Физика 9-11 класс "Магнитное поле"

Впервые магнитные явления были последовательно рассмотрены английским врачом и физиком Уильямом Гильбертом в его работе - «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Тогда казалось, что электричество и магнетизм не имеют ничего общего.

Уильям Гильберт
1544-1603

«Ученый, датский физик, профессор, — писал Ампер, — своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом».

Эрстед Ганс Христиан
1777 - 1851

Опыт Эрстеда 1820г

Что наблюдалось?

При замыкании эл. цепи  магнитная стрелка отклоняется от первоначального положения. (рис. б)
При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое первоначальное положение. (рис. а)
При изменении направления тока изменяется направление отклонения стрелки.

Вывод:

Вокруг проводника с током проявляется действие магнитных сил, т.е. существует магнитное поле.

Экспериментально было установлено:

Магнитное действие тока проявляется всегда и во всех типах проводников.
Вблизи проводника с током действие магнитного поля проявляется сильнее.
Магнитное поле, созданное постоянным током, и магнитное поле, созданное магнитом по своей сути одно и то же.
Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами и действует только на движущиеся заряды

Магнитное поле принято изображать при помощи силовых (магнитных) линий

Линии, вдоль которых располагаются в магнитном поле оси магнитных стрелок, называют магнитными линиями (силовыми линиями магнитного поля).

Магнитная стрелка

Силовые линии магнитного поля

«охватывают» проводник, создающий это поле;
всегда замкнутые ( не имеют ни начала, ни конца);
не пересекаются и не касаются друг друга;
там, где магнитное поле сильнее, силовые линии расположены гуще;
силовые линии имеют направление.

Магнитное поле – вихревое поле

Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми
Замкнутость силовых линий отражает фундаментальное свойство магнитного поля: источником магнитного поля является не объект, локализованный в пространстве, а движущиеся заряженные частицы, т.е. процесс (в природе не существует магнитных зарядов)
Магнитные и электрические явления взаимосвязаны и взаимозависимы. Изменения в электрическом поле порождают изменения в магнитном поле и наоборот.

т

Силовые линии магнитного поля полосового магнита и катушки с током

Магнитное поле катушки с током

Соленоид – это катушка в виде намотанного на цилиндрическую поверхность изолированного проводника, по которому течёт электрический ток. Электрический ток в обмотке создает в окружающем пространстве магнитное поле соленоида.
Если подвесить соленоид на нити, то он повернется и сориентируется в магнитном поле Земли подобно свободно вращающейся магнитной стрелке.
Сила магнитного поля катушки с током зависит от числа витков катушки, от силы тока в цепи и от наличия сердечника в катушке.
Соленоид с сердечником во внутренней полости представляет собой электромагнит.

Полезные свойства электромагнитов:

быстро размагничиваются при выключении тока
можно изготовить любых размеров
при работе можно регулировать магнитное действие, меняя силу тока в цепи

Область применения электромагнитов

Электрические машины и аппараты, входящие в системы промышленной автоматики, в аппаратуру защиты электротехнических установок
Электромагниты используют в подъемных устройствах, для очищения угля от металла, для сортировки разных сортов семян, для формовки железных деталей
Электромагниты применяются и в электроизмерительных приборах
Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура.

Магнитное поле Земли

Магнитная стрелка компаса устанавливается в определенном направлении, ориентируясь в магнитном поле Земли
Магнитные полюса Земли расположены вблизи географических полюсов, но не совпадают с ними в точности
На земном шаре встречаются места, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклоняется от направления магнитных линий Земли
Эти места называют областями магнитных аномалий

Магнитное поле Земли

Постоянные магниты

С древности магнитами называли стержни из специальной руды – магнитного железняка, обладающие следующими свойствами:
Притягивать железосодержащие предметы;
Ориентироваться в пространстве одним из концов («северным полюсом») на географический север;
Отталкиваться друг от друга одноименными полюсами и притягиваться разноименными;
Намагничивать другие железосодержащие тела при трении или контакте.
Такими свойствами обладают и искусственные магниты.
У магнита всегда два полюса

Магнит – это предмет или вещество, которые образуют вокруг и внутри себя магнитное поле

Каждый магнит имеет ДВА полюса (северный N и южный S), где магнитные взаимодействия проявляются наиболее сильно

Противоположные полюса разных магнитов притягиваются – северный к южному и наоборот

Взаимодействие кольцевых магнитов

а) б)

Многие материалы (например, железо) становятся магнитами, т.е. намагничиваются, когда их помещают в магнитное поле другого магнита. Маленькие кусочки железа (стружки) становятся в магнитном поле маленькими магнитными стрелками, с помощью которых можно узнать, куда направлены магнитные линии поля

Определение направления силовых линий магнитного поля тока (правило буравчика)

Определение направления силовых линий магнитного поля тока (правило буравчика)

Действие магнитного поля на проводник с током

т

Сила Ампера - это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током

Сила Лоренца - сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу

-

Индукция магнитного поля

выразим из формулы В

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

не зависит ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника
Поэтому это отношение можно принять за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен участок проводника.

Индукция магнитного поля - это силовая характеристика магнитного поля

Правило левой руки

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.

Правило левой руки (для движущейся заряженной частицы)

Если ЛЕВУЮ РУКУ расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы) , то отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на частицу силы.

Принцип суперпозиции

Результирующий вектор магнитной индукции в данной точке складывается из векторов магнитной индукции, созданной различными токами в этой точке.

Магнитный поток

Контур, помещенный в однородное магнитное поле, пронизывается магнитным потоком (потоком векторов магнитной индукции).
Ф - магнитный поток, пронизывающий площадь контура, зависит от
величины вектора магнитной индукции, площади контура и его ориентации относительно линий индукции магнитного поля.

Магнитный поток

Упражнение1

а) Существует ли магнитное поле в точках А, В, С и D ?
б) В какой точке магнитное поле сильнее? Слабее?
с) Нарисуйте как расположится магнитная стрелка в точке С?
д) Определите направление тока в катушке

•А

•В

•С

•D

Упражнение 2

Как повернется магнитная стрелка вблизи провода, если по проводу пропустить электрический ток? Рассмотрите два случая:

а) провод под стрелкой

б) провод над стрелкой

Упражнение 3

Какое направление имеет ток в проводнике, направление силовых линий магнитного поля которого указано стрелками?

Упражнение 4

На рисунке показаны силовые линии катушки с током.
Определите направление тока в катушке.

Упражнение 5

Определите направление тока в проводнике.

Упражнение 4

Определите направление тока в проводнике.