интернет-портал «Класс!ная физика»
5. Интернет-портал «Класс!ная физика»

Домашнее задание:

1. Какова индукция магнитного поля, в которой на проводник с длиной активной части 5см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.
2. Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 0,48 Н.