Приложение 4 Теория МП прямого тока, соленоида

http://interneturok.ru/ru/school/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/magnitnoe-pole-pryamogo-toka-magnitnye-linii?seconds=0&chapter_id=106

 Возникновение слова «магнит»

Надо ска­зать, что рас­суж­де­ния о том, что же такое маг­нит­ные дей­ствия, дол­гое время оста­ва­лось за­гад­кой. Никто не мог от­ве­тить на этот во­прос. А вот более или менее ясные ис­сле­до­ва­ния пошли толь­ко в конце XVIII и на­ча­ле XIX веков.

 Магнитные действия. Эксперимент Эрстеда

Все ре­ши­лось толь­ко в на­ча­ле XIX века. В 1820 году дат­ский уче­ный Эр­стед про­вел экс­пе­ри­мент. Рас­смот­рим этот опыт.

Рас­по­ло­жим про­вод­ник, вклю­чен­ный в цепь ис­точ­ни­ка тока, над маг­нит­ной стрел­кой па­рал­лель­но её оси.

Рис. 1. Суть опыта Эр­сте­да

При за­мы­ка­нии цепи маг­нит­ная стрел­ка от­кло­ня­ет­ся от сво­е­го пер­во­на­чаль­но­го по­ло­же­ния.

Рис. 2. За­мкну­тая цепь

При раз­мы­ка­нии цепи маг­нит­ная стрел­ка воз­вра­ща­ет­ся в свое на­чаль­ное по­ло­же­ние. Это озна­ча­ет, что про­вод­ник с током и маг­нит­ная стрел­ка вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом.

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, то есть во­круг дви­жу­щих­ся элек­три­че­ских за­ря­дов.

Таким об­ра­зом, во­круг непо­движ­ных элек­три­че­ских за­ря­дов су­ще­ству­ет толь­ко элек­три­че­ское поле, во­круг дви­жу­щих­ся за­ря­дов (то есть 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.

 Исследования магнитного поля Ампером. Свойства магнитного поля

В даль­ней­шем маг­нит­ное поле изу­ча­лось очень мно­ги­ми уче­ны­ми. И в первую оче­редь, ко­неч­но, это Ан­дре-Ма­ри Ампер – фран­цуз­ский уче­ный, ко­то­рый очень много сде­лал в ис­сле­до­ва­нии маг­нит­но­го поля.

Пер­вое свой­ство маг­нит­но­го поля, о ко­то­ром го­во­рит Ампер, – это то, что маг­нит­ное поле по­яв­ля­ет­ся тогда, когда есть дви­жу­щий­ся заряд, то есть если заряд дви­жет­ся, то во­круг него об­ра­зу­ет­ся маг­нит­ное поле. Если есть элек­три­че­ский ток (на­прав­лен­ное дви­же­ние элек­три­че­ских за­ря­дов), зна­чит, и во­круг элек­три­че­ско­го тока тоже есть маг­нит­ное поле.

Вто­рое свой­ство, ко­то­рое уста­но­вил Ампер, свя­за­но с тем, как дей­ству­ет маг­нит­ное поле. Маг­нит­ное поле дей­ству­ет на дру­гой элек­три­че­ский ток, то есть если в маг­нит­ное поле по­па­да­ет про­вод­ник с током, то этот про­вод­ник ис­пы­ты­ва­ет на себе дей­ствие. Он в маг­нит­ном поле на­чи­на­ет как-то иначе себя вести. Проще го­во­ря, на­чи­на­ет дви­гать­ся. Маг­нит­ное поле дей­ству­ет на маг­нит­ную стрел­ку.

И еще нема­ло­важ­ная вещь, что маг­нит­ное поле дей­ству­ет на рамку с током. Вот это, по­жа­луй, самое лю­бо­пыт­ное за­ме­ча­ние, ко­то­рое уда­лось вы­яс­нить; если мы про­вод­ник со­гнем в виде квад­рат­ной рамки или круг­лой рамки и будем про­пус­кать по ней элек­три­че­ский ток, то рамка в маг­нит­ном поле нач­нет по­во­ра­чи­вать­ся. Это свой­ство тоже опре­де­лил Ампер, и в ре­зуль­та­те мы те­перь можем го­во­рить о том, что маг­нит­ное поле су­ще­ству­ет, то есть оно ма­те­ри­аль­но и плюс к этому об­ла­да­ет свой­ства­ми.

 Определение формы магнитного поля

Маг­нит­ное поле про­яв­ля­ет­ся имен­но тогда, когда есть дви­жу­щи­е­ся за­ря­ды. Если за­ря­ды по­ко­ят­ся, ни­ка­ко­го маг­нит­но­го поля мы во­круг них на­блю­дать не будем, в этом слу­чае это элек­три­че­ское поле.

Наши ор­га­ны чувств, к со­жа­ле­нию, не могут дать нам воз­мож­но­сти ощу­тить и опре­де­лить маг­нит­ное поле. Но, тем не менее, есть воз­мож­ность маг­нит­ное поле уви­деть. Мы можем опре­де­лить его форму, как и где оно рас­по­ла­га­ет­ся, ха­рак­те­ри­зо­вать его неко­то­рым об­ра­зом. Для того чтобы уви­деть эти элек­тро­маг­нит­ные яв­ле­ния, ис­поль­зу­ют, как пра­ви­ло, же­лез­ные опил­ки.

Дело в том, что в маг­нит­ном поле же­лез­ные опил­ки на­маг­ни­чи­ва­ют­ся и при­об­ре­та­ют свой­ство маг­нит­ных стре­лок. И ока­за­лось, что если эти маг­нит­ные стрел­ки, очень-очень ма­лень­кие, рас­по­ло­жить во­круг маг­ни­тов или элек­три­че­ско­го тока, то маг­нит­ные стрел­ки будут себя вести, как по­ло­же­но им в маг­нит­ном поле, ори­ен­ти­ру­ясь опре­де­лен­ным об­ра­зом.

 Линии магнитного поля

В ре­зуль­та­те можно сде­лать очень лю­бо­пыт­ное дей­ствие. Если взять про­вод­ник, во­круг него рас­сы­пать ме­тал­ли­че­ские опил­ки, то эти опил­ки будут рас­по­ла­гать­ся стро­го по кон­цен­три­че­ским окруж­но­стям.

                

Рис. 4. Рас­по­ло­же­ние линий маг­нит­но­го поля

Да­вай­те по­смот­рим на ри­су­нок, где и как про­ис­хо­дят элек­тро­маг­нит­ные яв­ле­ния. Вот в цен­тре изоб­ра­жен про­вод­ник, ко­то­рый рас­по­ла­га­ет­ся пер­пен­ди­ку­ляр­но на­ше­му ри­сун­ку. Точка в цен­тре го­во­рит о том, что элек­три­че­ский ток как бы идет на нас из-за этого ри­сун­ка. Если мы те­перь во­круг этого про­вод­ни­ка на плос­ко­сти рас­сып­лем же­лез­ные опил­ки, то они будут рас­по­ла­гать­ся стро­го вот по таким окруж­но­стям. То есть опил­ки очень ма­лень­кие по раз­ме­рам и, со­от­вет­ствен­но, будут рас­по­ла­гать­ся так, как по­ка­за­ны на ри­сун­ке маг­нит­ные стрел­ки. Эти маг­нит­ные стрел­ки как: южный полюс – се­вер­ный, южный полюс – се­вер­ный, южный полюс – се­вер­ный.

Об­ра­ти­те вни­ма­ние: вы­стра­и­ва­ясь вдоль этих линий, стрел­ки и по­ка­жут форму маг­нит­но­го поля. И самое глав­ное – можно по этим рас­по­ло­же­ни­ям су­дить о том, какая ве­ли­чи­на этого маг­нит­но­го поля может быть.

Линии, вдоль ко­то­рых вы­стра­и­ва­ют­ся маг­нит­ные стрел­ки, на­зы­ва­ют­ся ли­ни­я­ми маг­нит­но­го поля.

 

Вопросы для обсуждения

1.      Что по­ка­зал опыт Эр­сте­да?

2.      Какие свой­ства вы­яс­нил Ампер при ис­сле­до­ва­нии маг­нит­но­го поля?

3.      Что можно опре­де­лить по гу­сто­те линий маг­нит­но­го поля?

 

 Если есть прямой проводник с током, то обнаружить наличие магнитного поля вокруг 
этого проводника можно с помощью железных опилок ... 

... или магнитных стрелок.

Под действием магнитного поля тока магнитные стрелки или железные опилки 
располагаются по концентрическим окружностям.

Магнитные линии.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных линий.

Магнитные линии магнитного поля тока – это линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок.
Магнитные линии магнитного поля тока – это замкнутые кривые, охватывающие проводник. 
У прямого проводника с током - это концентрические расширяющиеся окружности .
За направление магнитной линии принято направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля. 

Графическое изображение магнитного поля прямого проводника с током.

Направление магнитных линий магнитного поля тока 
связано с направлением тока в проводнике:

http://interneturok.ru/ru/school/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/magnitnoe-pole-katushki-s-tokom-elektromagnity

 Представление о катушке

Наи­боль­ший прак­ти­че­ский ин­те­рес пред­став­ля­ет собой маг­нит­ное поле ка­туш­ки с током. Чтобы по­лу­чить ка­туш­ку, надо взять изо­ли­ро­ван­ный про­вод­ник и на­мо­тать его на кар­кас. Такая ка­туш­ка со­дер­жит в себе боль­шое ко­ли­че­ство вит­ков про­во­да. Об­ра­ти­те вни­ма­ние: эти про­во­да на­мо­та­ны на пласт­мас­со­вый кар­кас и у этого про­во­да есть два вы­во­да.

 Понятие магнитного поля катушки

Если ка­туш­ку с током под­ве­сить на тон­ких и гиб­ких про­вод­ни­ках, то она уста­но­вит­ся так же, как маг­нит­ная стрел­ка ком­па­са. Один конец ка­туш­ки будет об­ра­щен к се­ве­ру, дру­гой – к югу. Зна­чит, ка­туш­ка с током, как и маг­нит­ная стрел­ка, имеет два по­лю­са – се­вер­ный и южный.

Во­круг ка­туш­ки с током име­ет­ся маг­нит­ное поле. Его, как и поле пря­мо­го про­вод­ни­ка, можно об­на­ру­жить при по­мо­щи опи­лок. Маг­нит­ные линии маг­нит­но­го поля ка­туш­ки с током яв­ля­ют­ся также за­мкну­ты­ми.

Ка­туш­ки с током ши­ро­ко ис­поль­зу­ют в тех­ни­ке в ка­че­стве маг­ни­тов. Они удоб­ны тем, что их маг­нит­ное дей­ствие можно из­ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах. Рас­смот­рим спо­со­бы, при по­мо­щи ко­то­рых можно это сде­лать.

На рис. 1 изоб­ра­жен опыт, в ко­то­ром на­блю­да­ет­ся дей­ствие маг­нит­но­го поля ка­туш­ки с током.

Рис.1. Дей­ствие маг­нит­но­го поля ка­туш­ки с током

Если за­ме­нить ка­туш­ку дру­гой, с большим чис­лом вит­ков про­во­ло­ки, то при той же силе тока она при­тя­нет боль­ше же­лез­ных пред­ме­тов. Зна­чит, маг­нит­ное дей­ствие ка­туш­ки с током тем силь­нее, чем боль­ше число вит­ков в ней.

Вклю­чим цепь, со­дер­жа­щую ка­туш­ку, рео­стат (рис.2), и при по­мо­щи него будем из­ме­нять силу тока в ка­туш­ке.

Рис. 2.  Дей­ствие маг­нит­но­го поля ка­туш­ки с током, ре­гу­ли­ру­е­мой рео­ста­том

При уве­ли­че­нии силы тока дей­ствие маг­нит­но­го поля ка­туш­ки с током уси­ли­ва­ет­ся, при умень­ше­нии – ослаб­ля­ет­ся.

Ока­зы­ва­ет­ся также, что маг­нит­ное дей­ствие ка­туш­ки с током можно зна­чи­тель­но уси­лить, не меняя число её вит­ков и силу тока в ней. Для этого надо вве­сти внутрь ка­туш­ки же­лез­ный стер­жень (сер­деч­ник). Же­ле­зо, вве­ден­ное внутрь ка­туш­ки, уси­ли­ва­ет маг­нит­ное дей­ствие ка­туш­ки (рис.3).

Рис. 3. Дей­ствие маг­нит­но­го поля ка­туш­ки с током, уси­лен­ной сер­деч­ни­ком

 Обозначение катушки

Об­ра­ти­те вни­ма­ние, что на схе­мах ка­туш­ка обо­зна­ча­ет­ся опре­де­лен­ным сим­во­лом. Да­вай­те по­смот­рим на этот экс­пе­ри­мент и на схе­ма­тич­ное изоб­ра­же­ние ка­туш­ки. Итак, мы го­во­ри­ли о том, что если ка­туш­ку под­ве­сить на тон­ких про­вод­ни­ках и за­кре­пить ка­туш­ку на под­став­ке, то мы уви­дим, что она будет вести себя точно так же, как маг­нит­ная стрел­ка. Она будет рас­по­ла­гать­ся стро­го ори­ен­ти­ро­ван­но одной сто­ро­ной на юг, дру­гой сто­ро­ной на север.

Рис. 4. Ка­туш­ка

 Открытие английского инженера Стёрджента

Но самым ин­те­рес­ным ока­за­лось от­кры­тие ан­глий­ско­го ин­же­не­ра Стёр­джен­та. Он про­де­мон­стри­ро­вал сле­ду­ю­щее: уче­ный взял и надел ка­туш­ку на же­лез­ный сер­деч­ник. Дело все в том, что, про­пус­кая элек­три­че­ский ток по вит­кам этих ка­ту­шек, маг­нит­ное поле мно­го­крат­но уве­ли­чи­ва­лось – и все же­лез­ные пред­ме­ты, ко­то­рые на­хо­ди­лись во­круг, стали при­тя­ги­вать­ся к этому устрой­ству. Это устрой­ство по­лу­чи­ло на­зва­ние «элек­тро­маг­нит».

 Понятие электромагнита. Обозначение

Когда со­об­ра­зи­ли сде­лать же­лез­ный крю­чок и при­со­еди­нить его к этому устрой­ству, по­лу­чи­ли воз­мож­ность пе­ре­тас­ки­вать раз­лич­ные грузы. Итак, что такое элек­тро­маг­нит?

Элек­тро­маг­ни­том на­зы­ва­ют ка­туш­ку с же­лез­ным сер­деч­ни­ком внут­ри. Элек­тро­маг­нит на схеме обо­зна­ча­ет­ся как ка­туш­ка, а свер­ху рас­по­ла­га­ет­ся го­ри­зон­таль­ная линия.

Рис. 5. Схе­ма­тич­ное обо­зна­че­ние ка­туш­ки

Эта линия ха­рак­те­ри­зу­ет же­лез­ный сер­деч­ник. Когда мы изу­ча­ли элек­три­че­ские яв­ле­ния, то го­во­ри­ли, что у элек­три­че­ско­го тока есть раз­ные свой­ства, в том числе и маг­нит­ные свой­ства. И один из экс­пе­ри­мен­тов, ко­то­рые мы об­суж­да­ли, был свя­зан с тем, как мы берем про­во­ло­ку, при­со­еди­нен­ную к ис­точ­ни­ку тока, на­ма­ты­ва­ем на же­лез­ный гвоздь и на­блю­да­ем, как к этому гвоз­дю на­чи­на­ют при­тя­ги­вать­ся раз­лич­ные же­лез­ные пред­ме­ты. Вот это и есть про­стей­ший элек­тро­маг­нит. И те­перь мы по­ни­ма­ем, что про­стей­ший элек­тро­маг­нит нам обес­пе­чи­ва­ют сила тока, про­те­ка­ю­щая в ка­туш­ках, ко­ли­че­ство вит­ков и обя­за­тель­но ме­тал­ли­че­ский сер­деч­ник.

 Применение электромагнита

На се­го­дняш­ний день элек­тро­маг­ни­ты очень ши­ро­ко рас­про­стра­не­ны. Элек­тро­маг­ни­ты ра­бо­та­ют прак­ти­че­ски везде и всюду. На­при­мер, если нам надо пе­ре­та­щить до­ста­точ­но боль­шие грузы, мы ис­поль­зу­ем элек­тро­маг­ни­ты. И, ре­гу­ли­руя силу тока, мы будем, со­от­вет­ствен­но, силу либо уве­ли­чи­вать, либо умень­шать. От­кры­тие и за­кры­тие две­рей тоже обес­пе­чи­ва­ет­ся элек­тро­маг­ни­та­ми.

Вопросы для обсуждения

1.      Что пред­став­ля­ет собой ка­туш­ка?

2.      У любой ли ка­туш­ки есть маг­нит­ное поле?

3.      Про­стей­ший элек­тро­маг­нит.

 

Скачано с www.znanio.ru