Témy kodifikátora USE: interakcia magnetov, magnetické pole vodiča s prúdom.

Magnetické vlastnosti hmoty sú ľuďom známe už dlho. Magnety dostali svoj názov podľa starovekého mesta Magnesia: v jeho blízkosti bol rozšírený minerál (neskôr nazývaný magnetická železná ruda alebo magnetit), ktorého kúsky priťahovali železné predmety.

Interakcia magnetov

Na dvoch stranách každého magnetu sú umiestnené severný pól A Južný pól. Dva magnety sú k sebe priťahované opačnými pólmi a odpudzujú sa podobnými pólmi. Magnety môžu na seba pôsobiť aj cez vákuum! To všetko však pripomína interakciu elektrických nábojov interakcia magnetov nie je elektrická. Dokazujú to nasledujúce experimentálne fakty.

Magnetická sila zoslabne, keď sa magnet zahreje. Sila interakcie bodových nábojov nezávisí od ich teploty.

Magnetická sila sa zoslabuje trasením magnetu. S elektricky nabitými telesami sa nič podobné nedeje.

Pozitívne elektrické náboje môžu byť oddelené od negatívnych (napríklad keď sú telesá elektrifikované). Nie je však možné oddeliť póly magnetu: ak rozrežete magnet na dve časti, potom sa v mieste rezu objavia aj póly a magnet sa rozpadne na dva magnety s opačnými pólmi na koncoch (orientované presne rovnako spôsobom ako póly pôvodného magnetu).

Takže magnety Vždy bipolárne, existujú len vo forme dipóly. Izolované magnetické póly (tzv magnetické monopóly- analógy elektrického náboja) v prírode neexistujú (v žiadnom prípade neboli experimentálne zistené). Toto je možno najpôsobivejšia asymetria medzi elektrinou a magnetizmom.

Podobne ako elektricky nabité telesá, aj magnety pôsobia na elektrické náboje. Magnet však pôsobí iba na sťahovanie poplatok; Ak je náboj vo vzťahu k magnetu v pokoji, potom na náboj nepôsobí žiadna magnetická sila. Naopak, elektrifikované teleso pôsobí na akýkoľvek náboj bez ohľadu na to, či je v pokoji alebo v pohybe.

Autor: moderné nápady teória pôsobenia na krátky dosah, interakcia magnetov sa uskutočňuje prostredníctvom magnetické pole Magnet totiž vytvára v okolitom priestore magnetické pole, ktoré pôsobí na iný magnet a spôsobuje viditeľné priťahovanie alebo odpudzovanie týchto magnetov.

Príkladom magnetu je magnetická ihla kompas. Pomocou magnetickej ihly je možné posúdiť prítomnosť magnetického poľa v danej oblasti priestoru, ako aj smer poľa.

Naša planéta Zem je obrovský magnet. Neďaleko geografického severného pólu Zeme je južný magnetický pól. Preto severný koniec strelky kompasu, otočený k južnému magnetickému pólu Zeme, ukazuje na geografický sever. Preto v skutočnosti vznikol názov „severný pól“ magnetu.

Magnetické siločiary

Pripomíname, že elektrické pole sa skúma pomocou malých testovacích nábojov pôsobením, na základe ktorého je možné posúdiť veľkosť a smer poľa. Analógom testovacieho náboja v prípade magnetického poľa je malá magnetická ihla.

Napríklad môžete získať nejakú geometrickú predstavu o magnetickom poli umiestnením veľmi malých ihiel kompasu na rôzne body v priestore. Prax ukazuje, že šípky sa zoradia pozdĺž určitých línií – tzv magnetické siločiary. Definujme tento pojem vo forme nasledujúcich troch odsekov.

1. Magnetické siločiary alebo magnetické siločiary sú nasmerované čiary v priestore, ktoré majú nasledujúcu vlastnosť: malá strelka kompasu umiestnená v každom bode takejto čiary je orientovaná tangenciálne k tejto čiare.

2. Smer čiary magnetického poľa je smer severných koncov ihiel kompasu umiestnených v bodoch tejto čiary.

3. Čím sú čiary hrubšie, tým silnejšie je magnetické pole v danej oblasti priestoru..

Úlohu ihiel kompasu môžu úspešne vykonávať železné piliny: v magnetickom poli sú malé piliny magnetizované a správajú sa presne ako magnetické ihly.

Takže po nasypaní železných pilín okolo permanentného magnetu uvidíme približne nasledujúci obrázok magnetických siločiar (obr. 1).

Ryža. 1. Permanentné magnetické pole

Severný pól magnetu je označený modrou farbou a písmenom ; južný pól - v červenej farbe a písmeno . Všimnite si, že siločiary vychádzajú zo severného pólu magnetu a vstupujú do južného pólu, pretože severný koniec strelky kompasu ukazuje na južný pól magnetu.

Oerstedova skúsenosť

Napriek tomu, že elektrické a magnetické javy sú ľuďom známe už od staroveku, dlho medzi nimi nebol pozorovaný žiadny vzťah. Niekoľko storočí prebiehal výskum elektriny a magnetizmu paralelne a nezávisle od seba.

Pozoruhodný fakt, že elektrické a magnetické javy spolu skutočne súvisia, bol prvýkrát objavený v roku 1820 v slávnom Oerstedovom experimente.

Schéma Oerstedovho experimentu je znázornená na obr. 2 (obrázok z rt.mipt.ru). Nad magnetickou ihlou (a - severným a južným pólom šípky) je kovový vodič pripojený k zdroju prúdu. Ak obvod uzavriete, šípka sa otočí kolmo na vodič!
Tento jednoduchý experiment poukázal priamo na vzťah medzi elektrinou a magnetizmom. Experimenty, ktoré nasledovali po Oerstedovej skúsenosti, pevne stanovili nasledujúci vzorec: magnetické pole je generované elektrickými prúdmi a pôsobí na prúdy.

Ryža. 2. Oerstedov experiment

Obraz čiar magnetického poľa generovaného vodičom s prúdom závisí od tvaru vodiča.

Magnetické pole priameho drôtu s prúdom

Magnetické siločiary priameho vodiča nesúceho prúd sú sústredné kružnice. Stredy týchto kružníc ležia na drôte a ich roviny sú kolmé na drôt (obr. 3).

Ryža. 3. Pole priameho vodiča s prúdom

Na určenie smeru siločiar magnetického poľa jednosmerného prúdu existujú dve alternatívne pravidlá.

pravidlo hodinovej ručičky. Siločiary idú pri pohľade proti smeru hodinových ručičiek, takže prúd prúdi smerom k nám..

skrutkové pravidlo(alebo gimlet pravidlo, alebo pravidlo vývrtky- niekomu je to bližšie ;-)). Siločiary idú tam, kde sa skrutka (s konvenčným pravým závitom) musí otáčať, aby sa pohybovala pozdĺž závitu v smere prúdu.

Použite pravidlo, ktoré vám najviac vyhovuje. Je lepšie si zvyknúť na pravidlo v smere hodinových ručičiek – neskôr sa presvedčíte, že je univerzálnejšie a ľahšie sa používa (a potom si to s vďakou zapamätajte v prvom ročníku, keď študujete analytickú geometriu).

Na obr. 3 sa objavila aj novinka: ide o vektor, ktorý sa nazýva indukcia magnetického poľa, alebo magnetická indukcia. Vektor magnetickej indukcie je analógom vektora intenzity elektrické pole: slúži výkonová charakteristika magnetické pole, určujúce silu, ktorou magnetické pole pôsobí na pohybujúce sa náboje.

O silách v magnetickom poli si povieme neskôr, ale zatiaľ si všimneme len to, že veľkosť a smer magnetického poľa určuje vektor magnetickej indukcie. V každom bode v priestore vektor ukazuje rovnakým smerom ako severný koniec strelky kompasu daný bod, a to dotyčnica k siločiare v smere tejto čiary. Magnetická indukcia sa meria v teslach(Tl).

Rovnako ako v prípade elektrického poľa, pre indukciu magnetického poľa, princíp superpozície. Spočíva v tom, že indukcia magnetických polí vytvorených v danom bode rôznymi prúdmi sa vektorovo sčítajú a dávajú výsledný vektor magnetickej indukcie:.

Magnetické pole cievky s prúdom

Uvažujme o kruhovej cievke, cez ktorú cirkuluje jednosmerný prúd. Na obrázku neukazujeme zdroj, ktorý vytvára prúd.

Obrázok čiar poľa nášho ťahu bude mať približne nasledovnú podobu (obr. 4).

Ryža. 4. Pole cievky s prúdom

Pre nás bude dôležité, aby sme vedeli určiť, do ktorého polpriestoru (vzhľadom na rovinu cievky) smeruje magnetické pole. Opäť máme dve alternatívne pravidlá.

pravidlo hodinovej ručičky. Siločiary tam smerujú a pozerajú sa z miesta, kde sa zdá, že prúd cirkuluje proti smeru hodinových ručičiek.

skrutkové pravidlo. Siločiary idú tam, kde by sa skrutka (s konvenčným pravostranným závitom) pohybovala, ak by sa otáčala v smere prúdu.

Ako vidíte, úlohy prúdu a poľa sú obrátené - v porovnaní s formuláciami týchto pravidiel pre prípad jednosmerného prúdu.

Magnetické pole cievky s prúdom

Cievka ukáže sa, ak tesne, cievka na cievku, navinie drôt do dostatočne dlhej špirály (obr. 5 - obrázok zo stránky en.wikipedia.org). Cievka môže mať niekoľko desiatok, stoviek alebo dokonca tisíc otáčok. Cievka sa tiež nazýva solenoid.

Ryža. 5. Cievka (solenoid)

Magnetické pole jednej otáčky, ako vieme, nevyzerá veľmi jednoducho. Polia? jednotlivé závity cievky sú na seba navrstvené a zdalo by sa, že výsledkom by mal byť veľmi mätúci obraz. Nie je to však tak: pole dlhej cievky má nečakane jednoduchú štruktúru (obr. 6).

Ryža. 6. cievkové pole s prúdom

Na tomto obrázku ide prúd v cievke proti smeru hodinových ručičiek pri pohľade zľava (to sa stane, ak na obr. 5 je pravý koniec cievky pripojený k „plusu“ zdroja prúdu a ľavý koniec k „mínus“). Vidíme, že magnetické pole cievky má dve charakteristické vlastnosti.

1. Vo vnútri cievky, ďaleko od jej okrajov, je magnetické pole homogénne: v každom bode má vektor magnetickej indukcie rovnakú veľkosť a smer. Siločiary sú rovnobežné priame čiary; ohýbajú sa len v blízkosti okrajov cievky, keď zhasnú.

2. Mimo cievky je pole blízke nule. Čím viac závitov v cievke, tým slabšie je pole mimo nej.

Všimnite si, že nekonečne dlhá cievka vôbec nevyžaruje pole: mimo cievky nie je žiadne magnetické pole. Vo vnútri takejto cievky je pole všade jednotné.

Nič vám to nepripomína? Cievka je "magnetický" náprotivok kondenzátora. Pamätáte si, že kondenzátor vo svojom vnútri vytvára rovnomerné elektrické pole, ktorého čiary sú zakrivené iba v blízkosti okrajov dosiek a mimo kondenzátora je pole blízke nule; kondenzátor s nekonečnými doskami pole vôbec neuvoľňuje a pole je v ňom všade rovnomerné.

A teraz - hlavné pozorovanie. Porovnajte, prosím, obrázok magnetických siločiar mimo cievky (obr. 6) so siločiarami magnetu na obr. 1. Je to to isté, nie? A teraz sa dostávame k otázke, ktorú ste pravdepodobne mali už dávno: ak je magnetické pole generované prúdmi a pôsobí na prúdy, aký je dôvod výskytu magnetického poľa v blízkosti permanentného magnetu? Koniec koncov, tento magnet sa nezdá byť vodičom s prúdom!

Amperova hypotéza. Elementárne prúdy

Spočiatku sa predpokladalo, že interakcia magnetov bola spôsobená špeciálnymi magnetickými nábojmi sústredenými na póloch. Ale na rozdiel od elektriny nikto nedokázal izolovať magnetický náboj; napokon, ako sme už povedali, nebolo možné získať oddelene severný a južný pól magnetu - póly sú v magnete vždy prítomné v pároch.

Pochybnosti o magnetických nábojoch prehĺbila skúsenosť Oersteda, keď sa ukázalo, že magnetické pole je generované elektrickým prúdom. Navyše sa ukázalo, že pre každý magnet je možné zvoliť vodič s prúdom vhodnej konfigurácie tak, že pole tohto vodiča sa zhoduje s poľom magnetu.

Ampere predložil odvážnu hypotézu. Neexistujú žiadne magnetické náboje. Pôsobenie magnetu sa vysvetľuje uzavretými elektrickými prúdmi vo vnútri..

Aké sú tieto prúdy? Títo elementárne prúdy cirkulovať v atómoch a molekulách; sú spojené s pohybom elektrónov po atómových dráhach. Magnetické pole akéhokoľvek telesa je tvorené magnetickými poľami týchto elementárnych prúdov.

Elementárne prúdy môžu byť navzájom náhodne umiestnené. Potom sa ich polia navzájom rušia a teleso nevykazuje magnetické vlastnosti.

Ale ak sú elementárne prúdy koordinované, potom sa ich polia, ktoré sa sčítajú, navzájom posilňujú. Teleso sa stáva magnetom (obr. 7; magnetické pole bude smerovať k nám; severný pól magnetu bude smerovať k nám).

Ryža. 7. Prúdy elementárnych magnetov

Ampérova hypotéza o elementárnych prúdoch objasnila vlastnosti magnetov.Zahrievanie a trasenie magnetu ničí usporiadanie jeho elementárnych prúdov a magnetické vlastnosti sa oslabujú. Neoddeliteľnosť magnetových pólov sa stala zrejmou: v mieste, kde bol magnet odrezaný, dostaneme na koncoch rovnaké elementárne prúdy. Schopnosť telesa zmagnetizovať sa v magnetickom poli sa vysvetľuje koordinovaným usporiadaním elementárnych prúdov, ktoré sa správne „otočia“ (o rotácii kruhového prúdu v magnetickom poli si prečítajte na nasledujúcom hárku).

Ampérova hypotéza sa ukázala ako správna – ukázala ďalší vývoj fyzika. Koncept elementárnych prúdov sa stal integrálnou súčasťou teórie atómu, ktorá sa vyvinula už v dvadsiatom storočí - takmer sto rokov po Ampérovej brilantnej domnienke.

V tejto lekcii, ktorej témou je: „Magnetické pole konštanty elektrický prúd“, naučíme sa, čo je magnet, ako interaguje s inými magnetmi, zapíšeme si definície magnetického poľa a vektora magnetickej indukcie a tiež použijeme gimletovo pravidlo na určenie smeru vektora magnetickej indukcie.

Každý z vás držal v rukách magnet a pozná jeho úžasnú vlastnosť: interaguje na diaľku s iným magnetom alebo s kusom železa. Čo je to na magnete, ktorý mu dáva tieto úžasné vlastnosti? Dokážete si vyrobiť vlastný magnet? Je to možné a čo je na to potrebné - naučíte sa z našej lekcie. Predbehnime: ak vezmeme jednoduchý železný klinec, nebude mať magnetické vlastnosti, ale ak ho omotáme drôtom a spojíme s batériou, dostaneme magnet (pozri obr. 1).

Ryža. 1. Klinec obalený drôtom a pripojený k batérii

Ukazuje sa, že na získanie magnetu potrebujete elektrický prúd - pohyb elektrického náboja. Vlastnosti permanentných magnetov, ako sú magnety na chladničku, sú tiež spojené s pohybom elektrického náboja. Určitý magnetický náboj, podobne ako elektrický, v prírode neexistuje. Nie je to potrebné, dostatok pohyblivých elektrických nábojov.

Pred skúmaním magnetického poľa jednosmerného elektrického prúdu je potrebné dohodnúť sa, ako kvantitatívne popísať magnetické pole. Pre kvantitatívny popis magnetických javov je potrebné zaviesť silovú charakteristiku magnetického poľa. Vektorová veličina, ktorá kvantitatívne charakterizuje magnetické pole, sa nazýva magnetická indukcia. Zvyčajne sa označuje veľkým latinským písmenom B, merané v Tesle.

Magnetická indukcia - vektorové množstvo, čo je silová charakteristika magnetického poľa v danom bode priestoru. Smer magnetického poľa je určený analogicky s modelom elektrostatiky, v ktorom je pole charakterizované pôsobením na skúšobný náboj v pokoji. Len tu sa ako „skúšobný prvok“ používa magnetická ihla (podlhovastý permanentný magnet). Videli ste takú šípku v kompase. Smer magnetického poľa v určitom bode sa považuje za smer, ktorý bude indikovať severný pól N magnetickej strelky po preorientovaní (pozri obr. 2).

Úplný a jasný obraz o magnetickom poli možno získať zostrojením takzvaných magnetických siločiar (pozri obr. 3).

Ryža. 3. Siločiary magnetického poľa permanentného magnetu

Sú to čiary ukazujúce smer vektora magnetickej indukcie (teda smer N pólu magnetickej ihly) v každom bode v priestore. Pomocou magnetickej ihly tak možno získať obraz siločiar rôznych magnetických polí. Tu je napríklad obrázok magnetických siločiar permanentného magnetu (pozri obr. 4).

Ryža. 4. Siločiary magnetického poľa permanentného magnetu

Magnetické pole existuje v každom bode, ale čiary kreslíme v určitej vzdialenosti od seba. Toto je len spôsob zobrazenia magnetického poľa, podobne sme to urobili so silou elektrického poľa (pozri obr. 5).

Ryža. 5. Intenzita elektrického poľa

Čím hustejšie sú čiary nakreslené, tým väčší je modul magnetickej indukcie v danej oblasti priestoru. Ako môžete vidieť (pozri obr. 4), siločiary vychádzajú zo severného pólu magnetu a vstupujú do južného pólu. Vo vnútri magnetu tiež pokračujú siločiary. Na rozdiel od elektrických siločiar, ktoré začínajú kladnými nábojmi a končia zápornými nábojmi, sú siločiary magnetického poľa uzavreté (pozri obr. 6).

Ryža. 6. Magnetické siločiary sú uzavreté

Pole, ktorého siločiary sú uzavreté, sa nazýva vírové vektorové pole. Elektrostatické pole nie je vírové, je potenciálne. Zásadný rozdiel medzi vortexovými a potenciálnymi poľami je v tom, že práca potenciálneho poľa na akejkoľvek uzavretej dráhe je nulová, čo však neplatí pre vírové pole. Zem je tiež obrovský magnet, má magnetické pole, ktoré snímame strelkou kompasu. Prečítajte si viac o magnetickom poli Zeme v pobočke.

Naša planéta Zem je veľký magnet, ktorého póly sa nachádzajú v blízkosti priesečníka povrchu s osou rotácie. Geograficky ide o južný a severný pól. To je dôvod, prečo šípka v kompase, ktorá je tiež magnetom, interaguje so Zemou. Je orientovaný tak, že jeden koniec ukazuje na severný pól a druhý na južný (pozri obr. 7). Obr.7. Šípka v kompase interaguje so Zemou Ten, ktorý ukazuje na severný pól Zeme, bol označený N, čo znamená Sever – v preklade z angličtiny „Sever“. A ten, ktorý ukazuje na južný pól Zeme – S, čo znamená Juh – v preklade z angličtiny „Juh“. Keďže opačné póly magnetov sa priťahujú, severný pól šípky ukazuje na južný magnetický pól Zeme (pozri obr. 8). Ryža. 8. Interakcia kompasu a magnetických pólov Zeme Ukazuje sa, že južný magnetický pól sa nachádza na severnej zemepisnej ploche. A naopak, severný magnet sa nachádza na južnom geografickom póle Zeme.

Teraz, keď sme sa zoznámili s modelom magnetického poľa, skúmame pole vodiča s jednosmerným prúdom. Ešte v 19. storočí dánsky vedec Oersted zistil, že magnetická ihla interaguje s vodičom, ktorým preteká elektrický prúd (pozri obr. 9).

Ryža. 9. Interakcia magnetickej ihly s vodičom

Prax ukazuje, že v magnetickom poli priamočiareho vodiča s prúdom bude magnetická ihla v každom bode nastavená tangenciálne k určitému kruhu. Rovina tohto kruhu je kolmá na vodič s prúdom a jeho stred leží na osi vodiča (pozri obr. 10).

Ryža. 10. Umiestnenie magnetickej strelky v magnetickom poli priameho vodiča

Ak zmeníte smer toku prúdu cez vodič, potom sa magnetická ihla v každom bode otočí opačná strana(pozri obr. 11).

Ryža. 11. Pri zmene smeru toku elektrického prúdu

To znamená, že smer magnetického poľa závisí od smeru toku prúdu cez vodič. Túto závislosť možno opísať pomocou jednoduchej experimentálne stanovenej metódy - pravidlá gimletu:

ak sa smer translačného pohybu závesu zhoduje so smerom prúdu vo vodiči, potom sa smer otáčania jeho rukoväte zhoduje so smerom magnetického poľa vytváraného týmto vodičom (pozri obr. 12).

Takže magnetické pole vodiča s prúdom smeruje v každom bode tangenciálne ku kruhu ležiacemu v rovine kolmej na vodič. Stred kruhu sa zhoduje s osou vodiča. Smer vektora magnetického poľa v každom bode súvisí so smerom prúdu vo vodiči podľa gimletovho pravidla. Empiricky sa pri zmene sily prúdu a vzdialenosti od vodiča zistilo, že modul vektora magnetickej indukcie je úmerný prúdu a nepriamo úmerný vzdialenosti od vodiča. Modul vektora magnetickej indukcie poľa vytvoreného vodičom s nekonečným prúdom sa rovná:

kde je koeficient proporcionality, ktorý sa často nachádza v magnetizme. Nazýva sa to magnetická permeabilita vákua. Číselne sa rovná:

Pre magnetické polia, ako aj pre elektrické, platí princíp superpozície. Magnetické polia vytvorené rôznymi zdrojmi v jednom bode priestoru sa sčítavajú (pozri obr. 13).

Ryža. 13. Magnetické polia z rôznych zdrojov sa sčítavajú

Celková výkonová charakteristika takéhoto poľa bude vektorovým súčtom výkonových charakteristík polí každého zo zdrojov. Veľkosť magnetickej indukcie poľa vytvoreného prúdom v určitom bode možno zvýšiť ohnutím vodiča do kruhu. To bude jasné, ak vezmeme do úvahy magnetické polia malých segmentov takejto cievky drôtu v bode vnútri tejto cievky. Napríklad v centre.

Segment označený , podľa pravidla gimlet, v ňom vytvára pole smerom nahor (pozri obr. 14).

Ryža. 14. Magnetické pole segmentov

Segment podobne vytvára magnetické pole v tomto bode nasmerované tam. To isté platí pre ostatné segmenty. Potom celková silová charakteristika (čiže vektor magnetickej indukcie B) v tomto bode bude superpozíciou silových charakteristík magnetických polí všetkých malých segmentov v tomto bode a bude smerovať nahor (pozri obr. 15).

Ryža. 15. Celková výkonová charakteristika v strede cievky

Pre ľubovoľnú cievku, ktorá nemusí mať nevyhnutne tvar kruhu, napríklad pre štvorcový rám (pozri obr. 16), bude hodnota vektora vo vnútri cievky prirodzene závisieť od tvaru, veľkosti cievky a prúdu. sila v ňom, ale smer vektora magnetickej indukcie bude určený vždy rovnako (ako superpozícia polí vytvorených malými segmentmi).

Ryža. 16. Magnetické pole segmentov štvorcového rámu

Podrobne sme opísali určenie smeru poľa vo vnútri cievky, ale vo všeobecnosti sa dá nájsť oveľa jednoduchšie, podľa mierne upraveného pravidla gimlet:

ak otočíte rukoväťou vinutia v smere, kde prúdi prúd v cievke, potom bude špička brvna udávať smer vektora magnetickej indukcie vo vnútri cievky (pozri obr. 17).

To znamená, že teraz rotácia rukoväte zodpovedá smeru prúdu a pohyb gimletu zodpovedá smeru poľa. A nie naopak, ako to bolo v prípade priameho vodiča. Ak je dlhý vodič, cez ktorý preteká prúd, stočený do pružiny, potom bude toto zariadenie súpravou závitov. Magnetické polia každého závitu cievky sa budú sčítavať podľa princípu superpozície. Pole vytvorené cievkou v určitom bode bude teda súčtom polí vytvorených každým zo závitov v tomto bode. Obrázok siločiar poľa takejto cievky vidíte na obr. 18.

Ryža. 18. Silové vedenia cievky

Takéto zariadenie sa nazýva cievka, solenoid alebo elektromagnet. Je ľahké vidieť, že magnetické vlastnosti cievky budú rovnaké ako vlastnosti permanentného magnetu (pozri obr. 19).

Ryža. 19. Magnetické vlastnosti cievky a permanentného magnetu

Jedna strana cievky (ktorá je na obrázku vyššie) hrá úlohu severného pólu magnetu a druhá strana - južný pól. Takéto zariadenie je široko používané v technológii, pretože je možné ho ovládať: magnetom sa stáva iba vtedy, keď je zapnutý prúd v cievke. Všimnite si, že siločiary magnetického poľa vo vnútri cievky sú takmer paralelné a husté. Pole vo vnútri solenoidu je veľmi silné a rovnomerné. Pole mimo cievky je nerovnomerné, je oveľa slabšie ako pole vo vnútri a smeruje opačným smerom. Smer magnetického poľa vo vnútri cievky je určený gimletovým pravidlom ako pre pole vo vnútri jednej otáčky. Pre smer otáčania rukoväte berieme smer prúdu, ktorý preteká cievkou a pohyb gimletu udáva smer magnetického poľa vo vnútri (pozri obr. 20).

Ryža. 20. Pravidlo gimletu pre navijak

Ak umiestnite cievku s prúdom do magnetického poľa, preorientuje sa ako magnetická ihla. Moment sily spôsobujúci rotáciu súvisí s modulom vektora magnetickej indukcie v danom bode, plochou cievky a sile prúdu v nej podľa nasledujúceho vzťahu:

Teraz je nám jasné, odkiaľ pochádzajú magnetické vlastnosti permanentného magnetu: elektrón pohybujúci sa v atóme po uzavretej dráhe je ako cievka s prúdom a ako cievka má magnetické pole. A ako sme videli na príklade cievky, mnohé otáčky prúdu, usporiadané určitým spôsobom, majú silné magnetické pole.

Pole vytvorené permanentnými magnetmi je výsledkom pohybu nábojov v ich vnútri. A tieto náboje sú elektróny v atómoch (pozri obr. 21). Ryža. 21. Pohyb elektrónov v atómoch Vysvetlime si mechanizmus jej vzniku na kvalitatívnej úrovni. Ako viete, elektróny v atóme sú v pohybe. Takže každý elektrón v každom atóme vytvára svoje vlastné magnetické pole, čím sa získa obrovské množstvo magnetov veľkosti atómu. Vo väčšine látok sú tieto magnety a ich magnetické polia náhodne orientované. Preto je celkové magnetické pole vytvorené telom nulové. Ale existujú látky, v ktorých sú magnetické polia vytvorené jednotlivými elektrónmi orientované rovnako (pozri obr. 22). Ryža. 22. Magnetické polia sú orientované rovnako Preto sa magnetické polia vytvorené každým elektrónom sčítavajú. Výsledkom je, že teleso vyrobené z takejto látky má magnetické pole a je permanentným magnetom. Vo vonkajšom magnetickom poli sa jednotlivé atómy alebo skupiny atómov, ktoré, ako sme zistili, majú vlastné magnetické pole, otáčajú ako strelka kompasu (pozri obr. 23). Ryža. 23. Rotácia atómov vo vonkajšom magnetickom poli Ak predtým neboli orientované jedným smerom a netvorili silné celkové magnetické pole, tak po zoradení elementárnych magnetov sa ich magnetické polia sčítajú. A ak sa po pôsobení vonkajšieho poľa zachová poriadok, látka zostane magnetom. Opísaný proces sa nazýva magnetizácia.

Označte póly zdroja prúdu napájajúceho solenoid na obr. 24 interakcií. Uvažujme: solenoid, v ktorom tečie jednosmerný prúd, sa správa ako magnet.

Ryža. 24. Zdroj prúdu

Podľa obr. 24 ukazuje, že magnetická strelka je orientovaná južným pólom smerom k solenoidu. Ako póly magnetov sa navzájom odpudzujú, zatiaľ čo opačné póly sa priťahujú. Z toho vyplýva, že ľavý pól samotného solenoidu je severný (pozri obr. 25).

Ryža. 25. Ľavý pól solenoidu sever

Čiary magnetickej indukcie opúšťajú severný pól a vstupujú na južný. To znamená, že pole vo vnútri solenoidu smeruje doľava (pozri obr. 26).

Ryža. 26. Pole vnútri solenoidu smeruje doľava

No, smer poľa vo vnútri solenoidu je určený gimletovým pravidlom. Vieme, že pole je nasmerované doľava, tak si predstavme, že gimlet je priskrutkovaný týmto smerom. Potom bude jeho rukoväť udávať smer prúdu v elektromagnete - sprava doľava (pozri obr. 27).

Smer prúdu je určený smerom pohybu kladného náboja. Kladný náboj sa pohybuje z bodu s veľkým potenciálom (kladný pól zdroja) do bodu s menším (záporný pól zdroja). Preto je zdrojový pól umiestnený vpravo kladný a vľavo záporný (pozri obr. 28).

Ryža. 28. Určenie pólov zdroja

Úloha 2

Rám s plochou 400 je umiestnený v rovnomernom magnetickom poli s indukciou 0,1 T tak, že normála rámu je kolmá na indukčné čiary. Pri akej sile prúdu bude na rám pôsobiť krútiaci moment 20 (pozri obr. 29)?

Ryža. 29. Nákres k 2. úlohe

Uvažujme: moment sily spôsobujúci rotáciu súvisí s modulom vektora magnetickej indukcie v danom bode, plochou cievky a sile prúdu v nej podľa nasledujúceho vzťahu:

V našom prípade sú k dispozícii všetky potrebné údaje. Zostáva vyjadriť požadovanú aktuálnu silu a vypočítať odpoveď:

Problém je vyriešený.

Bibliografia

1. Sokolovič Yu.A., Bogdanova G.S. Fyzika: Príručka s príkladmi riešenia problémov. - Redistribúcia 2. vydania. - X .: Vesta: Vydavateľstvo "Ranok", 2005. - 464 s.
2. Myakishev G.Ya. Fyzika: Proc. pre 11 buniek. všeobecné vzdelanie inštitúcií. - M.: Vzdelávanie, 2010.

1. Internetový portál „Hypermarket znalostí“ ()
2. Internetový portál „Jednotná zbierka DER“ ()

Domáca úloha

Tak ako elektrický náboj v pokoji pôsobí na iný náboj cez elektrické pole, elektrický prúd pôsobí na iný prúd cez magnetické pole. Pôsobenie magnetického poľa na permanentné magnety sa redukuje na jeho pôsobenie na náboje pohybujúce sa v atómoch látky a vytvárajúce mikroskopické kruhové prúdy.

Doktrína o elektromagnetizmu na základe dvoch predpokladov:

• magnetické pole pôsobí na pohybujúce sa náboje a prúdy;
• okolo prúdov a pohybujúcich sa nábojov vzniká magnetické pole.

Interakcia magnetov

Permanentný magnet(alebo magnetická ihla) je orientovaná pozdĺž magnetického poludníka Zeme. Koniec smerujúci na sever sa nazýva severný pól (N) a opačný koniec je Južný pól(S). Pri priblížení dvoch magnetov k sebe si všimneme, že ich podobné póly sa odpudzujú a opačné sa priťahujú ( ryža. 1 ).

Ak oddelíme póly rozrezaním permanentného magnetu na dve časti, potom zistíme, že každý z nich bude mať tiež dva póly t.j. bude to permanentný magnet ( ryža. 2 ). Oba póly – severný aj južný – sú od seba neoddeliteľné, rovnocenné.

Magnetické pole vytvorené Zemou alebo permanentnými magnetmi je znázornené podobne ako elektrické pole magnetickými siločiarami. Obraz siločiar magnetického poľa akéhokoľvek magnetu možno získať tak, že sa naň položí hárok papiera, na ktorý sú v rovnomernej vrstve nasypané železné piliny. Keď sa piliny dostanú do magnetického poľa, zmagnetizujú sa - každá z nich má severný a južný pól. Opačné póly majú tendenciu sa k sebe približovať, tomu však bráni trenie pilín o papier. Ak poklepete prstom na papier, trenie sa zníži a piliny sa budú navzájom priťahovať, čím sa vytvoria reťazce, ktoré predstavujú čiary magnetického poľa.

Zapnuté ryža. 3 znázorňuje umiestnenie v poli priameho magnetu pilín a malé magnetické šípky označujúce smer magnetických siločiar. Pre tento smer sa berie smer severného pólu magnetickej ihly.

Oerstedova skúsenosť. Prúd magnetického poľa

IN začiatkom XIX V. dánsky vedec Oersted objavením urobil dôležitý objav pôsobenie elektrického prúdu na permanentné magnety . Blízko magnetickej ihly umiestnil dlhý drôt. Keď drôtom prešiel prúd, šípka sa otočila a snažila sa byť na ňu kolmá ( ryža. 4 ). Dalo by sa to vysvetliť objavením sa magnetického poľa okolo vodiča.

Magnetické siločiary poľa vytvoreného jednosmerným vodičom s prúdom sú sústredné kružnice umiestnené v rovine naň kolmej so stredmi v bode, ktorým prúd prechádza ( ryža. 5 ). Smer čiar je určený správnym skrutkovým pravidlom:

Ak sa skrutka otáča v smere siločiar, bude sa pohybovať v smere prúdu vo vodiči .

Silová charakteristika magnetického poľa je vektor magnetickej indukcie B . V každom bode smeruje tangenciálne k siločiaru. Elektrické siločiary začínajú na kladných nábojoch a končia na záporných a sila pôsobiaca v tomto poli na náboj smeruje tangenciálne k čiare v každom z jej bodov. Na rozdiel od elektrického poľa sú čiary magnetického poľa uzavreté, čo je spôsobené absenciou „magnetických nábojov“ v prírode.

Magnetické pole prúdu sa v zásade nelíši od poľa vytvoreného permanentným magnetom. V tomto zmysle je analógom plochého magnetu dlhý solenoid - cievka drôtu, ktorej dĺžka je oveľa väčšia ako jej priemer. Diagram čiar magnetického poľa, ktorý vytvoril, znázornený v ryža. 6 , podobne ako pre plochý magnet ( ryža. 3 ). Kruhy označujú časti drôtu tvoriace vinutie solenoidu. Prúdy pretekajúce drôtom od pozorovateľa sú označené krížikmi a prúdy v opačnom smere - k pozorovateľovi - sú označené bodkami. Rovnaké označenia sú akceptované pre magnetické siločiary, keď sú kolmé na rovinu výkresu ( ryža. 7 a, b).

Smer prúdu v solenoidovom vinutí a smer magnetických siločiar vnútri sú tiež spojené podľa pravidla pravej skrutky, ktoré je v tomto prípade formulované takto:

Ak sa pozriete pozdĺž osi solenoidu, potom prúd tečúci v smere hodinových ručičiek v ňom vytvára magnetické pole, ktorého smer sa zhoduje so smerom pohybu pravej skrutky ( ryža. 8 )

Na základe tohto pravidla je ľahké zistiť, že solenoid zobrazený v ryža. 6 , jeho pravý koniec je severný pól a jeho ľavý koniec je južný pól.

Magnetické pole vo vnútri solenoidu je homogénne - vektor magnetickej indukcie tam má konštantnú hodnotu (B = const). V tomto ohľade je solenoid podobný plochému kondenzátoru, vo vnútri ktorého sa vytvára rovnomerné elektrické pole.

Sila pôsobiaca v magnetickom poli na vodič s prúdom

Experimentálne sa zistilo, že sila pôsobí na vodič s prúdom v magnetickom poli. V rovnomernom poli pôsobí priamočiary vodič dĺžky l, cez ktorý preteká prúd I, umiestnený kolmo na vektor poľa B, silu: F = I l B .

Smer sily je určený pravidlo ľavej ruky:

Ak sú štyri vystreté prsty ľavej ruky umiestnené v smere prúdu vo vodiči a dlaň je kolmá na vektor B, zatiahnutý palec bude ukazovať smer sily pôsobiacej na vodič. (ryža. 9 ).

Treba poznamenať, že sila pôsobiaca na vodič s prúdom v magnetickom poli nie je nasmerovaná tangenciálne k jeho siločiaram ako elektrická sila, ale kolmo na ne. Vodič umiestnený pozdĺž siločiar nie je ovplyvnený magnetickou silou.

Rovnica F = ILB dajme kvantitatívna charakteristika indukcia magnetického poľa.

Postoj nezávisí od vlastností vodiča a charakterizuje samotné magnetické pole.

Modul vektora magnetickej indukcie B numericky rovná sile pôsobiace na vodič jednotkovej dĺžky umiestnený kolmo na neho, ktorým preteká prúd jedného ampéra.

V systéme SI je jednotkou indukcie magnetického poľa tesla (T):

Magnetické pole. Tabuľky, schémy, vzorce

(Interakcia magnetov, Oerstedov experiment, vektor magnetickej indukcie, smer vektora, princíp superpozície. Grafické znázornenie magnetických polí, magnetické indukčné čiary. magnetický tok, energetická charakteristika poľa. Magnetické sily, Ampérová sila, Lorentzova sila. Pohyb nabitých častíc v magnetickom poli. Magnetické vlastnosti hmoty, Amperova hypotéza)

"Určenie magnetického poľa" - Podľa údajov získaných počas experimentov vyplňte tabuľku. J. Verne. Keď k magnetickej strelke privedieme magnet, otočí sa. Grafické znázornenie magnetických polí. Hans Christian Oersted. Elektrické pole. Magnet má dva póly: severný a južný. Etapa zovšeobecňovania a systematizácie poznatkov.

"Magnetické pole a jeho grafické znázornenie" - Nerovnomerné magnetické pole. Cievky s prúdom. magnetické čiary. Amperova hypotéza. Vo vnútri tyčový magnet. Opačné magnetické póly. Polárne svetlá. Magnetické pole permanentného magnetu. Magnetické pole. Magnetické pole Zeme. Magnetické póly. biometrológia. sústredné kruhy. Rovnomerné magnetické pole.

"Energia magnetického poľa" - Skalárna hodnota. Výpočet indukčnosti. Permanentné magnetické polia. Relaxačný čas. Definícia indukčnosti. energia cievky. Mimoprúdy v obvode s indukčnosťou. Procesy prechodu. Hustota energie. Elektrodynamika. Oscilačný obvod. Pulzné magnetické pole. Samoindukcia. Hustota energie magnetického poľa.

"Charakteristika magnetického poľa" - Čiary magnetickej indukcie. Gimletovo pravidlo. Otáčajte sa pozdĺž siločiar. Počítačový model magnetického poľa Zeme. Magnetická konštanta. Magnetická indukcia. Počet nosičov náboja. Tri spôsoby nastavenia vektora magnetickej indukcie. Magnetické pole elektrického prúdu. Fyzik William Hilbert.

"Vlastnosti magnetického poľa" - Druh látky. Magnetická indukcia magnetického poľa. Magnetická indukcia. Permanentný magnet. Niektoré hodnoty magnetickej indukcie. Magnetická ihla. Hovorca. Modul vektora magnetickej indukcie. Čiary magnetickej indukcie sú vždy uzavreté. Interakcia prúdov. Krútiaci moment. Magnetické vlastnosti hmoty.

"Pohyb častíc v magnetickom poli" - Spektrograf. Prejav pôsobenia Lorentzovej sily. Lorentzova sila. cyklotrón. Určenie veľkosti Lorentzovej sily. Kontrolné otázky. Smery Lorentzových síl. Medzihviezdna hmota. Úloha experimentu. Zmeniť nastavenia. Magnetické pole. Hmotnostný spektrograf. Pohyb častíc v magnetickom poli. Katódová trubica.

Celkovo je v téme 20 prezentácií

Prednáška: Oerstedova skúsenosť. Magnetické pole vodiča s prúdom. Vzor siločiar dlhého priameho vodiča a uzavretého kruhového vodiča, cievky s prúdom

Oerstedova skúsenosť

Magnetické vlastnosti niektorých látok sú ľuďom známe už dlho. Nie tak starým objavom však bolo, že magnetické a elektrický charakter látky sú príbuzné. Toto spojenie sa ukázalo Oersted ktorý robil pokusy s elektrickým prúdom. Celkom náhodou sa vedľa vodiča, ktorým prechádzal prúd, nachádza magnet. Pomerne prudko zmenil svoj smer v čase, keď prúd prechádzal vodičmi, a vrátil sa do pôvodnej polohy, keď bol kľúč obvodu otvorený.

Z tejto skúsenosti sa dospelo k záveru, že okolo vodiča, ktorým prechádza prúd, sa vytvára magnetické pole. To znamená, že môžete záver: elektrické pole je spôsobené všetkými nábojmi a magnetické pole je spôsobené iba okolo nábojov, ktoré majú usmernený pohyb.

Magnetické pole vodiča

Ak vezmeme do úvahy prierez vodiča s prúdom, potom jeho magnetické čiary bude mať okolo vodiča kruhy rôznych priemerov.

Na určenie smeru prúdových alebo magnetických siločiar okolo vodiča použite pravidlo pravá skrutka:

Ak chytíte vodič pravou rukou a palcom nasmerujete pozdĺž neho v smere prúdu, potom ohnuté prsty ukážu smer magnetických siločiar.

Výkonovou charakteristikou magnetického poľa je magnetická indukcia. Niekedy sa čiary magnetického poľa nazývajú indukčné čiary.

Indukcia sa označuje a meria takto: [V] = 1 T.

Ako si možno spomínate, princíp superpozícií platil pre silovú charakteristiku elektrického poľa, to isté možno povedať o magnetickom poli. To znamená, že výsledná indukcia poľa sa rovná súčtu indukčných vektorov v každom bode.

cievka s prúdom

Ako viete, vodiči môžu mať iný tvar, vrátane pozostávajúce z niekoľkých zákrut. Okolo takéhoto vodiča sa vytvára aj magnetické pole. Na jeho určenie použite gimlet pravidlo:

Ak zovriete cievky rukou tak, aby ich zovreli 4 ohnuté prsty, palec ukáže smer magnetického poľa.