Физика Магнитное поле. Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии

Материалы к уроку

Конспект урока

Ранее мы установили, что электростатическое поле создается неподвижными зарядами, и влияние одних заряженных тел на другие осуществляется при помощи электрического поля. При изучении действий электрического тока мы отметили магнитное действие тока. Долгое время считалось, что между электрическими и магнитными действиями не существует никакой связи. Однако оказалось, что такая связь существует. Обнаружить магнитное действие тока удалось датскому физику Гансу Христиану Э’рстеду в 1820 году. Он заметил во время лекции, что свободная магнитная стрелка заколебалась, когда неподалеку от нее был включен электрический ток.
Опыт 1.
Повторим опыт Эрстеда. Соберем электрическую цепь: источник постоянного тока, нихромовый провод, длиной 30-50см, реостат (10 Ом), включенный в начале на максимальное сопротивление и  выключатель. Недалеко (5-10см) от провода расположим свободную магнитную стрелку. Систему расположим так, чтобы провод был параллелен направлению Север –Юг, чтобы при  выключенном состоянии стрелка была параллельна проводу. Включим цепь и, уменьшая на реостате сопротивление, добьемся того, что магнитная стрелка повернется, устанавливаясь перпендикулярно проводу. Выключим ток, стрелка снова расположится параллельно проводу, показывая направление на Север. Сделаем вывод: магнитное поле около проводника возникает при движении зарядов по проводнику при включении электрического тока.

Опыт 2.
Магнитную стрелку расположим  под проводом. При включении магнитная стрелка вновь отклонится и расположится перпендикулярно проводнику.  Сделаем вывод: движущиеся заряды (электрический ток) являются причиной возникновения магнитного поля. Причем магнитное поле существует в пространстве вокруг проводника до тех пор, пока существует ток в проводнике.

Опыт 3.
Поменяем в цепи + и минус (изменив тем самым направление тока). Заметим, что магнитная стрелка вновь отклоняется при включении тока, устанавливаясь перпендикулярно проводнику, но теперь она ориентирована противоположными направлениями «север-юг». Делаем вывод: направление магнитных силовых линий изменилось на противоположное, потому что изменилось направление движущихся зарядов.
Так что же такое магнитное поле? Еще в древности люди обнаружили, что существуют «черные камни», способные притягивать железные предметы. Их стали называть магнитами.  Если на магнит положить картонку и посыпать мелкими железными опилками, то они расположатся в виде некоторых линий. Такие линии (по предложению М.Фарадея) стали называться магнитными линиями, а материальную среду, которая существует около магнита и передает влияние одних магнитных масс на другие, называют магнитным полем.
Значит, магнитные линии – это линии вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют магнитными линиями магнитного поля.
Магнитное поле, как и электрическое, является материальным. Оно обладает способностью действовать на свободные магнитные стрелки, без непосредственного соприкосновения (это называется «дальнодействием»).
Влияние взаимодействия намагниченных тел передается и в вакууме.
Опыт 4.
Пропустим через отверстие в листе картона, перпендикулярно его плоскости, прямой провод, включенный в электрическую цепь (такую же, как в опыте Эрстеда). Поставим на разных расстояниях от провода несколько свободных магнитных стрелок. Когда включим электрический ток, стрелки поворачиваются и устанавливаются так, что направления стрелок являются касательными  к окружностям, центром которых является провод. Кроме того, отметим, что магнитное поле сильнее действует на те стрелки, которые расположены ближе к проводу.
Опыт 5.
Включим цепь, но вместо стрелок насыплем железные опилки на картон. Видим, что они расположились концентрическими окружностями, центром которых является проводник с током. Эти линии – силовые линии магнитного поля прямого тока. Магнитные стрелки в любом месте поля устанавливаются по касательной к силовым линиям в определенном направлении Делаем вывод: магнитные силовые линии прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является проводник.
Опыт 6.
Повторим опыт, который был выполнен в опыте 4. Только теперь самодельными стрелками покажем направление тока (от + к — ). Другой стрелкой (или несколькими) покажем направление, которое показывает северный конец магнитной стрелки ( у нас – «по часовой стрелке») Теперь изменим направление тока через проводник. Видим, что все магнитные стрелочки теперь повернулись на 180 градусов и указывают направление- «против часовой стрелки». Делаем вывод: направление магнитных силовых линий зависит от направления тока в проводнике. А можно ли определить направление магнитных силовых линий без магнитных стрелок? Можно! Для этого придумано «правило буравчика»: Если буравчик вращать так, что поступательное движение буравчика будет совпадать с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки покажет направление магнитных силовых линий.

Отметим следующее:
1)    Силовые линии магнитного поля замкнутые, у них нет ни начала, ни конца.
2)    Магнитное поле принципиально отличается от электростатического, в котором силовые линии не замкнуты: выходят из положительных зарядов и входят в отрицательные.
3)    Вместе с отличием магнитное и электрическое поля имеют  и общее: оба поля – материальны и обладают энергией.
Сегодня на уроке мы рассмотрели и отметили, что магнитное поле –это материальная среда, через которую передается взаимодействие одних магнитных масс с другими.  Что магнитные силовые линии – это воображаемые линии, используемые для изображения магнитных полей, касательные к этим линиям показывают направление магнитных сил, действующих на северный полюс магнитной стрелки. Без магнитной стрелки направление магнитных силовых линий можно определить по «правилу буравчика».
 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитораОставить заявку на подбор

Магнитное поле прямого тока | 8 класс

Содержание

Магнитное поле возникает, если у нас есть движущиеся электрические заряды. Но мы не можем увидеть или почувствовать его с помощью наших органов чувств.

Физика может дать нам такую удивительную возможность — увидеть магнитное поле. Также мы сможем определить его форму, как и где оно располагается, каким-то образом охарактеризовать его.

Для этого нам будут нужны не какие-то сложные приборы, а всего лишь железные опилки. На данном уроке мы рассмотрим их применение и сделаем определенные выводы о магнитном поле прямого тока.

Использование железных опилок для обнаружения магнитного поля

Магнитное поле возникает вокруг проводников, по которым течет ток. Чтобы его обнаружить, есть множество способов. Некоторые из них мы рассматривали в прошлом уроке.

Теперь мы рассмотрим еще один способ — использование мелких железных опилок.

Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки? Ответ очень прост. Эти маленькие кусочки железа, оказавшись в магнитном поле, намагничиваются. Так они становятся маленькими магнитным стрелками.  

Опыт Эрстеда уже показал нам, что магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения при наличии рядом проводника, по которому течет ток. Теперь у нас будет не одна такая стрелка, а большое их множество. Мы же пронаблюдаем за тем, как ось каждой такой стрелки будет ориентироваться под действием сил магнитного поля.

{"questions":[{"content":"Железные опилки в магнитном поле ведут себя как[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["маленькие магнитные стрелки","проводники с током","инородные тела","Полупроводники"],"answer":[0]}}}]}

Определение формы магнитного поля

Как же «выглядит» магнитное поле? Давайте проведем простой опыт (рисунок 1).

У нас есть прямой проводник с током. Сделаем в листе картона отверстие и проденем через него наш проводник. На картон насыпем тонкий слой железных опилок и включим ток.

Что же мы увидим? Как расположатся железные опилки в магнитном поле прямого тока?

Рисунок 1. Расположение железных опилок в магнитном поле прямого тока

Под действием магнитного поля опилки принимают интересное положение. Они теперь не беспорядочно лежат на листе картона. Теперь они располагаются вокруг проводника по концентрическим окружностям.

{"questions":[{"content":"Под действием магнитного поля, создаваемого прямым проводником с током, железные опилки располагаются[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["в форме окружностей вокруг проводника","параллельно проводнику","в хаотичном порядке"],"answer":[0]}}}]}

Линии магнитного поля

Чтобы описать магнитное поле и созданные им окружности из железных опилок, мы введем новое определение — магнитные линии.

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

Что означает это определение? Соединим опилки, образовавшие одну из окружностей, воображаемой линией. Так мы получим окружность, в центре который находится проводник (рисунок 2).

Рисунок 2. Магнитные линии магнитного поля прямого тока

Обратите внимание, что стрелки не только выстраиваются вдоль этих линий. Еще они ориентируются все в одном направлении по этой окружности. Для того, чтобы проще было это оценить, рядом с проводником можно разместить обычные магнитные стрелки, как на рисунке 2.

Они располагаются на линии магнитного поля, указывая одним своим полюсом в одну сторону. Здесь мы не говорим, что они указывают направо или налево. Они разворачиваются одним полюсом как бы в одном направлении движения по окружности.

{"questions":[{"content":"Если мы поместим магнитные стрелки в магнитное поле прямого тока, то они будут[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["располагаться вдоль магнитных линий","располагаться перпендикулярно магнитным линиям","ориентироваться в одном направлении по окружности","Менять свое направление с течением времени"],"answer":[0,2]}}}]}

Направление магнитных линий и форма магнитного поля

Получается, что использование опилок дало нам две новые характеристики магнитного поля: мы видим не только его форму с помощью магнитных линий, но и замечаем, что сами линии имеют определенное направление.

Итак, мы можем сделать следующие выводы:

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые (концентрические окружности в случае магнитного поля прямого тока), охватывающие проводник.

Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии магнитного поля.

{"questions":[{"content":"Направление линии магнитного поля определяется направлением, куда[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["показывает северный полюс магнитной стрелки в этом поле","показывает южный полюс магнитной стрелки в этом поле","течет ток","показывает северный полюс магнитной стрелки вне этого поля"],"answer":[0]}}}]}

Связь направлений магнитных линий и направления электрического тока

Магнитные линии дают нам возможность изобразить магнитное поле графически. 

На каком расстоянии от проводника мы можем нарисовать его магнитные линии? Ответ прост — для графического изображения мы можем использовать удобный для нас масштаб.  

Магнитное поле существует во всех точках пространства, окружающего проводник с током. Значит, мы можем правомерно провести магнитную линию через любую точку.

Хорошо, но как определить направление магнитных линий? Опыты показывают следующее:

Направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике.

Так как магнитные линии лежат в плоскости, перпендикулярной проводнику с током, на чертежах принято изображать сечение проводника (проводник в разрезе). Направление тока при этом условно обозначается крестиком, если ток направлен от нас, и точкой, если ток направлен на нас (рисунок 3).

Рисунок 3. Обозначения направления тока

Взгляните на рисунок 4, а. Ток течет вниз по проводнику. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль магнитных линий. Их оси ориентируется таким образом, как показано на рисунке.

Рисунок 4. Направление магнитных линий при движении тока вниз/от нас

Графическое изображение такого магнитного поля представлено на рисунке 4, б. Проводник с током расположен перпендикулярно плоскости чертежа, как будто мы смотрим на него сверху, а не сбоку. Направление тока мы обозначили крестиком на самом проводнике (от нас), и указали направление магнитных линий (куда указывают северные полюса магнитных стрелок.

Теперь сделаем так, чтобы ток шел не вниз, а вверх. Что мы увидим? Магнитные стрелки снова расположились вдоль окружности, но ориентация их осей изменилась (рисунок 5, а). Теперь они развернулись на $180 \degree$ по сравнению с первой ситуацией, где ток шел вниз по проводнику.

Рисунок 5. Направление магнитных линий при движении тока вверх/к нам

На рисунке 5, б показано графическое изображение такого поля. Тот факт, что ток направлен к нам, условно обозначен точкой на проводнике. Направление магнитных линий поменялось на противоположное.

Такой простой опыт подтвердил нам тот факт, что направление магнитных линий связано с направлением тока.

{"questions":[{"content":"Направление тока в проводнике определяет[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["направление магнитных линий","время действия магнитного поля","форму магнитного поля"],"answer":[0]}}}]}

Правило буравчика и правило правой руки

Можно запомнить, как соотносятся направление тока в проводнике и направление магнитных линий, а можно воспользоваться простым способом — правилом буравчика.

Если правой рукой вкручивать буравчик (винт, штопор) острием по направлению тока, то ваш большой палец будет поворачиваться по направлению магнитных линий.

Может вам покажется более удобной для использования другая интерпретация этого мнемонического правила — правило правой руки (рисунок 6).

Если обхватить правой рукой прямой проводник с током с отставленным большим пальцем так, чтобы он совпадал с направлением тока, то ваши четыре пальца покажут направление магнитных линий.

Рисунок 6. Правило правой руки для прямого проводника с током

Упражнения

Упражнение №1

Каким полюсом повернется к наблюдателю магнитная стрелка, если ток в проводнике направлен от A к B (рисунок 7)? Изменится ли ответ, если стрелку поместить над проводником?

Рисунок 7. Магнитная стрелка, расположенная под проводником

Пользуясь полученными знаниями, мы можем сказать, что магнитная стрелка повернется к нам южным полюсом (рисунок 8, а).

Как мы это определили? Если нарисовать чертеж (рисунок 8, б) точкой A к нам, то ток будет идти от нас. Так мы можем, используя готовые результаты опытов, приведенные в данном уроке выше, определить направление магнитных линий поля. Магнитная стрелка повернется северным полюсом по направлению этих линий, т. е. от нас.

Пользуясь правилом правой руки, мы получим тот же результат: если большой палец будет указывать направление тока, то четыре пальца укажут направление магнитных линий.

Рисунок 6. Ориентация магнитной стрелки в данном магнитном поле прямого тока

Если же мы поместим проводник под магнитной стрелкой, то ее положение поменяется. Она повернется к нам северным полюсом, потому что в этой точке магнитные линии будут направлены так же к нам.

Упражнение №2

В стене расположен (замурован) прямой электрический провод. Как найти место нахождения провода и направление тока в нем, не вскрывая стену?

Мы можем обнаружить такой провод с помощью магнитной стрелки на подставке или обычного компаса. Передвигая компас вдоль стены (и при этом не поворачивая его), нужно следить за положением магнитной стрелки. Если она начнет отклоняться, значит, в этом месте на нее действует магнитное поле проводника с током — наш провод где-то рядом.

Чтобы определить направление тока в этом проводе, посмотрим, куда указывает северный полюс стрелки компаса. Его направление будет совпадать с направлением магнитных линий. Если он повернется вправо, то ток направлен вверх, а если влево, то ток направлен вниз.

22.3 Магнитные поля и силовые линии магнитного поля – Колледж физики, главы 1-17

22 Магнетизм

Магнитные поля и силовые линии магнитного поля

• Дайте определение магнитному полю и опишите линии магнитного поля различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка чувствует силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно размышлять о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности.

Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле как представление магнитных сил. Графическое изображение силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано в [ссылка], направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B — поле.
Линии магнитного поля имеют направление, которое указывает небольшой компас, помещенный в определенное место. (a) Если для картографирования магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в указанном направлении: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита. (Вспомните, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (b) Соединение стрелок дает непрерывные силовые линии магнитного поля. Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. в) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, то было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые петли.


Небольшие компасы, используемые для проверки магнитного поля, не будут мешать ему. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с небольшим пробным зарядом. В обоих случаях поля представляют собой только объект, создающий их, а не зонд, проверяющий их.) [ссылка] показывает, как выглядит магнитное поле для токовой петли. и длинный прямой провод, который можно было исследовать с помощью небольшого компаса. Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в том месте, где он находится, с северным полюсом, указывающим в направлении 9 градусов.0013 Б

. Обратите внимание на символы, используемые для поля ввода и вывода из бумаги.
Для картирования полей, показанных здесь, можно использовать небольшие компасы. (а) Магнитное поле круглой петли с током подобно магнитному полю стержневого магнита. (b) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими круглые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвост стрелы), и поля, указывающего наружу (например, кончик стрелки).


Создание связей: концепция поля

Поле — это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.

Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем силовые линии магнитного поля для представления поля (линии — это изобразительный инструмент, а не физическая сущность сама по себе). Свойства силовых линий магнитного поля можно обобщить следующими правилами:

1. Направление магнитного поля касается линии поля в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
2. Сила поля пропорциональна близости линий. Она точно пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (называемой поверхностной плотностью).
3. Линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
4. Линии магнитного поля непрерывны, образуя замкнутые петли без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному полюсу.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса нельзя разделить. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются на положительных и отрицательных зарядах. Если бы существовали магнитные монополи, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

• Магнитные поля графически могут быть представлены силовыми линиями магнитного поля, свойства которых следующие:
1. Поле касается линии магнитного поля.
2. Сила поля пропорциональна плотности линий.
3. Линии поля не могут пересекаться.
4. Линии поля представляют собой непрерывные петли.

Объясните, почему магнитное поле не будет уникальным (то есть не будет иметь единственного значения) в точке пространства, где линии магнитного поля могут пересекаться. (Учитывайте направление поля в такой точке.)

Перечислите сходство линий магнитного поля и линий электрического поля. Например, направление поля касается линии в любой точке пространства. Также укажите, чем они отличаются. Например, электрическая сила параллельна силовым линиям электрического поля, тогда как магнитная сила, действующая на движущиеся заряды, перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.

Заметив, что силовые линии магнитного поля стержневого магнита напоминают силовые линии электрического поля пары равных и противоположных зарядов, ожидаете ли вы, что напряженность магнитного поля будет быстро уменьшаться по мере удаления от магнита? Это согласуется с вашим опытом работы с магнитами?

Является ли магнитное поле Земли параллельным земле во всех местах? Если нет, то где она параллельна поверхности? Одинакова ли его сила во всех местах? Если нет, то где он больше всего?

магнитное поле

представление магнитных сил

Б — поле

другой термин для обозначения магнитного поля

линии магнитного поля

графическое изображение силы и направления магнитного поля

направление силовых линий магнитного поля

направление, которое указывает северный конец стрелки компаса

КОНВЕКЦИОННАЯ ЗОНА

КОНВЕКЦИОННАЯ ЗОНА

Что такое магнитные поля?

Проще говоря, магнитное поле — это область вокруг магнита. Магниты сделаны из минерала, называемого магнетидом (или магнитом), который обладает свойством притягивать железо. Ученые используют линий магнитного поля для представления этих магнитных полей. Линии магнитного поля простого магнита показаны на рисунке ниже. от северного полюса до южного полюса. Однако силовые линии магнитного поля не заканчиваются только на кончике магнита. Они проходят насквозь, так что внутри магнит магнитное поле направлено от южного полюса к северному полюсу. Таким образом, силовые линии магнитного поля образуют замкнутый контур и не имеют концов. Поэтому магнитный поле в этом случае тоже не имеет концов.
На самом деле это всегда так. Магнитные поля, какими бы сложными они ни были, не имеют концов.

Эти магнитные поля очень важны, поскольку они оказывают влияние на другие объекты. Как мы уже говорили, магниты всегда притягивают предметы, сделанные из железа. Чтобы увидеть это, поместить магнит рядом с гвоздем (сделанным из железа) и смотреть, как магнит притягивает гвоздь к себе? Обратите внимание, что по мере приближения магнита к гвоздю притяжение между гвоздь и магнит становятся сильнее. Если отодвинуть магнит дальше от гвоздя, притяжение ослабевает до тех пор, пока гвоздь не перестанет притягиваться. вообще. Это потому, что в какой-то момент гвоздь попал в магнитное поле магнита и был притянут к магниту магнитная сила . Мы говорим, что магнитное поле действует на гвоздь с магнитной силой. Сила этой силы зависит от расстояния между магнитом и гвоздем.

Линии магнитного поля.	Непохожие поляки притягиваются друг к другу.	Как полюса отталкиваются друг от друга. >

Однако магнитные поля одного магнита также действуют на другие магниты. Возьмите два магнита и положите их рядом друг с другом. Когда в отличие от полюсов, т.е. севера и южные полюса двух магнитов расположены близко друг к другу, силовые линии магнитного поля соединяются, заставляя магниты притягиваться друг к другу. Если с другой стороны, подобное полюса, то есть северный и северный полюс (или южный и южный полюс) расположены близко друг к другу, магниты не связаны и магниты отталкиваются друг от друга.
Вот почему стрелка компаса всегда указывает на север/юг. Северный магнитный полюс Земли притягивает магнитный южный полюс стрелки компаса. Следовательно магнитный южный полюс стрелки компаса указывает на северный полюс земли. Если вы поместите сильный магнит рядом со стрелкой компаса, стрелка повернется и укажет к северному полюсу магнита. Если убрать магнит, стрелка вернется в исходное положение.

Однако вам не обязательно нужен магнит, чтобы получить магнитное поле. Магнитные поля также могут создаваться движущимися зарядами (электронами или положительно/отрицательно заряженными атомы). Таким образом, электрические токи, которые в основном представляют собой движущиеся электроны, текущие по проводу, создают магнитное поле. Это открытие сделал французский физик Андре Мари Ампер (1775-1836).