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

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

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

Рис. 1. Опыт Эрстеда

Для того чтобы представить, по какому принципу происходит поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током, рассмотрим вид с торца проводника (см. Рис. 2, ток  направлен в рисунок,

 – из рисунка), возле которого установлены магнитные стрелки. После пропускания тока стрелки выстроятся определённым образом, противоположными полюсами друг к другу. Так как магнитные стрелки выстраиваются по касательным к магнитным линиям, то магнитные линии прямого проводника с током представляют собой окружности, а их направление зависит от направления тока в проводнике.

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

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

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

Для определения направления магнитных линий возле проводника с током существует

правило буравчика (правило правого винта) – если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 4).

Рис. 4. Правило буравчика (Источник)

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

Рис. 5. Правило правой руки (Источник)

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

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

Рис. 6. Опыт Ампера (Источник)

Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:

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

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

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

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

Рис. 7. Иллюстрация к задаче

Решение

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

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

Аналогично определяем направление магнитных линий возле других сторон рамки.

Рис. 8. Иллюстрация к задаче

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

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

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

 

Рис. 10. Правило правой руки для соленоида с током

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

Рис. 11. Иллюстрация к задаче

Решение

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

Рис. 12. Иллюстрация к задаче

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

 

Список литературы

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

 

Домашнее задание

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

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

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

Магнитное поле и его графическое изображение

В восьмом классе мы с вами затрагивали тему магнитных полей. Тогда мы говорили о том, что магнитное поле порождается электрическим током. Подобно другим физическим полям, магнитное поле не действует на наши органы чувств. Но реальность его существования проявляется, например, в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые принято называть магнитными силами.

То, что между электричеством и магнетизмом существует связь, можно показать с помощью опыта, проведённого в тысяча восемьсот двадцатом году датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом. Установка состоит из магнитной стрелки, укреплённой на острие, и проводника, соединённого с источником тока. До включения тока стрелка располагается в магнитном поле Земли, ориентируясь с севера на юг. Проводник располагают над магнитной стрелкой, параллельно ей. Замкнув цепь, мы увидим, как магнитная стрелка начнёт поворачиваться, пока не установится перпендикулярно проводнику с током. Разомкнём цепь — стрелка возвращается в своё исходное положение.

Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то стрелка также поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но уже в противоположном направлении.

Таким образом, можно говорить о том, что магнитная стрелка взаимодействует с проводником с током. Следовательно, вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое и совершает работу по повороту магнитной стрелки.

На основании подобных многочисленных опытов было установлено, что во всех случаях при движении заряженных частиц обязательно появляется магнитное поле, независимо от рода проводника или среды, в которой эти частицы движутся.

А теперь давайте вспомним, как объясняется наличие магнитного поля у постоянных магнитов. Итак, согласно гипотезе великого французского физика Андре Мари Ампера, внутри каждой молекулы вещества, подобного железу или его сплавам, циркулируют кольцевые электрические токи.

И если эти элементарные токи ориентированы одинаково, то вокруг них существуют магнитные поля, которые также будут иметь одинаковое направление. В результате эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита. Гипотеза Ампера была очень прогрессивна для начала девятнадцатого века, поскольку ещё не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц — электронов вокруг ядра.

Существование магнитного поля вокруг магнита можно обнаружить множеством способов. На практике удобнее использовать мелкие железные опилки, насыпанные на картонный или пластиковый экран.

Изучим магнитное поле прямого проводника с током. Для этого сквозь лист картона пропустим проводник, соединённый с источником тока. Насыплем на картон тонкий слой железных опилок. При включении тока железные опилки под действием магнитного поля переориентируются, показывая картину линий магнитного поля.

Несколько изменим опыт: вместо металлических опилок поставим на лист картона магнитные стрелки. При замыкании электрической цепи стрелки расположатся вдоль линий магнитного поля. Если же изменить направление тока в проводнике, то все стрелки повернутся на 180^о.

Наш опыт позволяет наглядно показать так называемые силовые линии магнитного поля (или просто магнитные линии). В восьмом классе мы говорили о том, что магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы магнитные стрелки, помещённые в магнитное поле.

Исходя из результатов опыта, мы можем утверждать, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике. В настоящее время принято считать, что направление линий магнитного поля в каждой точке совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещённый в эту точку поля.

Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в которой существует магнитное поле. При этом надо помнить, что она проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпала с осью магнитной стрелки, помещённой в эту точку.

Теперь давайте вспомним, как выглядят линии магнитного поля постоянного полосового магнита. Для этого расположим маленькие магнитные стрелки вокруг магнита. Они мгновенно придут в движение и расположатся в строго определённом порядке.

Из курса физики восьмого класса вы уже знаете, что магнитные линии полосового магнита выходят из его северного полюса и входят в южный. При этом они не имеют ни начала ни конца: они либо замкнуты, либо уходят на бесконечность, в чём легко убедиться с помощью железных опилок.

Не трудно заметить, что опилки располагаются в виде цепочек, причём с разной плотностью вокруг магнита. Это говорит о том, что действия, которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее сильно это действие проявляется возле полюсов магнита. А чем дальше от полюсов, тем слабее подобное действие, следовательно, тем слабее магнитное поле.

Такое магнитное поле в физике называют неоднородным. Его магнитные линии искривлены, а густота меняется от точки к точке.

Примером неоднородного магнитного поля служит и поле прямого проводника с током.

На рисунке вы видите схематические изображения двух участков таких проводников.

Давайте вспомним, что кружочек в центре обозначает сечение проводника, крестик — что ток направлен от нас за чертёж, а точка — что ток направлен наоборот, из-за чертежа к нам. Эти обозначения именуют правилом стрелы. Точка обозначает острие, летящей в нашу сторону стрелы, а крестик её хвостовое оперение, которое можно было бы увидеть, если бы стрела улетела от нас.

Обратите внимание на то, что магнитные линии прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является сам проводник с током. В тех областях пространства, где магнитное поле сильнее, магнитные линии изображаются ближе друг к другу (то есть гуще), и наоборот.

Таким образом, по картине магнитных линий можно судить не только о направлении магнитного поля, но и о его величине.

Что касается однородного магнитного поля, то его есть смысл рассматривать только в некотором приближении. Дело в том, что однородное магнитное поле — это поле, в каждой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.

Поскольку линии магнитного поля всегда искривлены, то об однородности поля и говорят только приблизительно. Примером однородного магнитного поля может служить поле внутри полосового магнита вблизи его середины.

Ещё одним примером практически однородного поля является поле, возникающее внутри соленоида, если длина соленоида намного больше его диаметра. Однако вне катушки с током, поле неоднородно и его магнитные линии располагаются примерно также, как и у полосового магнита.

Также видно, что магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.

Рассмотрим ещё один опыт. Расположим магнитные стрелки вокруг проводника с током, имеющего форму витка. Замкнув цепь увидим, что стрелки в магнитном поле расположились вдоль линий магнитного поля, но ориентированы они по-разному. Объясняется это тем, что в левой части установки ток «выходит» из листа, а в правой — «входит» в него.

Исходя из результата этого опыта, говорить о том, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике.

Эта связь может быть выражена с помощью правила буравчика (или правила правого винта). Он заключается в следующем: если вращать ручку буравчика так, чтобы его остриё двигалось по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока.

Направление линий магнитного поля можно определить и иначе, например, с помощью правила правой руки: если обхватить проводник с током ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был сонаправлен с током, то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного поля.

Похожее правило применимо и для определения направления магнитного поля внутри соленоида: если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы согнутые четыре пальца указывали направление тока в витках, то отставленный на девяносто градусов большой палец, укажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

И последнее, на что хотелось бы обратить ваше внимание. Для изображения однородного магнитного поля, перпендикулярного плоскости чертежа, пользуются таким приёмом. Если линии магнитного поля направлены от нас за чертёж, то их изображают крестиками.

А если из-за чертежа к нам — то точками. Как и в случае с током, крестик — это как бы видимое нами оперение стрелы, летящей от нас, а точка — это остриё стрелы, летящей к нам.

Магнитное поле. Линии — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

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

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

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

Взаимодействие магнитов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Линии магнитного поля

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Поле постоянного магнита

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

Опыт Эрстеда

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

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

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

Рис. 2. Опыт Эрстеда

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

Магнитное поле прямого провода с током

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

Рис. 3. Поле прямого провода с током

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

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

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

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

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

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

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

Магнитное поле витка с током

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

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

Рис. 4. Поле витка с током

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

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

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

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

Магнитное поле катушки с током

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

Рис. 5. Катушка (соленоид)

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

Рис. 6. поле катушки с током

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

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

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

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

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

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

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

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

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

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

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

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

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

Рис. 7. Элементарные токи магнита

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

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

Магнитное поле и его графическое отображение

Магнитное поле создаётся движением заряженных частиц, то есть электрическим током.

Электроны, движущиеся по орбитам в атомах, тоже создают магнитное поле. Магниты отличаются от другого вещества тем, что в них эти магнитные поля сонаправлены, и потому складываются в одно сильное магнитное поле.

Чтобы изображать магнитное поле графически, мы будем использовать линии магнитного поля – воображаемые линии, такие, что магнитное поле в каждой точке направлено по касательной к ним (см ниже).

Напомним так же, что вектор магнитной индукции B в каждой точке был бы сонаправлен со стрелкой компаса, если бы компас туда поместили.

Магнитные линии всегда замкнутые – например, магнитные линии от прямолинейного проводника выглядят как кольца, обвивающие этот проводник. Обычно, как мы изображаем магнитные линии, мы их изображаем гуще там, где B больше, и проставляем на них направление.

Магнитное поле может быть неоднородным – таким, что в разных точках оно будет по-разному действовать на стрелку компаса. Кроме того, поле может быть однородным – не только в локальной области – в таком случае оно одинаково действует на стрелку компаса в каждой точке этой области. Например, можно создать однородное магнитное поле внутри соленоида (проволочной катушки), при этом снаружи катушки поле получится неоднородным.

Чтобы изобразить линии поля, направленные на нас, следует изображать их жирными точками, а линии поля (или любые вектора), направленные от нас, будем изображать косыми крестиками.

Редактировать этот урок и/или добавить задание Добавить свой урок и/или задание

Добавить интересную новость

§ 42. Магнитное поле и его графическое изображение. —

Вопросы.

1. Чем порождается магнитное поле?

Магнитное поле порождается электрическим током (направленным движением заряженных частиц).

---

2. Чем создается магнитное поле постоянного магнита?

Магнитное поле постоянного магнита создается за счет того, что внутренние кольцевые токи в нем ориентированы одинаково и усиливают друг друга.

---

3. Что такое магнитные линии?

Магнитные линии или линии магнитного поля — используемые для наглядности воображаемые линии — направление которых в каждой точке совпадает с направлением маленькой магнитной стрелки, помещенной в магнитное поле.

---

---

4. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле, линии которого прямолинейны? криволинейны?

В магнитном поле с прямолинейными и криволинейными линиями стрелки будут располагаться по касательной к магнитным линиям.

---

5. Что принимают за направление магнитной линии в какой-либо её точке?

За направление магнитной линии принимают направление, которое указывает северный полюс N магнитной стрелки, помещенной на эту линию.

---

6. Как с помощью магнитных линий можно показать, что в одной области пространства поле сильнее, чем в другой?

В случае, если магнитное поле более сильно в каком-то месте линии располагаются гуще.

---

---

7. О чем можно судить по картине линий магнитного поля?

О величине и направлении магнитного поля.

---

Упражнения.

1. На рисунке 88 изображен участок ВС проводника с током. Вокруг него в одной из плоскостей показаны линии магнитного поля, созданного этим током. Существует ли магнитное поле в точке А?

Магнитное поле в точке А существует независимо от того нарисована там магнитная линия или нет.

---

2. На рисунке 88 изображены три точки: А, М, N. В какой из них магнитное поле тока, протекающего по проводнику ВС, будет действовать на магнитную стрелку с наибольшей силой? с наименьшей силой?

С наибольшей силой магнитное поле будет действовать в точке N, далее А и с наименьшей — в точке М, т.к. магнитное поле уменьшается с удалением от источника тока.

---

Физика 9 кл. Магнитное поле и его графическое изображение

Физика 9 кл. Магнитное поле и его графическое изображение

 

42. Магнитное поле и его графическое изображение

 

1. Чем порождается магнитное поле?

Магнитное поле порождается электрическим током.
Магнитное поле существует и вокруг металлического проводника с током.
При этом ток создается электронами, направленно движущимися вдоль проводника.
Магнитное поле возникает и в том случае, когда ток проходит через раствор электролита, где носителями зарядов являются положительно и отрицательно заряженные ионы, движущиеся навстречу друг другу.
Поскольку электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, как положительными, так и отрицательными.

2. Чем создается магнитное поле постоянного магнита?

Согласно гипотезе Ампера в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают элементарные кольцевые токи.
В магнитах эти элементарные кольцевые токи ориентированы одинаково.
Магнитные поля, образующиеся вокруг каждого такого тока, имеют одинаковые направления.
Эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита.

3. Что такое магнитные линии?

Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями (иначе линиями магнитного поля).

Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.

Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле.
Магнитные линии являются замкнутыми.
Картина магнитных линий прямого проводника с током представляет собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.

4. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле, линии которого прямолинейны? криволинейны?

Магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная) проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку.

5. Что принимают за направление магнитной линии в какой-либо ее точке?

За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.

6. Как с помощью магнитных линий можно показать, что в одной области пространства поле сильнее, чем в другой?

В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее.

7. О чем можно судить по картине линий магнитного поля?

По картине магнитных линии можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля, т. е. о том, в каких точках пространства поле действует на магнитную стрелку с большей силой, а в каких — с меньшей.

Следующая страница — смотреть

Назад в «Оглавление» — смотреть

Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле. Зависимость направления магнитных линий от направления тока в проводниках

Цели:

• Образовательные

: установить связь между направлением магнитных линий магнитного поля тока и направлением тока в проводнике. Ввести понятие неоднородного и однородного магнитных полей. На практике получить картину силовых линий магнитного поля постоянного магнита, соленоида, проводника по которому течет электрический ток. Систематизировать знания по основным вопросам темы “Электромагнитное поле”, продолжить учить решать качественные и экспериментальные задачи.

Развивающие: активизировать познавательную деятельность обучающихся на уроках физики. Развивать познавательную активность учащихся.

Воспитательные: содействовать формированию идеи познаваемости мира. Воспитывать трудолюбие, взаимопонимание между учениками и учителем.

Задачи:

• Образовательная

: углубление и расширение знаний о магнитном поле, обосновать связь между направлением магнитных линий магнитного поля тока и направлением тока в проводнике.

Воспитательная: показать причинно – следственные связи при изучении магнитного поля прямого тока и магнитных линий, что беспричинных явлений не существует, что опыт- критерий истинности знаний.

Развивающая: продолжить работу над формированием умений анализировать и обобщать знания о магнитном поле и его характеристиках. Вовлечение учащихся в активную практическую деятельность при выполнении экспериментов.

Оборудование. Интерактивная доска, прибор для демонстрации расположения железных опилок вокруг прямого проводника с током, прибор для демонстрации расположения железных опилок вокруг соленоида, источник тока, катушка на 220 Вт, полосовые магниты, подковообразные магниты, магнитные стрелки, медный провод, железные опилки, магнитики, компас. Презентация (Приложение 1).Дополнительный материал (Приложение 2).

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: урок исследование.

Ход урока

1. Организационный этап

Этап актуализации знаний и действий.

2. Мотивационный этап

• Получение научного факта о связи между направлением линий магнитного поля тока с направлением тока в проводнике и в соленоиде.
• Применение правила буравчика для определения направления линий магнитного поля по направлению тока.
• Применение правила правой руки для определения направления линий магнитного поля по направлению тока.
• Применение правила правой руки для определения направления линий магнитного поля по направлению тока в соленоиде.
• Решение практических задач.
• Подведение итогов.
• Домашнее задание.

Образовательные результаты, которые буду достигнуты учащимися:

1. Учащиеся поймут смысл терминов: “неоднородное и однородное магнитное поле”, “магнитные линии неоднородного и однородного магнитных полей”.
2. Школьники осознают зависимость между направлением линий магнитного поля тока с направлением тока в проводнике и в соленоиде.
3. Ученики смогут решать практические задачи:

– на определение направления линий магнитного поля тока по направлению тока в проводнике;
– на определение направления линий магнитного поля тока по направлению тока в соленоиде;
– по направлению тока в проводнике определять направление магнитных линий магнитного поля тока;
– по направлению тока в соленоиде определять направление магнитных линий магнитного поля тока.

1. Этап актуализации знаний и действий

Магнетизм известен с пятого века до нашей эры, но изучение его сущности продвигалось очень медленно. Впервые свойства магнита были описаны в 1269 году. В этом же году ввели понятие магнитного полюса. Слово “магнит” (от греческого magnetis eitos. Минерал, состоящий из – FeO (31%) Fe₂O₃ (69%)) означает название руды, добывавшейся в местности Магнессия (теперь это город Маниса в Турции). Магнит – “камень Геркулеса”, “любящий камень”, “мудрое железо”, и “царственный камень”.

Слайд 1. Происхождение слова – магнит.
Название это было придумано древнегреческим драматургом Еврипидом (в V век до н.э.) Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, на Украине, в Карелии и Курской области. В настоящее время удалось создать искусственные магниты, обладающие большими магнитными свойствами, чем естественные. Материалом для них служат сплавы на основе железа, никеля, кобальта и некоторых других металлов.

Слайд 2. Искусственные магниты.
Магнит обладает на разных участках различной притягивающей силой, на полюсах эта сила наиболее заметна. Вам уже известно, что вокруг любого магнита существует магнитное поле. Это поле и притягивает железо к магниту.

Слайд 3. Различная притягивающая сила магнитов на полюсах.
Внешнее, расплавленное, ядро Земли находится в постоянном движении. В результате этого в нем возникают магнитные поля, формирующие в конечном итоге магнитное поле Земли.

Слайд 4. Земной шар – большой магнит.
Ранее вами изучены различные действия электрического тока, в частности – магнитное действие. Проявляется оно в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными. Первые опыты по обнаружению магнитного поля вокруг проводника с током провел Ганс Христиан Эрстед в 1820 году.

Слайд 5. Опыт Ганса Христиана Эрстеда в 1820 году.

Слайд 6. Схема опыта Ганса Христиана Эрстеда в 1820 году.

Его неожиданные и простые опыты с отклонением магнитной стрелки вблизи проводника с током были проверены рядом ученых. Эта проверка принесла и новые результаты,которые составили экспериментальную основу первой теории магнетизма.Он впервые высказал предположение о возможной связи электрического тока и магнетизма, а зафиксирована в1735 году в одном из научных лондонских журналов.Однако разгадка наступила только тогда, когда исследователи научились получать электрический ток.

Рассмотрим серию опытов. Опыт по обнаружению магнитного поля тока. Соберем электрическую цепь по схеме. Расположим вблизи проводника магнитную стрелочку. Ответим на вопрос: “Как взаимодействуют проводник с током и магнитная стрелка, если цепь не замкнута?”.

Слайд 7. Опыт по обнаружению магнитного поля тока.
Ответим на вопрос: “Как взаимодействуют проводник с током и магнитная стрелка, если цепь замкнута?”.

Слайд 8. Опыт по обнаружению магнитного поля тока.
Ответим на вопрос: “Как взаимодействуют проводник с током и магнитная стрелка при размыкании цепи?”.

Слайд 9. Опыт по обнаружению магнитного поля тока.
Опыты навели на мысль о существовании вокруг проводника с током магнитного поля. Из опытов видно, что магнитная стрелка, которая может свободно вращаться вокруг своей оси, всегда устанавливается, ориентируясь определенным образом, в данной области магнитного поля. Исходя из этого, вводится понятие о направлении магнитного поля в данной точке.
Железные опилки притягиваются к постоянному магниту. На основании имеющихся знаний утверждаем, что это происходит благодаря магнитному полю, возникающему вокруг постоянных магнитов.

Слайд 10. Опыт. Железные опилки притягиваются к постоянному магниту..
Делаем вывод о том, что источником магнитного поля являются :

а) движущиеся электрические заряды;
б) постоянные магниты.

Слайд 11. Источники магнитного поля.
С помощью железных опилок демонстрируем спектр магнитного поля прямого тока в данной точке.

Слайд 12. Расположение металлических опилок вокруг прямолинейного проводника с током.
Ответим на вопрос: “Как можно обнаружить магнитное поле?”.

а) с помощью железных опилок. Попадая в магнитное поле, железные опилки намагничиваются и располагаются вдоль магнитных линий.
б) по действию на проводник с током. Попадая в магнитное поле, проводник с током начинает двигаться, т.к. со стороны магнитного поля на него действует сила.

Слайд 13. Варианты обнаружения магнитного поля.
Определим на основании имеющихся знаний причины возникновения магнитного поля.
Утверждаем, что магнитное поле порождается постоянными магнитами и движущимися электрическими зарядами и обнаруживается по действию на движущиеся электрические заряды. С удалением от источника магнитное поле ослабевает.

Слайд 14. Магнитное поле и причины его возникновения. Сделаем выводы:
Вокруг проводника с током (т.е. вокруг движущихся зарядов) существует магнитное поле. Оно действует на магнитную стрелку, отклоняя её.
Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Ответим на вопросы:

• Вокруг неподвижных зарядов существует … поле.
• Вокруг подвижных зарядов … .

Слайд 15. Выводы.

2. Мотивация нового учебного материала

Графическое изображение магнитного поля. Все магниты имеют два вида полюсов. Эти полюса называются южными (S) и северными (N).

Слайд 16. Полюса магнитов.
Представление о магнитном поле можно получить с помощью современных методов. Но это можно сделать и с помощью железных опилок.

Слайд 17. Силовые линии магнитного поля.
Для того чтобы получить вид магнитного поля постоянного магнита необходимо проделать следующее: положить лист картона на полосовой магнит, и равномерно посыпьте его железными опилками. Не сдвигая, магнит и лист картона относительно друг друга, осторожно постучать по листу, чтобы опилки могли свободно перераспределяться. Следить, как выстраиваются опилки на картоне.

Слайд 18. Силовые линии магнитного поля полосового магнита..
Силовые линии магнитного поля – замкнутые линии. Вне магнитные силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.
Линии, образуемые магнитными стрелками или железными опилками в магнитном поле, стали называть силовыми линиями магнитного поля.

Слайд 19. Графическое изображение магнитного поля тока.
Линии вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называются линиями магнитного поля.
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник.
Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитных линей магнитного поля.

3. Осмысление нового учебного материала

Мы продолжаем познавать мир. Тема сегодняшнего урока “ Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле. Зависимость направления магнитных линий от направления тока в проводнике”.

Из курса физики 8 класса вы узнали, что магнитное поле порождается электрическим током. Оно существует, например, вокруг металлического проводника с током. При этом ток создается электронами, направленно движущимися вдоль проводника. Магнитное поле возникает и в том случае, когда ток проходит через раствор электролита, где носителями зарядов являются положительно и отрицательно заряженные ионы, движущиеся навстречу друг другу.

Поскольку электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, как положительными, так и отрицательными. Напомним, что согласно гипотезе Ампера в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах эти элементарные кольцевые токи ориентированы одинаково. Поэтому магнитные поля, образующиеся вокруг каждого такого тока, имеют одинаковые направления. Эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита.

Слайд 20. Направление магнитной линии в точке В
Для наглядного представления магнитного поля мы пользовались магнитными линиями (их называют также линиями магнитного поля) Напомним, что магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. За направление магнитной линии условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенный в эту точку.

Слайд 21. Магнитные линии являются замкнутыми.

Слайд 22. Магнитное поле катушки и постоянного магнита.
Катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет 2 полюса – северный и южный.
Магнитное действие катушки тем сильнее, чем больше витков в ней.
При увеличении силы тока магнитное поле катушки усиливается.
Магнитные линии являются замкнутыми.
Например, картина магнитных линий прямого проводника с током представляет собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.

Слайд 23. Магнитные линии прямолинейного проводника с током. Слайд 24. Рассмотрим магнитные линии соленоида.
Неоднородное и однородное магнитное поле.
Рассмотрим картину линий магнитного поля постоянного полосового магнита, изображенную на рисунке.

Слайд 25. Представление магнитного поля с помощью магнитных линий.
Из курса физики 8 класса мы знаем, что магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Внутри магнита они направлены от южного полюса к северному. Магнитные линии не имеют ни начала, ни конца: они либо замкнуты, либо, как средняя линия на рисунке, идут из бесконечности в бесконечность. Вне магнита линии расположены наиболее густо у его полюсов. Значит , возле полюсов поле самое сильное, а по мере удаления от полюсов оно ослабевает .Чем ближе к полюсу магнита расположена магнитная стрелка, тем с большей по модулю силой действует на неё поле магнита .Поскольку магнитные линии искривлены, то направление силы с которой поле действует на стрелку ,тоже меняется от точке к точке. Таким образом, сила с которой поле полосового магнита действует на помещённую в это поле магнитную стрелку, в разных то