Направление силовых линий магнитного поля провода с током

Немного из истории магнетизма

Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.

Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.

В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

• Магнитные линии не поддаются гравитации.
• Никогда не пересекаются между собой.
• Всегда образуют замкнутые петли.
• Имеют определенное направление с севера на юг.
• Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
• Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

Графическое изображение полей

Магниты действуют друг на друга и на железосодержащие предметы посредством магнитного поля. Поле не имеет цвета, запаха, его нельзя ощущать. Это особый вид материи, который проявляется по его действию на другое поле или на физические тела.

Условно изображают магнитное поле с помощью силовых линий, так же, как электрическое поле.

Эти линии замкнуты, то есть не имеют ни начала, ни конца. Направление, куда показывают северные полюсы магнитных стрелок, попавших в поле магнита, принято за направление силовых магнитных линий поля. Таковым оказывается направление от северного полюса к южному.

Хотя изображение силовых линий принято за условное, они все же проявляются в простом опыте с железными опилками. Если положить магнит на лист бумаги и посыпать мелкими опилками из железа, то можно увидеть, как они выстроятся вдоль определенных линий, как маленькие магнитные стрелки.

Частота линий вокруг магнита различна. Это подчеркивает более сильное действие магнитного поля около полюсов, где силовые линии плотнее.

Магнитное поле Земли

Наша планета представляет собой гигантский постоянный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Этот магнит имеет северный и южный полюсы. Вблизи них магнитное поле Земли проявляется наиболее сильно. Стрелка компаса устанавливается вдоль магнитных линий. Один конец её направлен к северному полюсу, другой к южному.

Магнитные полюсы Земли время от времени меняются местами. Правда, случается это не часто. За последний миллион лет это происходило 7 раз.

Магнитное поле защищает Землю от космического излучения, которое разрушительно действует на всё живое.

На магнитное поле Земли влияет солнечный ветер

, представляющий собой поток ионизированных частиц, вырывающихся из солнечной короны с огромной скоростью. Особенно он усиливается во время вспышек на Солнце. Пролетающие мимо нашей планеты частицы создают дополнительные магнитные поля, в результате чего изменяются характеристики магнитного поля Земли. Возникаютмагнитные бури . Правда, длятся они недолго. И спустя некоторое время магнитное поле восстанавливается. Но проблем они могут создать немало, так как влияют на работу линий электропередач, радиосвязи, вызывают сбои в работе различных приборов, ухудшают работу сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной систем человека. Особенно чувствительны к ним метеозависимые люди.

• < Назад
• Вперёд >

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс

июжный полюс . Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однаковзаимодействие магнитов не является электрическим . Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда

двухполюсные, они существуют только в видедиполей . Изолированных магнитных полюсов (так называемыхмагнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся

заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля

.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка

компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Как определить силовые линии магнитного поля

В процессе воздействия магнитного поля на рамку, по которой протекает ток, возникает магнитный момент. Данная величина является вектором, расположенным на той линии, которая проходит перпендикулярно рамке. Магнитное поле изображают графически, используя силовые линии. Их направляют таким образом, чтобы вектор сил поля совмещался с направлением силовой линии. Такие линии замыкаются и не прерываются.

Определить, в каком направлении действует магнитное поле, можно с помощью магнитной стрелки. С помощью силовых линий также можно определить полярность магнита. Концу, из которого выходят силовые линии, соответствует северный полюс, а точка входа линий совпадает с южным полюсом. 

Для наглядной оценки магнитного поля целесообразно использовать опилки из железа и бумажный листок. Им накрывают постоянный магнит. Поверхность бумаги посыпают железными опилками. Частицы металла приобретут такой порядок, который соответствует расположению силовых линий.

В случае проводника, направление силовых линий определяют с помощью правила буравчика или правила правой руки. К примеру, если обхватить проводник рукой таким образом, чтобы большой палец указывал направление тока от плюса к минусу, то остальные четыре пальца будут направлены так же, как и силовые линии магнитного поля.

Магнитное поле воздействует на заряд или проводник, по которому проходит ток, с силой Лоренца. Ее направление определяют с помощью правила левой руки. Если расположить левую руку таким образом, чтобы четыре пальца были направлены аналогично движению тока в проводнике, а силовые линии пронизывали ладонь, большой палец будет указывать на вектор силы Лоренца, с которой поле действует на проводник, помещенный в магнитное поле.

Природа магнетизма

Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.

Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой  — на ЮГ.

Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.

Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.

Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).

Правило левой и правой руки в физике — описание

История открытия, правило буравчика

Связь между электричеством и магнетизмом обнаружили только в XIX веке. С тех пор люди имеют представление о магнитном поле. Первым его обнаружил датский физик Х.Эрстед. После его открытия многими учеными была проведена серия опытов, в ходе которых было открыто, что поле это широкого спектра действия (может выходить за рамки объекта) и имеет круговой характер движения. Далее исследовали направление этого движения. Определили, что оно может быть направлено в разные стороны в зависимости от расположения полюсов и сил, действующих на проводник. Так были открыты и сформулированы правила правой и левой руки. Одно из них определяет направление магнитных линий, другое — действующих на проводник сил.

Примечание

Магнитное поле было принято обозначать специальными магнитными линиями (или линиями магнитной индукции): чем «гуще» линии, тем больше значение действующей силы магнитного поля.

Примечание

Магнитные линии замкнутые и не свиваются.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

Примечание

Зная направление линий, можно определить направление вектора магнитной индукции, и наоборот. Потому что вектор направлен по касательной к каждой точке магнитных линий.

Хоть определение правила буравчика (винта\правой руки) и сформулировано ученым-физиком Петром Буравчиком, название происходит от специального инструмента с «правой» резьбой — буравчика или винта. Было замечено, что при вкручивании его в землю резьба движется по часовой стрелке, то есть вправо. Так было определено направление силовых линий магнитного поля.

Правило левой руки было введено следом. Оно помогает определить направление воздействия на сам проводник.

Электромагнитная индукция и магнитная индукция: какая между ними разница?

Электромагнитная индукция — это производство электродвижущей силы, создаваемой в результате относительного движения между магнитным полем и проводником.

Магнитная индукция может производить постоянный магнит, но может и не производить.

Электромагнитная индукция создаёт ток, но таким образом, что этот созданный ток противодействует изменению магнитного поля.

В электромагнитной индукции используются магниты и электрические цепи, а в магнитной индукции используются только магниты и магнитные материалы.

Предыдущая
РазноеЭлектротехника для чайников. Как научиться разбираться в электрике: уроки для начинающих
Следующая
РазноеАвтоматический выключатель — от чего защищает и как он устроен

Опыт Эрстеда

Довольно продолжительное время электрические и магнитные поля изучались раздельно. Их взаимосвязь была обнаружена совершенно случайно. Существует легенда, что Кристиан Эрстед показывал ученикам на своей лекции в университете влияние толщины проводника на силу тока. При этом на демонстрационном столе лежал компас, оставшийся от предыдущей лекции

Во время рассказа Эрстеда о природе нагрева проволоки, один из его студентов обратил внимание, что стрелка компаса изменила положение. Этот эффект после позволил учёному утверждать, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи с проводником тока, действуют силы, стремящие её развернуть.

Проведя ряд опытов, учёный установил, что на направление указателя влияла полярность подключения источника питания. При её изменении стрелка сразу же изменяла своё направление на противоположное. Но оказалось, что влияние магнитного потока настолько мало, что обнаружить его, возможно, только с помощью чувствительных приборов.

Чтобы более точно представить, по какому принципу происходит поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током нужно рассмотреть проволоку с торца. Тогда можно будет изучить два случая:

• ток идёт от наблюдающего;
• заряды двигаются к исследователю.

Если установить множество стрелок вокруг проводника, то окажется, что после пропускания тока они выстроятся так, что образуют своеобразную окружность. При этом их полюса будут противоположны друг другу. Эти стрелки примут положение по касательной к магнитным линиям. Таким образом, можно будет увидеть, что линии, описывающие распространение поля, представляют окружность. Их же направления в первом случае будут по часовой стрелке, а во втором — против.

Это важное свойство магнитных линий и наблюдал Эрстед. Ампер же смог развить исследование дальше

Он установил, что если взять два проводника, разместить их параллельно и пустить по ним токи в одном направлении, то возникает сила притягивания. Если же в одном из них поменять подключение — проводники начинают отталкиваться. Именно благодаря Амперу удалось эмпирически доказать, как происходит взаимодействие проводника, по которому течёт ток, с полем постоянного магнита и описать зависимость зарядов от их направления.

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.

Индуктивность

Индуктивность показывает, какой магнитный поток может создать данный проводник (катушка), если через него протекает данный ток. Если индуктивность большая, то катушка создаст сильный магнитный поток (потокосцепление), если индуктивность маленькая, то катушка создаст слабый магнитный поток.

Свойство проводника (катушки) создавать магнитный поток, называется индуктивностью.

Индуктивность – коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и током

Ф = LI (данный ток создаст тем больший магнитный поток, чем больше индуктивность)

Lпров.= Ф\I = Вб\А= Ф=LI Ф= = м2_*Тл

Lкат.= ωФ\I

Индуктивность – неотъемлемое свойство данного проводника или катушки. и один из трех главных параметров любой электрической цепи  :R, L, C

Индуктивность определяется физическими параметрами катушки, она прямо пропорциональна магнитной проницаемости и квадрату числа витков, площади сечения и обратно пропорциональна длине катушки.

Вектор магнитной индукции

Определение

Вектор магнитной индукции — силовая характеристика магнитного поля. Она определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в поле с определенной скоростью. Обозначается как →B. Единица измерения — Тесла (Тл).

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.

Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:

B=FAmaxIl..

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.

Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.

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;

1. Провода, идущие через замыкающую кнопку к источнику тока.
2. Контактная пластинка.
3. Контактный винт.
4. Якорь – тонкая железная пластинка.
5. Обмотка катушки.
6. Сердечник.
7. Ударный элемент звонка – молоточек.
8. 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.