3. Когда электрический ток течет по проводнику, магнитная стрелка рядом с ним перпендикулярна проводнику. Когда направление тока меняется на противоположное. Стрелка
Эксперимент Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током
1. Эксперимент Эрстеда состоит из следующих компонентов. Магнитный указатель, ориентированный с севера на юг в магнитном поле Земли, помещается на стол с проводом, подключенным к источнику тока, параллельно указателю (см. рис. 81). Когда цепь замкнется, стрелка повернется на 90° и будет перпендикулярна проводнику.
При размыкании цепи стрелка вернется в исходное положение. При изменении направления тока стрелка будет вращаться в противоположном направлении. Эксперимент Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течет электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.
Эксперимент Эрстеда показывает, что существует взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.
Эта взаимосвязь также подтверждается экспериментом, известным как эксперимент Ампера. Если электрический ток течет по двум длинным параллельным проводникам в одном направлении, они будут притягиваться друг к другу; если направление тока изменить, проводники будут отталкиваться друг от друга. Это происходит потому, что вокруг одного проводника существует магнитное поле, которое воздействует на другой проводник с током. Если ток течет только по одному проводнику, проводники не взаимодействуют.
Таким образом, магнитное поле существует вокруг движущихся электрических зарядов или вокруг проводника с током. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не влияет.
Характеристическая сила магнитного поля – это величина, называемая магнитная индукция. Магнитная индукция обозначается ∆B . Магнитная индукция является векторной величиной, т.е. имеет определенное направление. Это можно наглядно наблюдать, изучая взаимодействие параллельных проводников с током. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.
2. Магнитное поле вокруг проводника с током можно определить по магнитным стрелкам или по железным опилкам, которые в магнитном поле намагничиваются и становятся магнитными стрелками. На рисунке 87 показан проводник, пропущенный через картонную коробку с лежащими на ней железными опилками. Когда через проводник пропускают электрический ток, опилки располагаются вокруг него концентрическими кругами.
Линии, вдоль которых магнитные стрелки или железные опилки помещаются в магнитное поле, называются линиями магнитной индукции. В качестве направления линии магнитной индукции принимается направление, указанное северным полюсом магнитной стрелки. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции в каждой точке поля.
Как видно из результатов эксперимента Эрстеда и эксперимента по взаимодействию параллельных проводников с током, направление линий вектора магнитной индукции (и линий магнитной индукции) зависит от направления тока в проводнике. Направление линий магнитной индукции может быть определено с помощью Принцип Боравика. Для линейного проводника это выглядит следующим образом: если направление поступательного движения бойка совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки бойка совпадает с направлением линии магнитной индукции.
3. Если через катушку пропустить электрический ток, опилки расположатся так, как показано на рис. 88.
Расположение линий магнитной индукции показывает, что катушка с током становится магнитом. Если катушку с током подвесить, она повернется южным полюсом на юг, а северным – на север (рис. 89).
Поэтому катушка с током имеет два полюса: северный и южный. Полюса, которые появляются на его концах, можно определить, если известно направление электрического тока в катушке. Для этого используется принцип буры: Если направление вращения ручки бура совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения бура совпадает с направлением линии магнитной индукции внутри катушки (рис. 90).
4. Тело, которое сохраняет свои магнитные свойства или намагниченность в течение длительного времени, называется постоянным магнитом. постоянные магниты. Если приложить магнит к железным опилкам, можно заметить, что они притягиваются к концам магнита и почти никогда к центру. Части магнита, которые производят самый сильный магнитный эффект, называются полюсами магнита. Магнит имеет два полюса: северный полюс N и южный полюс S. Принято окрашивать северный полюс магнита в синий цвет, а южный – в красный. Если разделить брусковый магнит на две части, то каждая часть будет представлять собой магнит с двумя полюсами.
Положив лист бумаги или картона на постоянный магнит и посыпав его железными опилками, можно получить изображение его магнитного поля (рис. 91). Линии магнитной индукции постоянных магнитов замкнуты, все выходят из северного полюса и входят в южный полюс, замыкаясь внутри магнита.
Магнитные стрелки и магниты взаимодействуют друг с другом. Противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу, а одинаковые полюса отталкиваются друг от друга. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что магнитное поле одного магнита действует на другой и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.
Причина, по которой вещества обладают магнитными свойствами, заключается в движении электронов, которые существуют в каждом атоме. Двигаясь вокруг атома, электроны создают магнитные поля. Если эти поля имеют одинаковую ориентацию, то вещество, например, железо или сталь, достаточно сильно намагничено.
5. Магнитное поле действует на проводник с током. Это можно доказать экспериментально (рис. 92).
Если проводник длиной l, подвешенный на тонкой проволоке, поместить в поле подковообразного магнита и подключить к источнику тока, то при разомкнутой цепи проводник будет оставаться неподвижным. Если цепь замкнуть, то через проводник потечет электрический ток, и проводник отклонится в магнитном поле от своего первоначального положения. При изменении направления тока проводник отклоняется в противоположную сторону. Таким образом, проводник с током, помещенный в магнитное поле, подвергается действию силы, называемой Ампер-сила.
Экспериментальные исследования показывают, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника (l) и силе тока (I), протекающего в проводнике: ∆Fsim Il ∆ . Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции ( B ) . Следовательно, F=BIl ¯ .
Сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле, равна произведению модуля вектора магнитной индукции, силы тока и длины той части проводника, которая находится в магнитном поле.
Это зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током.
Формула для силы Ампера раскрывает значение вектора магнитной индукции. Из выражения для силы Ампера следует, что: ∆( B=frac ), что означает, что Магнитная индукция – это физическая величина, равная отношению силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, к силе тока и длине проводника, помещенного в магнитное поле..
Из приведенной выше формулы видно, что плотность магнитного потока является силовой характеристикой магнитного поля.
Единицей магнитной индукции является ( [B] = [F]/[I][l]) . ([B] ) = 1 N/(1 A – 1 m) – 1 N/(A – m) = 1 Тесла. Единицей магнитной индукции является магнитная индукция поля, в котором на проводник длиной 1 м с током 1 А действует сила 1 Н..
Направление амперной силы определяется по правилу левой руки: если левая рука расположена так, что линии магнитной индукции входят в ладонь, а четыре пальца направлены в сторону тока в проводнике, то большой палец, согнутый под углом 90°, укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 93).
6. Движение проводника с током в магнитном поле является основой работы электродвигателя. Если прямоугольную рамку поместить в магнитное поле и пропустить через нее электрический ток, рамка будет вращаться (рис. 94), потому что на стороны рамки действует сила Ампера. Сила, действующая на сторону рамы ≥ ab ≥, противоположна силе, действующей на сторону ≥ cd ≥ .
Чтобы рамка не останавливалась, когда ее плоскость перпендикулярна линии магнитной индукции, а продолжала вращаться, направление тока в проводнике меняют на противоположное. Для этого к концам рамки припаиваются полукольца, по которым скользят контакты, подключенные к источнику тока. При повороте рамки на 180° контактные пластины, соприкасающиеся с полукольцами, меняются, и направление тока в рамке изменяется.
В электродвигателе энергия электрического и магнитного полей преобразуется в механическую энергию.
Неодимовые магниты характеризуются необычайной магнитной силой. Чем больше магнит, тем больше его сила. Именно эта особенность позволяет использовать их во многих отраслях промышленности. Однако если такой магнит примаг…
Магнитное поле
Электроны, движущиеся вокруг атома, создают магнитное поле, неся отрицательный заряд. При постоянном движении возникает электрический ток. Магнитное поле возникает в результате движения тока, сила тока влияет на силу магнитного поля.
Учитывая эту информацию, можно сделать вывод, что между магнетизмом и электричеством существует взаимосвязь. Все эти явления вместе взятые называются электромагнетизмом.
Движение электронов вокруг ядра – не единственная причина возникновения магнитного поля. На него в равной степени влияет движение атомов вокруг своих осей. Некоторые материалы имеют магнитное поле, в котором атомы гасят друг друга, совершая хаотические движения.
Предметы из металла имеют упорядоченные группы атомов, ориентированные в определенном направлении. Благодаря способности направлять атомы в определенном направлении и собирать магнитные поля, предметы из металла способны намагничиваться.
6 Как вы можете представить себе магнитное поле магнита?
Как полюса магнитов взаимодействуют друг с другом?
Вернуться к оглавлению – Просмотр
1 Какие тела называются постоянными магнитами?
Тела, которые остаются намагниченными в течение длительного времени, называются постоянными магнитами или просто магнитами.
2.Как Ампер объяснил намагничивание железа?
Французский ученый Ампер объяснил намагниченность железа и стали существованием электрических токов, циркулирующих в каждой молекуле этих веществ.
Во времена Ампера еще ничего не было известно о структуре атома, поэтому природа молекулярных токов оставалась неизвестной.
3. Как теперь можно объяснить молекулярные токи Ампера?
Сегодня известно, что каждый атом содержит отрицательно заряженные частицы, то есть электроны, которые своим движением вокруг атомного ядра создают магнитные поля, вызывающие намагничивание железа и стали.
4 Как называются магнитные полюса магнита?
Места в магните, где происходит самое сильное магнитное взаимодействие, называются полюсами магнита.
Каждый магнит, как и магнитная стрелка, обязательно имеет два полюса: северный (N) и южный (S).
5 Как взаимодействуют полюса магнита?
Противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу, противоположные полюса отталкиваются друг от друга.
6. Как вы можете представить себе магнитное поле магнита?
Вы можете получить представление о типе магнитного поля постоянных магнитов, используя железные опилки.
Магнитные линии магнитного поля магнита являются замкнутыми линиями.
На внешней стороне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс, замыкаясь внутри магнита, подобно магнитным линиям катушки с током.
По аналогии с электрическим полем .
Как взаимодействуют полюса магнитов
Магнитные свойства постоянных магнитов, их способность притягивать железные предметы, были известны еще со времен древних греков. Земля также является магнитом, и явление земного магнетизма было использовано древними китайцами 3000 лет назад для создания подобия компаса – свободно вращающейся магнитной иглы, которая указывала ориентацию сторон света. Китайские моряки использовали компас в 11 веке, в то время как в Европе подобные устройства появились только в 12 веке.
В пространстве, окружающем намагниченное тело, создается магнитное поле магнитное поле. Маленькая магнитная стрелка, помещенная в это поле, позиционируется определенным образом в каждой точке поля, тем самым указывая направление поля. Часть стрелки, указывающая на север в магнитном поле Земли, называется север…и на противоположном конце … юг.
Известно, что когда два магнита находятся близко друг к другу, между ними возникает сила. Магниты либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга; их взаимодействие ощущается даже тогда, когда магниты не находятся в контакте. Если приблизить северный полюс одного магнита к северному полюсу другого, магниты будут отталкиваться друг от друга; то же самое произойдет, если приблизить магниты друг к другу своими южными полюсами. Но если приблизить северный полюс одного магнита к южному полюсу другого, возникает притяжение. Это похоже на взаимодействие электрических зарядов: противоположные полюса отталкиваются, а противоположные полюса притягиваются. Но не путайте полюса магнитов и электрические заряды – это совершенно разные вещи.
Вернемся к примеру с магнитной стрелкой, помещенной в магнитное поле. Когда стрелка отклоняется от направления магнитного поля, происходит механический момент пропорционально синусу угла отклонения α и стремится повернуть его вдоль этого направления. Когда постоянные магниты взаимодействуют друг с другом, они оказывают силу результирующий крутящий момент, но не сила. Подобно электрическому диполю, постоянный магнит в однородном поле стремится вращаться в поле, но не перемещается в нем.
Фундаментальное различие между постоянными магнитами и электрическими диполями заключается в следующем. Электрический диполь всегда состоит из зарядов, равных по величине и противоположных по знаку. Эти заряды можно отделить друг от друга и разместить на отдельных телах, например, разрезав диполь пополам в плоскости, перпендикулярной оси диполя. В свою очередь, постоянный магнит, разрезанный пополам таким образом, превращается в два меньших магнита, каждый из которых имеет северный и южный полюс. Отсутствие расщепления делает возможным существование отдельных источников северного и южного магнетизма. магнитные заряды.. Причина в том, что “магнитные заряды” (или, как их иногда называют, “магнитные массы”) не существуют в природе.
Обобщив сведения о магнетизме, накопленные до 1600 года, английский физик Уильям Гильберт в своей работе “О магнетизме, магнитных телах и великом магните – Земле” пришел к выводу, что, несмотря на некоторое внешнее сходство, природа электрических и магнитных явлений различна. Действительно, кроме вышеуказанного различия, эксперимент показывает, что если мы поместим легкий заряженный шарик рядом с магнитной стрелкой компаса, то не обнаружим никакого влияния заряда шарика на магнитную стрелку. Напротив, магнитное поле стрелки не оказывает никакого влияния на заряженный шарик. Однако уже в середине XVIII века существовала твердая уверенность в том, что существует тесная связь между …между электрическими и магнитными явлениями…. Однако характер этой тесной связи в то время не мог быть установлен из-за отсутствия достаточно мощных источников электроэнергии.
В 1820 году Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки гальваническим током и сделал первый важный шаг к выяснению природы связи между электрическими и магнитными явлениями. Затем Гей-Люссак и Араго наблюдали намагничивание железа постоянным током, протекающим в проводнике. Ампер открыл притяжение между проводниками, в которых текут параллельные токи, и отталкивание между противоположно направленными токами. Он также выдвинул гипотезу о том, что свойства постоянных магнитов обусловлены постоянными круговыми токами (молекулярными токами), циркулирующими в их толще.
Но вернемся к открытию Эрстеда. Он поместил магнитную указку рядом с проводником с током и обнаружил, что когда по проводнику течет ток, указка отклоняется; когда ток выключается, указка возвращается в исходное положение (рис. 1.1).
Эрстед делает вывод из этого эксперимента: Магнитное поле существует вокруг прямолинейного проводника с током. Он также заметил, что при изменении направления тока в проводнике северный конец стрелки поворачивался в другую сторону.
Затем было исследовано влияние проводников тока различной формы на магнитную стрелку. Был сделан общий вывод: Вокруг каждого проводника с током существует магнитное поле.
Но ток – это направленное движение зарядов. Возможно, вокруг каждого движущегося заряда существует магнитное поле? Эксперименты подтверждают это: Да, магнитное поле возникает вокруг электронных пучков и вокруг заряженных тел, движущихся в пространстве.
Таким образом, Вокруг любого движущегося заряда, помимо электрического поля, существует магнитное поле. Магнитное поле – это поле движущихся зарядов. Известно, что он проявляется при действии на магнитные стрелки или на проводники с током, т.е. на движущиеся заряды.
Далее мы увидим, что, как и электрическое поле, оно обладает энергией и, следовательно, массой. Магнитное поле – это материал. Теперь мы можем дать следующее определение магнитного поля: Магнитное поле – это материя, связанная с движущимися зарядами и проявляющаяся в действии на магнитные стрелки и движущиеся заряды, помещенные в это поле.
Эрстед представил результаты своих экспериментов Амперу, который тут же повторил опыты и продолжил их. Он взял катушку с током и намагниченный металлический стержень и обнаружил влияние магнитного поля катушки на стержень. Этот эксперимент продемонстрировал непосредственно связь между электрическим магнетизмом и естественным. Кроме того, Ампер изучал влияние магнитного поля на проводники с электричеством.
Подобно тому, как для изучения электрического поля используется пробный точечный заряд, для изучения магнитного поля используется пробное магнитное поле, создаваемое пробным током, циркулирующим в плоском замкнутом контуре очень малых размеров.
Возьмем такую цепь с током I и поместите его в магнитное поле.
Основным свойством магнитного поля является его способность воздействовать на движущиеся электрические заряды с определенной силой. В магнитном поле петля с током будет ориентироваться определенным образом. Мы будем характеризовать ориентацию контура в пространстве направлением нормали связанные с движением тока правило правой спирали или «правило боравика” (рис. 1.2).
Таким образом, в магнитном поле на цепь с током действует вращающий момент. Контур ориентирован в данной точке поля только одним способом. Предположим, что направление нормали положительное для направления магнитного поля в данной точке. Крутящий момент прямо пропорционален величине тока Iучасток цепи S и синус угла между направлением магнитного поля и нормалью .
здесь М – крутящий моментили крутящий момент, – магнитный момент контур (аналогично – электрический дипольный момент).
Направление вектора магнитного момента совпадает с положительным направлением нормали.
(1.1.1)
Отношение магнитного момента к магнитному моменту для данной точки в магнитном поле будет одинаковым и может служить характеристикой магнитного поля, называемой плотность магнитного потока:
(1.1.2)
или
где – вектор магнитной индукции, совпадающий с нормалью .
По аналогии с электрическим полем .
плотность магнитного потока описывает силу, действующую под действием магнитного поля на ток (аналогично, характеризует силовое взаимодействие электрического поля с зарядом). – является характеристической силой магнитного поля и может быть представлена как линии магнитного поля.
С сайта М – момент силы и – магнитный момент являются характеристиками вращательного движения, можно предположить, что магнитное поле является вихрь.
Согласовано, что направление направление северного конца магнитной стрелки. Силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс магнита соответственно.
Для графического представления полей удобно использовать силовые линии (линии плотности магнитного потока). Линии магнитной индукции прямые, касательные которых в каждой точке совпадают с направлением вектора в каждой точке.
Конфигурацию линий поля можно легко определить с помощью маленьких железных опилок (рис. 1.3), которые, будучи намагниченными в исследуемом магнитном поле, ведут себя как маленькие магнитные стрелки (вращаются вдоль линий поля).
Таким образом было установлено, что линии магнитного поля прямого токопроводящего проводника представляют собой концентрические окружности с центрами на проводнике, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.
В структуре железа происходят примерно те же процессы, причем электроны вызывают вращение в одном направлении. Если рядом находится магнит, железо воспринимает его как близлежащий материал и стремится объединить свое магнитное поле с магнитным полем минерала. Железо само по себе становится магнитом, когда находится рядом с минералом. Пока железо и магнит притягиваются друг к другу, их магнитные поля сохраняют параллельное направление. Как только они разделяются, магнитные свойства железа исчезают.
Магниты нашли широкое применение в различных областях человеческой деятельности. В строительной отрасли используются магнитные крепления или намагниченная вода. В нефтеперерабатывающей промышленности магнитные элементы предотвращают образование отложений на трубопроводах, в медицине их используют при производстве аппаратов МРТ. В транспорте они используются в качестве запорных устройств, преобразователей и датчиков.
Магнетизм, как научное явление, обусловлен движением электронов. Вещества и предметы состоят из крошечных атомов, физической единицей которых является ядро и движущиеся вокруг него электроны. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, они создают магнитные поля. Вращение электрона по часовой стрелке направляет магнитное поле вверх, а вращение против часовой стрелки – вниз.
Если число разнонаправленных полей одинаково, то магнитных полей нет. Если баланс нарушается и электроны начинают вращаться в одном направлении, возникает магнитное поле большой силы. Именно это происходит в минерале под названием магнетит.
У магнетита два полюса: северный и южный. Если два магнита поместить близко друг к другу, они начинают направлять свои магнитные поля в точно таком же направлении, другими словами, они усиливают друг друга. Южный полюс первого магнита приближается к северному полюсу второго магнита. Если пара магнитов с северным полюсом и пара магнитов с южным полюсом находятся в непосредственной близости друг от друга, их магнитные поля движутся в противоположных направлениях, и магниты отталкиваются друг от друга.
В структуре железа происходят примерно те же процессы, электроны производят вращение в одном направлении. Если рядом находится магнит, железо распознает его как материал с похожей структурой и стремится объединить свое магнитное поле с магнитным полем этого минерала. Железо само по себе становится магнитом, когда находится рядом с минералом. Пока железо и магнит притягиваются друг к другу, их магнитные поля остаются в параллельном направлении. Как только они разделяются, магнитные свойства железа исчезают.
2 Как Ампер объяснил намагничивание железа?
Вопросы §60
Постоянные магниты – это тела, которые остаются намагниченными в течение длительного времени.
2. Как Ампер объяснил намагничивание железа?
Ампер объяснил намагниченность железа и таллия существованием электрических токов, которые циркулируют в каждой молекуле этих веществ.
3 Как теперь можно объяснить молекулярные токи Ампера?
Каждый атом содержит отрицательно заряженные частицы – электроны. Движение электронов создает магнитное поле, которое заставляет железо и сталь намагничиваться.
4 Как называются магнитные полюса магнита?
Полюса магнита находятся там, где происходит самое сильное магнитное взаимодействие.
5 Как полюса магнитов взаимодействуют друг с другом?
Если приложить магнит к полюсам магнитной стрелки, можно увидеть, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается к северному полюсу.
6 Как вы можете представить себе магнитное поле магнита?
Используя железные опилки, можно выяснить тип магнитного поля постоянных магнитов.
Читайте далее:
- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
- Географическими полюсами являются. Что такое географические полюса?.
- Магнетизм – Джеймс Трефил, энциклопедия "Двести законов Вселенной".
- Постоянные магниты – типы и свойства, формы, взаимодействие магнитов; Школа электротехники и электронной инженерии.
- Урок 9: Часть 1: Электромагнетизм.
- Правило Буравера ℹ️ определение, формулировка закона и основное значение.
- Магнитное поле – определение, типы.