Магнитная стрелка
Зачастую для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку (рисунок 2).
Рисунок 2. Магнитная стрелка
- Она имеет два полюса: северный (обозначается буквой $N$, окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой $S$, окрашен в красный цвет)
- Также у нее имеется ось — линия, соединяющая полюсы
Такая стрелка является основной частью любого компаса. Его функционирование возможно, так как наша планета обладает собственным магнитным полем.
{"questions":,"answer":}}}]}В ходе опытов магнитную стрелку обычно помещают на острие (конец иглы или булавки). Так она сможет свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости (рисунок 3).
Рисунок 3. Использование магнитной стрелки
Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты
Короткие провода применяются редко. Тем более, что при небольшом токе вокруг них возникает и небольшое магнитное поле. Для усиления магнитного действия прямой провод сворачивают в виде спирали на непроводящем трубчатом каркасе (дереве, пластмассе, керамике). Такое устройство называется соленоидом (от греч. «солен» – «трубка»). Проще говоря, это катушка с током.
Магнитные поля полосового магнита и катушки-соленоида очень похожи. Силовые линии катушки выходят с северного полюса, в южный полюс входят.
Определить полюсы соленоида можно, поднеся к краю катушки магнит. Если цепь замкнута, и по катушке идет ток, то магнит или притянется к соленоиду, или оттолкнется от него. Например, к катушке приблизили северный полюс магнита, подвешенный на нити.
Магнит оттолкнулся от края катушки. Но ведь отталкиваются одноименные полюсы. Значит, приблизили магнит к северному полюсу соленоида. С другой стороны будет находиться южный полюс.
Магнит будет притягиваться к катушке, значит, рядом с магнитом находится южный полюс катушки, так как притягиваются разноименные полюсы.
Направление линий магнитного поля катушки с током помогает определить второе правило правой руки.
Получается, что соленоид можно использовать как магнит, если подключить такой магнит к источнику тока. Это будет уже не постоянный магнит, а созданный с использованием электрического тока, который срабатывает при включении в электрическую сеть.
При изменении (увеличении или уменьшении) магнитного действия соленоида можно пойти тремя путями:
регулированием силы тока цепи (можно с помощью реостата);
увеличением (уменьшением) количества витков катушки;
использованием внутри катушки сердечника (чаще всего из железа).
Приспособление, состоящее из катушки с током и сердечника внутри нее, называется электромагнитом. Это одна из главных частей большинства электротехнических приборов, систем и устройств:
- телеграфная связь;
- стационарные телефонные аппараты;
- электрические звонки;
- электродвигатели;
- трансформаторы;
- электромагнитные реле;
- домофоны;
- производственные электромагниты.
Грузоподъемный магнит.
Домофон с электромагнитом.
Вентилятор с электродвигателем.
Самый первый электромагнит был изготовлен англичанином У. Стердженом в 1825 году. Его магнит массой 200 г сумел удержать тело в 3 кг 600 г. Через шесть лет американец Дж. Генри создал электромагнит, который поднимал уже 1000 кг.
Интересно и просто на основе электромагнита работает электрический звонок.
Схема электрозвонка.
Цифрами на схеме обозначены основные детали звонка. Это;
- Провода, идущие через замыкающую кнопку к источнику тока.
- Контактная пластинка.
- Контактный винт.
- Якорь – тонкая железная пластинка.
- Обмотка катушки.
- Сердечник.
- Ударный элемент звонка – молоточек.
- Чаша звонка.
При нажатой кнопке звонка происходит замыкание цепи. По обмотке 5 идет ток, и катушка с сердечником 6 превращается в электромагнит. Якорь 4 притягивается электромагнитом к сердечнику 6. В этот момент молоточек 7 ударяет по чаше звонка 8, слышен звонкий удар звонка. Контактный винт в результате движения якоря отходит от контактной пластинки 2, и цепь размыкается. Якорь «отлипает» от сердечника, возвращается в исходное положение, соединяя тем самым контактный винт с контактной пластинкой. Цепь снова замкнута, электромагнит снова срабатывает и т.д. Происходит все очень быстро: цепь то замыкается, то размыкается, магнит то притягивает, то отпускает якорь, молоточек быстро стучит по чаше звонка. Частые удары сливаются в почти сплошной звук.
Электромагниты после отключения от сети быстро размагничиваются и не приносят особых хлопот в применении.
Вариант 1
Часть А
А1. Линейный проводник длиной 20 см при силе тока в нем 5 А находится в магнитном поле с индукцией 0,2 Тл. Если угол, образованный проводником с направлением вектора магнитной индукции, равен 30°, то на проводник действует сила, модуль которой равен:
1) 0,1 Н
2) 10 Н
3) 0,2 Н
4) 20 Н
А2. Прямолинейный проводник с током длиной 5 см перпендикулярен линиям индукции однородного магнитного поля. Чему равен модуль индукции магнитного поля, если при токе 2 А на проводник действует сила, модуль которой равен 0,01 Н?
1) 100 мкТл
2) 1 мТл
3) 0,1 Тл
4) 1 Тл
А3. Две магнитные стрелки подвешены на нитях на небольшом расстоянии одна от другой. Выберите правильное утверждение.
1) магнитная стрелка представляет собой маленький магнит
2) северный полюс одной стрелки притягивается к северному полюсу другой
3) силовые линии магнитного поля постоянного магнита «выходят» из южного полюса и «входят» в северный
4) силовые линии магнитного поля незамкнуты
А4. Почему магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током?
1) на нее действует магнитное поле
2) на нее действует электрическое поле
3) на нее действует сила притяжения
4) на нее действуют магнитные и электрические поля
А5. Как взаимодействуют магниты, изображенные на рисунке?
1) 1 и 2 притягиваются, 2 и 3 притягиваются
2) 1 и 2 отталкиваются, 2 и 3 отталкиваются
3) 1 и 2 притягиваются, 2 и 3 отталкиваются
4) 1 и 2 отталкиваются, 2 и 3 притягиваются
Часть В
В1. В однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл находится проводник с током, длина проводника равна 1,5 м. Он расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции. Определите силу Ампера в проводнике, если на него действует сила тока 1,5 А.
В2. На какой частоте должен работать радиопередатчик, чтобы длина излучения им электромагнитных волн была равна 49 м?
Часть С
С1. Рамка площадью 400 см2 помещена в однородное магнитное поле с индукцией 0,1 Тл так, что нормаль к рамке перпендикулярна линиям индукции. При какой силе тока на рамку будет действовать вращающий момент 20 мН·м?
С2. Определите магнитную индукцию поля, в котором на рамку с током 5 А действует момент сил 0,02 Н·м. Длина рамки 20 см, ширина 10 см.
ФИЗИКА
§ 57. Магнитное поле
В § 35 были описаны различные действия электрического тока, в том числе и магнитное, которое наблюдается всегда, когда существует электрический ток. Проявляется магнитное действие, например, в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами. Чтобы изучить магнитное действие тока, воспользуемся магнитной стрелкой. (Она, как известно, является главной частью компаса.) Напомним, что у магнитной стрелки имеется два полюса — северный и южный. Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют её осью.
Магнитную стрелку ставят на остриё, чтобы она могла свободно поворачиваться.
Рассмотрим теперь опыт, показывающий взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки. Такое взаимодействие впервые обнаружил в 1820 г. датский учёный Ханс Кристиан Эрстед. Его опыт имел большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.
Эрстед Ханс Кристиан (1777—1851)
Датский физик. Обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что при вело к возникновению новой области физики — электромагнетизма.
Опыт Эрстеда
Расположим проводник, включённый в цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно её оси (рис. 93). При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения (на рисунке показано пунктиром). При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в своё начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.
Рис. 93. Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки
Выполненный опыт наводит на мысль о существовании вокруг проводника с электрическим током магнитного поля. Оно и действует на магнитную стрелку, отклоняя её.
Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Таким образом, вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, вокруг движущихся зарядов, т. е. электрического тока, существует и электрическое, и магнитное поле. Магнитное поле появляется вокруг проводника, когда в последнем возникает ток, поэтому ток следует рассматривать как источник магнитного поля. В этом смысле надо понимать выражения «магнитное поле тока» или «магнитное поле, созданное током».
Вопросы
- Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует электрический ток?
- Какие магнитные явления вам известны?
- В чём состоит опыт Эрстеда?
- Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
Упражнение 39
- Магнитная стрелка, помещённая около провода, отклонилась при пропускании по нему электрического тока. За счёт какой энергии совершена работа, необходимая для поворота стрелки?
- У зажимов аккумулятора не оказалось маркировки полюсов — где плюс, а где минус. Можно ли их определить, имея в наличии компас?
Указатель юга и севера – компас. Полюсы магнитные
«Указатель юга» – так называли древние китайцы свое изобретение. Это был прибор в форме ложки, изготовленный из природного магнита. Ложка могла вращаться вокруг вертикальной оси.
Древний китайский компас.
Ручка ложки указывала южное направление. Она была северным полюсом ложки-магнита.
Развитие науки не остановилось, и современные компасы уже имеют другой вид:
Разные виды компасов.
Магнитная стрелка, главный элемент компаса, – это постоянный магнит и имеет два полюса. Конец стрелки, указывающий на географический Север, называют северным (N), а противоположный – южным (S) полюсом. Отсюда и название полюсов различных магнитов.
Раскраска магнитов в красный и синий цвета условна, реже используются и другие цвета. Существенным является то, что полюсы магнитов существуют только парами. Если распилить, например, полосовой магнит, получатся два полосовых магнита, и у них будет снова по два полюса: северный и южный.
В школьных лабораторных работах используются маленькие магниты на подставке, которые насаживаются на тонкую иглу и могут свободно вращаться вокруг этой иглы. Такие устройства называются магнитными стрелками, как подобие стрелок компасов.
С помощью стрелок изучается взаимодействие полюсов магнитов. Если приблизить стрелки друг к другу, они начинают поворачиваться и установятся по следующему правилу:
Земной шар является огромным магнитом, у которого есть свои полюсы. Но нельзя путать магнитные полюсы Земли с географическими. Согласно правилу, синий (северный) конец стрелки должен поворачиваться к Южному полюсу земного шара, так как притягиваются разноименные полюсы. Да, действительно, это так. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи Северного географического полюса, но не в той же точке, а чуть в стороне, на острове Принца Уэльского. Северный магнитный полюс находится в Антарктиде, где и Южный географический.
Месторасположение магнитных полюсов Земли не остается постоянным. Полюсы смещаются на расстояние нескольких десятков километров в год.
Очень широк список областей, где применяются магниты:
- автомобилестроение;
- приборостроение;
- автоматика;
- телемеханика;
- тормозные системы;
- компасы;
- медицина;
- радиотехника;
- электротехника.
От изучения природных магнитных явлений человек давно шагнул к элетромагнитным явлениям, без чего невозможно развитие знаний об электричестве и электрическом токе.
Вариант 2
Часть А
А1. Линейный проводник длиной 60 см при силе тока в нем 3 А находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. Если проводник расположен по направлению линий индукции магнитного поля, то на него действует сила, модуль которой равен:
1) 0,18 Н
2) 18 Н
3) 2 Н
4) 0 Н
А2. Прямолинейный проводник, по которому течет постоянный ток, находится в однородном магнитном поле и расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции. Если этот проводник повернуть так, чтобы он располагался под углом 30° к линиям магнитной индукции, то сила Ампера, действующая на него:
1) уменьшится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) останется неизменной
4) увеличится в 2 раза
А3. Небольшой полосовой магнит подвесили за привязанную к его середине нить. Выберите правильное утверждение.
1) железные предметы притягиваются к полюсам магнита слабее, чем к его середине
2) северный полюс магнита указывает направление на Северный магнитный полюс Земли
3) южный полюс магнита указывает направление на Северный географический полюс Земли
4) силовые линии магнитного поля Земли замкнуты
А4. Как ведут себя проводники с током, изображенные на рисунке?
1) притягиваются
2) отталкиваются
3) не взаимодействуют
4) сначала притягиваются, а потом отталкиваются
А5. Как определяется направление силы Ампера?
1) по правилу буравчика
2) по правилу правой руки
3) по правилу левой руки
4) без правил — это очевидно для каждого случая
Часть В
В1. Однородное магнитное поле с индукцией 0,25 Тл действует на находящийся в нем проводник силой 2 Н. Определите длину проводника, если сила тока в нем равна 5 А.
В2. На какой частоте корабли передают сигналы бедствия SOS, если по международному соглашению длина радиоволны должна быть равна 600 м?
Часть С
С1. На провод обмотки якоря электродвигателя при силе тока 20 А действует сила 1 Н. Определите магнитную индукцию в месте расположения провода, если длина провода 0,2 м.
С2. Провод длиной 20 см, по которому течет ток 10 А, перемещается в однородном магнитном поле с индукцией 0,7 Тл. Вектор индукции поля, направления перемещения проводника и тока взаимно перпендикулярны. Проводник перемещается на 50 см. Чему равен модуль работы, совершенной силой Ампера?
Ответы на тест по физике Электромагнитные явления для 9 классаВариант 1
А1-1
А2-3
А3-1
А4-1
А5-3
В1. 10 А
В2. 6 МГц
С1. 5А
С2. 0,25 ТлВариант 2
А1-1
А2-2
А3-3
А4-1
А5-3
В1. 1,6 м
В2. 0,5 МГц
С1. 0,25 Тл
С2. 0,5 Дж
Магнитное и электрические поля
Какая же связь существует между электрическим током и магнитным полем?
Возникает ли магнитное поле вокруг неподвижных электрический зарядов? Нет, в этом случае существует только электрическое поле.
А если заряды начинают двигаться и возникает электрический ток? Тогда возникает не только электрическое, но магнитное поле (рисунок 6).
Рисунок 6. Поля, создаваемые электрическими зарядами
Получается, что электрический ток мы можем рассматривать как источник магнитного поля. На основе этого вывода вы сможете правильно понимать смысл таких фраз, как “магнитное поле тока” или “магнитное поле, созданное током”.
{"questions":,"answer":}}}]}Что такое однородное и неоднородное магнитное поле
Однородное магнитное поле — это магнитное поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
В однородном магнитном поле заряженная частица, движущаяся со скоростью \( \overrightarrow v\) перпендикулярно линиям индукции, подвергается воздействию силы \(\overrightarrow{F_л}\), постоянной по модулю и направленной перпендикулярно вектору скорости \(\overrightarrow v\). В таком поле магнитная индукция B во всех точках одинакова по модулю и направлению.
Благодаря силе Лоренца в однородном поле частицы движутся равномерно по окружности с центростремительным ускорением.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут
Сила Лоренца \(\overrightarrow{F_л}\) — электромагнитная сила со стороны магнитного поля, действующая на движущийся заряд q:
\(F=qE+q\left\)
Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что частица равномерно движется по окружности с радиусом r.
Радиус r окружности определяется как частное произведения массы m со скоростью v и произведения электрического заряда q с индукцией B.
Радиус траектории движения частицы с постоянной массой и ее скорость не влияют на период ее обращения в однородном поле.
В однородном магнитном поле максимальный вращающий момент \(M_{max}\) при воздействии замкнутых проводников, изготовленных из очень тонкой проволоки разных размеров и форм, с током приобретает свойства:
- Он пропорционален силе тока в контуре I.
- Пропорционален площади контура.
- Для контуров с одинаковой площадью не зависит от их формы.
Таким образом, максимальный вращающий момент становится пропорциональным магнитному моменту \(P_{m}\) контура с током:
\(P_m=I\ast S.\)
Величина магнитного момента \(P_{m}\) характеризует действие магнитного поля на плоский контур с током.
В данном случае значение вращающего момента \(M_{max}\), действующего на контур с магнитным моментом \(P_{m}\), принимают равным единице.
Следовательно, формула для определения индукции B в однородном магнитном поле приобретает вид:
\(B=\frac{M_{max}}{P_m}.\)
Примеры однородных магнитных полей:
- Магнитное поле внутри соленоида. Соленоид — длинная цилиндрическая катушка, состоящая из нескольких витков плотно намотанной по винтовой лестнице проволоки. Каждый виток создает свое магнитное поле, которое складывается с другими в общее поле. Оно является однородным при условии, что длина катушки значительно превосходит ее диаметр. Тогда внутри соленоида линии поля будут параллельными его оси и прямыми.
- Магнитное поле внутри тороидальной катушки. Здесь линии замыкаются внутри самой катушки. Представлены в виде окружностей, параллельных оси тора. Токи в обмотке тороидальной катушки текут равномерно по часовой стрелке.
Неоднородное магнитное поле — это магнитное поле, в котором сила, действующая на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.
В неоднородном магнитном поле магнитная индукция в разных местах имеет различные модули и направления. Для вычисления значения вектора \(\overrightarrow B\) в неоднородном поле необходимо определить вращающий момент, действующий на него. Для этого в некую точку помещают контур размеров, меньших в сравнении с расстояниями, на которых поле заметно меняется.
Примеры неоднородных магнитных полей:
- Снаружи соленоида. Линии на концах катушки соленоида не являются параллельными друг другу и тянутся от одного конца к другому. А снаружи вблизи боковой поверхности катушки поле практически отсутствует.
- Снаружи полосового магнита. Магнитное поле полосового магнита подобно полю вокруг соленоида. Магнитные линии тянутся от одного конца магнита к другому по направлению от северного полюса к южному. Имеется нейтральная зона.
Отличия однородного и неоднородного магнитных полей
- Однородное поле находится внутри проводника или магнита, неоднородное — снаружи.
- В однородном поле сила, действующая в разных точках, одинакова. В неоднородном — различна.
- Линии однородного магнитного поля являются одинаковыми по густоте и параллельными друг другу. В неоднородном поле линии отличаются по густоте и искривлены.
- Линии магнитной индукции однородного поля находятся на равном расстоянии друг от друга.
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.
1) 1 — S, 2 — N
2) 1 — А, 2 — N
3) 1 — S, 2 — S
4) 1 — N, 2 — S
2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?
1) 1 — северному полюсу; 2 — южному
2) 1 — южному; 2 — северному полюсу
3) и 1, и 2 — северному полюсу
4) и 1, и 2 — южному полюсу
3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка
1) повернётся на 90°
2) повернётся на 180°
3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение
4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?
1) вправо
2) влево
3) на нас из-за плоскости чертежа
4) от нас за плоскость чертежа
6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки
1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный
2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный
7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.
Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке
8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная
9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена
10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?
11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле.
2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле.
3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный.
4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов.
5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.
12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).
Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится.
2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо.
3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А.
4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.
Часть 2
13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Постоянные магниты. Что это?
Китайцы, как и греки, тоже замечали интересное свойство некоторых минералов притягивать к себе железосодержащие предметы. Слово «притягивать» китайцы ассоциируют со словами «прижиматься», «любить» и поэтому назвали такие минералы «чу-ши», что значит «любящий камень». Так как эти минералы создала природа, и человек не мог повлиять на естественное действие камней, их стали называть постоянными магнитами.
Теперь уже известно, что так интересно проявляется природный минерал магнитный железняк (магнетит). Это достаточно хрупкий черного цвета минерал, плотность его примерно 5000 кг/м3.
Магнитный железняк.
Древние люди приписывали магнитному железняку свойства «живой души». Минерал, по их словам, устремлялся к железу, как собака к куску мяса. Ученые объясняют отношение древних к явлениям природы незнанием физики.
На самом деле, все заключается в особом виде материи – поле.
Магнитное поле и притягивает к постоянному магниту железные предметы, ведь, например, мелкие гвоздики или кнопки устремляются к магниту даже без соприкосновения с ним, а на некотором расстоянии.
Магнетит (природный магнитный железняк) проявляет свойства притягивания не очень сильно. Человеком на его основе созданы искусственные магниты с более мощным магнитным полем. В качестве материала в них используются такие металлы, как кобальт, никель и, конечно же, железо. Такие металлы способны намагничиваться, попадая в магнитное поле, а потом становятся самостоятельными магнитами.
Разные формы искусственных магнитов. Источник
Какую бы форму не имел магнит, у него есть участки, где наиболее сильно проявляются магнитные свойства. Эти участки называют магнитными полюсами. У каждого, даже самого маленького магнита, есть два полюса. Современные технологии позволяют намагничивать металлические предметы так, что у них образуется и 4 и 6 полюсов.
Увидеть, как по-разному притягиваются железные опилки к магниту, можно на простейшем опыте с дугообразным школьным магнитом. Просто поднести к опилкам магнит, опилки тут же «прилипнут» к нему:
Дугообразный магнит.
Полюсами такого магнита будут края дуги, где больше всего скопилось железных опилок.
У полосового магнита, форма которого прямоугольный параллелепипед, полюса находятся далеко друг от друга. Чем ближе к середине, тем меньше проявляются магнитные свойства.
Полосовой магнит.
Магнитное поле тока прямого проводника
Определить наличие магнитного поля можно, если к магниту поднести магнитную стрелку. Если поле есть, то стрелка повернется и займет положение по правилу взаимодействия полюсов. Северный полюс стрелки повернется к южному полюсу магнита.
Будет ли оказывать действие на стрелку электрический ток?
Проверить это можно с помощью опыта. Стрелка установлена на острие, над нею параллельно ее оси помещен проводник. Если замкнуть цепь, стрелка повернется в другое положение, при выключенной цепи вернется обратно.
Впервые проведя этот опыт в 1820 году, датский ученый Ганс Христиан Эрстед, не имея достаточно знаний о магнетизме, не сумел объяснить поведение стрелки около проводника с током. Это было сделано позднее, а опыт получил название «Опыта Эрстеда».
Получается, что электрический ток может быть источником магнитного поля, которое возникает вокруг движущихся зарядов (вокруг не движущихся зарядов есть только электрическое поле).
Нет ли противоречия в наличии магнитного поля вокруг тока, где направленно движутся частицы, и магнитного поля около постоянных магнитов? Оказывается, в магнитах существуют так называемые молекулярные токи, циркулирующие внутри молекул. Во времена Эрстеда природа таких токов была еще не открыта. Теперь же известно, что в атоме постоянно движутся электроны, поэтому и возникают магнитные свойства некоторых природных веществ, например, железа.
По примеру магнитов для графического изображения поля вокруг тока используют силовые магнитные линии. Направление их указывают северные полюсы магнитных стрелок, помещенных в это поле.
Расположение стрелок показывает, что:
Существует так называемое первое правило правой руки, по которому можно указать направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током. При изменении направления тока меняется и направление силовых линий поля. Правая рука человека помогает разобраться в этих направлениях.
Конечно, правило применяется не буквально. Не нужно провод брать в руки, надо мысленно представить эту ситуацию с проводником и рукой.
Открытия Лоренца
Выделим основные открытия Лоренца.
Лоренц установил, что магнитное поле действует на движущуюся в нём частицу, заставляя её двигаться по дуге окружности:
(1.3.)
Поскольку сила Лоренца – центростремительная сила, перпендикулярная направлению скорости. Прежде всего, открытый Лоренцем закон, позволяет определять такую важнейшую характеристику как отношение заряда к массе – удельный заряд.
(1.4.)
Значение удельного заряда – величина уникальная для каждой заряженной частицы, что позволяет их идентифицировать, будь-то электрон, протон или любая другая частица. Таким образом, учёные получили мощный инструмент для исследования. Например, Резерфорд сумел провести анализ радиоактивного излучения и выявил его компоненты, среди которых присутствуют альфа-частицы – ядра атома гелия и бета-частицы – электроны. В ХХ веке появились ускорители, работа которых основана на том, что заряженные частицы ускоряются в магнитном поле. На этом принципе разработан Большой адронный коллайдер. Благодаря открытиям Лоренца наука получила принципиально новый инструмент для физических исследований, открывая дорогу в мир элементарных частиц.
Для того чтобы охарактеризовать влияние учёного на технический прогресс вспомним о том, что из выражения для силы Лоренца вытекает возможность рассчитать радиус кривизны траектории частицы, которая движется в постоянном магнитном поле. При неизменных внешних условиях этот радиус зависит от массы частицы, её скорости и заряда. Таким образом, получаем возможность классифицировать заряжённые частицы по этим параметрам и, следовательно, можем проводить анализ какой-либо смеси. Если смесь веществ в газообразном состоянии ионизировать, разогнать и направить в магнитное поле, то частицы начнут двигаться по дугам окружностей с различными радиусами – частицы будут покидать поле в разных точках и остаётся только зафиксировать эти точки вылета, что реализуется при помощи экрана, покрытого люминофором, который светится при попадании на него заряжённых частиц. Именно по такой схеме работает масс-анализатор. Масс-анализаторы широко применяют в физике и химии для анализа состава смесей.
Это ещё не все технические устройства, которые работают на основе разработок и открытий Ампера и Лоренца, ведь научное знание рано или поздно перестает быть исключительной собственностью учёных и становится достоянием цивилизации, при этом оно воплощается в различных технических устройствах, которые делают нашу жизнь более комфортной.
Домашняя работа.
Задание 1. Ответь на вопросы.
- Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует электрический ток?
- Какие магнитные явления вам известны?
- В чём состоит опыт Эрстеда?
- Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
- Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?
- Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
- Что называют магнитной линией магнитного поля?
- Для чего вводят понятие магнитной линии поля?
- Как на опыте показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока
Задание 2. Проведите опыт.
ОПЫТЫ
С ЖЕЛЕЗНЫМИ ОПИЛКАМИ
Возьмите магнит любой формы, накройте его куском тонкого картона,
посыпьте сверху железными опилками и разровняйте их.
Так интересно наблюдать магнитные поля!
Ведь каждая «опилочка», словно магнитная стрелка, располагается вдоль магнитных линий.
Таким образом становятся «видимыми» магнитные линии магнитного поля вашего магнита.
При передвижении картона над магнитом (или наоборот магнита под картоном)
опилки начинают шевелиться, меняя узоры магнитного поля.
- https://www.kursoteka.ru/catalog/school/5
- http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
- http://class-fizika.narod.ru
- https://www.youtube.com/watch?v=aGIWuE1iL28
- https://www.youtube.com/watch?v=Tt7hXaukl9U
