A USE kódoló témái: mágnesek kölcsönhatása, egy vezető mágneses tere az árammal.

Az anyag mágneses tulajdonságait régóta ismerik az emberek. A mágnesek nevüket Magnesia ősi városáról kapták: környékén elterjedt egy ásvány (később mágneses vasércnek vagy magnetitnek nevezték), amelynek darabjai vonzották a vastárgyakat.

Mágnesek kölcsönhatása

Mindegyik mágnes két oldalán található északi sarkÉs Déli-sark. Két mágnest ellentétes pólusok vonzzák egymáshoz, és hasonló pólusok taszítják. A mágnesek vákuumon keresztül is hatnak egymásra! Mindez azonban az elektromos töltések kölcsönhatására emlékeztet a mágnesek kölcsönhatása nem elektromos. Ezt bizonyítják a következő kísérleti tények.

A mágneses erő gyengül, ha a mágnest felmelegítik. A ponttöltések kölcsönhatásának erőssége nem függ a hőmérsékletüktől.

A mágneses erő gyengül a mágnes rázásával. Semmi hasonló nem történik elektromosan töltött testekkel.

A pozitív elektromos töltések elválaszthatók a negatívoktól (például amikor a testeket villamosítják). A mágnes pólusait azonban nem lehet szétválasztani: ha a mágnest két részre vágod, akkor a vágási ponton is megjelennek a pólusok, és a mágnes két, egymással ellentétes pólusú (pontosan ugyanabban orientált) mágnesre bomlik fel. úgy, mint az eredeti mágnes pólusai).

Szóval a mágnesek Mindig bipoláris, csak formában léteznek dipólusok. Elszigetelt mágneses pólusok (ún mágneses monopólusok- az elektromos töltés analógjai) a természetben nem léteznek (mindenesetre kísérletileg még nem észlelték őket). Talán ez a leglenyűgözőbb aszimmetria az elektromosság és a mágnesesség között.

Az elektromosan töltött testekhez hasonlóan a mágnesek is az elektromos töltésekre hatnak. A mágnes azonban csak rá hat mozgó díj; Ha a töltés nyugalomban van a mágneshez képest, akkor nem hat mágneses erő a töltésre. Éppen ellenkezőleg, a villamosított test bármilyen töltésre hat, függetlenül attól, hogy nyugalomban van-e vagy mozgásban van.

Által modern ötletek a rövid hatótávolságú hatás elmélete, a mágnesek kölcsönhatása keresztül valósul meg mágneses mező Nevezetesen, egy mágnes mágneses teret hoz létre a környező térben, amely egy másik mágnesre hat, és ezeknek a mágneseknek látható vonzását vagy taszítását okozza.

Példa a mágnesre mágneses tű iránytű. A mágneses tű segítségével meg lehet ítélni a mágneses tér jelenlétét a tér adott régiójában, valamint a tér irányát.

A Föld bolygónk egy óriási mágnes. A Föld földrajzi északi pólusától nem messze található a déli mágneses pólus. Ezért az iránytű tűjének északi vége a Föld déli mágneses pólusa felé fordulva a földrajzi északra mutat. Valójában ezért keletkezett a mágnes "északi pólusa" elnevezése.

Mágneses erővonalak

Emlékezünk szerint az elektromos teret kis próbatöltések segítségével vizsgálják, amelyek alapján meg lehet ítélni a tér nagyságát és irányát. A teszttöltés analógja mágneses tér esetén egy kis mágneses tű.

Például geometriai képet kaphat a mágneses mezőről, ha nagyon kis iránytűtűket helyez el a tér különböző pontjain. A tapasztalat azt mutatja, hogy a nyilak bizonyos vonalak mentén sorakoznak majd – az ún mágneses erővonalak. Határozzuk meg ezt a fogalmat a következő három bekezdés formájában.

1. A mágneses erővonalak vagy mágneses erővonalak olyan irányított vonalak a térben, amelyek a következő tulajdonsággal rendelkeznek: egy kis iránytű, amely az ilyen vonal minden pontjában van elhelyezve, érintőlegesen irányul ehhez a vonalhoz..

2. A mágneses erővonal iránya az iránytűk északi végeinek iránya, amelyek ennek a vonalnak a pontjain találhatók.

3. Minél vastagabbak a vonalak, annál erősebb a mágneses tér a tér adott régiójában..

Az iránytűtűk szerepét a vasreszelék sikeresen betölthetik: mágneses térben a kis reszelékek mágneseződnek, és pontosan úgy viselkednek, mint a mágneses tűk.

Tehát, miután vasreszeléket öntünk egy állandó mágnes köré, körülbelül a következő képet fogjuk látni a mágneses erővonalakról (1. ábra).

Rizs. 1. Állandó mágneses tér

A mágnes északi pólusa kékkel és betűvel van jelölve; a déli pólus - pirossal és a betűvel . Figyeljük meg, hogy a térvonalak kilépnek a mágnes északi pólusából, és belépnek a déli pólusba, mivel az iránytű tű északi vége a mágnes déli pólusára mutat.

Oersted tapasztalata

Annak ellenére, hogy az elektromos és mágneses jelenségeket az ókor óta ismerték az emberek, hosszú ideig nem figyeltek meg köztük kapcsolatot. Az elektromosság és a mágnesesség kutatása több évszázadon keresztül párhuzamosan és egymástól függetlenül folyt.

Arra a figyelemre méltó tényre, hogy az elektromos és a mágneses jelenségek valójában kapcsolatban állnak egymással, először 1820-ban fedezték fel Oersted híres kísérletében.

Az Oersted-kísérlet sémája az 1. ábrán látható. 2 (kép az rt.mipt.ru webhelyről). A mágneses tű (és - a nyíl északi és déli pólusa) fölött egy áramforráshoz csatlakoztatott fémvezető található. Ha lezárja az áramkört, akkor a nyíl merőlegesen fordul a vezetőre!
Ez az egyszerű kísérlet közvetlenül az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatára mutatott rá. Az Oersted tapasztalatait követő kísérletek szilárdan a következő mintát erősítették meg: a mágneses mezőt elektromos áramok hozzák létre, és az áramokra hat.

Rizs. 2. Oersted kísérlete

Az árammal működő vezető által generált mágneses mező vonalainak képe a vezető alakjától függ.

Egyenes vezeték mágneses tere árammal

Az áramot hordozó egyenes vezeték mágneses erővonalai koncentrikus körök. Ezeknek a köröknek a középpontja a vezetéken fekszik, síkjaik pedig merőlegesek a vezetékre (3. ábra).

Rizs. 3. Egyenáramú vezeték tere

Az egyenáramú mágneses erővonalak irányának meghatározására két alternatív szabály létezik.

óramutató szabály. A mezővonalak az óramutató járásával ellentétes irányba haladnak, ha ránézünk, így az áram felénk folyik..

csavaros szabály(vagy gimlet szabály, vagy dugóhúzó szabály- ez közelebb áll valakihez ;-)). A mezővonalak oda mennek, ahol a csavart (hagyományos jobbmenetes) el kell forgatni, hogy a menet mentén az áram irányába mozogjon.

Használja azt a szabályt, amelyik a legjobban megfelel Önnek. Jobb, ha megszokja az óramutató járásával megegyező irányú szabályt – később meglátja, hogy univerzálisabb és könnyebben használható (majd hálásan emlékezzen rá az első évben, amikor analitikus geometriát tanul).

ábrán. 3, valami új is megjelent: ez egy vektor, amit ún mágneses tér indukció, vagy mágneses indukció. A mágneses indukciós vektor az intenzitásvektor analógja elektromos mező: ő szolgál teljesítmény jellemző mágneses tér, amely meghatározza azt az erőt, amellyel a mágneses tér a mozgó töltésekre hat.

A mágneses térben fellépő erőkről később lesz szó, de egyelőre csak annyit jegyezzük meg, hogy a mágneses tér nagyságát és irányát a mágneses indukciós vektor határozza meg. A tér minden pontjában a vektor ugyanabba az irányba mutat, mint a behelyezett iránytű északi vége. adott pont, nevezetesen a mező vonalának érintője ennek a vonalnak az irányában. A mágneses indukció mértéke teslach(Tl).

Mint az elektromos tér esetében, a mágneses tér indukciójához, szuperpozíció elve. Ez abban rejlik, hogy az adott ponton különböző áramok által létrehozott mágneses mezők indukcióját vektorosan összeadjuk, és a kapott mágneses indukció vektorát kapjuk:.

Egy tekercs mágneses tere árammal

Vegyünk egy kör alakú tekercset, amelyen keresztül egyenáram kering. Az ábrán nem mutatjuk be az áramot létrehozó forrást.

A kanyarunk mezőjének vonalainak képe megközelítőleg a következő alakú lesz (4. ábra).

Rizs. 4. A tekercs mezeje árammal

Fontos lesz, hogy meg tudjuk határozni, melyik féltérbe (a tekercs síkjához viszonyítva) irányul a mágneses tér. Ismét két alternatív szabályunk van.

óramutató szabály. A mezővonalak oda mennek, onnan nézve, ahonnan az áram az óramutató járásával ellentétes irányban kering.

csavaros szabály. A térvonalak oda mennek, ahol a csavar (hagyományos jobbmenetes menettel) elmozdulna, ha az áram irányába forgatják.

Mint látható, az áram és a mező szerepe felcserélődik - összehasonlítva ezen szabályok egyenáram esetén megfogalmazott megfogalmazásával.

Egy tekercs mágneses tere árammal

Tekercs kiderül, ha szorosan, tekercs a tekercs, tekerje fel a vezetéket egy kellően hosszú spirálba (5. ábra - kép az en.wikipedia.org webhelyről). A tekercsnek több tíz, száz vagy akár több ezer fordulata is lehet. A tekercset is hívják szolenoid.

Rizs. 5. Tekercs (szolenoid)

Egy fordulat mágneses tere, mint tudjuk, nem tűnik túl egyszerűnek. Mezők? A tekercs egyes menetei egymásra vannak helyezve, és úgy tűnik, hogy az eredmény nagyon zavaros lesz. Ez azonban nem így van: egy hosszú tekercs mezője váratlanul egyszerű szerkezetű (6. ábra).

Rizs. 6. tekercs mező árammal

Ezen az ábrán a tekercs árama balról nézve az óramutató járásával ellentétes irányba megy (ez akkor történik meg, ha az 5. ábrán a tekercs jobb vége az áramforrás „pluszához”, a bal vége pedig a a „mínusz”). Látjuk, hogy a tekercs mágneses tere két jellemző tulajdonsággal rendelkezik.

1. A tekercs belsejében, a széleitől távol, a mágneses tér van homogén: minden pontban a mágneses indukciós vektor nagysága és iránya azonos. A mezővonalak párhuzamos egyenesek; csak a tekercs szélei közelében hajlanak meg, amikor kimennek.

2. A tekercsen kívül a mező nullához közeli. Minél több fordulat van a tekercsben, annál gyengébb a mező rajta kívül.

Figyeljük meg, hogy a végtelenül hosszú tekercs egyáltalán nem bocsát ki teret: a tekercsen kívül nincs mágneses tér. Egy ilyen tekercsen belül a mező mindenhol egységes.

Nem emlékeztet semmire? A tekercs a kondenzátor "mágneses" megfelelője. Emlékszel, hogy a kondenzátor egységes elektromos mezőt hoz létre magában, amelynek vonalai csak a lemezek szélei közelében görbültek, és a kondenzátoron kívül a mező közel nulla; egy végtelen lemezes kondenzátor egyáltalán nem engedi ki a mezőt, és a mező mindenhol egységes benne.

És most - a fő megfigyelés. Hasonlítsa össze a tekercsen kívüli mágneses erővonalak képét (6. ábra) a 2. ábrán látható mágnes erővonalaival. 1 . Ez ugyanaz, nem? És most elérkeztünk egy olyan kérdéshez, amely valószínűleg már régen felmerült benned: ha egy mágneses mezőt generálnak az áramok és az áramokra hat, akkor mi az oka annak, hogy egy állandó mágnes közelében mágneses tér jelenik meg? Végül is ez a mágnes nem tűnik áramvezetőnek!

Ampère hipotézise. Elemi áramok

Eleinte úgy gondolták, hogy a mágnesek kölcsönhatása a pólusokon koncentrálódó speciális mágneses töltéseknek köszönhető. De az elektromossággal ellentétben senki sem tudta elkülöníteni a mágneses töltést; végül is, mint már említettük, nem lehetett külön megszerezni a mágnes északi és déli pólusát - a pólusok mindig párban vannak a mágnesben.

A mágneses töltésekkel kapcsolatos kételyeket Oersted tapasztalata fokozta, amikor kiderült, hogy a mágneses teret elektromos áram generálja. Ezenkívül kiderült, hogy bármely mágneshez kiválasztható egy megfelelő konfigurációjú áramú vezető úgy, hogy ennek a vezetőnek a tere egybeesik a mágnes mezőjével.

Ampere merész hipotézist állított fel. Nincsenek mágneses töltések. A mágnes működését a benne lévő zárt elektromos áramok magyarázzák..

Mik ezek az áramlatok? Ezek elemi áramok keringenek az atomokban és molekulákban; az elektronok atomi pályán való mozgásához kapcsolódnak. Bármely test mágneses tere ezen elemi áramok mágneses mezőiből áll.

Az elemi áramok egymáshoz képest véletlenszerűen helyezkedhetnek el. Ekkor a mezőik kioltják egymást, és a test nem mutat mágneses tulajdonságokat.

De ha az elemi áramok koordináltak, akkor mezőik, összeadva, erősítik egymást. A test mágnessé válik (7. ábra; a mágneses tér felénk, a mágnes északi pólusa is felénk irányul).

Rizs. 7. Elemi mágnesáramok

Ampere elemi áramokra vonatkozó hipotézise tisztázta a mágnesek tulajdonságait: a mágnes hevítése és rázása tönkreteszi elemi áramainak elrendezését, a mágneses tulajdonságok gyengülnek. Nyilvánvalóvá vált a mágnespólusok szétválaszthatatlansága: a mágnes elvágásának helyén ugyanazokat az elemi áramokat kapjuk a végein. A test mágneses térben való mágnesezhetőségét a megfelelően „forduló” elemi áramok összehangolt elrendezése magyarázza (a köráram mágneses térben való forgásáról a következő lapon olvashat).

Ampère hipotézise helyesnek bizonyult – mutatkozott meg további fejlődés fizika. Az elemi áramok fogalma az atomelmélet szerves részévé vált, amelyet már a huszadik században - csaknem száz évvel Ampère briliáns sejtése után - fejlesztettek ki.

Ebben a leckében, melynek témája: „Egy állandó mágneses tere elektromos áram”, megtudjuk, mi a mágnes, hogyan kölcsönhatásba lép más mágnesekkel, felírjuk a mágneses tér és a mágneses indukciós vektor definícióit, valamint a gimlet szabályt a mágneses indukciós vektor irányának meghatározására is felhasználjuk.

Mindannyian mágnest tartottatok a kezében, és ismeri annak csodálatos tulajdonságát: távolról kölcsönhatásba lép egy másik mágnessel vagy egy vasdarabbal. Mi az, ami a mágnesben adja ezeket a csodálatos tulajdonságokat? Készíthetsz saját mágnest? Lehetséges, és ami ehhez szükséges - tanulni fog a leckénkből. Legyünk előrébb: ha egy egyszerű vasszöget veszünk, annak nem lesz mágneses tulajdonsága, de ha dróttal körbetekerjük és akkumulátorhoz kötjük, mágnest kapunk (lásd 1. ábra).

Rizs. 1. Drótba csavart és akkumulátorhoz csatlakoztatott szög

Kiderült, hogy a mágnes megszerzéséhez elektromos áramra van szükség - egy elektromos töltés mozgására. Az állandó mágnesek, például a hűtőmágnesek tulajdonságai is összefüggenek az elektromos töltés mozgásával. Egy bizonyos mágneses töltés, mint az elektromos, nem létezik a természetben. Nincs rá szükség, elég mozgó elektromos töltés.

Az egyenáram mágneses terének vizsgálata előtt meg kell állapodni a mágneses tér kvantitatív leírásának módjában. A mágneses jelenségek kvantitatív leírásához szükséges bevezetni a mágneses térre jellemző erőt. A mágneses teret kvantitatívan jellemző vektormennyiséget mágneses indukciónak nevezzük. Általában nagy latin B betűvel jelölik, Teslában mérve.

Mágneses indukció - vektor mennyiség, amely a tér adott pontjában a mágneses térre jellemző erő. A mágneses tér irányát az elektrosztatika modelljével analóg módon határozzuk meg, amelyben a mezőt nyugalmi próbatöltésre gyakorolt ​​hatás jellemzi. Csak itt egy mágneses tűt (hosszúkás állandó mágnes) használnak "próbaelemként". Láttál egy ilyen nyilat az iránytűben. A mágneses tér irányának egy bizonyos ponton azt az irányt vesszük, amely a mágnestű N északi pólusát jelzi az átirányítás után (lásd a 2. ábrát).

A mágneses térről teljes és tiszta képet kaphatunk az úgynevezett mágneses erővonalak megszerkesztésével (lásd 3. ábra).

Rizs. 3. Állandó mágnes mágneses terének mezővonalai

Ezek olyan vonalak, amelyek a mágneses indukciós vektor irányát mutatják (vagyis a mágnestű N pólusának irányát) a tér minden pontjában. Egy mágnestű segítségével így képet kaphatunk a különböző mágneses mezők erővonalairól. Itt van például egy kép egy állandó mágnes mágneses erővonalairól (lásd a 4. ábrát).

Rizs. 4. Állandó mágnes mágneses terének mezővonalai

Mágneses tér minden pontban létezik, de vonalakat húzunk egymástól bizonyos távolságra. Ez csak egy módja a mágneses mező ábrázolásának, hasonlóan az elektromos térerősséghez (lásd 5. ábra).

Rizs. 5. Elektromos térerősség vonalak

Minél sűrűbben húzzuk meg a vonalakat, annál nagyobb a mágneses indukció modulusa a tér adott tartományában. Amint látható (lásd a 4. ábrát), az erővonalak kilépnek a mágnes északi pólusából és belépnek a déli pólusba. A mágnes belsejében az erővonalak is folytatódnak. Ellentétben az elektromos erővonalakkal, amelyek pozitív töltéseknél kezdődnek és negatív töltéseknél végződnek, a mágneses erővonalak zártak (lásd 6. ábra).

Rizs. 6. A mágneses erővonalak zárva vannak

Az olyan mezőt, amelynek az erővonalai zártak, örvényvektormezőnek nevezzük. Az elektrosztatikus tér nem örvény, hanem potenciál. Az alapvető különbség az örvény- és a potenciálmezők között, hogy a potenciálmező munkája bármely zárt pályán nulla, de ez nem igaz az örvénytérre. A föld is egy hatalmas mágnes, van egy mágneses tere, amit egy iránytűvel érzékelünk. Olvasson többet a Föld mágneses mezőjéről az ágban.

A Föld bolygónk egy nagy mágnes, amelynek pólusai a felszín és a forgástengely metszéspontja közelében helyezkednek el. Földrajzilag ezek a Déli és Északi-sark. Ez az oka annak, hogy az iránytűben lévő nyíl, amely egyben mágnes is, kölcsönhatásba lép a Földdel. Olyan tájolású, hogy az egyik vége az Északi-sarkra, a másik a délre mutasson (lásd 7. ábra). 7. ábra. Az iránytűben lévő nyíl kölcsönhatásba lép a Földdel Azt, amelyik a Föld északi sarkára mutat, N-nek nevezték, ami azt jelenti, hogy észak - angol fordításban "észak". És az, amelyik a Föld déli sarkára mutat - S, ami Délt jelent - angolul "South" fordítva. Mivel a mágnesek ellentétes pólusai vonzódnak, a nyíl északi pólusa a Föld déli mágneses pólusára mutat (lásd 8. ábra). Rizs. 8. Az iránytű és a Föld mágneses pólusainak kölcsönhatása Kiderült, hogy a déli mágneses pólus az északi földrajzi területen található. És fordítva, az északi mágnes a Föld déli földrajzi pólusán található.

Most, miután megismerkedtünk a mágneses tér modelljével, egy egyenáramú vezető terét vizsgáljuk. A 19. században a dán tudós, Oersted felfedezte, hogy a mágneses tű kölcsönhatásba lép egy vezetővel, amelyen elektromos áram folyik (lásd 9. ábra).

Rizs. 9. Mágneses tű kölcsönhatása vezetővel

A gyakorlat azt mutatja, hogy az árammal rendelkező egyenes vonalú vezető mágneses mezőjében a mágneses tű minden pontban érintőlegesen egy bizonyos körhöz kerül. Ennek a körnek a síkja merőleges az árammal rendelkező vezetőre, középpontja pedig a vezető tengelyén van (lásd 10. ábra).

Rizs. 10. A mágnestű elhelyezkedése az egyenes vezető mágneses terében

Ha megváltoztatja a vezetéken áthaladó áram irányát, akkor a mágneses tű minden ponton befordul ellenkező oldal(lásd a 11. ábrát).

Rizs. 11. Az elektromos áram áramlási irányának megváltoztatásakor

Vagyis a mágneses tér iránya a vezetőn áthaladó áram irányától függ. Ez a függőség egy egyszerű, kísérletileg megállapított módszerrel írható le - gimlet szabályok:

ha a karmantyú transzlációs mozgásának iránya egybeesik a vezetőben folyó áram irányával, akkor a fogantyújának forgásiránya egybeesik az e vezető által létrehozott mágneses tér irányával (lásd 12. ábra).

Tehát az árammal rendelkező vezető mágneses tere minden pontban tangenciálisan egy, a vezetőre merőleges síkban fekvő körre irányul. A kör középpontja egybeesik a vezető tengelyével. A mágneses tér vektorának iránya az egyes pontokban a kardánszabály szerint összefügg a vezetőben folyó áram irányával. Tapasztalatilag az áramerősség és a vezetőtől való távolság megváltoztatásakor azt találtuk, hogy a mágneses indukciós vektor modulusa arányos az áramerősséggel és fordítottan arányos a vezető távolságával. A végtelen áramot vezető vezető által létrehozott mező mágneses indukciós vektorának modulusa egyenlő:

ahol az arányossági együttható, amely gyakran megtalálható a mágnesességben. Ezt a vákuum mágneses permeabilitásának nevezik. Számszerűen egyenlő:

A mágneses mezőkre és az elektromos mezőkre is érvényes a szuperpozíció elve. A tér egy pontján különböző források által létrehozott mágneses mezők összeadódnak (lásd 13. ábra).

Rizs. 13. A különböző forrásokból származó mágneses mezők összeadódnak

Egy ilyen mező teljes teljesítményjellemzője az egyes források mezői teljesítményjellemzőinek vektorösszege lesz. Az áram által egy bizonyos ponton létrejövő mező mágneses indukciójának nagysága növelhető, ha a vezetőt körbe hajlítjuk. Ez világos lesz, ha figyelembe vesszük egy ilyen huzaltekercs kis szegmenseinek mágneses mezőit a tekercs belsejében. Például a központban.

A jelű szakasz a gimlet szabály szerint felfelé mutató mezőt hoz létre benne (lásd 14. ábra).

Rizs. 14. A szegmensek mágneses tere

A szegmens hasonlóképpen mágneses teret hoz létre ezen a ponton oda irányítva. Ugyanez igaz a többi szegmensre is. Ekkor a teljes erőkarakterisztika (vagyis a B mágneses indukciós vektor) ezen a ponton az összes kis szegmens mágneses mezőinek erőkarakterisztikája ezen a ponton szuperpozíciója lesz, és felfelé irányul (lásd 15. ábra).

Rizs. 15. Teljes teljesítmény karakterisztika a tekercs közepén

Tetszőleges tekercs esetén, amely nem feltétlenül kör alakú, például négyzet alakú keretnél (lásd 16. ábra), a tekercs belsejében lévő vektor értéke természetesen függ a tekercs alakjától, méretétől és az áramerősségtől. erőssége benne, de a mágneses indukciós vektor iránya mindig ugyanúgy lesz meghatározva (kis szegmensek által létrehozott mezők szuperpozíciójaként).

Rizs. 16. Négyzet alakú keretszegmensek mágneses tere

Részletesen leírtuk a tekercsen belüli mező irányának meghatározását, de általános esetben ez egy kicsit módosított kardánszabály szerint sokkal könnyebben meg lehet találni:

ha a kardán fogantyúját abba az irányba forgatod, amerre az áram folyik a tekercsben, akkor a kardán hegye jelzi a tekercsen belüli mágneses indukciós vektor irányát (lásd 17. ábra).

Vagyis most a fogantyú forgása az áram irányának, a kardán mozgása pedig a mező irányának felel meg. És nem fordítva, mint az egyenes vezető esetében. Ha egy hosszú vezetéket, amelyen keresztül áramlik, egy rugóba tekercselnek, akkor ez az eszköz egy menetsorozat lesz. A tekercs minden egyes menetének mágneses mezői a szuperpozíció elve szerint összeadódnak. Így a tekercs által egy bizonyos ponton létrehozott mező az adott ponton az egyes fordulatok által létrehozott mezők összege lesz. Egy ilyen tekercs mezőjének mezővonalainak képe az ábrán látható. 18.

Rizs. 18. A tekercs tápvezetékei

Az ilyen eszközt tekercsnek, szolenoidnak vagy elektromágnesnek nevezik. Könnyen belátható, hogy a tekercs mágneses tulajdonságai megegyeznek az állandó mágnesével (lásd 19. ábra).

Rizs. 19. A tekercs és az állandó mágnes mágneses tulajdonságai

A tekercs egyik oldala (amely a fenti képen látható) a mágnes északi pólusának, a másik oldalon pedig a déli pólusnak a szerepét tölti be. Egy ilyen eszközt széles körben alkalmaznak a technikában, mert irányítható: csak akkor válik mágnessé, ha a tekercsben az áramot bekapcsolják. Vegye figyelembe, hogy a tekercs belsejében lévő mágneses erővonalak közel párhuzamosak és sűrűek. A mágnesszelep belsejében lévő mező nagyon erős és egyenletes. A tekercsen kívüli mező nem egyenletes, sokkal gyengébb, mint a belső tér, és ellenkező irányban irányul. A tekercsen belüli mágneses tér irányát a gimlet szabály határozza meg, mint az egy fordulaton belüli mező esetében. A fogantyú forgásirányához a tekercsen átfolyó áram irányát vesszük, a kardán mozgása pedig a benne lévő mágneses tér irányát jelzi (lásd 20. ábra).

Rizs. 20. Az orsó karmantyújának szabálya

Ha egy áramvezető tekercset mágneses térbe helyezünk, akkor az újrairányítja magát, mint egy mágneses tű. A forgást okozó erőnyomaték a mágneses indukcióvektor adott ponton lévő modulusához, a tekercs területéhez és a benne lévő áramerősséghez kapcsolódik a következő összefüggéssel:

Most már világossá válik számunkra, hogy honnan származnak az állandó mágnes mágneses tulajdonságai: az atomban zárt úton mozgó elektron olyan, mint egy tekercs árammal, és mint a tekercsnek van mágneses tere. És amint a tekercs példáján láttuk, sok áramkör bizonyos módon rendezve erős mágneses mezővel rendelkezik.

Az állandó mágnesek által létrehozott mező a bennük lévő töltések mozgásának eredménye. Ezek a töltések pedig elektronok az atomokban (lásd 21. ábra). Rizs. 21. Elektronok mozgása az atomokban Magyarázzuk meg minőségi szinten előfordulásának mechanizmusát. Mint tudják, az atomban lévő elektronok mozgásban vannak. Tehát minden egyes atomban minden elektron saját mágneses mezőt hoz létre, így hatalmas számú, egy atomnyi mágnest kapunk. A legtöbb anyagban ezek a mágnesek és mágneses mezőik véletlenszerűen orientáltak. Ezért a test által létrehozott teljes mágneses tér nulla. De vannak olyan anyagok, amelyekben az egyes elektronok által létrehozott mágneses mezők ugyanúgy orientálódnak (lásd 22. ábra). Rizs. 22. A mágneses mezők tájolása azonos Ezért az egyes elektronok által létrehozott mágneses mezők összeadódnak. Ennek eredményeként az ilyen anyagból készült test mágneses mezővel rendelkezik, és állandó mágnes. Külső mágneses térben az egyes atomok vagy atomcsoportok, amelyeknek, mint megtudtuk, saját mágneses mezővel rendelkeznek, iránytűként forognak (lásd 23. ábra). Rizs. 23. Atomok forgása külső mágneses térben Ha azelőtt nem egy irányba orientáltak és nem alkottak erős összmágneses teret, akkor az elemi mágnesek rendezése után a mágneses mezőik összeadódnak. És ha egy külső mező hatása után a rend megmarad, az anyag mágnes marad. A leírt folyamatot mágnesezésnek nevezzük.

Jelölje ki a mágnesszelepet tápláló áramforrás pólusait az ábrán látható módon. 24 interakció. Okoskodjunk: az a mágnesszelep, amelyben egyenáram folyik, mágnesként viselkedik.

Rizs. 24. Aktuális forrás

ábra szerint. A 24. ábra azt mutatja, hogy a mágnestű déli pólusával a mágnesszelep felé van orientálva. Mint a mágnesek pólusai taszítják egymást, míg az ellentétes pólusok vonzzák egymást. Ebből következik, hogy magának a mágnesszelepnek a bal pólusa az északi (lásd 25. ábra).

Rizs. 25. A mágnesszelep bal pólusa észak

A mágneses indukció vonalai elhagyják az északi pólust és belépnek a délibe. Ez azt jelenti, hogy a mágnesszelep belsejében lévő mező balra irányul (lásd 26. ábra).

Rizs. 26. A mágnesszelep belsejében lévő mező balra irányul

Nos, a mágnesszelepen belüli mező irányát a gimlet-szabály határozza meg. Tudjuk, hogy a mező balra van irányítva, ezért képzeljük el, hogy a karmantyú ebbe az irányba van csavarva. Ekkor a fogantyúja jelzi az áram irányát a mágnesszelepben - jobbról balra (lásd 27. ábra).

Az áram irányát a pozitív töltés mozgási iránya határozza meg. A pozitív töltés egy nagy potenciállal rendelkező pontból (a forrás pozitív pólusa) egy kisebb pólusú pontba (a forrás negatív pólusa) mozog. Ezért a jobb oldalon található forráspólus pozitív, a bal oldalon negatív (lásd 28. ábra).

Rizs. 28. Forráspólusok meghatározása

2. feladat

Egy 400 területű keretet egyenletes mágneses térbe helyeznek 0,1 T indukcióval úgy, hogy a keret normálja merőleges legyen az indukciós vonalakra. Mekkora áramerősségnél hat a 20 nyomaték a keretre (lásd 29. ábra)?

Rizs. 29. Rajz a 2. feladathoz

Indokold meg: a forgást okozó erőnyomaték a mágneses indukciós vektor adott pontban mért modulusához, a tekercs területéhez és a benne lévő áramerősséghez kapcsolódik a következő összefüggéssel:

Esetünkben minden szükséges adat rendelkezésre áll. Marad a kívánt áramerősség kifejezése és a válasz kiszámítása:

Probléma megoldódott.

Bibliográfia

1. Sokolovics Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: Kézikönyv problémamegoldási példákkal. - 2. kiadás újraelosztása. - X .: Vesta: "Ranok" Kiadó, 2005. - 464 p.
2. Myakishev G.Ya. Fizika: Proc. 11 cellához. Általános oktatás intézmények. - M.: Oktatás, 2010.

1. „Knowledge Hypermarket” internetes portál ()
2. „A DER egységes gyűjteménye” internetes portál ()

Házi feladat

Ahogy az elektromos töltés nyugalmi állapotban egy másik töltésre hat az elektromos mezőn keresztül, az elektromos áram egy másik, átmenő áramra hat mágneses mező. A mágneses tér állandó mágnesekre gyakorolt ​​hatása az anyag atomjaiban mozgó és mikroszkopikus körkörös áramokat létrehozó töltésekre redukálódik.

doktrínája elektromágnesesség két feltételezés alapján:

• a mágneses tér mozgó töltésekre és áramokra hat;
• áramok és mozgó töltések körül mágneses tér keletkezik.

Mágnesek kölcsönhatása

Állandómágnes(vagy mágneses tű) a Föld mágneses meridiánja mentén helyezkedik el. Az északra mutató vég ún északi sark (N) és az ellenkező vége az Déli-sark(S). Két mágnest egymáshoz közelítve észrevesszük, hogy a hasonló pólusaik taszítják, a szemben lévők pedig vonzzák ( rizs. 1 ).

Ha szétválasztjuk a pólusokat úgy, hogy az állandó mágnest két részre vágjuk, akkor azt fogjuk látni, hogy mindegyiknek meglesz két pólus, azaz állandó mágnes lesz ( rizs. 2 ). Mindkét pólus - északi és déli - elválaszthatatlan egymástól, egyenlő.

A Föld vagy az állandó mágnesek által létrehozott mágneses mezőt az elektromos mezőhöz hasonlóan mágneses erővonalak ábrázolják. Bármely mágnes mágneses erővonalairól képet kaphatunk, ha ráhelyezünk egy papírlapot, amelyre egyenletes rétegben vasreszeléket öntünk. Mágneses mezőbe kerülve a fűrészpor mágnesezett lesz - mindegyiknek északi és déli pólusa van. A szemközti pólusok hajlamosak közeledni egymáshoz, de ezt megakadályozza a fűrészpor súrlódása a papíron. Ha az ujjával megütögeti a papírt, a súrlódás csökken, és a reszelések egymáshoz vonzódnak, láncokat képezve, amelyek egy mágneses mező vonalait képviselik.

Tovább rizs. 3 mutatja a fűrészpor közvetlen mágnesének helyét és a mágneses erővonalak irányát jelző kis mágneses nyilak helyét. Ehhez az irányhoz a mágnestű északi pólusának irányát veszik.

Oersted tapasztalata. Mágneses mező áram

BAN BEN eleje XIX V. dán tudós Oersted felfedezésével fontos felfedezést tett elektromos áram hatása állandó mágnesekre . Egy hosszú vezetéket helyezett a mágnestű közelébe. Amikor áramot vezettek át a vezetéken, a nyíl elfordult, és megpróbált merőleges lenni rá ( rizs. 4 ). Ez a vezető körüli mágneses tér megjelenésével magyarázható.

Az egyenáramú vezető által létrehozott mező mágneses erővonalai koncentrikus körök, amelyek egy rá merőleges síkban helyezkednek el, és középpontjuk az áram áthaladási pontjában van ( rizs. 5 ). A vonalak irányát a jobb oldali csavarszabály határozza meg:

Ha a csavart az erővonalak irányába forgatjuk, akkor a vezetőben lévő áram irányába fog elmozdulni .

A mágneses térre jellemző erő az mágneses indukciós vektor B . Minden pontban érintőlegesen irányul a mezővonalhoz. Az elektromos térerővonalak pozitív töltéseken kezdődnek és negatív töltéseken végződnek, és az ebben a mezőben egy töltésre ható erő minden pontjában érintőlegesen irányul az egyenesre. Az elektromos térrel ellentétben a mágneses mező vonalai zártak, ami a "mágneses töltések" hiányának köszönhető.

Az áram mágneses tere alapvetően nem különbözik az állandó mágnes által létrehozott mezőtől. Ebben az értelemben a lapos mágnes analógja egy hosszú mágnesszelep - egy huzaltekercs, amelynek hossza sokkal nagyobb, mint az átmérője. Az általa létrehozott mágneses tér vonalainak diagramja, amelyben ábrázolt rizs. 6 , hasonló a lapos mágneshez ( rizs. 3 ). A körök a szolenoid tekercsét alkotó vezetékszakaszokat jelölik. A vezetéken átfolyó áramokat a megfigyelőből keresztek, az ellenkező irányú - a megfigyelő felé irányuló - áramokat pedig pontok jelzik. Ugyanezeket a jelöléseket fogadjuk el a mágneses erővonalaknál, ha merőlegesek a rajz síkjára ( rizs. 7 a, b).

A mágnestekercsben lévő áram irányát és a benne lévő mágneses erővonalak irányát a jobboldali csavarszabály is összefügg, amely ebben az esetben a következőképpen fogalmazódik meg:

Ha a mágnesszelep tengelye mentén nézünk, akkor az óramutató járásával megegyező irányban folyó áram mágneses mezőt hoz létre benne, amelynek iránya egybeesik a jobb oldali csavar mozgási irányával ( rizs. 8 )

E szabály alapján könnyen kitalálható, hogy az ábrán látható mágnesszelep rizs. 6 , jobb vége az északi pólus, bal vége pedig a déli pólus.

A mágneses tér a szolenoid belsejében homogén - a mágneses indukciós vektornak ott állandó értéke van (B = const). Ebben a tekintetben a mágnesszelep hasonló egy lapos kondenzátorhoz, amelyen belül egyenletes elektromos tér jön létre.

Az árammal rendelkező vezetőre mágneses térben ható erő

Kísérletileg megállapították, hogy mágneses térben erő hat az áramot vezető vezetőre. Egyenletes térben a B térvektorra merőlegesen elhelyezkedő, l hosszúságú egyenes vonalú vezető, amelyen keresztül az I áram folyik, a következő erőt fejti ki: F = I l B .

Az erő iránya meg van határozva bal kéz szabály:

Ha a bal kéz négy kinyújtott ujját a vezetőben lévő áram irányába helyezzük, és a tenyér merőleges a B vektorra, akkor a visszahúzott hüvelykujj jelzi a vezetőre ható erő irányát. (rizs. 9 ).

Meg kell jegyezni, hogy a mágneses térben áramló vezetőre ható erő nem érintőlegesen irányul az erővonalaira, mint egy elektromos erő, hanem merőlegesen rájuk. Az erővonalak mentén elhelyezkedő vezetőre a mágneses erő nem hat.

Az egyenlet F = IlB adjunk mennyiségi jellemző mágneses tér indukció.

Hozzáállás nem függ a vezető tulajdonságaitól és magát a mágneses teret jellemzi.

B mágneses indukciós vektor modulusa numerikusan egyenlő az erővel rá merőlegesen elhelyezkedő egységnyi hosszúságú vezetőre hatva, amelyen egy amperes áram folyik át.

Az SI rendszerben a mágneses tér indukciójának mértékegysége a tesla (T):

Mágneses mező. Táblázatok, diagramok, képletek

(Mágnesek kölcsönhatása, Oersted kísérlete, mágneses indukciós vektor, vektor iránya, szuperpozíció elve. Mágneses terek, mágneses indukciós vonalak grafikus ábrázolása. mágneses fluxus, a mezőre jellemző energia. Mágneses erők, Amper-erő, Lorentz-erő. Töltött részecskék mozgása mágneses térben. Az anyag mágneses tulajdonságai, Ampere hipotézise)

"A mágneses tér meghatározása" - A kísérletek során kapott adatok szerint töltse ki a táblázatot! J. Verne. Amikor mágnest viszünk a mágnestűhöz, az elfordul. Mágneses mezők grafikus ábrázolása. Hans Christian Oersted. Elektromos mező. A mágnesnek két pólusa van: északi és déli. Az ismeretek általánosításának és rendszerezésének szakasza.

"Mágneses mező és grafikus ábrázolása" - Nem egyenletes mágneses tér. Tekercsek árammal. mágneses vonalak. Ampère hipotézise. A rúdmágnes belsejében. Ellentétes mágneses pólusok. Sarki fény. Az állandó mágnes mágneses tere. Mágneses mező. A Föld mágneses tere. Mágneses pólusok. Biometrológia. koncentrikus körök. Egységes mágneses tér.

"Mágneses mező energia" - Skaláris érték. Az induktivitás számítása. Permanens mágneses mezők. Pihenő idő. Az induktivitás definíciója. tekercs energia. Extraáramok egy induktivitású áramkörben. Átmeneti folyamatok. Energia sűrűség. Elektrodinamika. Oszcillációs áramkör. Impulzus mágneses tér. Önindukció. A mágneses mező energiasűrűsége.

"A mágneses mező jellemzői" - Mágneses indukció vonalai. Gimlet szabálya. Forgatás az erővonalak mentén. A Föld mágneses mezejének számítógépes modellje. Mágneses állandó. Mágneses indukció. A töltéshordozók száma. A mágneses indukciós vektor beállításának három módja. Az elektromos áram mágneses tere. William Hilbert fizikus.

"A mágneses mező tulajdonságai" - Az anyag típusa. Mágneses tér mágneses indukciója. Mágneses indukció. Állandómágnes. A mágneses indukció néhány értéke. Mágneses tű. Hangszóró. Mágneses indukciós vektor modulusa. A mágneses indukció vonalai mindig zártak. Az áramok kölcsönhatása. Nyomaték. Az anyag mágneses tulajdonságai.

"Részecskék mozgása mágneses térben" - Spektrográf. A Lorentz-erő hatásának megnyilvánulása. Lorentz erő. Ciklotron. A Lorentz-erő nagyságának meghatározása. Ellenőrző kérdések. A Lorentz-erő irányai. Csillagközi anyag. A kísérlet feladata. Beállítások megváltoztatása. Mágneses mező. Tömegspektrográf. Részecskék mozgása mágneses térben. Katódsugárcső.

A témában összesen 20 előadás hangzik el

Előadás: Oersted tapasztalata. Az áramvezető mágneses tere. Egy hosszú egyenes vezető és egy zárt gyűrűs vezető térvonalainak mintázata, egy tekercs árammal

Oersted tapasztalata

Egyes anyagok mágneses tulajdonságai már régóta ismertek az emberek számára. Nem is olyan régi felfedezés azonban az volt, hogy a mágneses és elektromos természet az anyagok rokonok. Ezt a kapcsolatot mutatták be Oersted aki elektromos árammal végzett kísérleteket. Egészen véletlenül a vezető mellett, amelyen az áram folyt, egy mágnes található. Meglehetősen élesen megváltoztatta az irányt abban az időben, amikor az áram átfolyt a vezetékeken, és visszatért eredeti helyzetébe, amikor az áramköri kulcs nyitva volt.

Ebből a tapasztalatból arra a következtetésre jutottak, hogy a vezető körül mágneses mező képződik, amelyen az áram folyik. Vagyis megteheti következtetés: az elektromos teret minden töltés okozza, a mágneses teret pedig csak az irányított mozgású töltések körül.

Vezető mágneses mező

Ha figyelembe vesszük egy vezető keresztmetszetét árammal, akkor annak mágneses vonalak különböző átmérőjű körök lesznek a vezető körül.

A vezető körüli áram vagy mágneses erővonalak irányának meghatározásához használja a szabályt jobb oldali csavar:

Ha jobb kezével megfogja a vezetőt, és hüvelykujjával az áram irányába irányítja, akkor a behajlított ujjak mutatják a mágneses erővonalak irányát.

A mágneses mező teljesítményjellemzője a mágneses indukció. A mágneses erővonalakat néha indukciós vonalaknak nevezik.

Az indukciót a következőképpen jelöljük és mérjük: [V] = 1 T.

Emlékezet szerint az elektromos térre jellemző erőre a szuperpozíció elve érvényesült, ugyanez elmondható a mágneses térre is. Vagyis az eredményül kapott mezőindukció egyenlő az egyes pontokban lévő indukciós vektorok összegével.

tekercs árammal

Mint tudod, a karmesterek rendelkezhetnek különböző alakú, beleértve a több fordulatból álló. Az ilyen vezető körül mágneses tér is keletkezik. Ennek meghatározásához használja gimlet szabály:

Ha a tekercseket a kezével úgy fogja össze, hogy 4 behajlított ujj fogja össze őket, akkor a hüvelykujj megmutatja a mágneses tér irányát.