Магнітне поле

Зміст:

1. Магнітне поле

2. Напрямок магнітного поля

3. Магнітне поле прямолінійного струму

4. Магнітне поле кругового струму.

5. Магнітне поле котушки зі струмом.

6. Дія магнітного поля на провідник зі струмом.

1. Магнітне поле

Є такі властивості електричних зарядів які виявляються лише під час руху цих зарядів. Такі властивості рухомих зарядів виявляються при взаємодії провідників по яким тече електричний струм. Ознайомимось з цим явищем на досліді.

Розташуємо два гнучких прямих провідника паралельно один одному, підвісивши їх, наприклад, до якого не будь штатива. При пропусканні струму по провідникам вони будуть взаємодіяти між собою – притягуватись або відштовхуватись.. Притягуватись вони будуть коли струми направленні в одну сторону (малюнок 1), а відштовхуватись при протилежному напрямку струмів (малюнок 2).

Як же відбувається процес взаємодії провідників зі струмами?

Розглянемо спочатку чи не являється даний процес наслідком взаємодії електричних зарядів, що знаходяться в провідниках. Перевіримо наше припущення на досліді. З’єднаємо однин із провідників з позитивним полюсом джерела струму,, а другий з негативним., коло ж роз’єднаємо. На провідниках при цьому сконцентруються різнойменні електричні заряди, навколо яких буде існувати електричне поле. Електрична взаємодія між провідниками буде настільки слабкою, що її буде неможливо помітити. Але тільки ми замкнемо коло, як по провідникам потече струм і вони одразу ж почнуть відхилятись. Отже взаємодія провідників зі струмами не є результатом взаємодії електричних зарядів що знаходяться в провіднику, ця взаємодія має інший характер. Щоб вияснити причину цієї взаємодії продовжимо наш дослід.

Підвісимо вертикально гнучкий провідник і розташуємо його між полюсами магніту (малюнок 3).

Пропускаючи через провідник струм зверху вниз, ми помітимо, що провідник відхилився вправо . Якщо поміняти місцями полюси магнітів провідник відхилиться вліво. Якщо змінити напрямок струму і пустити його знизу вверх то і відхилення провідника під впливом магніту теж змінить свій напрямок.

Проробимо ще один дослід. Візьмемо магнітну стрілку, встановлену на вістрі, і розташуємо вздовж її осі провідник (малюнок 4).

При пропусканні по ньому струму стрілка відхиляється від свого початкового положення.

Такий дослід, що виявив зв'язок існуючий між електричними і магнітними явищами, вперше був здійснений датським вченим Ерстедом в 1820 році.

Всі ці досліди доводять що сили, які проявляються при взаємодії струмів, при дії магніту на струм чи струму на магніт, мають одну і ту ж природу. Їх називають магнітними силами. Джерелом магнітних сил являється магнітне поле існуюче в просторі, що оточує магніти і провідники зі струмами.

Отже між рухомими зарядами, крім електричних сил, діють ще й магнітні сили.

Вивчення різноманітних магнітних явищ показало, що всюди де є електричний струм, тобто рухомі електричні заряди, існує і магнітне поле. Електричний струм і магнітне поле невід’ємні один від одного.

Так як магнітне поле виникає навколо провідника, коли в останньому появляється струм, то струм часто розглядається як джерело магнітного поля. Часто вживають такі терміни «магнітне поле , створене струмом», «магнітне поле струму» і т. д.

2. Напрямок магнітного поля

Розташуємо проволочну котушку поблизу магнітної стрілки так, щоб вісь котушки була перпендикулярна осі стрілки (малюнок 5, а). Пропускаючи по котушці струм, ми помітимо, що під дією сил поля магнітна стрілка повернеться і встановиться вздовж осі котушки (малюнок 5, б).

Переміщуючи стрілку навколо котушки зі струмом, ми побачимо, що в різних точках магнітного поля стрілка орієнтується по різному.

Орієнтуюча дія магнітного поля на стрілку вказує на його направленість. Під направленням магнітного поля в даній точці ми будемо розуміти напрямок сили, діючої на північний полюс магнітної стрілки.

Розглянемо тепер, чи залежить напрямок магнітного поля від напрямку струму в провіднику. Для цього проробимо дослід:

розташуємо навколо котушки з струмом в різних місцях декілька невеликих магнітних стрілок. Напрямок осей цих стрілок вказує на напрямок магнітного поля в місцях їхнього розташування (малюнок 6). Змінимо напрямок струму в котушці. Стрілки також змінять свої положення – кожна з них повернеться на 180 градусів, тобто змінить свій напрямок на протилежний (малюнок 7).

Отже,при зміні напрямку струму в провіднику змінюється на протилежний и напрямок магнітного поля.

З цього слідує, що напрямок магнітного поля залежить від напрямку електричного струму, навколо якого поле виникає.

3. Магнітне поле прямолінійного струму

Існування магнітного поля навколо провідника з струмом можна довести різними способами. Один з цих способів заклечається в використанні залізної стружки. В магнітному полі шматочки заліза, з яких складається залізна стружка, стають маленькими магнітними стрілками. Кожна з цих стрілочок в магнітному полі повертається так,що її вісь співпадає з напрямком магнітного поля в даному місці. З допомогою багатьох таких стрілочок можна побачити, як змінюється напрямок сил, діючих в магнітному полі, при переході від однієї точки поля до другої. Таке розташування залізної стружки в магнітному полі називається магнітним спектром.

Скористаємось залізною стружкою і розглянемо магнітне поле прямолінійного струму. Для цього пропустимо провідник крізь лист картону, а на картон насиплемо тонкий шар залізної стружки. Ми помітимо, що при пропусканні струму по провіднику стружка розташовується навколо нього концентричними колами (малюнок 8).

Лінії, вздовж яких в магнітному полі розташовуються осі маленьких магнітних стрілок, називаються силовими лініями магнітного поля.

З допомогою силових ліній зручно зображувати магнітне поле графічно.

Силові лінії проводяться так, що дотична до них в будь якій точці вказує на напрямок сили, діючий в цій точці на північний полюс магнітної стрілки.

Ланцюжки, які створює в магнітному полі залізна стружка, показують форму силових ліній магнітного поля.

Силові лінії магнітного поля струму являються замкнутими кривими, оточуючими провідник. Зокрема, силові магнітні лінії прямого струму, як показує розташування стружки, представляють собою концентричні окружності, центри яких знаходяться на лінії струму.

Для визначення напрямку силових ліній магнітного поля струму в зв’язку з напрямком струму замість стружки потрібно користуватись магнітними стрілками. Помістивши їх навколо провідника зі струмом, ми визначимо напрямок силових ліній. При зміні напрямку струму в провіднику на протилежний магнітні стрілки повертаються на 180 градусів, що вказує на відповідну зміну напрямку силових ліній поля.

Напрямок силових ліній магнітного поля зв’язаний з напрямком струму в провіднику простим правилом, запропонованим англійським ученим Максвеллом:

Якщо прямолінійний рух буравчика співпадає з напрямком струму в провіднику, то напрямок обертання рукоятки буравчика при цьому співпадає з напрямком силових ліній магнітного поля, існуючого навколо провідника.

Це правило часом називають правилом буравчика (малюнок 9).

4. Магнітне поле кругового струму.

Візьмемо тепер провідник, зігнутий по окружності (малюнок 10), і, пропустимо по ньому

струм, будемо знову спостерігати положення стружки на картоні, встановленому перпендикулярно до площини круга і який проходить через його центр. Ми помітимо, що магнітні силові лінії, уже не являються правильними колами, але і в цьому випадку лінії замикаються, обійшовши провідник, по якому тече струм. Таким чином, магнітні силові лінії струму завжди замикаються навколо струму.

Поміщаючи в різні точки цього поля невеликі магнітні стрілки, можна визначити напрямок силових ліній поля. Правило буравчика застосовується, звісно, и до кругового струму, але в цьому випадку зручніше змінити місцями напрямок магнітного поля і напрямок струму (малюнок 11).

Дійсно, якщо ручку буравчика обертати по колу, то рух його вістря покаже напрямок магнітного поля всередині кругового струму.

Отже, напрямок струму та силових ліній його магнітного поля це є два взаємно зв’язані напрямки.

На малюнку 12 зображена картина зчеплення силової лінії магнітного поля та силової

лінії електричного поля всередині кругового провідника в вигляді кілець зі стрілками, що вказують напрямок магнітного поля та напрямок струму.

5. Магнітне поле котушки зі струмом.

Пропустимо струм через котушку, що складається з багатьох витків проволоки, так званий соленоїд. Магнітне поле, що створюється приходящим через ці витки електричним струмом, можна уявити собі як результат злиття магнітних полів струмів в окремих витках. Коли довжина котушки значно більша за її діаметр, то всередині цієї котушки створюється магнітне поле (малюнок 13), силові лінії якого паралельні один одному. На кінцях котушки силові

лінії розходяться и замикаються зовні котушки. На малюнку 13 стрілка вказує напрямок силової лінії магнітного поля котушки.

Неважко помітити подібність між магнітним полем соленоїда (ззовні) и магнітним полем постійного магніту (малюнок 14). Можна умовно вважати, що силові лінії виходять з

однієї сторони котушки та входять в іншу. Кінець котушки, із якого силові лінії виходять, аналогічний північному полюсі магніту, другий кінець котушки, в який силові лінії входять, аналогічний південному магнітному полюсу.

Полюси котушки зі струмом на досліді легко визначити з допомогою магнітної стрілки.

Знаючи напрямок струму в витках котушки, ці полюси можна визначити и по правилу буравчика. Обертаючи, як і в випадку кругового струму, ручку буравчика по струму, ми поруху його вістря визначимо напрямок силових ліній магнітного поля котушки, а отже, и полюси котушки.

Північним полюсом котушки буде той її кінець, на якому струм в витках котушки для спостерігача, що дивиться на цей кінець, буде текти проти годинникової стрілки (малюнок 15, а). Другий кінець котушки буде південним полюсом,струм буде обходити витки по годинниковій стрілці (малюнок 15, б). Для зміни полюсів котушки достатньо змінити напрямок струму в ній.

6. Дія магнітного поля на провідник зі струмом.

Раніше ми встановили, що два провідники зі струмами взаємодіють один з одним. Це явище пояснюється тим, що сила, котру отримує кожен із провідників, обумовлена магнітним полем, яке створене струмом другого провідника.

Через це слід очікувати, що якщо ми помістимо провідник зі струмом в магнітне поле, наприклад в поле постійного магніту, то на нього буде діяти сила. Перевіримо це на досліді. Замкнувшиколо, пропустимо струм по вільно підвішеному провіднику АВ, що знаходиться в магнітному полі підковоподібного магніту. Ми помітимо,що провідник прийде в рух (малюнок 16).

Заберемо магніт, і провідник рухатись не буде. Значить зі сторони магнітного поля на провідник зі струмом діє сила F так само, як діє сила зі сторони магнітного поля на магнітну стрілку. Змінюючи напрямок струму чи напрямок силових ліній магнітного поля, ми помічаємо, що змінюється и напрямок руху провідника, а отже, і напрямок діючої на провідник сили.

Напрямок діючої на провідник зі струмом сили в магнітному полі можна визначити, користуючись правилом лівої руки. Руку розташовуємо так, щоб силові лінії поля входили в долоню, чотири пальці були напрямлені по струму; тоді відставлений на 90 градусів великий палець вказуватиме на напрямок діючої на провідник сили (малюнок 17).

Практично важливе значення має обертання прямокутної рамки зі струмом в однорідному магнітному полі. На малюнку … площина рамки ABCD розволожена паралельно силовим лініям поля. Напрямок струму показано стрілками.

Застосовуючи правило лівої руки, знайдемо, що на частину рамки AB діє сила F1, напрямлена від нас. До частини рамки CD прикладена сила F2, напрямлена до нас. На частини ж рамки AC і BD, що розташовані вздовж силових ліній поля, сили не діють. Сили F1 і F2 рівні і паралельні один одному, так як частини рамки AB і CD однакові та паралельні. В загальному до рамки прикладена пара сил, під дією якої вона повернеться і встановиться так, що площина її стане перпендикулярно полю. В такому положенні рамки обертовий момент, діючий на неї, рівний нулю.

Якщо би на початку досліду струм в рамці був направлений в протилежну сторону, то і рамка повернулась би в протилежну сторону.

Рух провідника зі струмом в магнітному полі має велике застосування в техніці: в електродвигунах, в вимірювальних приборах з обертовою котушкою і в багатьох інших пристроях.

Как сделать свою радиостанцию (схема)