USE kodifitseerija teemad: magnetite vastastikmõju, juhi magnetväli vooluga.

Aine magnetilised omadused on inimestele teada olnud pikka aega. Magnetid on saanud oma nime iidse Magnesia linna järgi: selle läheduses oli laialt levinud mineraal (hiljem nimetati magnetiliseks rauamaagiks või magnetiidiks), mille tükid tõmbasid enda poole raudesemeid.

Magnetite koostoime

Iga magneti kahel küljel asuvad põhjapoolus Ja lõunapoolus. Kaks magnetit tõmbavad teineteise poole vastaspooluste kaudu ja tõrjuvad sarnased poolused. Magnetid võivad üksteisele mõjuda isegi läbi vaakumi! Kõik see meenutab aga elektrilaengute koosmõju magnetite vastastikmõju ei ole elektriline. Seda tõendavad järgmised eksperimentaalsed faktid.

Magneti kuumutamisel magnetjõud nõrgeneb. Punktlaengute vastastikmõju tugevus ei sõltu nende temperatuurist.

Magnetjõudu nõrgestab magneti raputamine. Elektriliselt laetud kehadega midagi sarnast ei juhtu.

Positiivseid elektrilaenguid saab eraldada negatiivsetest (näiteks kehade elektrifitseerimisel). Kuid magneti pooluseid on võimatu eraldada: kui lõigata magnet kaheks osaks, ilmuvad ka poolused lõikepunkti ja magnet laguneb kaheks magnetiks, mille otstes on vastaspoolused (orienteeritud täpselt samasse ossa nii nagu algse magneti poolused).

Nii et magnetid Alati bipolaarsed, eksisteerivad nad ainult kujul dipoolid. Eraldatud magnetpoolused (nn magnetilised monopoolused- elektrilaengu analooge) looduses ei eksisteeri (igal juhul pole neid veel eksperimentaalselt tuvastatud). See on ehk kõige muljetavaldavam asümmeetria elektri ja magnetismi vahel.

Nagu elektriliselt laetud kehad, toimivad magnetid elektrilaengutele. Magnet toimib aga ainult peale liigub tasu; Kui laeng on magneti suhtes puhkeasendis, siis laengule ei mõju magnetjõud. Vastupidi, elektrifitseeritud keha toimib mis tahes laenguga, olenemata sellest, kas see on puhke- või liikumises.

Kõrval kaasaegsed ideed lühitoime teooria, magnetite interaktsioon viiakse läbi magnetväli Nimelt tekitab magnet ümbritsevas ruumis magnetvälja, mis mõjub teisele magnetile ja põhjustab nende magnetite nähtava külgetõmbe või tõrjumise.

Magneti näide on magnetiline nõel kompass. Magnetnõela abil saab hinnata magnetvälja olemasolu antud ruumipiirkonnas, aga ka välja suunda.

Meie planeet Maa on hiiglaslik magnet. Maa geograafilisest põhjapoolusest mitte kaugel asub lõuna magnetpoolus. Seetõttu osutab kompassinõela põhjaots, mis pöördub Maa lõunapoolse magnetpooluse poole, geograafilise põhja poole. Sellest tegelikult tekkiski magneti nimi "põhjapoolus".

Magnetvälja jooned

Tuletame meelde, et elektrivälja uuritakse väikeste testlaengute abil, mille abil saab hinnata välja suurust ja suunda. Katselaengu analoogiks magnetvälja korral on väike magnetnõel.

Näiteks saate magnetväljast geomeetrilise ettekujutuse, kui asetate ruumi erinevatesse punktidesse väga väikesed kompassinõelad. Kogemus näitab, et nooled hakkavad reastama teatud jooni - nn magnetvälja jooned. Määratleme selle mõiste järgmise kolme lõigu kujul.

1. Magnetvälja jõujooned ehk magnetjõujooned on ruumis suunatud jooned, millel on järgmine omadus: sellise joone igasse punkti asetatud väike kompassinõel on suunatud sellele joonele tangentsiaalselt..

2. Magnetvälja joone suund on selle joone punktides paiknevate kompassinõelte põhjaotste suund.

3. Mida paksemaks jooned lähevad, seda tugevam on magnetväli antud ruumipiirkonnas..

Kompassinõelte rolli saavad edukalt täita raudviilud: magnetväljas on väikesed viilud magnetiseeritud ja käituvad täpselt nagu magnetnõelad.

Seega, olles valanud ümber püsimagneti raudviilud, näeme ligikaudu järgmist pilti magnetvälja joontest (joonis 1).

Riis. 1. Püsimagnetväli

Magneti põhjapoolus on tähistatud sinise ja tähega ; lõunapoolus - punases ja kirjas . Pange tähele, et väljajooned väljuvad magneti põhjapoolusest ja sisenevad lõunapoolusesse, sest just magneti lõunapoolusele osutab kompassinõela põhjapoolus.

Oerstedi kogemus

Hoolimata asjaolust, et elektri- ja magnetnähtused on inimestele teada antiikajast peale, pole nende vahel pikka aega seost täheldatud. Elektri ja magnetismi uurimine toimus mitu sajandit paralleelselt ja üksteisest sõltumatult.

Märkimisväärne tõsiasi, et elektrilised ja magnetilised nähtused on tegelikult üksteisega seotud, avastati esmakordselt 1820. aastal kuulsas Oerstedi katses.

Oerstedi katse skeem on näidatud joonisel fig. 2 (pilt saidilt rt.mipt.ru). Magnetnõela (ja - noole põhja- ja lõunapooluse) kohal on vooluallikaga ühendatud metalljuht. Kui sulgete vooluringi, pöördub nool juhiga risti!
See lihtne eksperiment osutas otseselt elektri ja magnetismi vahelisele seosele. Oerstedi kogemustele järgnenud katsed kinnitasid kindlalt järgmise mustri: magnetväli tekib elektrivoolude toimel ja mõjub vooludele.

Riis. 2. Oerstedi eksperiment

Vooluga juhi tekitatud magnetvälja joonte pilt sõltub juhi kujust.

Sirge juhtme magnetväli vooluga

Voolu kandva sirge juhtme magnetvälja jooned on kontsentrilised ringid. Nende ringide keskpunktid asuvad traadil ja nende tasapinnad on traadiga risti (joonis 3).

Riis. 3. Vooluga otsejuhtme väli

Alalisvoolu magnetvälja jõujoonte suuna määramiseks on kaks alternatiivset reeglit.

tunniosuti reegel. Väljajooned lähevad vaadatuna vastupäeva, nii et vool liigub meie poole..

kruvi reegel(või kere reegel, või korgitseri reegel- see on kellelegi lähedasem ;-)). Väljajooned lähevad sinna, kus kruvi (tavalise parempoolse keermega) tuleb keerata, et liikuda mööda keerme voolu suunas.

Kasutage seda reeglit, mis teile kõige paremini sobib. Parem on päripäeva reegliga harjuda – hiljem näete ise, et see on universaalsem ja hõlpsamini kasutatav (ja siis analüütilist geomeetriat õppides esimesel aastal seda tänutundega meeles).

Joonisel fig. 3, on ilmunud ka midagi uut: see on vektor, mida nimetatakse magnetvälja induktsioon, või magnetiline induktsioon. Magnetilise induktsiooni vektor on intensiivsuse vektori analoog elektriväli: ta teenib võimsuse omadus magnetväli, mis määrab jõu, millega magnetväli mõjutab liikuvaid laenguid.

Magnetväljas mõjuvatest jõududest räägime hiljem, kuid praegu märgime vaid seda, et magnetvälja suuruse ja suuna määrab magnetinduktsiooni vektor. Igas ruumipunktis näitab vektor samas suunas kui kompassinõela põhjaots. antud punkt, nimelt puutuja väljajoonega selle joone suunas. Magnetinduktsiooni mõõdetakse ühikutes teslach(Tl).

Nagu elektrivälja puhul, nii ka magnetvälja induktsiooniks, superpositsiooni põhimõte. See seisneb selles, et Erinevate voolude poolt antud punktis tekitatud magnetväljade induktsioon liidetakse vektoraalselt ja saadakse saadud magnetinduktsiooni vektor:.

Vooluga pooli magnetväli

Vaatleme ringikujulist mähist, mille kaudu ringleb alalisvool. Me ei näita joonisel allikat, mis voolu loob.

Meie pöördevälja joonte pilt saab olema ligikaudu järgmisel kujul (joonis 4).

Riis. 4. Pooli väli vooluga

Meie jaoks on oluline, et saaksime kindlaks teha, millisesse poolruumi (pooli tasandi suhtes) magnetväli on suunatud. Jällegi on meil kaks alternatiivset reeglit.

tunniosuti reegel. Väljajooned lähevad sinna, vaadates sealt, kust vool tundub ringlevat vastupäeva.

kruvi reegel. Väljajooned lähevad sinna, kuhu kruvi (tavalise parempoolse keermega) liiguks, kui seda voolu suunas pöörata.

Nagu näete, on voolu ja välja rollid vastupidised - võrreldes nende reeglite sõnastusega alalisvoolu puhul.

Vooluga pooli magnetväli

Mähis kui see on tihedalt kokku keeratud, keerake traat piisavalt pikaks spiraaliks (joonis 5 - pilt saidilt en.wikipedia.org). Mähisel võib olla mitukümmend, sadu või isegi tuhandeid pööreid. Pooli nimetatakse ka solenoid.

Riis. 5. Mähis (solenoid)

Ühe pöörde magnetväli, nagu me teame, ei tundu väga lihtne. Väljad? mähise üksikud pöörded asetsevad üksteise peale ja tundub, et tulemus peaks olema väga segane pilt. Kuid see pole nii: pika mähise väli on ootamatult lihtsa ehitusega (joonis 6).

Riis. 6. pooli väli vooluga

Sellel joonisel liigub mähise vool vasakult vaadates vastupäeva (see juhtub siis, kui joonisel 5 on pooli parem ots ühendatud vooluallika plussiga ja vasakpoolne ots "miinus"). Näeme, et pooli magnetväljal on kaks iseloomulikku omadust.

1. Mähise sees, selle servadest eemal, on magnetväli homogeenne: igas punktis on magnetilise induktsiooni vektor suurus ja suund sama. Väljajooned on paralleelsed sirged; kustumisel painduvad nad ainult pooli servade lähedal.

2. Väljaspool pooli on väli nullilähedane. Mida rohkem pöördeid mähises, seda nõrgem on väli sellest väljaspool.

Pange tähele, et lõpmata pikk mähis ei kiirga üldse välja: väljaspool pooli pole magnetvälja. Sellise mähise sees on väli kõikjal ühtlane.

Kas see ei tuleta sulle midagi meelde? Mähis on kondensaatori "magnetiline" vaste. Mäletate, et kondensaator loob enda sees ühtlase elektrivälja, mille jooned on kõverad ainult plaatide servade lähedal ja väljaspool kondensaatorit on väli nullilähedane; lõpmatute plaatidega kondensaator ei lase välja üldse ja väli on selle sees igal pool ühtlane.

Ja nüüd - peamine tähelepanek. Palun võrrelge pilti väljaspool pooli asuvatest magnetvälja jõujoontest (joonis 6) magneti jõujoontega joonisel fig. 1 . See on sama asi, kas pole? Ja nüüd jõuame küsimuseni, mis teil ilmselt juba ammu tekkis: kui magnetväli tekib voolude poolt ja mõjub vooludele, siis mis on püsimagneti lähedusse magnetvälja ilmumise põhjus? Lõppude lõpuks ei tundu see magnet olevat voolujuht!

Ampère’i hüpotees. Elementaarvoolud

Algul arvati, et magnetite vastastikmõju on tingitud spetsiaalsetest poolustele koondunud magnetlaengutest. Kuid erinevalt elektrist ei suutnud keegi magnetlaengu isoleerida; Lõppude lõpuks, nagu me juba ütlesime, ei olnud võimalik saada eraldi magneti põhja- ja lõunapoolust - poolused on magnetis alati paarikaupa.

Kahtlusi magnetlaengute suhtes süvendas Oerstedi kogemus, kui selgus, et magnetvälja tekitab elektrivool. Veelgi enam, selgus, et iga magneti jaoks on võimalik valida sobiva konfiguratsiooniga vooluga juht, nii et selle juhi väli langeb kokku magneti väljaga.

Ampere esitas julge hüpoteesi. Magnetlaenguid pole. Magneti tegevust seletatakse selle sees olevate suletud elektrivooludega..

Mis need voolud on? Need elementaarvoolud ringlevad aatomites ja molekulides; neid seostatakse elektronide liikumisega aatomiorbiitidel. Iga keha magnetväli koosneb nende elementaarvoolude magnetväljadest.

Elementaarvoolud võivad üksteise suhtes juhuslikult paikneda. Siis nende väljad tühistavad üksteist ja keha ei näita magnetilisi omadusi.

Kuid kui elementaarvoolud on koordineeritud, tugevdavad nende väljad, liites üksteist. Kehast saab magnet (joon. 7; magnetväli suunatakse meie poole, magneti põhjapoolus samuti meie poole).

Riis. 7. Elementaarmagnetivoolud

Ampere'i hüpotees elementaarvoolude kohta selgitas magnetite omadusi.Magneti kuumutamine ja raputamine hävitab selle elementaarvoolude paigutuse ning magnetilised omadused nõrgenevad. Magnetpooluste lahutamatus sai ilmseks: magneti lõikamise kohas saame otstes samad elementaarvoolud. Keha võime magnetväljas magnetiseerida on seletatav elementaarvoolude koordineeritud joondamisega, mis “pöörlevad” korralikult (ringvoolu pöörlemise kohta magnetväljas loe järgmisel lehel).

Ampère’i hüpotees osutus õigeks – see näitas edasine areng Füüsika. Elementaarvoolude kontseptsioon on muutunud aatomiteooria lahutamatuks osaks, mis töötati välja juba kahekümnendal sajandil – peaaegu sada aastat pärast Ampère’i säravat oletust.

Selles tunnis, mille teemaks on: „Konstandi magnetväli elektrivool”, saame teada, mis on magnet, kuidas see teiste magnetitega suhtleb, paneme kirja magnetvälja ja magnetinduktsiooni vektori definitsioonid ning kasutame ka gimleti reeglit magnetinduktsiooni vektori suuna määramiseks.

Igaüks teist hoidis käes magnetit ja teab selle hämmastavat omadust: see suhtleb eemalt teise magneti või rauatükiga. Mis on magnetiga, mis annab talle need hämmastavad omadused? Kas saate ise magneti teha? See on võimalik ja mida selleks vaja on - õpite meie õppetunnist. Lähme ette: kui võtame lihtsa raudnaela, siis sellel ei ole magnetilisi omadusi, aga kui mähime selle traadiga ja ühendame akuga, saame magneti (vt joonis 1).

Riis. 1. Traadiga mähitud nael, mis on ühendatud akuga

Selgub, et magneti saamiseks on vaja elektrivoolu – elektrilaengu liikumist. Püsimagnetite, näiteks külmkapimagnetite omadused on samuti seotud elektrilaengu liikumisega. Teatud magnetlaengut, nagu elektrilist, looduses ei eksisteeri. Seda pole vaja, piisavalt liikuvaid elektrilaenguid.

Enne alalisvoolu magnetvälja uurimist tuleb kokku leppida, kuidas magnetvälja kvantitatiivselt kirjeldada. Magnetnähtuste kvantitatiivseks kirjeldamiseks on vaja tutvustada magnetväljale iseloomulikku jõudu. Magnetvälja kvantitatiivselt iseloomustavat vektorsuurust nimetatakse magnetinduktsiooniks. Tavaliselt tähistatakse seda suure ladina tähega B, mõõdetuna Teslas.

Magnetiline induktsioon - vektori suurus, mis on magnetväljale iseloomulik jõud antud ruumipunktis. Magnetvälja suund määratakse analoogia põhjal elektrostaatika mudeliga, mille puhul välja iseloomustab tegevus proovilaengule puhkeolekus. Ainult siin kasutatakse "proovielemendina" magnetnõela (piklik püsimagnet). Sa nägid sellist noolt kompassis. Magnetvälja suunaks mingil hetkel loetakse suunda, mis pärast ümberorienteerimist näitab magnetnõela põhjapoolust N (vt joonis 2).

Täieliku ja selge pildi magnetväljast saab konstrueerides nn magnetvälja jõujooned (vt joonis 3).

Riis. 3. Püsimagneti magnetvälja väljajooned

Need on jooned, mis näitavad magnetilise induktsiooni vektori suunda (st magnetnõela N-pooluse suunda) igas ruumipunktis. Magnetnõela abil saab seega pildi erinevate magnetväljade jõujoontest. Siin on näiteks pilt püsimagneti magnetvälja jõujoontest (vt joonis 4).

Riis. 4. Püsimagneti magnetvälja väljajooned

Magnetväli eksisteerib igas punktis, kuid me tõmbame jooned üksteisest teatud kaugusel. See on lihtsalt viis magnetvälja kujutamiseks, sarnaselt elektrivälja tugevusega (vt joonis 5).

Riis. 5. Elektrivälja tugevusjooned

Mida tihedamalt on jooned tõmmatud, seda suurem on magnetinduktsiooni moodul antud ruumipiirkonnas. Nagu näete (vt joonis 4), väljuvad jõujooned magneti põhjapoolusest ja sisenevad lõunapoolusesse. Magneti sees jätkuvad ka jõujooned. Erinevalt elektrivälja jõujoontest, mis algavad positiivsetest ja lõpevad negatiivsetest laengutest, on magnetvälja jõujooned suletud (vt joonis 6).

Riis. 6. Magnetvälja jooned on suletud

Välja, mille jõujooned on suletud, nimetatakse pöörisvektori väljaks. Elektrostaatiline väli ei ole keeris, see on potentsiaal. Põhiline erinevus keerise ja potentsiaalse välja vahel on see, et potentsiaalivälja töö mis tahes suletud teel on null, kuid keerisevälja puhul see nii ei ole. Maa on ka tohutu magnet, sellel on magnetväli, mille tuvastame kompassinõelaga. Maa magnetvälja kohta loe lähemalt harust.

Meie planeet Maa on suur magnet, mille poolused asuvad pinna ja pöörlemistelje ristumiskoha lähedal. Geograafiliselt on need lõuna- ja põhjapoolus. Seetõttu suhtleb kompassis olev nool, mis on ühtlasi ka magnet, Maaga. See on orienteeritud nii, et üks ots osutab põhjapoolusele ja teine ​​lõunapoolusele (vt joonis 7). Joonis 7. Kompassis olev nool suhtleb Maaga Seda, mis osutab Maa põhjapoolusele, tähistati N, mis tähendab põhja - inglise keelest tõlgituna "põhja". Ja see, mis osutab Maa lõunapoolusele – S, mis tähendab lõunat – tõlkes inglise keelest “South”. Kuna magnetite vastaspoolused tõmbuvad külge, osutab noole põhjapoolus Maa lõunapoolsele magnetpoolusele (vt joonis 8). Riis. 8. Kompassi ja Maa magnetpooluste vastastikmõju Selgub, et lõuna magnetpoolus asub põhja geograafilisel pool. Ja vastupidi, põhjamagnet asub Maa lõuna geograafilisel poolusel.

Nüüd, olles tutvunud magnetvälja mudeliga, uurime alalisvooluga juhi välja. Taani teadlane Oersted avastas 19. sajandil, et magnetnõel interakteerub juhiga, mille kaudu voolab elektrivool (vt joonis 9).

Riis. 9. Magnetnõela koostoime juhiga

Praktika näitab, et vooluga sirgjoonelise juhi magnetväljas seatakse magnetnõel igas punktis tangentsiaalselt teatud ringiga. Selle ringi tasapind on risti vooluga juhiga ja selle kese asub juhi teljel (vt joonis 10).

Riis. 10. Magnetnõela asukoht sirge juhi magnetväljas

Kui muudate juhi kaudu voolava voolu suunda, pöördub magnetnõel igas punktis sisse vastaspool(vt joonis 11).

Riis. 11. Elektrivoolu voolu suuna muutmisel

See tähendab, et magnetvälja suund sõltub juhi kaudu voolava voolu suunast. Seda sõltuvust saab kirjeldada lihtsa eksperimentaalselt loodud meetodi abil - gimleti reeglid:

kui gimleti translatsioonilise liikumise suund langeb kokku voolu suunaga juhis, siis kattub selle käepideme pöörlemissuund selle juhi tekitatava magnetvälja suunaga (vt joonis 12).

Seega suunatakse vooluga juhi magnetväli igas punktis tangentsiaalselt ringile, mis asub juhiga risti asetseval tasapinnal. Ringi keskpunkt langeb kokku juhi teljega. Magnetvälja vektori suund igas punktis on seotud voolu suunaga juhis gimleti reegliga. Empiiriliselt leiti voolutugevuse ja juhi kauguse muutmisel, et magnetinduktsiooni vektori moodul on võrdeline vooluga ja pöördvõrdeline kaugusega juhist. Lõpmatu vooluga juhi tekitatud välja magnetilise induktsiooni vektori moodul on võrdne:

kus on proportsionaalsustegur, mida sageli leidub magnetismis. Seda nimetatakse vaakumi magnetiliseks läbilaskvuseks. Numbriliselt võrdne:

Magnetväljade ja ka elektriväljade puhul kehtib superpositsiooni põhimõte. Erinevate allikate poolt ühes ruumipunktis tekitatud magnetväljad liidetakse (vt joonis 13).

Riis. 13. Erinevatest allikatest pärinevad magnetväljad liidetakse

Sellise välja koguvõimsuse karakteristik on iga allika väljade võimsusnäitajate vektorsumma. Voolu poolt teatud punktis tekitatava välja magnetilise induktsiooni suurust saab suurendada juhi ringikujuliseks painutamisel. See on selge, kui võtame arvesse sellise traadipooli väikeste segmentide magnetvälju selle mähise sees olevas punktis. Näiteks kesklinnas.

Segment tähisega , loob selles reegli järgi ülespoole suunatud välja (vt joonis 14).

Riis. 14. Segmentide magnetväli

Segment loob samamoodi selles punktis sinna suunatud magnetvälja. Sama kehtib ka teiste segmentide kohta. Siis on kogujõu karakteristik (st magnetinduktsiooni vektor B) selles punktis kõigi selles punktis olevate väikeste segmentide magnetväljade jõukarakteristikute superpositsioon ja see on suunatud ülespoole (vt joonis 15).

Riis. 15. Koguvõimsuse karakteristik mähise keskel

Suvalise pooli puhul, mis ei pruugi olla ringikujuline, näiteks ruudukujulise raami puhul (vt joonis 16), sõltub mähise sees oleva vektori väärtus loomulikult mähise kujust, suurusest ja voolutugevusest. tugevus selles, kuid magnetilise induktsiooni vektori suund määratakse alati samamoodi (väikeste segmentide tekitatud väljade superpositsioonina).

Riis. 16. Ruudukujuliste raami segmentide magnetväli

Oleme üksikasjalikult kirjeldanud mähise sees oleva välja suuna määramist, kuid üldiselt on see veidi muudetud reegli järgi palju lihtsam:

kui keerate sangleti käepidet selles suunas, kus vool mähises voolab, siis mähise ots näitab magnetilise induktsiooni vektori suunda mähises (vt joonis 17).

See tähendab, et nüüd vastab käepideme pöörlemine voolu suunale ja klambri liikumine välja suunale. Ja mitte vastupidi, nagu juhtus sirge juhiga. Kui pikk juht, mille kaudu vool voolab, on vedruks keritud, on see seade keerdude komplekt. Mähise iga pöörde magnetväljad liidetakse vastavalt superpositsiooni põhimõttele. Seega on mähise poolt mingil hetkel loodud väli iga pöördega sellel hetkel tekitatud väljade summa. Pilt sellise mähise välja väljajoontest, mida näete joonisel fig. 18.

Riis. 18. Mähise elektriliinid

Sellist seadet nimetatakse mähiseks, solenoidiks või elektromagnetiks. On lihtne näha, et pooli magnetilised omadused on samad, mis püsimagnetil (vt joonis 19).

Riis. 19. Mähise ja püsimagneti magnetilised omadused

Mähise üks pool (mis on ülaltoodud pildil) mängib magneti põhjapooluse rolli ja teine ​​pool - lõunapoolus. Sellist seadet kasutatakse tehnikas laialdaselt, sest seda saab juhtida: see muutub magnetiks alles siis, kui mähises olev vool on sisse lülitatud. Pange tähele, et pooli sees olevad magnetvälja jooned on peaaegu paralleelsed ja tihedad. Solenoidi sees olev väli on väga tugev ja ühtlane. Väljaspool pooli on ebaühtlane, see on palju nõrgem kui seespool ja on suunatud vastupidises suunas. Mähise sees oleva magnetvälja suund määratakse kardaanireegliga nagu ühe pöörde sees oleva välja puhul. Käepideme pöörlemissuuna jaoks võtame mähise kaudu voolava voolu suuna ja rõngastiili liikumine näitab magnetvälja suunda selle sees (vt joonis 20).

Riis. 20. Rulli rõngastiili reegel

Kui asetate voolu kandva mähise magnetvälja, orienteerub see ümber nagu magnetnõel. Pöörlemist põhjustav jõumoment on seotud magnetilise induktsiooni vektori mooduliga antud punktis, mähise pindala ja selles oleva voolutugevusega järgmise seosega:

Nüüd saab meile selgeks, kust tulevad püsimagneti magnetilised omadused: aatomis suletud rada pidi liikuv elektron on nagu vooluga mähis ja sarnaselt mähisega on tal magnetväli. Ja nagu nägime mähise näitel, on paljudel teatud viisil järjestatud voolu pöördetel tugev magnetväli.

Püsimagnetite tekitatud väli on nende sees olevate laengute liikumise tulemus. Ja need laengud on elektronid aatomites (vt joonis 21). Riis. 21. Elektronide liikumine aatomites Selgitagem selle esinemise mehhanismi kvalitatiivsel tasemel. Nagu teate, on elektronid aatomis liikumises. Seega loob iga elektron igas aatomis oma magnetvälja, seega saadakse tohutul hulgal aatomi suuruseid magneteid. Enamikus ainetes on need magnetid ja nende magnetväljad juhuslikult orienteeritud. Seetõttu on keha loodud kogumagnetväli null. Kuid on aineid, milles üksikute elektronide tekitatud magnetväljad on orienteeritud samamoodi (vt joonis 22). Riis. 22. Magnetväljad on orienteeritud samamoodi Seetõttu liidetakse iga elektroni tekitatud magnetväljad. Sellest tulenevalt on sellisest ainest valmistatud kehal magnetväli ja see on püsimagnet. Välises magnetväljas keerlevad üksikud aatomid või aatomirühmad, millel, nagu teada saime, oma magnetväli nagu kompassi nõel (vt joonis 23). Riis. 23. Aatomite pöörlemine välises magnetväljas Kui enne seda ei olnud need ühes suunas orienteeritud ega moodustanud tugevat kogumagnetvälja, siis peale elementaarmagnetite järjestamist nende magnetväljad summeeruvad. Ja kui pärast välisvälja mõju kord säilib, jääb aine magnetiks. Kirjeldatud protsessi nimetatakse magnetiseerimiseks.

Määrake solenoidi toitva vooluallika poolused joonisel fig. 24 interaktsiooni. Arutleme: solenoid, milles voolab alalisvool, käitub nagu magnet.

Riis. 24. Praegune allikas

Vastavalt joonisele fig. 24 näitab, et magnetnõel on suunatud lõunapoolusega solenoidi poole. Nagu magnetite poolused tõrjuvad üksteist, vastaspoolused aga tõmbavad. Sellest järeldub, et solenoidi enda vasakpoolus on põhjapoolus (vt joonis 25).

Riis. 25. Solenoidi põhjapoolus vasakpoolne

Magnetilise induktsiooni jooned lahkuvad põhjapoolusest ja sisenevad lõunasse. See tähendab, et solenoidi sees olev väli on suunatud vasakule (vt joonis 26).

Riis. 26. Solenoidi sees olev väli on suunatud vasakule

Noh, välja suuna solenoidi sees määrab gimleti reegel. Teame, et põld on suunatud vasakule, nii et kujutame ette, et karkass on selles suunas keeratud. Siis näitab selle käepide solenoidi voolu suunda - paremalt vasakule (vt joonis 27).

Voolu suuna määrab positiivse laengu liikumissuund. Positiivne laeng liigub suure potentsiaaliga punktist (allika positiivne poolus) väiksemaga (allika negatiivne poolus) punkti. Seetõttu on paremal asuv lähtepoolus positiivne ja vasakul negatiivne (vt joonis 28).

Riis. 28. Lähtepooluste määramine

2. ülesanne

Raam pindalaga 400 asetatakse ühtlasesse magnetvälja, mille induktsioon on 0,1 T, nii et raami normaal on induktsioonijoontega risti. Millise voolutugevuse juures mõjutab pöördemoment 20 raami (vt joonis 29)?

Riis. 29. Ülesande 2 joonis

Põhjendame: pöörlemist põhjustav jõumoment on seotud magnetilise induktsiooni vektori mooduliga antud punktis, pooli pindala ja selles oleva voolutugevusega järgmise seosega:

Meie puhul on kõik vajalikud andmed olemas. Jääb välja väljendada soovitud voolutugevus ja arvutada vastus:

Probleem lahendatud.

Bibliograafia

1. Sokolovitš Yu.A., Bogdanova G.S. Füüsika: käsiraamat probleemide lahendamise näidetega. - 2. väljaande ümberjagamine. - X .: Vesta: Kirjastus "Ranok", 2005. - 464 lk.
2. Myakishev G.Ya. Füüsika: Proc. 11 raku jaoks. Üldharidus institutsioonid. - M.: Haridus, 2010.

1. Internetiportaal "Knowledge Hypermarket" ()
2. Internetiportaal "DER-i ühtne kogu" ()

Kodutöö

Nii nagu puhkeolekus olev elektrilaeng mõjutab elektrivälja kaudu teist laengut, toimib elektrivool teisele läbivale voolule magnetväli. Magnetvälja toime püsimagnetitele taandub selle toimele laengutele, mis liiguvad aine aatomites ja tekitavad mikroskoopilisi ringvoolusid.

Õpetus elektromagnetism põhineb kahel eeldusel:

• magnetväli mõjub liikuvatele laengutele ja vooludele;
• voolude ja liikuvate laengute ümber tekib magnetväli.

Magnetite koostoime

Püsimagnet(või magnetnõel) on orienteeritud piki Maa magnetmeridiaani. Põhja suunatud otsa nimetatakse põhjapoolus (N) ja vastasots on lõunapoolus(S). Lähenedes kahele magnetile üksteisele, märkame, et nende samanimelised poolused tõrjuvad ja nende vastaspoolused tõmbavad ( riis. 1 ).

Kui eraldame poolused, lõigates püsimagneti kaheks osaks, siis leiame, et mõlemal on ka kaks poolust, st saab olema püsimagnet ( riis. 2 ). Mõlemad poolused – põhja- ja lõunapoolused – on üksteisest lahutamatud, võrdsed.

Maa või püsimagnetite tekitatud magnetvälja on sarnaselt elektriväljaga kujutatud magnetiliste jõujoontega. Suvalise magneti magnetvälja joontest saab pildi, kui asetada sellele paberileht, millele valatakse ühtlase kihina rauaviilud. Magnetvälja sattudes magnetiseerub saepuru - igaühel neist on põhja- ja lõunapoolus. Vastaspoolused kipuvad üksteisele lähenema, kuid seda takistab saepuru hõõrdumine paberile. Kui koputate paberit sõrmega, siis hõõrdumine väheneb ja viilud tõmbuvad üksteise poole, moodustades magnetvälja jooni kujutavaid kette.

Peal riis. 3 näitab saepuru otsemagneti ja väikeste magnetnoolte asukohta väljas, mis näitavad magnetvälja jõujoonte suunda. Selle suuna jaoks võetakse magnetnõela põhjapooluse suund.

Oerstedi kogemus. Magnetvälja vool

IN XIX algus V. Taani teadlane Oersted avastades tegi olulise avastuse elektrivoolu toime püsimagnetitele . Ta asetas magnetnõela lähedusse pika traadi. Kui vool juhiti läbi juhtme, pöördus nool, püüdes olla sellega risti ( riis. 4 ). Seda võib seletada magnetvälja ilmumisega juhi ümber.

Vooluga otsejuhi tekitatud välja magnetilised jõujooned on kontsentrilised ringid, mis asuvad sellega risti asetseval tasapinnal ja mille keskpunktid on punktis, mida vool läbib ( riis. 5 ). Joonte suund määratakse õige kruvireegliga:

Kui kruvi pöörata väljajoonte suunas, liigub see juhis oleva voolu suunas .

Magnetväljale iseloomulik jõud on magnetinduktsiooni vektor B . Igas punktis on see suunatud tangentsiaalselt väljajoonele. Elektrivälja jõujooned algavad positiivsetel ja lõpevad negatiivsetel ning selles väljas laengule mõjuv jõud on suunatud joonele tangentsiaalselt igas selle punktis. Erinevalt elektriväljast on magnetvälja jooned suletud, mis on tingitud "magnetlaengute" puudumisest looduses.

Voolu magnetväli ei erine põhimõtteliselt püsimagneti tekitatud väljast. Selles mõttes on lamemagneti analoogiks pikk solenoid - traadi mähis, mille pikkus on palju suurem kui selle läbimõõt. Tema loodud magnetvälja joonte skeem, mis on kujutatud riis. 6 , sarnane lameda magnetiga ( riis. 3 ). Ringid tähistavad solenoidi mähise moodustavaid traadi lõike. Vaatlejast läbi juhtme voolavad voolud on tähistatud ristidega ja vastassuunalised - vaatleja poole - voolud on tähistatud punktidega. Samad tähised on aktsepteeritud magnetvälja joonte jaoks, kui need on joonise tasapinnaga risti ( riis. 7 a, b).

Voolu suund solenoidmähises ja selle sees olevate magnetvälja joonte suund on samuti seotud parempoolse kruvireegliga, mis antud juhul on sõnastatud järgmiselt:

Kui vaadata mööda solenoidi telge, siis päripäeva liikuv vool tekitab selles magnetvälja, mille suund langeb kokku parempoolse kruvi liikumissuunaga ( riis. 8 )

Selle reegli põhjal on lihtne aru saada, et joonisel näidatud solenoid riis. 6 , selle parem ots on põhjapoolus ja vasak ots lõunapoolus.

Magnetväli solenoidi sees on homogeenne - magnetilise induktsiooni vektoril on seal konstantne väärtus (B = const). Selles suhtes sarnaneb solenoid lamekondensaatoriga, mille sees tekib ühtlane elektriväli.

Vooluga juhile magnetväljas mõjuv jõud

Katseliselt tehti kindlaks, et magnetväljas voolu juhtivale juhile mõjub jõud. Ühtlases väljas mõjub väljavektoriga B risti paiknev sirgjooneline juht pikkusega l, mille kaudu voolab vool I, jõudu: F = I l B .

Jõu suund määratakse vasaku käe reegel:

Kui vasaku käe neli väljasirutatud sõrme on asetatud juhis oleva voolu suunas ja peopesa on vektoriga B risti, näitab sissetõmmatud pöial juhile mõjuva jõu suunda. (riis. 9 ).

Tuleb märkida, et magnetväljas vooluga juhile mõjuv jõud ei ole suunatud tema jõujoontele tangentsiaalselt, nagu elektrijõud, vaid nendega risti. Mööda jõujoont paiknevat juhti magnetjõud ei mõjuta.

Võrrand F = IlB anname kvantitatiivne omadus magnetvälja induktsioon.

Suhtumine ei sõltu juhi omadustest ja iseloomustab magnetvälja ennast.

Magnetinduktsiooni vektori B moodul arvuliselt võrdne tugevusega mõjub sellega risti asetsevale ühikupikkusele juhile, millest voolab läbi üheamprine vool.

SI-süsteemis on magnetvälja induktsiooni ühikuks tesla (T):

Magnetväli. Tabelid, diagrammid, valemid

(Magnettide interaktsioon, Oerstedi eksperiment, magnetinduktsiooni vektor, vektori suund, superpositsiooniprintsiip. Magnetväljade graafiline esitus, magnetinduktsiooni jooned. magnetvoog, väljale iseloomulik energia. Magnetjõud, amprijõud, Lorentzi jõud. Laetud osakeste liikumine magnetväljas. Aine magnetilised omadused, Ampere'i hüpotees)

"Magnetvälja määramine" - Täida tabel vastavalt katsete käigus saadud andmetele. J. Verne. Kui toome magneti magnetnõelale, siis see pöördub. Magnetväljade graafiline esitus. Hans Christian Oersted. Elektriväli. Magnetil on kaks poolust: põhja- ja lõunapoolus. Teadmiste üldistamise ja süstematiseerimise etapp.

"Magnetiväli ja selle graafiline esitus" – ebaühtlane magnetväli. Vooluga mähised. magnetilised jooned. Ampère’i hüpotees. Vardamagneti sees. Magnetpoolused vastassuunas. Polaartuled. Püsimagneti magnetväli. Magnetväli. Maa magnetväli. Magnetpoolused. Biometroloogia. kontsentrilised ringid. Ühtlane magnetväli.

"Magnetvälja energia" – skalaarväärtus. Induktiivsuse arvutamine. Püsimagnetväljad. Lõõgastusaeg. Induktiivsuse definitsioon. mähise energia. Lisavoolud induktiivsusega ahelas. Üleminekuprotsessid. Energiatihedus. Elektrodünaamika. Võnkuv ahel. Impulssmagnetväli. Eneseinduktsioon. Magnetvälja energiatihedus.

"Magnetvälja omadused" - Magnetilise induktsiooni jooned. Gimleti reegel. Pöörake mööda jõujooni. Maa magnetvälja arvutimudel. Magnetkonstant. Magnetiline induktsioon. Laengukandjate arv. Kolm võimalust magnetilise induktsiooni vektori seadistamiseks. Elektrivoolu magnetväli. Füüsik William Hilbert.

"Magnetvälja omadused" – aine tüüp. Magnetvälja magnetiline induktsioon. Magnetiline induktsioon. Püsimagnet. Mõned magnetilise induktsiooni väärtused. Magnetnõel. Kõlar. Magnetinduktsiooni vektori moodul. Magnetinduktsiooni jooned on alati suletud. Voolude vastastikmõju. Pöördemoment. Aine magnetilised omadused.

"Osakeste liikumine magnetväljas" - spektrograaf. Lorentzi jõu toime avaldumine. Lorentzi jõud. Tsüklotroon. Lorentzi jõu suuruse määramine. Kontrollküsimused. Lorentzi jõu suunad. Tähtedevaheline aine. Eksperimendi ülesanne. Muuda seadeid. Magnetväli. Massispektrograaf. Osakeste liikumine magnetväljas. Katoodkiiretoru.

Kokku on teemas 20 ettekannet

Loeng: Oerstedi kogemus. Voolu juhtiva juhi magnetväli. Pika sirge juhi ja suletud rõngasjuhi väljajoonte muster, vooluga mähis

Oerstedi kogemus

Mõnede ainete magnetilised omadused on inimestele teada juba pikka aega. Mitte nii vana avastus oli aga see, et magnet- ja elektriline olemus ained on omavahel seotud. Seda seost näidati Oersted kes tegi katseid elektrivooluga. Täiesti juhuslikult on selle juhi kõrval, millest vool jooksis, magnet. See muutis oma suunda üsna järsult ajal, mil vool läbi juhtmete jooksis, ja naasis algasendisse, kui vooluringi võti oli avatud.

Selle kogemuse põhjal jõuti järeldusele, et selle juhi ümber tekib magnetväli, mida läbib vool. See tähendab, et saate teha järeldus: elektrivälja tekitavad kõik laengud ja magnetväli tekib ainult laengute ümber, millel on suunatud liikumine.

Juhi magnetväli

Kui arvestada vooluga juhi ristlõiget, siis selle magnetilised jooned juhtme ümber on erineva läbimõõduga ringid.

Juhti ümbritseva voolu või magnetvälja joonte suuna määramiseks kasutage reeglit parem kruvi:

Kui haarate parema käega juhist kinni ja suunate pöidlaga mööda seda voolu suunas, siis näitavad painutatud sõrmed magnetvälja joonte suunda.

Magnetvälja võimsuskarakteristikuks on magnetinduktsioon. Mõnikord nimetatakse magnetvälja jooni induktsioonjoonteks.

Induktsioon määratakse ja mõõdetakse järgmiselt: [V] = 1 T.

Nagu mäletate, kehtis superpositsioonide põhimõte elektriväljale iseloomuliku jõu puhul, sama võib öelda ka magnetvälja kohta. See tähendab, et saadud välja induktsioon on võrdne iga punkti induktsioonivektorite summaga.

vooluga mähis

Nagu teate, võib dirigentidel olla erineva kujuga, sealhulgas koosneb mitmest pöördest. Sellise juhi ümber tekib ka magnetväli. Selle kindlaksmääramiseks kasutage kere reegel:

Kui paned poolid käega kinni nii, et 4 painutatud sõrme panevad neid kinni, siis pöial näitab magnetvälja suunda.