Физика – электромагнитные явления (основы)

Когда электрический ток проходит через проводник, он создает вокруг себя магнитное поле. Это явление было открыто в 1820 году французским ученым Эрстедом, который заметил, что компасная стрелка отклоняется вблизи проводника с током. С тех пор магнитное поле вокруг проводника с током стало неотъемлемой частью электромагнетизма и нашло широкое применение в различных технологиях, от электромоторов до сенсоров и магнитных хранилищ данных.

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов.

Если провести эксперимент, заключающийся в расположении проводника с током на листе бумаги и посыпании опилками железа вокруг него, можно наблюдать формирование интересной картины. Опилки будут распределяться вдоль кривых линий, образующих замкнутые круги вокруг проводника с током. Такое явление называется «магнитным полем» и именно оно создает силы, которые перемещают опилки.

Чем ближе к проводнику, тем более плотно опилки будут располагаться, образуя более яркие круги, так как магнитное поле в этой области сильнее.

На первом рисунке ток идёт от нас. На втором — к нам.

Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называются магнитными линиями магнитного поля.

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник.

Такой метод демонстрации магнитного поля был часто используем в школьных лабораториях для иллюстрации и объяснения физического явления. Однако, несмотря на простоту, магнитное поле вокруг проводника с током имеет широкий спектр применений в различных сферах, включая производство электромагнитов, электрических двигателей, генераторов, а также в медицине и научных исследованиях.

Магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током, является таким же магнитным полем, как и вокруг постоянных магнитов. Это означает, что оно имеет те же свойства, что и магнитное поле, возникающее вокруг постоянного магнита, например, оно оказывает магнитное воздействие на другие магнитные предметы.

Магнитное поле изображается с помощью стрелок, которые указывают направление магнитной силы в данной точке магнитного поля. Общее направление стрелок указывает на направление магнитного поля в данной области. Магнитное поле всегда идет от северного магнитного полюса к полюсу южного магнитного поля. Это означает, что если поместить компас вблизи магнитного поля, стрелка компаса будет указывать в направлении полюса северного магнитного поля. Таким образом, стрелки магнитного поля визуально демонстрируют направление и силу магнитного поля.

Правило буравчика.

Правило буравчика — это метод определения направления магнитного поля, создаваемого током. Согласно этому правилу, если представить себе, что буравчик забивается вдоль проводника по направлению тока, то направление вращения буравчика будет указывать на направление магнитного поля вокруг проводника.

Магнитное поле катушки с током.

Катушка с током — это устройство, которое позволяет создавать электромагниты. Катушка представляет собой проводник, который обмотан вокруг цилиндрического или другого подходящего для задачи магнитного материала. Когда через катушку пропускается электрический ток, то вокруг нее возникает магнитное поле.

В катушке электрический ток протекает через множество витков, создавая сложное магнитное поле, в котором на одном конце катушки силовые линии магнитного поля будут выходить наружу, а на другом конце — входить внутрь. Таким образом, на одном конце катушки будет образовываться северный полюс, а на другом — южный. Если магнит необходимо изменять, например, чтобы изменить его полярность, то можно изменить направление тока.

Правило правой руки. Определение полюсов катушки с током.

Если обхватить катушку правой рукой так, чтобы четыре пальца показали направление тока, то большой палец укажет направление на северный полюс катушки.

Действие магнитного поля на проводник с током.

Когда электрический ток протекает через проводник, вокруг него возникает магнитное поле. Это поле можно представить как совокупность линий, которые окружают проводник. Направление этих линий зависит от направления тока в проводнике.

Если поместить проводник с током в магнитное поле, то на проводник будет действовать магнитная сила.

Для определения направления силы, действующей на проводник с током под действием магнитного поля, используется правило левой руки. Это правило устанавливает соответствие между направлением тока в проводнике, направлением магнитного поля и направлением силы, действующей на проводник.

Правило левой руки для проводника с током в магнитном поле.

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, 4 пальца были направлены по току, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей силы.

Задачи.

Задача (ток в катушке)

Укажите направление электрического тока в катушке.

Решение:

Мы видим, что правая сторона катушки обладает южным полюсом (S). Т.к. магнитная стрелка сориентирована

северным полюсом к правой стороне катушки. Значит, левая сторона катушки обладаем северным полюсом.

Тогда по правилу правой руки электрический ток в катушке будет направлен снизу-вверх.

Задача (магнитные линии)

На рисунке показана опилками картина магнитных линий поля прямолинейного проводника с током. Определите направление магнитных линий.

Решение:

По правилу буравчика магнитные линии будут направлены по часовой стрелке.

Задача (магнитная стрелка)

Как изменится направление магнитной стрелки, находящейся рядом с проводом, при достаточно большой силе тока? Рассмотрите два возможных сценария:

а) провод проходит над стрелкой
б) провод проходит под стрелкой

Решение:

Изобразим магнитные линии, исходя из правила буравчика.

Северный полюс магнитной стрелки ориентируется по направлению магнитных линий.

Задача (проводник в магнитном поле)

Проводник с постоянным электрическим током представлен на рисунке в разрезе. Электрический ток направлен на наблюдателя.

Определите в какую сторону будет направлена сила взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и проводника.

Решение:

Магнитные линии идут от северного полюса к южному.

По правилу левой руки располагаем 4 пальца к наблюдателю так, чтобы в ладонь под 90 градусов были направлены линии магнитного поля. Тогда отогнутый под 90 градусов большой палец покажет направление силы взаимодействия магнитного поля и проводника с током.

В нашем случае сила будет действовать влево.

Задача (алюминиевый стержень)

В какую сторону покатится алюминиевый стержень при замыкании цепи?

Решение:

Общепринятно, что ток течёт от плюса к минусу.

Тогда по алюминиевому стержню ток будет иметь следующее направление:

Применив правило левой руки, можно определить, что алюминиевый стержень покатится вправо.

Магнитные явления. 8 класс | Презентация к уроку по физике (8 класс):

Слайд 1

Магнитные явления 8 класс МБОУ Лицей №28, г. Новосибирск учитель физики Ксенофонтова Е.В.

Слайд 2

Цель Образовательная: закрепить знания, учащихся по данной теме; Развивающая: способствовать развитию воображения, творческой активности учащихся, логического мышления, развивать культуру речи Воспитательная:воспитывать в детях интерес к предмету

Слайд 3

Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами. В настоящее время создают искусственные магниты. Искусственным магнитам придают специальную форму.

Слайд 4

Виды постоянных магнитов

Слайд 5

Магнитные свойства тел. Одноимённые магнитные полюсы отталкиваются . Разноимённые магнитные полюсы притягиваются друг к другу.

Слайд 6

Места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнита . У всякого магнита, как и у магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный ( N) и южный ( S) . В природе встречаются естественные магниты – железная руда (магнитный железняк).

Слайд 7

В природе нет магнитных зарядов Замкнутость силовых линий магнитного поля указывает на отсутствие источников магнитного поля аналогичных электрическим зарядам. Магнитные полюсы существуют только парами и отдельный магнитный полюс получить невозможно

Слайд 9

Теория Ампера

Слайд 10

Магнитные силовые линии С помощью железных опилок можно получить представление о магнитном поле постоянных магнитов.

Слайд 12

Свойства магнитных линий Магнитные линии не имеют ни начала ни конца. Не пересекаются. Где поле сильнее, там линии гуще. Вокруг постоянного магнита направлены от N к S .

Слайд 13

Магнитное поле проводника с током

Слайд 14

Правило правой руки Для проводника с током Для соленоида

Слайд 15

Магнитное поле катушки с током

Слайд 16

Использование электромагнитов

Слайд 17

Электромагнитное реле

Слайд 18

Вокруг Земли существует магнитное поле. Земной шар тоже магнит. У него есть свои магнитные полюсы и своё магнитное поле. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль магнитных линий Земли.

Слайд 19

Магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами. Южный магнитный полюс Земли удалён от Северного географического полюса примерно на 2100км. Северный магнитный полюс Земли находится вблизи Южного географического полюса, а именно на 66,5град. Ю.Ш. и 140град. Восточной долготы.

Слайд 20

Прямой проводник во внешнем МП Прямой проводник, подвешенный на нитях, в зависимости от направления тока в нем, либо втягивается внутрь дугового магнита, либо выталкивается наружу. (проводник расположен перпендикулярно магнита)

Слайд 21

Направление силы Ампера Направление I , и связаны правилом левой руки: Вектор внешнего МП – входит в ладонь. Направление I в проводнике – 4 вместе сложенных пальца. Направление , действующей на проводник со стороны внешнего МП – большой отогнутый палец.

Слайд 22

Проводящая рамка во внешнем МП Рамка, по которой протекает электрический ток, развернется таким образом, чтобы ее МП совпадало с внешним МП.

Слайд 23

Устройство электрического двигателя 1834 г. – Б.С. Якоби создал первый электродвигатель мощностью 15 Вт. 1. Индуктор – создает внешнее МП. 2. Якорь – вращается по действием силы Ампера. 3. Коллектор – обеспечивает непрерывное вращение рамки. 4. Щетки – создают скользящий контакт между электрической цепью и коллектором.

Слайд 24

Принцип действия электрического двигателя Статор создает МП. Ток от источника через щетки и коллектор протекает через рамку. Ток в вертикальных частях рамки течет в противоположных направлениях, поэтому силы Ампера, действующие на вертикальные части рамки, направлены в противоположные стороны и поворачивают рамку на Из-за поворота части коллектора поменялись местами, поэтому направление тока в рамке поменялось на противоположное. За счет изменения направления тока в рамке достигается непрерывное вращение ротора.

Слайд 25

Электродвигатели выгоднее тепловых двигателей: КПД > 80% . Регулирование мощности двигателя в широком диапазоне. Не загрязняют окружающую среду. Компактные размеры.

Слайд 26

Использованные материалы http://infofiz.ru/index.php/eld/278-magnyavl https://www.google.com/search?source=univ&tbm=isch&q=%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5+%D1%8F%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F+%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BA%D0%B8&fir=OHzKYiaPo_V2ZM%252C91CgYXkm3tjxzM%252C_%253BKfh2JtobQe9GIM%252CDOQWx_XC0Go-iM%252C_%253BTKQKRpb6kdBAyM%252Cb0ShOZNh51O_aM%252C_%253Bc_2EwOkOun-lTM%252CYxKfRmSYhjwf8M%252C_%253BcQl46d8mPYDqRM%252C8z4mDt6ytca_RM%252C_%253BehgC7H9hcZB3BM%252C52RLiEFDb3aD2M%252C_%253BgcYqIfeKWNEFvM%252CZXwaB8VMq2AQVM%252C_&usg=AI4_-kSIUJcGVZTWrr3X734XHYCdgRMXkQ&sa=X&ved=2ahUKEwjO1ejmpbf3AhWQlosKHQOUC3YQjJkEegQIAhAC&biw=681&bih=507&dpr=1https://lemzspb.ru/ob-yasnite-pochemu-vrashchayetsya-ramka-s-tokom-pomeshchennaya-v-magnitnoye/ https://slide-share.ru/ehlektricheskij-dvigatel-postoyannogo-toka-685211 https://mipt.ru/education/chair/physics/kmf/mPh_5/f_5tlro8/f_5tlru2. pdf

Магнитные поля

Магнетизм тесно связан с электричеством. По сути, магнетизм — это сила, вызванная движущимися зарядами. В случае постоянных магнитов движущиеся заряды представляют собой орбиты электронов, вращающихся вокруг ядер. Проще говоря, сильные постоянные магниты имеют много атомов с электронами, вращающимися в одном направлении. Немагнитные частицы имеют более случайное расположение электронов, вращающихся вокруг ядра. Для электромагнитов сам ток обеспечивает движущиеся заряды. Во всех случаях магнитные поля можно использовать для описания сил, вызванных магнитами.

 

Вопрос: Какой тип поля существует вблизи движущегося электрического заряда?

1. электрическое поле, только
2. магнитное поле, только
3. как электрическое поле, так и магнитное поле
4. ни электрическое поле, ни магнитное поле

Ответ: (3) Электрическое поле существует из-за электрического заряда, а магнитное поле из-за движения заряда.

 

Магниты поляризованы, то есть каждый магнит имеет два противоположных конца. Тот конец магнита, который указывает на географический северный полюс Земли, называется северным полюсом магнита, а противоположный конец по понятным причинам называется южным полюсом магнита. У каждого магнита есть северный и южный полюса. Нет ни одиночных изолированных магнитных полюсов, ни монополей. Если вы разделите магнит пополам, каждая половина исходного магнита будет иметь как северный, так и южный полюса, что даст вам два магнита. Физики продолжают поиски как физически, так и теоретически, но на сегодняшний день никто никогда не наблюдал северный полюс без южного полюса или южный полюс без северного полюса.

Вы использовали линии электрического поля, чтобы визуализировать, что произойдет с положительным зарядом, помещенным в электрическое поле. Чтобы визуализировать магнитное поле, вы можете нарисовать линии магнитного поля (также известные как линии магнитного потока), которые показывают направление, в котором северный полюс магнита должен указывать, если его поместить в поле. Линии магнитного поля рисуются в виде замкнутых петель, начинающихся с северного полюса магнита и продолжающихся до южного полюса магнита. Внутри самого магнита силовые линии проходят от южного полюса к северному. Магнитное поле является самым сильным в областях с наибольшей плотностью силовых линий магнитного поля или в областях с наибольшей плотностью магнитного потока. Сила магнитного поля (B) измеряется в единицах, известных как тесла (T).

 

Подобно электрическим зарядам, полюса отталкивают друг друга, а противоположные полюса притягивают друг друга. Материалы можно разделить на магниты, притягивающие магниты (материалы, которые сами по себе не являются магнитами, но могут притягиваться магнитами) и непритягиваемые.

 

Вопрос: На приведенном ниже рисунке показаны силовые линии магнитного поля между двумя северными магнитными полюсами. В какой точке напряженность магнитного поля наибольшая?

Ответ: (B) имеет наибольшую напряженность магнитного поля, потому что он расположен в месте наибольшей плотности силовых линий магнитного поля.

 

 

Вопрос: На приведенной ниже схеме представлены стержневой магнит массой 0,5 кг и стержневой магнит массой 0,7 кг с расстоянием между их центрами 0,2 метра.

Какое утверждение лучше всего описывает силы между стержневыми магнитами?

1. Гравитационная и магнитная силы отталкивают друг друга.
2. Гравитационная сила отталкивает, а магнитная притягивает.
3. Гравитационная сила притягивает, а магнитная сила отталкивает.
4. Гравитационная и магнитная силы притягиваются.

Ответ: (3) Гравитация всегда притягивает, а северные полюса отталкиваются.

 

 

Вопрос: Учащемуся дают два куска железа и просят определить, являются ли один или оба куска магнитами. Сначала учащийся прикасается концом одной части к одному концу другой. Две железяки притягиваются. Затем учащийся переворачивает одну из частей и снова соединяет концы вместе. Две части снова притягиваются. Что студент определенно знает о первоначальных магнитных свойствах двух кусков железа?

Ответ: По крайней мере, один из кусков железа является магнитом, но мы не можем с уверенностью утверждать, что оба являются магнитами.

 

 

Вопрос: Начертите как минимум четыре силовые линии, чтобы показать величину и направление магнитного поля в области, окружающей стержневой магнит.

Ответ:

 

 

 

Вопрос: Когда два кольцевых магнита помещаются на карандаш, магнит А остается подвешенным над магнитом В, как показано справа. Какое утверждение описывает гравитационную и магнитную силы, действующие на магнит А из-за магнита В?

1. Сила гравитации притягивает, а сила магнитного отталкивает.
2. Гравитационная сила отталкивает, а магнитная притягивает.
3. Сила гравитации и сила магнитного поля являются притягивающими.
4. И гравитационная сила, и магнитная сила отталкивают.

Ответ: (1) Гравитация может только притягивать, а поскольку магнит А подвешен над магнитом В, магнитная сила должна быть отталкивающей.

 

 

 

Новые магнитные явления — Школа физики

Магнетизм основан на теориях квантовой механики и теории относительности, разработанных 80 лет назад, но продолжает преподносить сюрпризы. Нас очень интересует магнетизм твердых тел без d- или f-электронов, а также эффекты магнитных полей в электрохимии и биологии.

d

⁰  магнетизм

Это высокотемпературное явление, проявляемое тонкими пленками и наночастицами оксидов, в которых отсутствуют d- или f- электроны, обычно необходимые для ферромагнетизма. Мы обнаружили это явление в тонких пленках HfO ₂ в 2004 году. Кривые намагничивания выглядят ферромагнитными, но без гистерезиса. Удивительно, но магнетизм можно разрушить, диспергируя наночастицы с помощью инертного спейсера. d ₀  магнетизм вызывает недоумение, потому что энергетический масштаб явления очень высок ~ 1000 К, собственная шкала длин > 100 нм, а намагниченность очень низкая, по-видимому, затрагивающая лишь небольшую часть объема образца. Ожидается, что дефекты будут играть ключевую роль в объяснении.

Примеры d ⁰  магнетизм. Кривые намагничивания пленки HfO ₂ толщиной 50 нм, не демонстрирующие температурной зависимости (слева). Наночастицы CeO ₂ размером 4 нм ведут себя аналогично, но их диспергирование с наночастицами Al ₂ O ₃ размером 15 нм приводит к почти полному исчезновению магнитного момента.

Магнитная обработка воды

Утверждается, что протекание жесткой воды через градиент магнитного поля может влиять на последующее осаждение CaCO ₃  спустя неделю, обычно отклоняются из-за отсутствия правдоподобного физического объяснения. Недавно установленное присутствие полимерных кластеров пренуклеации в равновесии в растворах карбоната кальция дает ключ к пониманию того, как может работать магнитная обработка воды.

Зародышеобразование

Зародышеобразование из жидкой фазы является важным первым шагом для роста кристаллов или выделения пузырьков газа из раствора. Оба процесса кажутся чувствительными к присутствию однородного магнитного поля, которое изменяет скорость нуклеации. Поле влияет на периодический рост и выделение пузырьков газообразного водорода, образующихся при электролизе воды, за которыми можно следить с помощью высокоскоростной фотографии. Поле может препятствовать или усиливать выделение пузырьков, контролируя их размер, или даже нарушать периодическое поведение.

Пузырьки водорода.   Рост пузырьков водорода на платиновом микроэлектроде с соответствующей формой волны перенапряжения.  Панель справа показывает, что однородное магнитное поле силой 5 Тл может снизить частоту выбросов и удвоить размер пузырьков.