Действие магнитного поля на проводник с током. Л.р.№1

 «Только кухарка прибавляет соли на глаз,

а физики должны все рассчитывать»

П.Л. Капица

В данной теме разговор пойдёт о том, какое же действие оказывает магнитное поле на проводник с током. В конце урока, для закрепления полученных знаний, будет проведена лабораторная работа по наблюдению действия магнитного поля на ток.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Магнитное поле порождается электрическим током и обнаруживается по действию на электрический ток. Для количественного описания магнитного поля вводится физическая величина, называемая.

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.

Магнитное поле — это вихревое поле, т.е. линии индукции магнитного поля замкнуты. Замкнутость линий говорит нам о том, что магнитных зарядов в природе не существует, источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.

Опыты Ампера показали, что два проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Это объясняется тем, что сила, которую испытывает каждый из проводников, обусловлена магнитным полем, создаваемым током другого проводника.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

Действительно, расположим проводник с током так, чтобы только один его прямолинейный участок оказался в сильном магнитном поле (например, между полюсами подковообразного магнита), а остальные части цепи находились в областях пространства, где магнитное поле слабое и его действием на эти части цепи можно пренебречь.

Как показывают многочисленные опыты, проводник может двигаться влево или вправо, вверх или вниз, в зависимости от направления тока и от расположения полюсов магнита. Но если проводник расположить вдоль направления магнитного поля, то никакие силы на него действовать не будут.

Закон, определяющий силу, действующую на отдельный небольшой участок проводника с током в магнитном поле, был установлен в 1820 году французским физиком Андре-Мари Ампером, поэтому эту силу называют силой Ампера.

От чего зависит сила Ампера?

Возьмем свободно подвешенный горизонтальный проводник и поместим его в поле постоянного подковообразного магнита. Поле такого магнита в основном сосредоточено между его полюсами, поэтому магнитная сила действует только на часть проводника, расположенную непосредственно между полюсами.

Сила измеряется с помощью специальных весов, связанных с проводником двумя стержнями. Она будет направлена горизонтально, перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции.

Если увеличить силу тока в 2 раза, то можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличится в 2 раза. Если же добавить еще один такой же магнит, то в 2 раза увеличится размер области существующего магнитного поля,  и тем самым в 2 раза увеличится длина той части проводника, на которую это поле будет действовать.

Сила при этом также увеличится в 2 раза.

Как и любая другая сила, сила Ампера будет зависеть от угла образованного вектором магнитной индукции с проводником.

Таким образом, максимальная сила, действующая на отрезок проводника с током, прямо пропорциональна произведению силы тока на длину участка проводника:

Этот опытный факт можно использовать для определения модуля вектора магнитной индукции. Действительно, поскольку сила прямо пропорциональна произведению силы тока и длины участка проводника, то их отношение не будет зависеть ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника, на которое действует магнитное поле.

Именно поэтому это отношение можно принять за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен участок проводника, на который это магнитное поле действует. Именно, к такому выводу пришли, независимо друг от друга, Андре-Мари Ампер и Доминик Франсуа Жан Араго в начале 19 века.

Таким образом, модуль вектора магнитной индукции определяется отношением максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого отрезка.

Вектор магнитной индукции полностью характеризует магнитное поле. В каждой точке магнитного поля можно определить его направление и модуль.

Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.

Сила Ампера равна произведению модуля силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции и тока.

Это выражение еще называют законом Ампера. Им можно пользоваться только тогда, когда длина проводника такова, что

индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой, но если магнитное поле однородно, то длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в магнитном поле.

Направление силы Ампера можно определить, пользуясь правилом  левой руки: руку располагают так, чтобы нормальная составляющая магнитной индукции входила в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току; тогда отогнутый на 900 большой палец укажет направление действующей на проводник силы Ампера.

Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле, широко используются в технике. Электродвигатели и генераторы, телефоны и микрофоны — во всех этих и множестве других приборах используется взаимодействие токов, токов и магнитов и т.

д.

Разберемся с принципом работы громкоговорителя, который является одним из самых знаменитых изобретений ХХ века. Именно его появление (наряду с микрофоном) обеспечило возможность развития систем звукозаписи и звуковоспроизведения. В настоящее время громкоговорители относятся к самым массовым видам звуковой аппаратуры (по приблизительным подсчетам их промышленный выпуск достигает 500 млн. штук в год). От качества звучания громкоговорителей в значительной степени зависит качество звука в системах звукоусиления, радиовещания, телевидения, звукозаписи и домашнего воспроизведения. Именно поэтому исследованием физических процессов преобразования звука в громкоговорителях, созданием их математических моделей и алгоритмов, программных продуктов для их расчета и проектирования занимаются десятки университетов и научных центров, а производством — сотни крупнейших фирм.

Громкоговоритель — это прибор, который служит для возбуждения звуковых волн под действием переменного электрического тока, меняющегося со звуковой частотой.

Иными словами, громкоговоритель применяется для преобразования электрических колебаний в звуковые.

История устройства, преобразующего энергию электрического сигнала в энергию звукового поля, началась в конце 19 века, задолго до появления усилителей мощности. В 1849 году на Кубе изобретатель итальянского происхождения Антонио Меуччи сконструировал, как он говорил, «Говорящий телеграф». Однако данное устройство он не смог запатентовать из-за достаточной бедности.

26 октября 1861 года преподаватель физики Фридрихсдорфского института

Иоганн Филипп Рейс продемонстрировал самодельный аппарат, который назвал «музыкальным телефоном». Но его изобретение было недостаточно чувствительным: хорошо передавались лишь громкие звуки музыкальных инструментов, а вот человеческую речь было слышно плохо. Изобретением Рейса заинтересовались и знаменитый Томас Эдисон, и тогда еще малоизвестный Александр Белл.

В 1874 году немецкий инженер Эрнст Вернер фон Сименс, основатель компании Siemens, описал магнитоэлектрический аппарат, в котором круглая катушка с намотанной проволокой располагается в радиальном магнитном поле со специальной поддержкой для обеспечения возможности вертикального смещения. Он указал тогда, что этот двигательный механизм может использоваться для получения звука, но не продемонстрировал это на практике.

В 1876 году американский ученый Александр Белл запатентовал телефон и продемонстрировал его звучание с использованием преобразователя очень похожего типа.

Когда, в 1876 г. американские газеты сообщили об изобретении телефона Александром Беллом, Меуччи заподозрил, что у него просто украли идею, и подал в суд на «Вестерн Юнион». После многолетней тяжбы он все-таки выиграл процесс. Но к тому времени патент на изобретение уже истек, и итальянец смог получить разве что моральное удовлетворение. Только 11 июня 2002 года Конгресс США вынес решение о том, что именно Меуччи, а не Белл, является изобретателем телефона.

В 1915-1918 гг. эти разработки продолжили инженеры фирмы Белла, и вскоре на улицах городов появились первые рупорные громкоговорители.

Но диапазон частот у этих устройств был очень узким. Выход нашли американцы Честер Рейс и Эдвард Келлог из компании «Дженерал электрик». В 1924 г. они сконструировали электродинамический излучатель, в котором диафрагма могла работать в диапазоне выше своей резонансной частоты. Уже через два года это устройство появилось в промышленных громкоговорителях Radiola Model 104, а также в радиоприемнике Radiola 28. В 1927 г. в конструкции головки громкоговорителя появился постоянный магнит, что способствовало улучшению качества звука.

Интересно отметить, что почти одновременно работы по созданию электродинамических громкоговорителей велись и в России. В 1923 году в Петрограде была создана Центральная радиолаборатория, позднее переименованная в Институт радиовещательного приема и акустики. С первых дней создания в ИРПА проводились разработки громкоговорителей. В 1926 году был создан электромагнитный громкоговоритель «Рекорд» и электромагнитный рупорный уличный громкоговоритель ТМ, которые начали выпускаться на заводе им. Кулакова. Уже в 1930-32 годах были созданы первые мощные громкоговорители для звукоусиления на Красной площади в Москве (мощностью 100 Ватт). С тех пор акустические системы претерпели массу изменений, но принцип их работы до сих пор остается все тем же.

Устройство громкоговорителя.  У громкоговорителя есть подвижная и неподвижная части, которые и образуют его функциональную систему.

Подвижную часть, закрытую пылезащитным колпачком, называют диффузором. Он создает механические колебания — вибрацию воздуха, который мы воспринимаем как звук, и чем больше площадь соприкосновения подвижной части с воздухом, тем сильнее будет излучаемый звуковой сигнал.

За диффузором располагается центрирующая шайба, в которой находится электромагнитная катушка. Она влияет на мощность звука и его качество. Каркас такой катушки изготавливают из плотной бумаги или медной, или алюминиевой фольги и прикрепляют к диффузору с тыльной стороны. Выводы катушки подключаются к выходному каскаду усилителя звуковой частоты.

Эта катушка (еще ее называют звуковой) имеет свободный ход на металлическом стержне, расположенном в магнитном поле мощного постоянного магнита, кольцевой формы, который крепится к корзине. При прохождении через обмотку звуковой катушки усиленного звукового сигнала, создается переменное электромагнитное поле, которое суммируется воедино витками намотанного на каркас провода и взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.

В зависимости от силы поступаемого на обмотку электрического сигнала, прочно прикрепленная к диффузору катушка приводит диффузор в колебательные движения, который возбуждает окружающий его воздух, образовывая направленную звуковую волну.

Высококачественные громкоговорители воспроизводят звуковые колебания в диапазоне от 20 до 20000 Герц. Но такие устройства довольно сложны. Чаще применяют системы из нескольких громкоговорителей с разделёнными диапазонами воспроизведения звука. Это улучшает слышимое качество звука и перераспределяет электрическую и механическую нагрузку между динамиками, увеличивая общую громкость воспроизведения. Для домашних условий вполне достаточной может быть мощность около 1–5 электрических ватт. Для вечеринки — около 20–100 ватт. Небольшой актовый зал или дискотека – 300–500 ватт. И далее по возрастающей. Общим недостатком всех громкоговорителей является малый КПД — 1-3 %. Но и этих процентов на практике хватает для слушания музыки, речи и других звуков окружающего нас мира.

Лабораторная работа №1. Наблюдение действия магнитного поля на ток.

Цель работы: наблюдение действия магнитного поля на проводник с током.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, реостат, ключ, источник постоянного тока, соединительные провода, дугообразный магнит и, конечно же, проволочный моток.

Ход работы:

1. Необходимо подвесить проволочный моток к штативу, предварительно присоединив его к источнику тока последовательно с реостатом и ключом. Предварительно ключ должен быть разомкнут, а движок реостата должен быть установлен на максимальное сопротивление. Начертите схему.

2 .Замкните цепь и расположите магнитную стрелку под мотком, определите полярность магнитного поля мотка.

3. Поднесите к висящему мотку магнит и, замыкая ключ, пронаблюдайте движение мотка. Сделайте рисунок.

4. Ответьте на вопросы:

Каково направление тока в мотке?

Каково направление магнитного поля мотка?

И каково направление магнитного поля магнита?

5. Поменяйте направление тока в мотке и опять пронаблюдайте за его движением. Сделайте соответствующий рисунок, и ответьте на вопросы из предыдущего пункта.

Сделайте самостоятельно выводы по данной теме.

Магнитное поле постояннoго электрического тока 11 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

 

Каждый из вас держал в руках магнит и знает его удивительное свойство: он на расстоянии взаимодействует с другим магнитом или с куском железа. Что есть такого в магните, что придает ему эти удивительные свойства? Можно ли самому сделать магнит? Можно, и что для этого нужно – вы узнаете из нашего урока. Забежим наперед: если взять простой железный гвоздь, он не будет обладать магнитными свойствами, но, если обмотать его проволокой и подключить ее к батарейке, мы получим магнит (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Гвоздь, обмотанный проволокой и подключенный к батарейке

Оказывается, чтобы получить магнит, нужен электрический ток – движение электрического заряда. С движением электрического заряда связаны и свойства постоянных магнитов, таких как магнитики на холодильнике. Некого магнитного заряда, подобно электрическому, в природе не существует. Он и не нужен, достаточно движущихся электрических зарядов.

 

Магнитное поле, вектор магнитной индукции, правило буравчика

 

 

Прежде чем исследовать магнитное поле постоянного электрического тока, нужно договориться, как количественно описывать магнитное поле. Для количественного описания магнитных явлений необходимо ввести силовую характеристику магнитного поля. Векторная величина, количественно характеризующая магнитное поле, называется магнитной индукцией. Обозначается она обычно большой латинской буквой B, измеряется в тесла.

 

Магнитная индукции  – векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Направление магнитного поля определяется по аналогии с моделью электростатики, в которой поле характеризуется действием на пробный покоящийся заряд. Только здесь в качестве «пробного элемента» используется магнитная стрелка (продолговатый постоянный магнит). Такую стрелку вы видели в компасе. За направление магнитного поля в какой-либо точке принято направление, которое укажет северный полюс N магнитной стрелки после переориентации (см. рис. 2).

Рис. 2. Направление магнитного поля

Полную и наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые силовые линии магнитного поля (см. рис. 3).

Рис. 3. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита

Это линии, показывающие направление вектора магнитной индукции (то есть направления полюса N магнитной стрелки) в каждой точке пространства. С помощью магнитной стрелки, таким образом, можно получить картину силовых линии различных магнитных полей. Вот, например, картина силовых линий магнитного поля постоянного магнита (см. рис. 4).

Рис. 4. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита

Магнитное поле существует в каждой точке, но линии мы изображаем на некотором расстоянии друг от друга. Это просто способ изображения магнитного поля, аналогично мы поступали с напряженностью электрического поля (см. рис. 5).

Рис. 5. Линии напряженности электрического поля

Чем более плотно нарисованы линии – тем больше модуль магнитной индукции в данной области пространства. Как видите (см. рис. 4), силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс. Внутри магнита силовые линии поля также продолжаются. В отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, силовые линии магнитного поля замкнутые (см. рис. 6).

Рис. 6. Силовые линии магнитного поля замкнуты

Поле, силовые линии которого замкнуты, называется вихревым векторным полем. Электростатическое поле не является вихревым, оно потенциальное. Принципиальное различие вихревых и потенциальных полей в том, что работа потенциального поля на любом замкнутом пути равна нулю, для вихревого поля это не так. Земля тоже является огромным магнитом, она обладает магнитным полем, которое мы обнаруживаем с помощью стрелки компаса. Подробнее о магнитном поле Земли рассказано в ответвлении.

 

Компас. Магнитное поле земли

Наша планета Земля является большим магнитом, полюса которого находятся неподалеку от пересечения поверхности с осью вращения. Географически это Южный и Северный полюса. Именно поэтому стрелка в компасе, которая тоже является магнитом, взаимодействует с Землей. Она ориентируется таким образом, что один конец указывает на Северный полюс, а другой – на Южный (см. рис. 7).

Рис. 7. Стрелка в компасе взаимодействует с Землей

Тот, который указывает на Северный полюс Земли, обозначили N, что означает North – в переводе с английского «Север». А тот, который указывает на Южный полюс Земли – S, что означает South – в переводе с английского «Юг». Так как притягиваются разноименные полюса магнитов, то северный полюс стрелки указывает на Южный магнитный полюс Земли (см. рис. 8).

Рис. 8. Взаимодействие компаса и магнитных полюсов Земли

Получается, что Южный магнитный полюс находится у Северного географического. И наоборот, Северный магнитный находится у Южного географического полюса Земли.

 

Теперь, познакомившись с моделью магнитного поля, исследуем поле проводника с постоянным током. Еще в XIX веке датский ученый Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка взаимодействует с проводником, по которому течет электрический ток (см. рис. 9).

Рис. 9. Взаимодействие магнитной стрелки с проводником

Практика показывает, что в магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке будет устанавливаться по касательной к некоторой окружности. Плоскость этой окружности перпендикулярна проводнику с током, а ее центр лежит на оси проводника (см. рис. 10).

Рис. 10. Расположение магнитной стрелки в магнитном поле прямого проводника

Если изменить направление протекания тока по проводнику, то магнитная стрелка в каждой точке развернется в противоположную сторону (см. рис. 11).

Рис. 11. При изменении направления протекания электрического тока

То есть направление магнитного поля зависит от направления протекания тока по проводнику. Описать эту зависимость можно при помощи простого экспериментально установленного метода – правила буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения его ручки совпадает с направлением магнитного поля, создаваемого этим проводником (см. рис. 12).

Рис. 12. Направление магнитного поля

Итак, магнитное поле проводника с током направлено в каждой точке по касательной к окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружности совпадает с осью проводника. Направление вектора магнитного поля в каждой точке связано с направлением тока в проводнике правилом буравчика. Опытным путем, при изменении силы тока и расстояния от проводника, установлено, что модуль вектора магнитной индукции пропорционален току  и обратно пропорционален расстоянию от проводника . Модуль вектора магнитной индукции поля, создаваемого бесконечным проводником с током, равен:

где  – коэффициент пропорциональности, который нередко встречается в магнетизме. Называется магнитной проницаемостью вакуума. Численно равен:

 

Для магнитных полей, как и для электрических, справедлив принцип суперпозиции. Магнитные поля, создаваемые разными источниками в одной точке пространства, складываются (см. рис. 13).

Рис. 13. Магнитные поля разных источников складываются

Суммарная силовая характеристика такого поля будет векторной суммой силовых характеристик полей каждого из источников. Величину магнитной индукции поля, создаваемого током в определенной точке, можно увеличить, если согнуть проводник в окружность. Это будет понятно, если рассмотреть магнитные поля небольших сегментов такого витка провода в точке, находящейся внутри этого витка. Например, в центре.

Сегмент, обозначенный , по правилу буравчика создает в ней поле, направленное вверх (см. рис. 14).

Рис. 14. Магнитное поле сегментов

Сегмент  аналогично создает в этой точке магнитное поле, направленное туда же. Аналогично и для других сегментов. Тогда суммарная силовая характеристика (то есть вектор магнитной индукции B) в этой точке будет суперпозицией силовых характеристик магнитных полей всех малых сегментов в этой и будет направлено вверх (см. рис. 15).

Рис. 15. Суммарная силовая характеристика в центре витка

Для произвольного витка, не обязательно в форме окружности, например для квадратной рамки (см. рис. 16), величина вектора  внутри витка будет, естественно, зависеть от формы, размеров витка и силы тока в нем, но направление вектора магнитной индукции всегда будет определяться таким же способом (как суперпозиция полей, создаваемых малыми сегментами).

Рис. 16. Магнитное поле сегментов квадратной рамки

Мы подробно описали определение направления поля внутри витка, но в общем случае его можно находить гораздо проще, по немного измененному правилу буравчика:

если вращать рукоятку буравчика в том направлении, куда течет ток в витке, то острие буравчика укажет направление вектора магнитной индукции внутри витка (см. рис. 17).

Рис. 17. Направление вектора магнитной индукции в витке

То есть теперь вращение рукоятки соответствует направлению тока, а перемещение буравчика – направлению поля. А не наоборот, как было в случае с прямым проводником. Если длинный проводник, по которому течет ток, свернуть в пружину, то это устройство будет представлять из себя множество витков. Магнитные поля каждого витка катушки по принципу суперпозиции будут складываться. Таким образом, поле, создаваемое катушкой в некоторой точке, будет суммой полей, создаваемых каждым из витков в этой точке. Картину силовых линий поля такой катушки вы видите на рис. 18.

Рис. 18. Силовые линии катушки

Такое устройство называется катушкой, соленоидом или электромагнитом. Нетрудно заметить, что магнитные свойства катушки будут такими же, как у постоянного магнита (см. рис. 19).

Рис. 19. Магнитные свойства катушки и постоянного магнита

Одна сторона катушки (которая на рисунке сверху) играет роль северного полюса магнита, а другая сторона – южного полюса. Такое устройство широко применяется в технике, потому что им можно управлять: оно становится магнитом только при включении тока в катушке. Обратите внимание, что линии магнитного поля внутри катушки почти параллельны, их плотность велика. Поле внутри соленоида очень сильное и однородное. Поле снаружи катушки неоднородно, оно намного слабее поля внутри и направлено в противоположную сторону. Направление магнитного поля внутри катушки определяется по правилу буравчика как для поля внутри одного витка. За направление вращения рукоятки мы принимаем направление тока, который течет по катушке, а перемещение буравчика указывает направление магнитного поля внутри нее (см. рис. 20).

Рис. 20. Правило буравчика для катушки

Если поместить виток с током в магнитное поле, он будет переориентироваться, подобно магнитной стрелке. Момент силы, вызывающий поворот, связан c модулем вектора магнитной индукции в данной точке, площадью витка и силой тока в нем следующим соотношением:

Теперь нам становится понятно, откуда берутся магнитные свойства постоянного магнита: электрон, движущийся в атоме по замкнутой траектории, подобен витку с током, и, как и виток, он обладает магнитным полем. А, как мы увидели на примере катушки, множество витков с током, упорядоченных определенным образом, обладают сильным магнитным полем.

 

Постоянные магниты

Поле, создаваемое постоянными магнитами, – результат движения зарядов внутри них. И эти заряды – электроны в атомах (см. рис. 21).

Рис. 21. Движение электронов в атомах

Объясним механизм его возникновения на качественном уровне. Как известно, электроны в атоме находятся в движении. Так вот, каждый электрон, в каждом атоме создает свое магнитное поле, таким образом, получается огромное количество магнитов размером с атом. У большинства веществ эти магниты и их магнитные поля ориентированы хаотично. Поэтому суммарное магнитное поле, создаваемое телом, равно нулю. Но есть вещества, у которых магнитные поля, создаваемые отдельными электронами, ориентированы одинаково (см. рис. 22).

Рис. 22. Магнитные поля ориентированы одинаково

Поэтому магнитные поля, создаваемые каждым электроном, складываются. В итоге тело из такого вещества обладает магнитным полем и является постоянным магнитом. Во внешнем магнитном поле отдельные атомы или группы атомов, обладающие, как мы выяснили, собственным магнитным полем, поворачиваются как стрелка компаса (см. рис. 23).

Рис. 23. Поворачивание атомов во внешнем магнитном поле

Если они до этого не были ориентированы в одну сторону и не образовывали сильное суммарное магнитное поле, то после упорядочивания элементарных магнитов их магнитные поля сложатся. И если после действия внешнего поля упорядоченность сохранится, вещество останется магнитом. Описанный процесс называется намагничиванием.

 

 

Задания

 

 

Обозначьте полюса источника тока, питающего соленоид при указанном на рис. 24 взаимодействии. Порассуждаем: соленоид, в котором течет постоянный ток, ведет себя подобно магниту.

 

Рис. 24. Источник тока

По рис. 24 видно, что магнитная стрелка ориентирована южным полюсом в сторону соленоида. Одноименные полюса магнитов отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Отсюда следует, что левый полюс самого соленоида – северный (см. рис. 25).

Рис. 25. Левый полюс соленоида северный

Линии магнитной индукции выходят из северного полюса и входят в южный. Значит, поле внутри соленоида направлено влево (см. рис. 26).

Рис. 26. Поле внутри соленоида направлено влево

Ну а направление поля внутри соленоида определяется по правилу буравчика. Мы знаем, что поле направлено влево – значит, представим, что буравчик вкручивается в этом направлении. Тогда его рукоятка будет указывать направление тока в соленоиде – справа налево (см. рис. 27).

Рис. 27. Направление тока в соленоиде

Направление тока определяется направлением перемещения положительного заряда. А положительный заряд перемещается от точки с большим потенциалом (положительный полюс источника) в точку с меньшим (отрицательный полюс источника). Следовательно, полюс источника, расположенный справа, – положительный, а слева – отрицательный (см. рис. 28).

Рис. 28. Определение полюсов источника

Задача 2

Рамка площадью 400  помещена в однородное магнитное поле индукцией 0,1 Тл так, что нормаль рамки перпендикулярна линиям индукции. При какой силе тока на рамку будет действовать вращающий момент 20  (см. рис. 29)?

Рис. 29. Рисунок к задаче 2

Порассуждаем: момент силы, вызывающий поворот, связан c модулем вектора магнитной индукции в данной точке, площадью витка и силой тока в нем следующим соотношением:

В нашем случае все необходимые данные имеются. Остается выразить искомую силу тока и рассчитать ответ:

Задача решена.

 

Список литературы

  1. Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
  2. Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет портал «Гипермаркет знаний» (Источник)
  2. Интернет портал «Единая коллекция ЦОР» (Источник)

 

Домашнее задание

  1. Дайте определение вектора магнитной индукции.
  2. Каковы источники магнитного поля?
  3. Какую величину обозначают  и чему численно она равна?
  4. Каким правилом можно описать зависимость направления магнитного поля от направления протекания тока по проводнику?

 

: Электричество и магнетизм Научная деятельность

Научная закуска

Упрощенный мотор

Сделать простой мини-мотор.

Science Snack

Мотор в разобранном виде

Сделайте простой мини-мотор.

Катушка проволоки становится электромагнитом, когда через нее проходит ток. Электромагнит взаимодействует с постоянным магнитом, заставляя катушку вращаться. Вуаля! Вы создали электродвигатель.

Инструменты и материалы

  • Около 2 футов (60 см) цельного (не многожильного) эмалированного или изолированного медного провода калибра 20–24
  • Инструмент для зачистки проводов (если вы используете изолированный провод) или наждачная бумага (если вы используете эмалированный провод)
  • Черная маркерная ручка
  • Обычная бумага, пенопласт или пластиковый стаканчик
  • Не менее 2 дисковых или прямоугольных керамических магнитов
  • Две большие скрепки
  • Малярная лента
  • Алюминиевая фольга
  • Одна или две батареи, C или D размер

Сборка

  1. Смотайте медный провод в катушку диаметром около 1 дюйма (2,5 см). Сделайте четыре-пять петель.
  2. Оберните концы проволоки вокруг катушки пару раз с противоположных сторон, чтобы скрепить катушку. Оставьте примерно 2 дюйма (5 см) выступающими с каждой стороны катушки и обрежьте все лишнее (щелкните, чтобы увеличить фото ниже).
  3. Если вы используете изолированный провод, снимите изоляцию с концов провода, выступающих из катушки. Если вы используете эмалированную проволоку, удалите эмаль наждачной бумагой.
  4. Несмываемым маркером покрасьте одну сторону одного из выступающих концов в черный цвет. ( Примечание. Очень важно, чтобы ориентация окрашенной стороны соответствовала ориентации, показанной на изображении ниже. Если катушка удерживается в вертикальной плоскости, покрасьте верхнюю половину одного из проводов в черный цвет. )
  5. Отрежьте или оторвите две полоски алюминиевой фольги шириной 1 дюйм (2,5 см).
  6. Разверните один конец каждой скрепки. На развернутую часть каждой скрепки оберните и приклейте конец полоски алюминиевой фольги. Убедитесь, что фольга плотно прилегает к зажиму.
  7. Переверните чашку вверх дном. Прикрепите скрепки к противоположным сторонам дна чашки так, чтобы развернутые концы скрепок были направлены вниз, а алюминиевая фольга отходила от чашки.
  8. Держа чашку вверх дном, поместите один магнит по центру дна чашки, а затем приложите палец к магниту, чтобы зафиксировать его на месте.
  9. Теперь переверните чашку правой стороной вверх. Прикрепите один или несколько магнитов к внутренней части чашки, непосредственно под оригинальным магнитом. Это создаст сильное магнитное поле, а также удержит внешний/верхний магнит на месте. Ваш вид на внутреннюю часть чашки должен выглядеть, как на фото ниже (нажмите, чтобы увеличить).
  10. Поместите концы катушки с медной проволокой в ​​держатели, образованные петлями в скрепках. Отрегулируйте высоту канцелярских скрепок так, чтобы при вращении катушки она выходила за пределы магнита примерно на 1/16 дюйма (1,5 мм).
  11. Отрегулируйте катушку и зажимы так, чтобы катушка оставалась сбалансированной и центрированной, свободно вращаясь на зажимах. Хороший баланс важен для правильной работы двигателя. При необходимости обрежьте лишний провод с торчащих концов катушки. (Длина, необходимая для двух концов катушки, зависит от расстояния между держателями скрепки, которое, в свою очередь, зависит от ширины основания используемой вами чашки.)
  12. Убедитесь, что две задние полоски алюминиевой фольги не касаются друг друга. Поставьте аккумулятор на одну из полосок фольги так, чтобы она опиралась на фольгу и соприкасалась с ней. Теперь прикоснитесь другой полоской фольги к другому концу батареи.

Действия и уведомления

Вращайте катушку, чтобы она начала вращаться. Если он не крутится сам по себе, убедитесь, что катушка в сборе хорошо сбалансирована при вращении, что эмаль тщательно соскоблена (если вы использовали эмалированную проволоку), что выступающий конец окрашен в черный цвет. маркером, и что катушка и магнит находятся близко друг к другу, но не ударяются друг о друга. Вы также можете попробовать отрегулировать расстояние, разделяющее держатели скрепки: это может повлиять на качество контакта между катушкой и держателями. Возможно, вам придется сжать развернутые концы скрепок, чтобы убедиться, что алюминиевая фольга обеспечивает хороший электрический контакт.

Продолжайте регулировать, пока двигатель не заработает. Иметь терпение! Уровень успеха с этим дизайном был довольно хорошим.

Что происходит?

Ток течет через батарею, алюминиевую фольгу и скрепки в проволочную катушку, создавая электромагнит. Одна сторона катушки становится северным полюсом; другой южный полюс. Постоянный магнит притягивает противоположный полюс к катушке и отталкивает одноименный полюс, заставляя катушку вращаться.

Другой способ описать работу двигателя — сказать, что постоянные магниты воздействуют на электрические токи, протекающие по проводной петле. Когда проволочная петля находится в вертикальной плоскости, силы на верхней и нижней проволоках петли будут направлены в противоположные стороны. Эти противоположно направленные силы создают скручивающую силу, или крутящий момент , на петле провода, которая заставляет его вращаться.

Почему так важно покрасить половину выступающего провода в черный цвет? Предположим, что постоянные магниты установлены северными полюсами вверх. Северный полюс постоянного магнита будет отталкивать северный полюс петлевого электромагнита и притягивать южный полюс. Но как только южный полюс петлевого электромагнита окажется рядом с северным полюсом постоянного магнита, он останется там. Любое нажатие на петлю просто заставит ее раскачиваться вокруг этого положения равновесия.

Окрашивая половину одного конца в черный цвет, вы предотвращаете протекание тока в течение половины каждого вращения. Магнитное поле петлевого электромагнита на этот полуоборот выключено. Когда южный полюс петлевого электромагнита приближается к постоянному магниту, краска отключает электрический ток. Инерция вращающейся катушки проносит ее через пол-оборота мимо изолирующей краски. Когда электрический ток снова начинает течь, скручивающая сила действует в том же направлении, что и раньше. Катушка продолжает вращаться в том же направлении.

Вы можете экспериментировать с этим устройством, переключая клеммы на батарее, добавляя батарею или переворачивая магниты. Попробуйте добавить больше магнитов или измените положение магнитов. Смотрите, что происходит!

Идем дальше

В этом двигателе скользящий электрический контакт между концами катушки провода и скрепками отключает ток на половину каждого цикла. Такие скользящие контакты известны как коммутаторы . В большинстве электродвигателей постоянного тока используются более сложные коммутаторы, которые меняют направление тока, протекающего по контуру, каждые полпериода. Более сложные двигатели в два раза мощнее описанного здесь двигателя.

Этот двигатель также можно использовать для демонстрации работы генератора. Попробуйте подсоединить концы скрепок к чувствительному гальванометру вместо батарейки. Вращайте катушку и смотрите, регистрируется ли какой-либо ток на счетчике.

Двигательный эффект

Магнит воздействует на провод с током.

Разборный генератор

Встряхните, чтобы увидеть свет.

Легкий ветер

Соберите простой ветрогенератор.

Магнетизм: бесконтактная сила

Эта идея фокуса исследуется через:

  • Противопоставление студенческих и научных взглядов
  • Критические идеи обучения
  • Педагогическая деятельность

Противопоставление студенческих и научных взглядов

Повседневный опыт студентов

У многих юных студентов был незабываемый, но часто сбивающий с толку опыт работы с магнитами и магнитными материалами. Магнитные материалы регулярно встречаются в доме, часто удерживая мелкие предметы на кухонном холодильнике или закрывая дверцы шкафов и холодильников. Многие детские игрушки используют слабые магниты для «склеивания» материалов (например, деревянные вагоны поезда) или используются в простых детских игрушках-конструкторах, чтобы они могли быстро собирать более сложные конструкции без необходимости использования грязного клея или сложных соединений. Игрушки очень редко используют магнитное отталкивание.

Многим младшим школьникам еще предстоит сформировать четкое представление, а во многих случаях вообще какое-либо представление о том, как магниты взаимодействуют с материей или друг с другом. Они не видят необходимости различать магнитные силы и электростатические силы (или гравитацию). Для них это часто кажется обычным опытом одной и той же невидимой неконтактной силы, обычно только притяжения. Например, воздушный шар, «натертый» тканью, в результате чего он притягивается к другому объекту, часто неправильно описывается учащимися (и даже некоторыми взрослыми) как «намагниченный» каким-то образом.

Путаница учащихся в отношении бесконтактных сил исследуется в основной идее Электростатика – уровень 4.

Хорошо известно, что учащиеся старшего возраста придерживаются различных взглядов на магнетизм, которые значительно различаются по своей сложности: от магнитных моделей с окружающими их «облаками» действия до идей об «электрических лучах» и «полях». . Однако многие младшие школьники просто связывают магнетизм с «силой притяжения». Понятно, что их наивная модель не обладает ни предсказательной, ни объяснительной силой, и они, как правило, не видят необходимости делать что-то большее, чем идентифицировать и обозначать привлекательное или менее частое отталкивающее поведение как магнетическое.

Исследование: Эриксон (1994), Борхес и Гилберт (1998), Хаупт (2006 г.), Ван Хук и Хузиак-Кларк (2007), Эшбрук (2005), Хики и Шибечи (1999), Maloney, O’Kuma, Heieggelke & Van Heuvelen (2001)

Научный взгляд

Мы часто сталкиваемся с магнитные поля в нашем повседневном опыте (например, магнитное поле Земли и магнитные поля, создаваемые электрическим током). Однако подавляющее большинство магнитных полей вокруг нас просто слишком слабы, чтобы вызвать какие-либо наблюдаемые эффекты, или остаются «удаленными от нас», потому что они используются в более сложных машинах, таких как электродвигатели и компьютерные жесткие диски.

Магнитное притяжение и отталкивание — одна из трех основных неконтактных сил в природе. Две другие силы равны электростатический и гравитационный (см. фокусную идею Силы без контакта на уровне 4, Электростатика – Уровень 4 и Гравитация — Уровень 6).

Подавляющее большинство магнитов, с которыми мы сталкиваемся (например, магниты на холодильник, дверные защелки и магнитные игрушки), изготовлены из материалов, ферромагнитный. Эти материалы основаны на смесях железа, никеля или кобальта, поскольку это единственные три известных ферромагнитных элемента. С их помощью и добавлением более дорогих редкоземельных элементов можно изготовить более сильные промышленные магниты.

Атомы в ферромагнитных материалах отличаются тем, что они могут вести себя как маленькие магниты. Обычно магнитное поле вокруг каждого атома направлено в случайном направлении, в результате чего они компенсируют друг друга (см. рис. 1). Однако, если окружающее магнитное поле достаточно сильное, они могут выровняться таким образом, что каждый из них будет способствовать созданию более сильного магнитного поля в материале (см. рис. 2). Они также могут оставаться выровненными, когда окружающее поле удаляется, создавая постоянный магнит.

Типичные магниты, встречающиеся в доме или используемые в гитарных звукоснимателях или средствах для чистки стекол аквариумов, изготовлены из ферромагнитных материалов и могут создавать постоянные магнитные поля с интенсивностью, в 3000 раз превышающей магнитное поле Земли.

Ферромагнитные материалы обычно очень хрупкие и легко раскалываются или ломаются при падении или ударе друг о друга. Они также теряют свои постоянные магнитные свойства при сильном нагревании. Все эти действия приводят к тому, что отдельные атомы теряют свое выравнивание.

Говорят, что магнитные поля, окружающие все магниты, имеют два полюса, называемые северным и южным. Эти названия происходят из наблюдения, что магниты будут ориентироваться в направлении слабого магнитного поля Земли, если им будет позволено свободно качаться, т.е. магнитные компасы для определения направления полагаются на этот принцип работы. «Северный полюс» магнита носит это название, потому что он всегда указывает на северный географический магнитный полюс Земли.
Одинаковые магнитные полюса отталкиваются, а разные магнитные полюса притягиваются.

Важные обучающие идеи

  • Магнитные силы — это бесконтактные силы; они тянут или толкают предметы, не касаясь их.
  • Магниты притягиваются только к нескольким «магнитным» металлам, а не ко всей материи.
  • Магниты притягиваются и отталкиваются от других магнитов.

В стандартах до уровня 3 включительно уместно поощрять учащихся наблюдать и исследовать магнитные явления в игровой форме. Учащимся следует помочь развить простое понимание наблюдаемого притяжения магнитов к некоторым «особым» металлам (не ко всем металлам), а также их притяжения и отталкивания к другим магнитам. Учащихся следует поощрять различать магнитные силы, электростатические и гравитационные силы как отличающиеся друг от друга, но являющиеся примерами сил, которые могут действовать без физического контакта, то есть примерами бесконтактных сил.

Исследуйте взаимосвязь между представлениями о магнетизме и бесконтактными силами в Карты развития концепции – электричество и магнетизм.

Преподавательская деятельность

Предложите открытую проблему для изучения в игровой форме или путем решения задач

Предоставьте учащимся различные материалы, чтобы они могли исследовать, какие из них обладают магнитными свойствами. Эти материалы могут включать образцы: бумаги, пластика, полистирола, дерева, стекла, веревки, листьев, керамики, камня и некоторых предметов из железа или стали. Старайтесь использовать только металлические предметы, сделанные из железа или стали, чтобы учащиеся увидели, что состоять из твердого металлического материала — это обычное свойство.

Дайте учащимся пакет с образцами (скажем, 12–15) и попросите их протестировать образцы с помощью стержневого магнита или магнита на холодильник, чтобы определить, какие из них притягиваются к магниту. Попросите их разделить предметы на две отдельные группы: те, которые кажутся притягивающимися к магниту, и те, которые не притягиваются.

Предложите учащимся предложить общие черты предметов в группе, которые были притянуты магнитом. Их цвет, вес или вещество, из которого они сделаны, могут иметь значение? Предложите учащимся предложить и проверить свои идеи, чтобы определить возможные общие свойства.

Затем спросите учащихся, все ли предметы из металлических материалов обладают магнитными свойствами. Был ли у кого-нибудь из студентов опыт, который свидетельствует об обратном? Теперь дайте учащимся несколько предметов, сделанных из разных металлов, и попросите их рассортировать предметы на две кучки, предсказывая, какие предметы будут притягиваться к магниту, а какие нет. Некоторыми примерами металлов и их источников могут быть: алюминиевые банки или фольга, латунные ключи, медные гвозди или проволока, стальные винты или гвозди, цинковое покрытие или припой, железные болты или гвозди, свинцовые рыболовные грузила и никелевые сварочные прутки.

После сортировки объектов учащиеся могут проверить их, чтобы убедиться, что они правильно предсказали, какие материалы обладают магнитными свойствами.

Целью данной статьи является побудить учащихся испытать различные материалы и посредством исследования признать, что лишь немногие металлы обладают магнитными свойствами. Важно отметить, что в нашем повседневном опыте большинство металлов кажутся магнитными, потому что наиболее широко используемым металлом является сталь, содержащая железо.

Открытое обсуждение через общий опыт

Большинство учащихся знакомы с магнитами, «притягивающими» магнитные материалы или притягивающимися к некоторым металлическим поверхностям, таким как холодильники и белые доски, но они гораздо меньше знакомы с магнитными силами, которые отталкивают друг друга. Это усложняется для студентов, потому что они должны иметь по крайней мере два магнита сопоставимой силы, а многие из известных рекламных магнитов на холодильник, используемые для простых исследований, слабы и сконструированы таким образом, что у них нет идентифицируемых магнитных полюсов.

Попробуйте приобрести несколько магнитов для чистки стекол «аквариума», которые поставляются парами, или «магниты для коров», которые можно приобрести в некоторых магазинах сельскохозяйственной продукции. Поверхности этих магнитов хорошо защищены и снижают риск того, что учащиеся случайно защемят пальцы или что магниты оторвутся от осколков при грубом обращении.

Попросите учащихся выяснить, что им нужно сделать, чтобы заставить магниты притягиваться и отталкиваться друг от друга. Попросите их обозначить разные концы каждого магнита идентификационными наклейками. Насколько хорошо ученики могут предсказать, что произойдет, если магниты приблизить друг к другу?

Теперь предложите учащимся прикрепить клейкой лентой один магнит на крыше игрушечной машинки. Используйте ручной магнит, чтобы толкать автомобиль, не касаясь его, или притягивать автомобиль к себе, изменяя его ориентацию. Могут ли учащиеся предсказать, будет ли магнит на машине притягиваться или отталкиваться при приближении нового магнита?

Цель этого урока состоит в том, чтобы учащиеся осознали, что магниты могут как отталкивать, так и притягивать друг друга. На этом уровне учащиеся не считают важным помнить, что одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются, но признают, что магниты могут отталкиваться и притягиваться, не вступая в физический контакт, и что важна их ориентация.

Открытое обсуждение через общий опыт

Студентам можно предложить исследовать, проходят ли магнитные силы через другие немагнитные материалы. Чтобы заинтересовать учащихся, поместите магнит (например, магнит для чистки стекол аквариума) на школьный стол. Поместите другой магнит (другой магнит для чистки стекла) под столом, чтобы они сильно притягивались друг к другу. Расположите магнит так, чтобы вы могли перемещать магнит под столом коленом или другой рукой. Магнит на столешнице будет следовать за движением магнита внизу. Это загадочное движение магнита по столу произведет впечатление на студентов, но в конце концов они откроют «фокус» второго магнита под столом.

Предложите учащимся прикрепить магнит к подставке или к верхней части небольшой бутылки с водой, используя клейкую ленту или клейкую ленту, чтобы он свисал с боковой стороны бутылки. Затем попросите их прикрепить скрепку к отрезку хлопка, длина которого достаточна для того, чтобы дотянуться от столешницы до магнита. Наконец, прикрепите вату к столу с помощью «синего гвоздя» так, чтобы скрепка едва доставала до магнита и казалась подвешенной в воздухе с зазором между ней и магнитом.

Предложите учащимся выяснить, остановят ли различные материалы силу магнитного притяжения, если их поместить между магнитом и скрепкой. Попробуйте листы бумаги, стекло, плитку, алюминиевую фольгу, медные и цинковые листы. Влияет ли какой-либо из этих материалов на уменьшение магнитной силы?

Цель этого урока состоит в том, чтобы учащиеся заметили, что магнитные силы остаются беспрепятственными и могут проходить через большинство материалов без какого-либо эффекта.

Помощь учащимся в отработке некоторых «научных» объяснений для себя

Соберите несколько проволочных плечиков без покрытия, разрежьте и выпрямите их на короткие отрезки длиной от 10 до 20 см. Раздайте пару штук учащимся, работающим парами или тройками, убедившись, что они имеют разную длину. Также раздайте каждой группе несколько (от 5 до 8) маленьких скрепок. Намеренно не раздавайте магниты, чтобы ученики не коснулись отрезков проводов.

Предложите учащимся выяснить, притягивает ли любой из отрезков проволоки скрепки. Если отрезки проволоки ранее не соприкасались ни с какими магнитами, то они не должны проявлять магнитных свойств и не мешать скрепкам.

Теперь раздайте постоянный магнит каждой из групп учащихся и продемонстрируйте, как можно использовать один конец магнита, чтобы перемещать провод последовательно в одном направлении, вызывая его намагничивание. Затем учащиеся могут повторить это со своими отрезками проволоки и определить, удалось ли им сделать магнит, проверив его способность притягивать или поднимать несколько скрепок.

Этот метод намагничивания согласуется с идеей использования магнитного поля (от магнита) для более точного выравнивания направления атомов, действующих как крошечные магниты в проводе. Делиться этим объяснением со студентами не рекомендуется.

Предложите учащимся описать, что они сделали, и обсудите, насколько успешно они сделали магнит.