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. В данном уроки 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 которых 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 — 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 можем пронаблюдать за тем, как ось каждой такой стрелки будет устанавливаться при действии сил магнитного поля.
Ответ
Возьми отточенный карандаш. Представь, что по карандашу может протекать ток и течёт он от тупого конца к острию. Обхвати его ПРАВОЙ рукой так, чтобы отогнутый большой палец показывал К ОСТРИЮ. В какую сторону остальные пальцы повернулись для обхвата? Это и есть НАПРАВЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ силовой линии данного тока.
Итак, ПРАВАЯ рука – хваталка.
А теперь распрями ЛЕВУЮ РУКУ, соединив четыре пальца, а большой отогнув перпендикулярно другим четырём пальцам. Теперь наш карандаш будет играть роль вектора ВНЕШНЕГО магнитного поля. Пусть этот вектор входит в раскрытую тобой ладонь ЛЕВОЙ руки, перпендикулярно ей. (Остриём карандаша тыкаешь себе в ладонь) При этом ладонь (её плоскость) будет иметь в пространстве вполне определённую ориентацию. Представь себе, что ты проткнула ладонь и она (ладонь) может вертеться на карандаше как кусок шашлыка на шампуре. ПОВЕРНИ ладонь так, чтобы ЧЕТЫРЕ сложенных пальца показали НАПРАВЛЕНИЕ тока. Отогнутый палец покажет направление СИЛЫ АМПЕРА или СИЛЫ ЛОРЕНЦА (Направление тока – движение ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ зарядов, цело кучи зарядов – это Ампер, а одиночный заряд – Лоренц)
ЛЕВАЯ рука – парализована. ЕЁ НЕЛЬЗЯ гнуть.
Подводим итог. Правая хваталка определяет магнитное поле тока, Левая парализовка – направление силы со стороны внешнего маг. поля на ток или ДВИЖУЩИЙСЯ заряд.
Принцип суперпозиции – Общее поле – ВЕКТОРНАЯ сумма всех полей. Складывать можно только ОДНОРОДНЫЕ величины. НЕЛЬЗЯ прибавить электрическое поле к магнитному, гравитационное к электрическому.
Надеюсь что внятно объяснил, а то, что немного с «кровавым» уклоном, так когда ткнёшь себя в ладонь острием, тут же вспомнишь правило)))
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 теперь располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
Рисунок 1. Расположение железных опилок в магнитном поле прямого тока
Под действием магнитного поля опилки примут интересное положение. Они теперь не беспорядочно лежат на листе картона, а располагаются вокруг проводника по концентрическим окружностям.
Неоднородное и однородное магнитное поле
Если вернуться к исследованиям Г.Х. Эрстеда и понаблюдать за поведением стрелки в различных точках, можно заметить, что, чем дальше стрелку убирают от проводника, тем меньше она отклоняется. Это значит, что поле слабеет с удалением от источника.
Как выглядят магнитные линии поля проводника с током приведено на рисунке 5. Читателю представлен поперечный разрез проводника с током, текущим «в рисунок». В данном случае линии поля – это концентрические окружности. Там, где поле интенсивнее (близко к источнику — проводнику) линии рисуются гуще, а в областях, где слабее – реже.
Рисунок 5 – Магнитные линии поля проводника с током
Поле, в различных точках пространства воздействующее на магнитную стрелку с одинаковой силой, называют однородным.
В противной ситуации говорят о неоднородном магнитном поле.
Строго говоря, магнитное поле почти всегда неоднородно. Тем не менее поле, созданное некоторыми источниками, в какой-то небольшой области можно считать однородным. Например, поле в области между магнитами, расположенными последовательно (см. рисунок 6). Линии индукции однородного магнитного поля параллельны, а густота,с которой они изображены, не меняется.
Рисунок 6 – Поле между двумя последовательно лежащими магнитами
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.
То есть, если мы соединим опилки, образовавшие одну из окружностей, воображаемой линией, то 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, но и 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.
Электродинамика и магнитостатика
Магнитная индукция представляет собой векторный фактор, который характеризует силовое поле. Величина показывает влияние магнитного фона на отрицательно и положительно заряженные частицы в исследуемом пространстве. Индукция определяет силу влияния поля на заряд, перемещающийся с заданной скоростью. Для этого случая законы применения описываются так:
- Правило винта. Если поступательное круговое движение буравчика совпадает с направлением заряженных электронов в катушке, то путь поворота ручки инструмента будет совпадать с курсом магнитного вектора полярной индукции, направление при этом зависит от тока.
- Принцип правой кисти. Если взять стержень в правую кисть так, что отставленный под прямым углом палец демонстрирует курс тока, то другие пальцы будут соответствовать направлению луча магнитной индукции, продуцируемого током. Путь магнитного вектора индукции прокладывается касательно линии отрезков.
Для подвижного проводника
В стержне из металла находится большое число свободных электронов, движение которых характеризуется как хаотичное. Если катушка движется в силовом электромагнитном поле вдоль линий, то фон отклоняет электроны, перемещающиеся одновременно с проводником. Их движение создает ЭДС (электродвижущую силу) и называется электромагнитной наведенной индукцией.
Под действием индукции заряженные частицы передвигаются и накапливаются в одном конце стержня, при этом на другом проявляется нехватка электронов. В результате такой ситуации зарождается положительный заряд и возникает разность потенциалов, появляется напряжение электричества.
Ток будет протекать под действием разности потенциалов при подсоединении такой катушки к внешней цепи по замкнутому контуру. При передвижении стержня по направлению силовых линий снижается до нуля воздействие поля на заряды. Не возникает электродвижущая сила, нет напряжения, отсутствует ток электронов.
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.
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.
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 180о.
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.
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
Общие правила
Существует несколько для вариантов, чтобы указать направление перпендикулярного отрезка к двум исходным векторам и определить ориентацию базиса. В физике есть такие важные направления:
- оборотов тела вокруг центра движения;
- силового вектора магнитного поля в выбранной точке.
Выбор пути аксиальной величины является условным, но он происходит одинаково, поэтому в конечном значении знак остается постоянным. Правила и способы помогают сохранять единый выбор:
- Правило буравчика. Провод помещается в руку, при этом четыре пальца сжимаются в кулак. Главный палец, который располагается вертикально, покажет путь передвижения заряженных электронов (тока). Остальные пальцы, которые ставятся параллельно друг другу, определят направление передвижения электромагнитных линий.
- Правило правой руки. При помещении исследуемого кабеля в руку сжатые пальцы показывают путь линий силового поля, а большой — направление тока. При поступательном перемещении проводника вдоль линий, которые определяют напряженность, их движение направлено в ладонь. Вытянутый перпендикулярно большой палец совпадает с перемещением стержня. Если раскрыть кулак, то прямые пальцы определят курс индукционного тока.
- Правило левой руки. Рука располагается так, чтобы четыре пальца показывали направление движения электронов. Путь индукционных линий направлен в ладонь. Отогнутый палец показывает действие силы на провод. Закон действует для отклонения проводникового стержня, справа и слева от которого располагаются магниты, а он находится под током.
С помощью этих правил выбирается направление векторного произведения и базисов (или одного из двух взаимосвязанных понятий). Прием используется для определения направлений основных величин взамен применения остальных методов, если иметь представление о порядке расположения множителей в соответствующих формулах.
Способы выбора правила сочетаются между собой для вычисления положительного пути произведения векторов и базиса (координатной системы) в пространстве. Базис определяется как скоординированный векторный набор, при этом любой вектор в пространстве представляется в едином варианте линейного соотношения векторов из этого пакета.
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.
Правило левой руки
Среди таких способов, как правило буравчика, правой и левой руки, следует отметить правило левой руки. Для того, чтобы это правило работало, необходимо расположить левую ладонь таким образом, чтобы направление четырех пальцев было в сторону электрического тока в проводнике. Индукционные линии входят в ладонь перпендикулярно под углом 90 0 . Большой палец отогнут, и указывает направление силы, действующей на проводник. Обычно, этот закон применяется, когда нужно определить направление отклонения проводника. В данной ситуации проводник располагается между двумя магнитами и по нему пропущен электрический ток.
Правило левой руки формулируется еще и таким образом, что четыре пальца на левой руке располагаются в направлении, куда движутся положительные или отрицательные частицы электрического тока. Индукционные линии, как и в других случаях, должны перпендикулярно располагаться относительно ладони и входить в нее. Большой оттопыренный палец указывает на направление силы Ампера или Лоренца.
Чтобы определить направленность напряжения в магнитном поле, используется правило буравчика. Способ показывает довольно точные результаты, если поле располагается прямолинейно относительно проводника, по которому пропущен электрический ток. Для определения характеристики силового поля с магнитным моментом дополнительно применяют правило левой и правой руки.
