USE kodifikatora tēmas: magnētu mijiedarbība, vadītāja magnētiskais lauks ar strāvu.

Matērijas magnētiskās īpašības cilvēkiem ir zināmas jau ilgu laiku. Magnēti savu nosaukumu ieguvuši no senās pilsētas Magnēzijas: tās tuvumā bija plaši izplatīts minerāls (vēlāk saukts par magnētisko dzelzsrūdu vai magnetītu), kura gabali pievilka dzelzs priekšmetus.

Magnētu mijiedarbība

Katra magnēta divās pusēs atrodas Ziemeļpols Un dienvidpols. Divus magnētus viens otru pievelk pretējie poli un atgrūž līdzīgi poli. Magnēti var iedarboties viens uz otru pat caur vakuumu! Tomēr tas viss atgādina elektrisko lādiņu mijiedarbību magnētu mijiedarbība nav elektriska. Par to liecina šādi eksperimentālie fakti.

Magnētiskais spēks vājinās, kad magnēts tiek uzkarsēts. Punktu lādiņu mijiedarbības stiprums nav atkarīgs no to temperatūras.

Magnētiskais spēks tiek vājināts, kratot magnētu. Nekas līdzīgs nenotiek ar elektriski uzlādētiem ķermeņiem.

Pozitīvos elektriskos lādiņus var atdalīt no negatīvajiem (piemēram, kad ķermeņi ir elektrificēti). Bet magnēta polus nav iespējams atdalīt: ja magnētu sagriež divās daļās, tad griešanas vietā parādās arī stabi, un magnēts sadalās divos magnētos ar pretējiem poliem galos (orientēti tieši vienādi). veidā kā sākotnējā magnēta stabi).

Tātad magnēti Vienmēr bipolāri, tie pastāv tikai formā dipoli. Izolēti magnētiskie stabi (tā sauktie magnētiskie monopoli- elektriskā lādiņa analogi) dabā neeksistē (jebkurā gadījumā tie vēl nav eksperimentāli atklāti). Šī, iespējams, ir visiespaidīgākā asimetrija starp elektrību un magnētismu.

Tāpat kā elektriski uzlādēti ķermeņi, magnēti iedarbojas uz elektriskajiem lādiņiem. Tomēr magnēts iedarbojas tikai uz pārvietojas uzlāde; Ja lādiņš atrodas miera stāvoklī attiecībā pret magnētu, tad uz lādiņu nedarbojas nekāds magnētiskais spēks. Gluži pretēji, elektrificēts ķermenis iedarbojas uz jebkuru lādiņu neatkarīgi no tā, vai tas atrodas miera stāvoklī vai kustībā.

Autors modernas idejas maza attāluma darbības teorija, magnētu mijiedarbība tiek veikta caur magnētiskais lauks Proti, magnēts apkārtējā telpā rada magnētisko lauku, kas iedarbojas uz citu magnētu un izraisa redzamu šo magnētu pievilkšanos vai atgrūšanu.

Magnēta piemērs ir magnētiskā adata kompass. Ar magnētiskās adatas palīdzību var spriest par magnētiskā lauka klātbūtni noteiktā telpas reģionā, kā arī lauka virzienu.

Mūsu planēta Zeme ir milzīgs magnēts. Netālu no Zemes ģeogrāfiskā ziemeļpola atrodas dienvidu magnētiskais pols. Tāpēc kompasa adatas ziemeļu gals, pagriežoties uz Zemes dienvidu magnētisko polu, norāda uz ģeogrāfiskajiem ziemeļiem. Tādējādi patiesībā radās magnēta nosaukums "ziemeļpols".

Magnētiskā lauka līnijas

Elektrisko lauku, atceramies, pēta ar nelielu testa lādiņu palīdzību, pēc kuras var spriest par lauka lielumu un virzienu. Testa lādiņa analogs magnētiskā lauka gadījumā ir maza magnētiskā adata.

Piemēram, jūs varat iegūt ģeometrisku priekšstatu par magnētisko lauku, novietojot ļoti mazas kompasa adatas dažādos telpas punktos. Pieredze rāda, ka bultiņas sarindosies pa noteiktām līnijām – tā sauktajām magnētiskā lauka līnijas. Definēsim šo jēdzienu nākamo trīs rindkopu veidā.

1. Magnētiskā lauka līnijas jeb magnētiskās spēka līnijas ir kosmosā virzītas līnijas, kurām ir šāda īpašība: maza kompasa adata, kas novietota katrā šādas līnijas punktā, ir vērsta tangenciāli šai līnijai..

2. Magnētiskā lauka līnijas virziens ir kompasa adatu ziemeļu galu virziens, kas atrodas šīs līnijas punktos.

3. Jo biezākas ir līnijas, jo spēcīgāks ir magnētiskais lauks noteiktā telpas reģionā..

Kompasa adatu lomu var veiksmīgi pildīt dzelzs vīles: magnētiskajā laukā mazās vīles tiek magnetizētas un uzvedas tieši tāpat kā magnētiskās adatas.

Tātad, aplejot dzelzs vīles ap pastāvīgo magnētu, mēs redzēsim aptuveni šādu magnētiskā lauka līniju attēlu (1. att.).

Rīsi. 1. Pastāvīgā magnēta lauks

Magnēta ziemeļpols ir norādīts zilā krāsā un burts ; dienvidu pols - sarkanā krāsā un burts . Ņemiet vērā, ka lauka līnijas iziet no magnēta ziemeļpola un ieiet dienvidu polā, jo tieši uz magnēta dienvidu polu būs vērsts kompasa adatas ziemeļu gals.

Orsteda pieredze

Neraugoties uz to, ka elektriskās un magnētiskās parādības cilvēkiem ir zināmas kopš senatnes, ilgu laiku nav novērotas nekādas attiecības starp tām. Vairākus gadsimtus elektrības un magnētisma pētījumi notika paralēli un neatkarīgi viens no otra.

Ievērojamais fakts, ka elektriskās un magnētiskās parādības faktiski ir saistītas viena ar otru, pirmo reizi tika atklāts 1820. gadā slavenajā Oersted eksperimentā.

Orsteda eksperimenta shēma ir parādīta attēlā. 2 (attēls no rt.mipt.ru). Virs magnētiskās adatas (un - bultiņas ziemeļu un dienvidu polu) ir metāla vadītājs, kas savienots ar strāvas avotu. Ja aizver ķēdi, tad bultiņa pagriežas perpendikulāri vadītājam!
Šis vienkāršais eksperiments tieši norādīja uz saistību starp elektrību un magnētismu. Eksperimenti, kas sekoja Oersted pieredzei, stingri noteica šādu modeli: magnētisko lauku ģenerē elektriskās strāvas un iedarbojas uz strāvām.

Rīsi. 2. Orsteda eksperiments

Vadītāja ar strāvu ģenerētā magnētiskā lauka līniju attēls ir atkarīgs no vadītāja formas.

Taisnas stieples magnētiskais lauks ar strāvu

Taisnas stieples, kas nes strāvu, magnētiskā lauka līnijas ir koncentriski apļi. Šo apļu centri atrodas uz stieples, un to plaknes ir perpendikulāras vadam (3. att.).

Rīsi. 3. Tiešā vada lauks ar strāvu

Pastāv divi alternatīvi noteikumi līdzstrāvas magnētiskā lauka līniju virziena noteikšanai.

stundu rokas noteikums. Lauka līnijas iet pretēji pulksteņrādītāja virzienam, skatoties tā, lai strāva plūst pret mums..

skrūvju noteikums(vai karkasa noteikums, vai korķviļķa noteikums- kādam tas ir tuvāk ;-)). Lauka līnijas iet tur, kur skrūve (ar parasto labās puses vītni) ir jāpagriež, lai pārvietotos pa vītni strāvas virzienā.

Izmantojiet sev piemērotāko noteikumu. Labāk pierast pie pulksteņrādītāja virziena noteikuma – vēlāk redzēsit, ka tas ir universālāks un vieglāk lietojams (un tad ar pateicību atcerieties to pirmajā kursā, kad studējat analītisko ģeometriju).

Uz att. 3, ir parādījies arī kaut kas jauns: tas ir vektors, ko sauc magnētiskā lauka indukcija, vai magnētiskā indukcija. Magnētiskās indukcijas vektors ir intensitātes vektora analogs elektriskais lauks: viņš kalpo jaudas raksturlielums magnētiskais lauks, kas nosaka spēku, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz kustīgiem lādiņiem.

Par spēkiem magnētiskajā laukā runāsim vēlāk, bet pagaidām atzīmēsim tikai to, ka magnētiskā lauka lielumu un virzienu nosaka magnētiskās indukcijas vektors. Katrā telpas punktā vektors norāda tajā pašā virzienā, kurā atrodas kompasa adatas ziemeļu gals. dots punkts, proti, pieskares lauka līnijai šīs līnijas virzienā. Magnētiskā indukcija tiek mērīta collās teslach(Tl).

Tāpat kā elektriskā lauka gadījumā, magnētiskā lauka indukcijai, superpozīcijas princips. Tas slēpjas faktā, ka magnētisko lauku indukcija, ko noteiktā punktā rada dažādas strāvas, tiek pievienota vektoriski un iegūts magnētiskās indukcijas vektors:.

Spoles magnētiskais lauks ar strāvu

Apsveriet apļveida spoli, caur kuru cirkulē līdzstrāva. Attēlā mēs neparādījām avotu, kas rada strāvu.

Mūsu pagrieziena lauka līniju attēlam būs aptuveni šāda forma (4. att.).

Rīsi. 4. Spoles lauks ar strāvu

Mums būs svarīgi, lai mēs spētu noteikt, kurā pustelpā (attiecībā pret spoles plakni) ir vērsts magnētiskais lauks. Atkal mums ir divi alternatīvi noteikumi.

stundu rokas noteikums. Lauka līnijas iet uz turieni, skatoties no vietas, kur strāva, šķiet, cirkulē pretēji pulksteņrādītāja virzienam.

skrūvju noteikums. Lauka līnijas iet tur, kur skrūve (ar parastajiem labās puses vītnēm) pārvietotos, ja to pagrieztu strāvas virzienā.

Kā redzat, strāvas un lauka lomas ir apgrieztas - salīdzinājumā ar šo noteikumu formulējumiem līdzstrāvas gadījumā.

Spoles magnētiskais lauks ar strāvu

Spole izrādīsies, ja cieši, spoli uz spoli, uztiniet vadu pietiekami garā spirālē (5. att. - attēls no vietnes en.wikipedia.org). Spolē var būt vairāki desmiti, simti vai pat tūkstoši apgriezienu. Spoli sauc arī solenoīds.

Rīsi. 5. Spole (solenoīds)

Viena pagrieziena magnētiskais lauks, kā zināms, neizskatās īpaši vienkāršs. Lauki? atsevišķi spoles pagriezieni ir uzlikti viens otram, un šķiet, ka rezultātam vajadzētu būt ļoti mulsinošam attēlam. Tomēr tas tā nav: garās spoles laukam ir negaidīti vienkārša struktūra (6. att.).

Rīsi. 6. spoles lauks ar strāvu

Šajā attēlā strāva spolē iet pretēji pulksteņrādītāja virzienam, skatoties no kreisās puses (tas notiks, ja 5. attēlā spoles labais gals ir savienots ar strāvas avota “plusu”, bet kreisais gals "mīnuss"). Mēs redzam, ka spoles magnētiskajam laukam ir divas raksturīgas īpašības.

1. Spoles iekšpusē, prom no tās malām, atrodas magnētiskais lauks viendabīgs: katrā punktā magnētiskās indukcijas vektors ir vienāds pēc lieluma un virziena. Lauka līnijas ir paralēlas taisnas līnijas; tie noliecas tikai netālu no spoles malām, kad tie iziet.

2. Ārpus spoles lauks ir tuvu nullei. Jo vairāk pagriezienu spolē, jo vājāks lauks ārpus tās.

Ņemiet vērā, ka bezgalīgi gara spole vispār neizstaro lauku: ārpus spoles nav magnētiskā lauka. Šādas spoles iekšpusē lauks ir vienmērīgs visur.

Vai tas tev neko neatgādina? Spole ir kondensatora "magnētiskais" līdzinieks. Jūs atceraties, ka kondensators sevī rada vienmērīgu elektrisko lauku, kura līnijas ir izliektas tikai pie plākšņu malām, un ārpus kondensatora lauks ir tuvu nullei; kondensators ar bezgalīgām plāksnēm vispār neatbrīvo lauku, un lauks ir vienāds visur iekšā.

Un tagad - galvenais novērojums. Salīdziniet, lūdzu, magnētiskā lauka līniju attēlu ārpus spoles (6. att.) ar magnēta lauka līnijām attēlā. 1 . Tas ir viens un tas pats, vai ne? Un tagad mēs nonākam pie jautājuma, kas jums, iespējams, bija jau sen: ja magnētiskais lauks tiek ģenerēts no strāvas un iedarbojas uz strāvām, tad kāds ir iemesls magnētiskā lauka parādīšanās pastāvīgā magnēta tuvumā? Galu galā šis magnēts, šķiet, nav vadītājs ar strāvu!

Ampēra hipotēze. Elementārās strāvas

Sākumā tika uzskatīts, ka magnētu mijiedarbība ir saistīta ar īpašiem magnētiskiem lādiņiem, kas koncentrēti pie poliem. Bet, atšķirībā no elektrības, neviens nevarēja izolēt magnētisko lādiņu; galu galā, kā jau teicām, nebija iespējams atsevišķi iegūt magnēta ziemeļu un dienvidu polu - stabi vienmēr atrodas magnētā pa pāriem.

Šaubas par magnētiskajiem lādiņiem pastiprināja Orsteda pieredze, kad izrādījās, ka magnētisko lauku ģenerē elektriskā strāva. Turklāt izrādījās, ka jebkuram magnētam ir iespējams izvēlēties vadītāju ar atbilstošas ​​konfigurācijas strāvu, lai šī vadītāja lauks sakristu ar magnēta lauku.

Ampere izvirzīja drosmīgu hipotēzi. Nav magnētisko lādiņu. Magnēta darbība ir izskaidrojama ar slēgtām elektriskām strāvām tā iekšpusē..

Kas ir šīs strāvas? Šie elementāras strāvas cirkulēt atomos un molekulās; tie ir saistīti ar elektronu kustību atomu orbītās. Jebkura ķermeņa magnētisko lauku veido šo elementāro strāvu magnētiskie lauki.

Elementārās strāvas var atrasties nejauši viena pret otru. Tad to lauki atceļ viens otru, un ķermenis neuzrāda magnētiskās īpašības.

Bet, ja elementārās strāvas ir koordinētas, tad to lauki, summējot, viens otru pastiprina. Ķermenis kļūst par magnētu (7. att.; magnētiskais lauks būs vērsts pret mums; magnēta ziemeļpols arī būs vērsts pret mums).

Rīsi. 7. Elementāro magnētu strāvas

Ampera hipotēze par elementārām strāvām precizēja magnētu īpašības.Magnētu karsējot un kratot, tiek iznīcināts tā elementāro strāvu izvietojums, un magnētiskās īpašības vājinās. Magnētu polu nedalāmība kļuva acīmredzama: vietā, kur tika sagriezts magnēts, mēs iegūstam tās pašas elementārās strāvas galos. Ķermeņa spēja magnetizēties magnētiskajā laukā ir izskaidrojama ar elementāru strāvu koordinētu izlīdzināšanu, kas pareizi “griežas” (par apļveida strāvas griešanos magnētiskajā laukā lasiet nākamajā lapā).

Ampēra hipotēze izrādījās pareiza – tā parādīja tālākai attīstībai fizika. Elementāro strāvu jēdziens ir kļuvis par neatņemamu atoma teorijas sastāvdaļu, kas izstrādāta jau divdesmitajā gadsimtā - gandrīz simts gadus pēc Ampēra spožajiem minējumiem.

Šajā nodarbībā, kuras tēma ir: “Konstantes magnētiskais lauks elektriskā strāva”, uzzināsim, kas ir magnēts, kā tas mijiedarbojas ar citiem magnētiem, pierakstīsim magnētiskā lauka un magnētiskās indukcijas vektora definīcijas, kā arī izmantosim magnētiskās indukcijas vektora virziena noteikšanai ar kardāna likumu.

Katrs no jums turēja magnētu rokās un zina tā apbrīnojamo īpašību: tas no attāluma mijiedarbojas ar citu magnētu vai ar dzelzs gabalu. Kas tas ir par magnētu, kas tam piešķir šīs pārsteidzošās īpašības? Vai jūs varat izveidot savu magnētu? Tas ir iespējams, un kas tam ir vajadzīgs - jūs mācīsities no mūsu nodarbības. Tiksim priekšā: ja ņemam vienkāršu dzelzs naglu, tai nebūs magnētisko īpašību, bet, ja to aptinam ar vadu un savienosim ar akumulatoru, iegūstam magnētu (skat. 1. att.).

Rīsi. 1. Nagla, kas ietīta stieplē un savienota ar akumulatoru

Izrādās, lai iegūtu magnētu, nepieciešama elektriskā strāva – elektriskā lādiņa kustība. Pastāvīgo magnētu, piemēram, ledusskapja magnētu, īpašības ir saistītas arī ar elektriskā lādiņa kustību. Zināms magnētiskais lādiņš, tāpat kā elektriskais, dabā nepastāv. Tas nav vajadzīgs, pietiek ar kustīgu elektrisko lādiņu.

Pirms tiešās elektriskās strāvas magnētiskā lauka izpētes ir jāvienojas, kā kvantitatīvi aprakstīt magnētisko lauku. Magnētisko parādību kvantitatīvam aprakstam nepieciešams ieviest magnētiskajam laukam raksturīgo spēku. Vektora lielumu, kas kvantitatīvi raksturo magnētisko lauku, sauc par magnētisko indukciju. To parasti apzīmē ar lielo latīņu burtu B, ko mēra Teslā.

Magnētiskā indukcija - vektora daudzums, kas ir spēks, kas raksturīgs magnētiskajam laukam noteiktā telpas punktā. Magnētiskā lauka virzienu nosaka pēc analoģijas ar elektrostatikas modeli, kurā lauku raksturo darbība uz izmēģinājuma lādiņu miera stāvoklī. Tikai šeit kā "izmēģinājuma elements" tiek izmantota magnētiskā adata (izstiepts pastāvīgais magnēts). Jūs redzējāt šādu bultu kompasā. Magnētiskā lauka virziens kādā punktā tiek pieņemts par virzienu, kas pēc pārorientācijas norādīs magnētiskās adatas ziemeļpolu N (skat. 2. att.).

Pilnīgu un skaidru magnētiskā lauka priekšstatu var iegūt, konstruējot tā sauktās magnētiskā lauka līnijas (sk. 3. att.).

Rīsi. 3. Pastāvīgā magnēta magnētiskā lauka lauka līnijas

Tās ir līnijas, kas parāda magnētiskās indukcijas vektora virzienu (tas ir, magnētiskās adatas N pola virzienu) katrā telpas punktā. Ar magnētiskās adatas palīdzību var iegūt priekšstatu par dažādu magnētisko lauku spēka līnijām. Šeit, piemēram, redzams pastāvīgā magnēta magnētiskā lauka līniju attēls (sk. 4. att.).

Rīsi. 4. Pastāvīgā magnēta magnētiskā lauka lauka līnijas

Magnētiskais lauks pastāv katrā punktā, bet mēs velkam līnijas zināmā attālumā viena no otras. Tas ir tikai veids, kā attēlot magnētisko lauku, līdzīgi kā mēs to darījām ar elektriskā lauka stiprumu (sk. 5. att.).

Rīsi. 5. Elektriskā lauka intensitātes līnijas

Jo blīvāk ir novilktas līnijas, jo lielāks ir magnētiskās indukcijas modulis noteiktā telpas reģionā. Kā redzat (skat. 4. att.), spēka līnijas iziet no magnēta ziemeļpola un ieiet dienvidu polā. Magnēta iekšpusē turpinās arī lauka līnijas. Atšķirībā no elektriskā lauka līnijām, kas sākas ar pozitīviem lādiņiem un beidzas ar negatīviem lādiņiem, magnētiskā lauka līnijas ir slēgtas (sk. 6. att.).

Rīsi. 6. Magnētiskā lauka līnijas ir aizvērtas

Lauku, kura spēka līnijas ir slēgtas, sauc par virpuļvektora lauku. Elektrostatiskais lauks nav virpulis, tas ir potenciāls. Galvenā atšķirība starp virpuļu un potenciālajiem laukiem ir tāda, ka potenciālā lauka darbs uz jebkura slēgta ceļa ir nulle, bet virpuļa laukā tas tā nav. Zeme ir arī milzīgs magnēts, tai ir magnētiskais lauks, ko mēs uztveram ar kompasa adatu. Vairāk par Zemes magnētisko lauku lasiet zarā.

Mūsu planēta Zeme ir liels magnēts, kura stabi atrodas netālu no virsmas krustpunkta ar rotācijas asi. Ģeogrāfiski tie ir dienvidu un ziemeļpoli. Tāpēc bultiņa kompasā, kas vienlaikus ir arī magnēts, mijiedarbojas ar Zemi. Tas ir orientēts tā, lai viens gals būtu vērsts uz Ziemeļpolu, bet otrs uz dienvidiem (sk. 7. att.). 7. att. Bultiņa kompasā mijiedarbojas ar Zemi Tas, kas norāda uz Zemes ziemeļpolu, tika apzīmēts ar N, kas nozīmē ziemeļi - tulkojumā no angļu valodas kā "ziemeļi". Un tas, kas norāda uz Zemes Dienvidpolu - S, kas nozīmē Dienvidi - tulkojumā no angļu valodas "South". Tā kā magnētu pretpoli tiek piesaistīti, bultiņas ziemeļpols norāda uz Zemes dienvidu magnētisko polu (sk. 8. att.). Rīsi. 8. Kompasa un Zemes magnētisko polu mijiedarbība Izrādās, ka dienvidu magnētiskais pols atrodas ziemeļu ģeogrāfiskajā zonā. Un otrādi, ziemeļu magnētiskais atrodas Zemes dienvidu ģeogrāfiskajā polā.

Tagad, iepazīstoties ar magnētiskā lauka modeli, mēs pārbaudām vadītāja lauku ar līdzstrāvu. Vēl 19. gadsimtā dāņu zinātnieks Oersteds atklāja, ka magnētiskā adata mijiedarbojas ar vadītāju, caur kuru plūst elektriskā strāva (sk. 9. att.).

Rīsi. 9. Magnētiskās adatas mijiedarbība ar vadītāju

Prakse rāda, ka taisnvirziena vadītāja magnētiskajā laukā ar strāvu magnētiskā adata katrā punktā tiks iestatīta tangenciāli noteiktam aplim. Šī apļa plakne ir perpendikulāra vadītājam ar strāvu, un tā centrs atrodas uz vadītāja ass (sk. 10. att.).

Rīsi. 10. Magnētiskās adatas atrašanās vieta taisna vadītāja magnētiskajā laukā

Ja maināt strāvas plūsmas virzienu caur vadītāju, magnētiskā adata katrā punktā pagriezīsies pretējā puse(skat. 11. att.).

Rīsi. 11. Mainot elektriskās strāvas plūsmas virzienu

Tas ir, magnētiskā lauka virziens ir atkarīgs no strāvas plūsmas virziena caur vadītāju. Šo atkarību var aprakstīt, izmantojot vienkāršu eksperimentāli noteiktu metodi - gimlet noteikumi:

ja karkasa translācijas kustības virziens sakrīt ar strāvas virzienu vadītājā, tad tā roktura griešanās virziens sakrīt ar šī vadītāja radītā magnētiskā lauka virzienu (sk. 12. att.).

Tātad vadītāja magnētiskais lauks ar strāvu ir vērsts katrā punktā tangenciāli uz apli, kas atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra vadītājam. Apļa centrs sakrīt ar vadītāja asi. Magnētiskā lauka vektora virziens katrā punktā ir saistīts ar strāvas virzienu vadītājā ar karkasa likumu. Empīriski mainot strāvas stiprumu un attālumu no vadītāja, tika konstatēts, ka magnētiskās indukcijas vektora modulis ir proporcionāls strāvai un apgriezti proporcionāls attālumam no vadītāja. Bezgalīgas strāvu nesoša vadītāja radītā lauka magnētiskās indukcijas vektora modulis ir vienāds ar:

kur ir proporcionalitātes koeficients, kas bieži sastopams magnētismā. To sauc par vakuuma magnētisko caurlaidību. Skaitliski vienāds ar:

Magnētiskajiem laukiem, kā arī elektriskajiem, ir spēkā superpozīcijas princips. Dažādu avotu radītie magnētiskie lauki vienā telpas punktā summējas (skat. 13. att.).

Rīsi. 13. Dažādu avotu magnētiskie lauki summējas

Šāda lauka kopējā jaudas raksturlielums būs katra avota lauku jaudas raksturlielumu vektoru summa. Strāvas radītās lauka magnētiskās indukcijas lielumu noteiktā punktā var palielināt, saliekot vadītāju aplī. Tas būs skaidrs, ja ņemsim vērā šādas stieples spoles mazu segmentu magnētiskos laukus punktā šīs spoles iekšpusē. Piemēram, centrā.

Segments, kas apzīmēts , saskaņā ar karkasa kārtulu rada tajā augšupvērstu lauku (sk. 14. att.).

Rīsi. 14. Segmentu magnētiskais lauks

Segments līdzīgi rada magnētisko lauku šajā punktā, kas vērsts uz turieni. Tas pats attiecas uz citiem segmentiem. Tad kopējā spēka raksturlielums (tas ir, magnētiskās indukcijas vektors B) šajā punktā būs visu mazo segmentu magnētisko lauku spēka raksturlielumu superpozīcija šajā punktā un būs vērsta uz augšu (sk. 15. att.).

Rīsi. 15. Kopējās jaudas raksturlielums spoles centrā

Patvaļīgai spolei, ne vienmēr apļa formā, piemēram, kvadrātveida rāmim (sk. 16. att.), vektora vērtība spoles iekšpusē dabiski būs atkarīga no spoles formas, izmēra un strāvas stipruma. spēks tajā, bet magnētiskās indukcijas vektora virziens vienmēr tiks noteikts vienādi (kā nelielu segmentu radītu lauku superpozīcija).

Rīsi. 16. Kvadrātveida rāmja segmentu magnētiskais lauks

Mēs esam sīki aprakstījuši lauka virziena noteikšanu spoles iekšpusē, taču kopumā to var atrast daudz vienkāršāk, saskaņā ar nedaudz pārveidotu karkasa noteikumu:

ja pagriezīsiet karkasa rokturi virzienā, kur spolē plūst strāva, tad karkasa gals norādīs magnētiskās indukcijas vektora virzienu spoles iekšpusē (skat. 17. att.).

Tas ir, tagad roktura griešanās atbilst strāvas virzienam, un karkasa kustība atbilst lauka virzienam. Un ne otrādi, kā tas bija ar taisnu vadītāju. Ja garš vadītājs, caur kuru plūst strāva, ir satīts atsperē, tad šī ierīce būs pagriezienu komplekts. Katra spoles pagrieziena magnētiskie lauki tiks summēti saskaņā ar superpozīcijas principu. Tādējādi spoles radītais lauks kādā brīdī būs to lauku summa, ko šajā punktā rada katrs pagrieziens. Šādas spoles lauka lauka līniju attēls, ko redzat attēlā. 18.

Rīsi. 18. Spoles elektropārvades līnijas

Šādu ierīci sauc par spoli, solenoīdu vai elektromagnētu. Ir viegli redzēt, ka spoles magnētiskās īpašības būs tādas pašas kā pastāvīgajam magnētam (skat. 19. att.).

Rīsi. 19. Spoles un pastāvīgā magnēta magnētiskās īpašības

Viena spoles puse (kas ir attēlā augstāk) spēlē magnēta ziemeļpola lomu, bet otra puse - dienvidu pola lomu. Šāda ierīce tiek plaši izmantota tehnoloģijā, jo to var vadīt: tā kļūst par magnētu tikai tad, kad tiek ieslēgta strāva spolē. Ņemiet vērā, ka magnētiskā lauka līnijas spoles iekšpusē ir gandrīz paralēlas un blīvas. Lauks solenoīda iekšpusē ir ļoti spēcīgs un vienmērīgs. Lauks ārpus spoles ir nevienmērīgs, tas ir daudz vājāks par lauku iekšpusē un ir vērsts pretējā virzienā. Magnētiskā lauka virzienu spoles iekšienē nosaka spārna noteikums tāpat kā laukam viena apgrieziena iekšpusē. Roktura griešanās virzienam mēs ņemam strāvas virzienu, kas plūst caur spoli, un karkasa kustība norāda magnētiskā lauka virzienu tā iekšpusē (skat. 20. att.).

Rīsi. 20. Spoles karkasa noteikums

Ja jūs ievietojat strāvu nesošo spoli magnētiskajā laukā, tā pārorientēsies kā magnētiska adata. Spēka moments, kas izraisa griešanos, ir saistīts ar magnētiskās indukcijas vektora moduli noteiktā punktā, spoles laukumu un strāvas stiprumu tajā ar šādu attiecību:

Tagad mums kļūst skaidrs, no kurienes rodas pastāvīgā magnēta magnētiskās īpašības: elektrons, kas pārvietojas atomā pa slēgtu ceļu, ir kā spole ar strāvu, un tam, tāpat kā spolei, ir magnētiskais lauks. Un, kā mēs redzējām spoles piemērā, daudziem strāvas pagriezieniem, kas sakārtoti noteiktā veidā, ir spēcīgs magnētiskais lauks.

Pastāvīgo magnētu radītais lauks ir lādiņu kustības rezultāts tajos. Un šie lādiņi ir elektroni atomos (skat. 21. att.). Rīsi. 21. Elektronu kustība atomos Izskaidrosim tā rašanās mehānismu kvalitatīvā līmenī. Kā jūs zināt, elektroni atomā ir kustībā. Tātad katrs elektrons katrā atomā rada savu magnētisko lauku, tādējādi tiek iegūts milzīgs atoma lieluma magnētu skaits. Lielākajā daļā vielu šie magnēti un to magnētiskie lauki ir nejauši orientēti. Tāpēc kopējais ķermeņa radītais magnētiskais lauks ir nulle. Bet ir vielas, kurās atsevišķu elektronu radītie magnētiskie lauki ir orientēti vienādi (skat. 22. att.). Rīsi. 22. Magnētiskie lauki ir orientēti vienādi Tāpēc katra elektrona radītie magnētiskie lauki summējas. Tā rezultātā ķermenim, kas izgatavots no šādas vielas, ir magnētiskais lauks un tas ir pastāvīgais magnēts. Ārējā magnētiskajā laukā atsevišķi atomi vai atomu grupas, kurām, kā noskaidrojām, ir savs magnētiskais lauks, griežas kā kompasa adata (skat. 23. att.). Rīsi. 23. Atomu rotācija ārējā magnētiskajā laukā Ja pirms tam tie nebija orientēti vienā virzienā un neveidoja spēcīgu kopējo magnētisko lauku, tad pēc elementāro magnētu sakārtošanas to magnētiskie lauki summējas. Un, ja pēc ārējā lauka iedarbības kārtība tiek saglabāta, viela paliks kā magnēts. Aprakstīto procesu sauc par magnetizāciju.

Norādiet strāvas avota polus, kas baro solenoīdu, norādītajā attēlā. 24 mijiedarbības. Iedomāsimies: solenoīds, kurā plūst līdzstrāva, uzvedas kā magnēts.

Rīsi. 24. Pašreizējais avots

Saskaņā ar att. 24 parāda, ka magnētiskā adata ir vērsta ar dienvidu polu pret solenoīdu. Tāpat kā magnētu stabi viens otru atgrūž, savukārt pretējie poli piesaista. No tā izriet, ka paša solenoīda kreisais pols ir ziemeļu pols (skat. 25. att.).

Rīsi. 25.Ziemeļu solenoīda kreisais pols

Magnētiskās indukcijas līnijas atstāj ziemeļpolu un ieiet dienvidos. Tas nozīmē, ka lauks solenoīda iekšpusē ir vērsts pa kreisi (sk. 26. att.).

Rīsi. 26. Lauks solenoīda iekšpusē ir vērsts pa kreisi

Labi, lauka virzienu solenoīda iekšpusē nosaka karkasa noteikums. Mēs zinām, ka lauks ir vērsts pa kreisi, tāpēc iedomāsimies, ka karkass ir pieskrūvēts šajā virzienā. Tad tā rokturis norādīs strāvas virzienu solenoīdā – no labās puses uz kreiso (skat. 27. att.).

Strāvas virzienu nosaka pozitīvā lādiņa kustības virziens. Pozitīvs lādiņš pārvietojas no punkta ar lielu potenciālu (avota pozitīvais pols) uz punktu ar mazāku (avota negatīvo polu). Tāpēc avota pols, kas atrodas labajā pusē, ir pozitīvs, bet kreisajā pusē ir negatīvs (sk. 28. att.).

Rīsi. 28. Avota polu noteikšana

2. uzdevums

Rāmis ar laukumu 400 tiek novietots vienmērīgā magnētiskajā laukā ar indukciju 0,1 T tā, lai rāmja normāls būtu perpendikulārs indukcijas līnijām. Pie kāda strāvas stipruma griezes moments 20 iedarbosies uz rāmi (skat. 29. att.)?

Rīsi. 29. Zīmējums 2. uzdevumam

Iedomāsimies: spēka moments, kas izraisa griešanos, ir saistīts ar magnētiskās indukcijas vektora moduli noteiktā punktā, spoles laukumu un strāvas stiprumu tajā ar šādu attiecību:

Mūsu gadījumā visi nepieciešamie dati ir pieejami. Atliek izteikt vēlamo strāvas stiprumu un aprēķināt atbildi:

Problēma atrisināta.

Bibliogrāfija

1. Sokolovičs Ju.A., Bogdanova G.S. Fizika: rokasgrāmata ar problēmu risināšanas piemēriem. - 2. izdevuma pārdale. - X .: Vesta: Izdevniecība "Ranok", 2005. - 464 lpp.
2. Mjakiševs G.Ya. Fizika: Proc. 11 šūnām. vispārējā izglītība iestādēm. - M.: Izglītība, 2010.

1. Interneta portāls "Knowledge Hipermārkets" ()
2. Interneta portāls "Vienotā DER kolekcija" ()

Mājasdarbs

Tāpat kā miera stāvoklī esošais elektriskais lādiņš iedarbojas uz citu lādiņu caur elektrisko lauku, elektriskā strāva iedarbojas uz citu strāvu cauri magnētiskais lauks. Magnētiskā lauka iedarbība uz pastāvīgajiem magnētiem tiek samazināta līdz tā iedarbībai uz lādiņiem, kas pārvietojas vielas atomos un rada mikroskopiskas apļveida strāvas.

Doktrīna par elektromagnētisms pamatojoties uz diviem pieņēmumiem:

• magnētiskais lauks iedarbojas uz kustīgiem lādiņiem un strāvām;
• ap strāvām un kustīgiem lādiņiem rodas magnētiskais lauks.

Magnētu mijiedarbība

Pastāvīgais magnēts(vai magnētiskā adata) ir orientēta pa Zemes magnētisko meridiānu. Tiek saukts gals, kas norāda uz ziemeļiem Ziemeļpols (N) un pretējais gals ir dienvidpols(S). Tuvojoties diviem magnētiem viens otram, mēs atzīmējam, ka to līdzīgie stabi atgrūž, bet pretējie - piesaista ( rīsi. 1 ).

Ja mēs atdalīsim stabus, sagriežot pastāvīgo magnētu divās daļās, tad mēs atklāsim, ka katram no tiem arī būs divi stabi, t.i., būs pastāvīgais magnēts ( rīsi. 2 ). Abi poli – ziemeļi un dienvidi – ir viens no otra nedalāmi, vienādi.

Zemes vai pastāvīgo magnētu radītais magnētiskais lauks, tāpat kā elektriskais lauks, tiek attēlots ar magnētiskām spēka līnijām. Jebkura magnēta magnētiskā lauka līniju attēlu var iegūt, uzliekot tam virsū papīra loksni, uz kuras vienmērīgā kārtā uzlietas dzelzs vīles. Nokļūstot magnētiskajā laukā, zāģskaidas tiek magnetizētas - katram no tiem ir ziemeļu un dienvidu pols. Pretēji stabi mēdz tuvoties viens otram, taču to novērš zāģu skaidu berze uz papīra. Piesitot papīram ar pirkstu, berze samazināsies un vīles tiks pievilktas viena pie otras, veidojot ķēdes, kas attēlo magnētiskā lauka līnijas.

Ieslēgts rīsi. 3 parāda zāģu skaidu tiešā magnēta atrašanās vietu laukā un mazās magnētiskās bultiņas, kas norāda magnētiskā lauka līniju virzienu. Šim virzienam tiek ņemts magnētiskās adatas ziemeļpola virziens.

Orsteda pieredze. Magnētiskā lauka strāva

IN XIX sākums V. Dāņu zinātnieks Oersted atklājot, izdarīja svarīgu atklājumu elektriskās strāvas iedarbība uz pastāvīgajiem magnētiem . Viņš novietoja garu vadu pie magnētiskās adatas. Kad strāva tika izlaista caur vadu, bultiņa pagriezās, cenšoties būt tai perpendikulāra ( rīsi. 4 ). To varētu izskaidrot ar magnētiskā lauka parādīšanos ap vadītāju.

Lauka magnētiskās spēka līnijas, ko rada tiešs vadītājs ar strāvu, ir koncentriski apļi, kas atrodas tai perpendikulārā plaknē, ar centriem punktā, caur kuru iet strāva ( rīsi. 5 ). Līniju virzienu nosaka labās skrūves noteikums:

Ja skrūve tiek pagriezta lauka līniju virzienā, tā pārvietosies vadītāja strāvas virzienā .

Magnētiskajam laukam raksturīgais spēks ir magnētiskās indukcijas vektors B . Katrā punktā tas ir vērsts tangenciāli lauka līnijai. Elektriskā lauka līnijas sākas ar pozitīviem lādiņiem un beidzas ar negatīviem, un spēks, kas šajā laukā iedarbojas uz lādiņu, tiek virzīts tangenciāli uz līniju katrā tās punktā. Atšķirībā no elektriskā lauka, magnētiskā lauka līnijas ir slēgtas, kas ir saistīts ar to, ka dabā nav “magnētisko lādiņu”.

Strāvas magnētiskais lauks būtībā neatšķiras no lauka, ko rada pastāvīgs magnēts. Šajā ziņā plakana magnēta analogs ir garš solenoīds - stieples spole, kuras garums ir daudz lielāks par tā diametru. Viņa izveidotā magnētiskā lauka līniju diagramma, kas attēlota rīsi. 6 , līdzīgi kā plakanam magnētam ( rīsi. 3 ). Apļi norāda stieples daļas, kas veido solenoīda tinumu. Strāvas, kas plūst caur vadu no novērotāja, ir apzīmētas ar krustiņiem, bet pretējā virzienā - pret novērotāju - ir norādītas ar punktiem. Tādi paši apzīmējumi tiek pieņemti magnētiskā lauka līnijām, ja tās ir perpendikulāras zīmējuma plaknei ( rīsi. 7 a, b).

Strāvas virziens solenoīda tinumā un magnētiskā lauka līniju virziens tajā ir saistīts arī ar labās skrūves likumu, kas šajā gadījumā ir formulēts šādi:

Ja paskatās gar solenoīda asi, tad strāva, kas plūst pulksteņrādītāja virzienā, rada tajā magnētisko lauku, kura virziens sakrīt ar labās skrūves kustības virzienu ( rīsi. 8 )

Pamatojoties uz šo noteikumu, ir viegli noskaidrot, ka solenoīds, kas parādīts attēlā rīsi. 6 , tā labais gals ir ziemeļpols, bet kreisais gals ir dienvidu pols.

Magnētiskais lauks solenoīda iekšpusē ir viendabīgs - magnētiskās indukcijas vektoram tur ir nemainīga vērtība (B = const). Šajā ziņā solenoīds ir līdzīgs plakanam kondensatoram, kura iekšpusē tiek izveidots vienmērīgs elektriskais lauks.

Spēks, kas iedarbojas magnētiskajā laukā uz vadītāju ar strāvu

Eksperimentāli tika noskaidrots, ka spēks iedarbojas uz strāvu nesošo vadītāju magnētiskajā laukā. Vienmērīgā laukā taisnstūrveida vadītājs ar garumu l, caur kuru plūst strāva I, kas atrodas perpendikulāri lauka vektoram B, piedzīvo spēku: F = I l B .

Tiek noteikts spēka virziens kreisās rokas likums:

Ja kreisās rokas četri izstieptie pirksti ir novietoti strāvas virzienā vadītājā un plauksta ir perpendikulāra vektoram B, tad ievilktais īkšķis norādīs spēka virzienu, kas iedarbojas uz vadītāju (rīsi. 9 ).

Jāņem vērā, ka spēks, kas iedarbojas uz vadītāju ar strāvu magnētiskajā laukā, nav vērsts tangenciāli tā spēka līnijām, piemēram, elektriskais spēks, bet gan perpendikulāri tām. Magnētiskais spēks neietekmē vadītāju, kas atrodas gar spēka līnijām.

Vienādojums F = IlBļauj dot kvantitatīvā īpašība magnētiskā lauka indukcija.

Attieksme nav atkarīgs no vadītāja īpašībām un raksturo pašu magnētisko lauku.

Magnētiskās indukcijas vektora B modulis skaitliski vienāds ar spēku iedarbojoties uz tam perpendikulāri novietotu vienības garuma vadītāju, caur kuru plūst viena ampēra strāva.

SI sistēmā magnētiskā lauka indukcijas mērvienība ir tesla (T):

Magnētiskais lauks. Tabulas, diagrammas, formulas

(Magnētu mijiedarbība, Orsteda eksperiments, magnētiskās indukcijas vektors, vektora virziens, superpozīcijas princips. Magnētisko lauku grafiskais attēlojums, magnētiskās indukcijas līnijas. magnētiskā plūsma, laukam raksturīgā enerģija. Magnētiskie spēki, Ampere spēks, Lorenca spēks. Lādētu daļiņu kustība magnētiskajā laukā. Vielas magnētiskās īpašības, Ampera hipotēze)

"Magnētiskā lauka noteikšana" - Pēc eksperimentu laikā iegūtajiem datiem aizpildiet tabulu. J. Verns. Kad pievedam magnētu pie magnētiskās adatas, tā griežas. Magnētisko lauku grafiskais attēlojums. Hanss Kristians Oersteds. Elektriskais lauks. Magnētam ir divi stabi: ziemeļu un dienvidu. Zināšanu vispārināšanas un sistematizācijas posms.

"Magnētiskais lauks un tā grafiskais attēlojums" - Nevienmērīgs magnētiskais lauks. Spoles ar strāvu. magnētiskās līnijas. Ampēra hipotēze. Stieņa magnēta iekšpusē. Pretēji magnētiskie poli. Polārās gaismas. Pastāvīgā magnēta magnētiskais lauks. Magnētiskais lauks. Zemes magnētiskais lauks. Magnētiskie stabi. Biometroloģija. koncentriski apļi. Vienmērīgs magnētiskais lauks.

"Magnētiskā lauka enerģija" - Skalārā vērtība. Induktivitātes aprēķins. Pastāvīgie magnētiskie lauki. Relaksācijas laiks. Induktivitātes definīcija. spoles enerģija. Ekstrastrāvas ķēdē ar induktivitāti. Pārejas procesi. Enerģijas blīvums. Elektrodinamika. Svārstību ķēde. Impulsu magnētiskais lauks. Pašindukcija. Magnētiskā lauka enerģijas blīvums.

"Magnētiskā lauka raksturojums" - Magnētiskās indukcijas līnijas. Gimleta noteikums. Pagrieziet pa spēka līnijām. Zemes magnētiskā lauka datormodelis. Magnētiskā konstante. Magnētiskā indukcija. Lādiņu nesēju skaits. Trīs veidi, kā iestatīt magnētiskās indukcijas vektoru. Elektriskās strāvas magnētiskais lauks. Fiziķis Viljams Hilberts.

"Magnētiskā lauka īpašības" - Vielas veids. Magnētiskā lauka magnētiskā indukcija. Magnētiskā indukcija. Pastāvīgais magnēts. Dažas magnētiskās indukcijas vērtības. Magnētiskā adata. Skaļrunis. Magnētiskās indukcijas vektora modulis. Magnētiskās indukcijas līnijas vienmēr ir slēgtas. Strāvu mijiedarbība. Griezes moments. Vielas magnētiskās īpašības.

"Daļiņu kustība magnētiskajā laukā" - spektrogrāfs. Lorenca spēka darbības izpausme. Lorenca spēks. Ciklotrons. Lorenca spēka lieluma noteikšana. Kontroles jautājumi. Lorenca spēku virzieni. Starpzvaigžņu matērija. Eksperimenta uzdevums. Mainiet iestatījumus. Magnētiskais lauks. Masu spektrogrāfs. Daļiņu kustība magnētiskajā laukā. Katodstaru lampa.

Kopumā tēmā ir 20 prezentācijas

Lekcija: Orsteda pieredze. Strāvu nesoša vadītāja magnētiskais lauks. Gara taisna vadītāja un slēgta gredzena vadītāja lauka līniju raksts, spole ar strāvu

Orsteda pieredze

Dažu vielu magnētiskās īpašības cilvēkiem ir zināmas jau ilgu laiku. Tomr ne tik sens atkljums bija tas, ka magntisks un elektriskā daba vielas ir saistītas. Šis savienojums tika parādīts Oersted kurš veica eksperimentus ar elektrisko strāvu. Pavisam nejauši blakus vadītājam, pa kuru skrēja strāva, atrodas magnēts. Tas diezgan strauji mainīja virzienu laikā, kad strāva skrēja pa vadiem, un atgriezās sākotnējā stāvoklī, kad ķēdes atslēga bija atvērta.

No šīs pieredzes tika secināts, ka ap vadītāju, caur kuru iet strāva, veidojas magnētiskais lauks. Tas ir, jūs varat darīt secinājums: elektrisko lauku rada visi lādiņi, un magnētiskais lauks rodas tikai ap lādiņiem, kuriem ir virzīta kustība.

Vadītāja magnētiskais lauks

Ja ņemam vērā vadītāja šķērsgriezumu ar strāvu, tad tā magnētiskās līnijas ap vadītāju būs dažāda diametra apļi.

Lai noteiktu strāvas vai magnētiskā lauka līniju virzienu ap vadītāju, izmantojiet noteikumu labā skrūve:

Ja ar labo roku satveriet vadītāju un pavērsiet īkšķi pa to strāvas virzienā, tad saliektie pirksti parādīs magnētiskā lauka līniju virzienu.

Magnētiskā lauka jaudas raksturlielums ir magnētiskā indukcija. Dažreiz magnētiskā lauka līnijas sauc par indukcijas līnijām.

Indukciju apzīmē un mēra šādi: [V] = 1 T.

Kā jūs atceraties, superpozīcijas princips bija spēkā elektriskajam laukam raksturīgajam spēkam, to pašu var teikt par magnētisko lauku. Tas nozīmē, ka iegūtā lauka indukcija ir vienāda ar indukcijas vektoru summu katrā punktā.

spole ar strāvu

Kā zināms, diriģentiem var būt dažāda forma, tostarp sastāv no vairākiem pagriezieniem. Arī ap šādu vadītāju veidojas magnētiskais lauks. Lai to noteiktu, izmantojiet karkasa noteikums:

Ja spoles sasprauž ar roku tā, lai 4 saliekti pirksti tās sasprādzētu, tad īkšķis parādīs magnētiskā lauka virzienu.