Магнитное поле, взаимодействие проводников с током. Опыты Ампера. Вектор магнитной индукции, индукция магнитного поля бесконечно прямого и кругового проводников с током. Правило буравчика

35 № Сабақ / Урок № 35

Сабақ жоспары / План урока

Сабақтың тақырыбы / Тема урока

Магнитное поле, взаимодействие проводников с током. Опыты Ампера. Вектор магнитной индукции, индукция магнитного поля бесконечно прямого и кругового проводников с током. Правило буравчика

Взаимодействие токов. Правило буравчика и левой руки. Магнитная индукция

Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. В Европе он появился приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда. Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся ее повернуть (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Отклонение магнитной стрелки при замыкании электрической цепи

ВЫВОД из опыта Эрстеда: вокруг проводника с током существует магнитное поле. На него – то и реагирует магнитная стрелка. Источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или токи.

В том же году французский физик А.Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Опыт Ампера

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.

Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.

Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I₁ и I₂ в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

В Международной системе единиц СИ коэффициент пропорциональности k принято записывать в виде:

где μ₀ – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно:

Формула, выражающая закон магнитного взаимодействия параллельных токов, принимает вид:

Отсюда нетрудно получить выражение для индукции магнитного поля каждого из прямолинейных проводников. Магнитное поле прямолинейного проводника с током должно обладать осевой симметрией и, следовательно, замкнутые линии магнитной индукции могут быть только концентрическими окружностями, располагающимися в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Это означает, что векторы и магнитной индукции параллельных токов I₁ и I₂ лежат в плоскости, перпендикулярной обоим токам.

По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Однако опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.

Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи).

Неподвижные электрические заряды создают электрическое поле, движущиеся заряды создают еще другое поле – магнитное.

Убедиться в этом можно на опыте с гибкими проводниками Ампера. Если по проводникам, расположенным параллельно и достаточно близко друг к другу, течет ток одного направления, проводники притягиваются. Но если ток противоположного направления, то проводники начинают отталкиваться друг от друга.

Взаимодействия, возникающие между проводниками, через которые проходит ток, называются магнитными. При этом силы, с которыми проводники действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Магнитным полем называют одну из форм проявления электромагнитного поля. Его особенностью является то, что это поле действует только на движущиеся частицы и тела, имеющие электрический заряд, а также на намагниченные тела независимо от того, движутся они или нет.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции .

За направление вектора магнитной индукции принято направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, которая может свободно устанавливаться в некотором магнитном поле, созданном током. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Направление положительной нормали совпадает с поступательным движением острия буравчика с правой нарезкой при его вращении по направлению тока в замкнутом контуре (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Напрвление линий индукции магнитного поля прямолинейного проводника с током

В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка устанавливается по касательной к окружности, плоскость которой перпендикулярна проводу, а центр лежит на оси провода. Направление вектора магнитной индукции определяют с помощью правила Максвелла (правила буравчика): если поступательное движение буравчика (ввинчивается) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление вектора магнитной индукции (направление магнитных линий).

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка:

Магнитное поле называют однородным, если векторы во всех его точках одинаковы.

Принцип суперпозиции полей. Если в данной точке пространства магнитные поля созданы различными источниками с векторами магнитной индукции ₁, ₂, ₃ и т.д., то вектор магнитной индукции  результирующего магнитного поля будет равен:

= ₁+₂ + ₃ + …

Для наглядного изображения магнитных полей используют линии магнитной индукции.

Линии магнитной индукции – это воображаемые линии, проведенные таким образом, что касательные к ним в каждой точке совпадают с направлением вектора  в этих точках поля.

Картину линий магнитной индукции можно сделать явной, насыпав мелкие железные опилки на лист, на котором расположен постоянный магнит (Рисунок 4).

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с токами, создающими поле. Замкнутость линий магнитной индукции объясняется тем, что не доказано существование в природе свободных магнитных зарядов.

Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле является вихревым.

Линии магнитной индукции однородного поля параллельны.

Магнитное поле не является потенциальным, т.е. работа магнитного поля по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.

Магнитной цепью называется совокупность тел или областей пространства, в которых сосредоточено магнитное поле.

Краткие итоги темы

Домашнее задание:

·         составить конспект;

·         прочесть «Физика 10 класс. 2 часть», с. 125-130;

·         выполнить практическую работу (представлена ниже) с нового листа в рабочей тетради, оформить как лабораторную работу: тема, цель, оборудование, задания, вывод.

·         сфотографировать практическую домашнюю работу поместить в ворд!!! и прикрепить на портал

Практическая домашняя работа

Тема: «Наблюдение действия магнитного поля»

Цель: опытное наблюдение магнитного поле.

Оборудование: ПК, электронное пособие «Физика в картинках»-

https://cloud.mail.ru/public/9JsP/UQ26EZu7v

Указания к работе:

1.      Запустить электронное пособие «Физика в картинках (Рисунок 1).

Рисунок 1– Электронное пособие

2.      Зайти в меню «Оглавление» (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Меню «Оглавление»

3.      Выбрать «Электричество и магнетизм» (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Демонстрации по теме «Электричество и магнетизм»

4.                  На открывшемся поле «Демонстрации» выбрать «Магнитное поле» (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Демонстрации магнитного поля

5.      В открывшемся окне поочередно запустить демонстрации (Рисунок 5).

Рисунок 5 – Прямой провод

6.      Нажать на кнопку железные опилки для наблюдения ориентации опилок согласно создаваему магнитному полю (Рисунок 6).

Рисунок 6 – Наблюдение расположения железных опилок

7.      Внимательно рассмотреть расположение металлических опилков около различных источников магнитного поля.

8.      Зарисовать полученные линии только простым карандашом с указанием направления тока и вектора магнитной индукции в следующем порядке:

1.      Прямой провод.

2.      Два провода.

3.      Кольцо.

4.      Магнит.

5.      Соленоид.

6.      Тороид.

9.      Выход из программы осуществляется нажатием на кнопку «Выход» (Рисунок 7)

Рисунок 7 – Выход из программы

10.  Оформить вывод. ПРИКРЕПИТЬ РАБОТУ НА ПОРТАЛ

11.  Скачано с www.znanio.ru