În această lecție, al cărei subiect este: „Câmpul magnetic de curent electric continuu”, vom învăța ce este un magnet, cum interacționează cu alți magneți, vom scrie definițiile câmpului magnetic și ale vectorului de inducție magnetică, și vom folosi, de asemenea, regula gimlet pentru a determina direcția vectorului de inducție magnetică.

Fiecare dintre voi a ținut un magnet în mâini și îi cunoaște proprietatea uimitoare: interacționează la distanță cu un alt magnet sau cu o bucată de fier. Ce este cu un magnet care îi conferă aceste proprietăți uimitoare? Poți să-ți faci propriul magnet? Este posibil și ceea ce este necesar pentru aceasta - veți învăța din lecția noastră. Să mergem înaintea noastră: dacă luăm un cui simplu de fier, acesta nu va avea proprietăți magnetice, dar dacă îl învelim cu sârmă și îl conectăm la o baterie, obținem un magnet (vezi Fig. 1).

Orez. 1. Un cui învelit în sârmă și conectat la o baterie

Se pare că pentru a obține un magnet, aveți nevoie de un curent electric - mișcarea unei sarcini electrice. Proprietățile magneților permanenți, cum ar fi magneții de frigider, sunt, de asemenea, asociate cu mișcarea unei sarcini electrice. O anumită sarcină magnetică, ca una electrică, nu există în natură. Nu este necesar, suficiente încărcături electrice în mișcare.

Înainte de a investiga câmpul magnetic al unui curent electric continuu, este necesar să cădem de acord asupra modului de a descrie cantitativ câmpul magnetic. Pentru o descriere cantitativă a fenomenelor magnetice este necesară introducerea forței caracteristice câmpului magnetic. Mărimea vectorială care caracterizează cantitativ câmpul magnetic se numește inducție magnetică. Este de obicei notat cu litera B latină majusculă, măsurată în Tesla.

Inducția magnetică este o mărime vectorială, care este o forță caracteristică unui câmp magnetic într-un punct dat din spațiu. Direcția câmpului magnetic este determinată prin analogie cu modelul electrostaticei, în care câmpul se caracterizează prin acțiunea asupra unei sarcini de probă în repaus. Doar aici un ac magnetic (un magnet permanent alungit) este folosit ca „element de încercare”. Ai văzut o astfel de săgeată într-o busolă. Pentru direcția câmpului magnetic în orice punct se ia direcția, care va indica polul nord N al acului magnetic după reorientare (vezi fig. 2).

O imagine completă și clară a câmpului magnetic poate fi obținută prin construirea așa-numitelor linii de câmp magnetic (vezi Fig. 3).

Orez. 3. Liniile de câmp ale câmpului magnetic al unui magnet permanent

Acestea sunt linii care arată direcția vectorului de inducție magnetică (adică direcția polului N al acului magnetic) în fiecare punct din spațiu. Cu ajutorul unui ac magnetic, se poate obține astfel o imagine a liniilor de forță ale diferitelor câmpuri magnetice. Iată, de exemplu, o imagine a liniilor de câmp magnetic ale unui magnet permanent (vezi Fig. 4).

Orez. 4. Liniile de câmp ale câmpului magnetic al unui magnet permanent

Un câmp magnetic există în fiecare punct, dar trasăm linii la o oarecare distanță unul de celălalt. Acesta este doar un mod de a descrie un câmp magnetic, în mod similar am făcut cu puterea câmpului electric (vezi Fig. 5).

Orez. 5. Liniile de intensitate a câmpului electric

Cu cât liniile sunt trasate mai dens, cu atât este mai mare modulul de inducție magnetică într-o anumită regiune a spațiului. După cum puteți vedea (vezi Fig. 4), liniile de forță ies din polul nord al magnetului și intră în polul sud. În interiorul magnetului, liniile de câmp continuă și ele. Spre deosebire de liniile de câmp electric, care încep la sarcini pozitive și se termină la sarcini negative, liniile de câmp magnetic sunt închise (vezi Fig. 6).

Orez. 6. Liniile de câmp magnetic sunt închise

Un câmp ale cărui linii de forță sunt închise se numește câmp vectorial vortex. Câmpul electrostatic nu este vortex, este potențial. Diferența fundamentală dintre câmpurile vortex și potențiale este că munca unui câmp potențial pe orice cale închisă este zero, dar acesta nu este cazul unui câmp de vortex. Pământul este și un magnet uriaș, are un câmp magnetic pe care îl detectăm cu un ac de busolă. Citiți mai multe despre câmpul magnetic al Pământului în ramură.

Planeta noastră Pământ este un magnet mare, ai cărui poli se află lângă intersecția suprafeței cu axa de rotație. Din punct de vedere geografic, aceștia sunt polii sud și nord. De aceea, săgeata din busolă, care este și un magnet, interacționează cu Pământul. Este orientat în așa fel încât un capăt să fie orientat spre Polul Nord, iar celălalt spre Sud (vezi Fig. 7). Fig.7. Săgeata din busolă interacționează cu Pământul Cel care indică Polul Nord al Pământului a fost desemnat N, ceea ce înseamnă Nord - tradus din engleză ca „Nord”. Și cel care indică către Polul Sud al Pământului - S, care înseamnă Sud - tradus din engleză „Sud”. Deoarece polii opuși ai magneților sunt atrași, polul nord al săgeții indică către polul magnetic sud al Pământului (vezi Fig. 8). Orez. 8. Interacțiunea busolei și polii magnetici ai Pământului Se pare că polul magnetic sud este situat la nordul geografic. Și invers, magneticul nordic este situat la polul geografic sud al Pământului.

Acum, după ce ne-am familiarizat cu modelul câmpului magnetic, examinăm câmpul unui conductor cu curent continuu. În secolul al XIX-lea, omul de știință danez Oersted a descoperit că un ac magnetic interacționează cu un conductor prin care trece un curent electric (vezi Fig. 9).

Orez. 9. Interacțiunea unui ac magnetic cu un conductor

Practica arată că în câmpul magnetic al unui conductor rectiliniu cu curent, acul magnetic în fiecare punct va fi setat tangenţial la un anumit cerc. Planul acestui cerc este perpendicular pe conductorul cu curent, iar centrul acestuia se află pe axa conductorului (vezi Fig. 10).

Orez. 10. Amplasarea acului magnetic în câmpul magnetic al unui conductor drept

Dacă schimbați direcția fluxului de curent prin conductor, atunci acul magnetic din fiecare punct se va întoarce în direcția opusă (vezi Fig. 11).

Orez. 11. La schimbarea direcției de curgere a curentului electric

Adică, direcția câmpului magnetic depinde de direcția fluxului de curent prin conductor. Această dependență poate fi descrisă folosind o metodă simplă stabilită experimental - regulile gimletului:

dacă direcția mișcării de translație a brațului coincide cu direcția curentului în conductor, atunci sensul de rotație al mânerului acestuia coincide cu direcția câmpului magnetic creat de acest conductor (vezi Fig. 12).

Deci, câmpul magnetic al unui conductor cu curent este direcționat în fiecare punct tangențial la un cerc situat într-un plan perpendicular pe conductor. Centrul cercului coincide cu axa conductorului. Direcția vectorului câmpului magnetic în fiecare punct este legată de direcția curentului în conductor prin regula brațelor. Din punct de vedere empiric, la modificarea puterii curentului și a distanței de la conductor, s-a constatat că modulul vectorului de inducție magnetică este proporțional cu curentul și invers proporțional cu distanța de la conductor. Modulul vectorului de inducție magnetică al câmpului creat de un conductor infinit care poartă curent este egal cu:

unde este coeficientul de proporționalitate, care se găsește adesea în magnetism. Se numește permeabilitatea magnetică a vidului. Numeric egal cu:

Pentru câmpurile magnetice, precum și pentru cele electrice, principiul suprapunerii este valabil. Câmpurile magnetice create de diferite surse într-un punct din spațiu se adună (vezi Fig. 13).

Orez. 13. Câmpurile magnetice din diferite surse se adună

Caracteristica puterii totale a unui astfel de câmp va fi suma vectorială a caracteristicilor de putere ale câmpurilor fiecăreia dintre surse. Mărimea inducției magnetice a câmpului creat de curent într-un anumit punct poate fi mărită prin îndoirea conductorului într-un cerc. Acest lucru va fi clar dacă luăm în considerare câmpurile magnetice ale segmentelor mici ale unei astfel de bobine de sârmă într-un punct din interiorul acestei bobine. De exemplu, în centru.

Segmentul marcat , conform regulii gimletului, creează în el un câmp ascendent (vezi Fig. 14).

Orez. 14. Câmpul magnetic al segmentelor

Segmentul creează în mod similar un câmp magnetic în acest punct îndreptat acolo. Același lucru este valabil și pentru alte segmente. Apoi, caracteristica forței totale (adică vectorul de inducție magnetică B) în acest punct va fi o suprapunere a caracteristicilor de forță ale câmpurilor magnetice ale tuturor segmentelor mici în acest punct și va fi îndreptată în sus (vezi Fig. 15).

Orez. 15. Caracteristica de putere totală în centrul bobinei

Pentru o bobină arbitrară, nu neapărat în formă de cerc, de exemplu, pentru un cadru pătrat (vezi Fig. 16), valoarea vectorului din interiorul bobinei va depinde în mod natural de forma, dimensiunea bobinei și curentul puterea în ea, dar direcția vectorului de inducție magnetică va fi întotdeauna determinată în același mod (ca o suprapunere a câmpurilor create de segmente mici).

Orez. 16. Câmp magnetic al segmentelor de cadru pătrat

Am descris în detaliu determinarea direcției câmpului în interiorul bobinei, dar în cazul general poate fi găsită mult mai ușor, după o regulă a vrmei ușor modificată:

dacă rotiți mânerul brațului în direcția în care curge curentul în bobină, atunci vârful brațului va indica direcția vectorului de inducție magnetică din interiorul bobinei (vezi Fig. 17).

Adică, acum rotația mânerului corespunde direcției curentului, iar mișcarea brațului corespunde direcției câmpului. Și nu invers, așa cum era cazul unui conductor drept. Dacă un conductor lung, prin care curge curentul, este înfăşurat într-un arc, atunci acest dispozitiv va fi un set de spire. Câmpurile magnetice ale fiecărei spire a bobinei se vor aduna conform principiului suprapunerii. Astfel, câmpul creat de bobină la un moment dat va fi suma câmpurilor create de fiecare dintre spire în acel punct. Imaginea liniilor de câmp ale câmpului unei astfel de bobine pe care o vedeți în Fig. optsprezece.

Orez. 18. Liniile electrice ale bobinei

Un astfel de dispozitiv se numește bobină, solenoid sau electromagnet. Este ușor de observat că proprietățile magnetice ale bobinei vor fi aceleași cu cele ale unui magnet permanent (vezi Fig. 19).

Orez. 19. Proprietăți magnetice ale bobinei și magnetului permanent

O parte a bobinei (care este în imaginea de mai sus) joacă rolul polului nord al magnetului, iar cealaltă parte - polul sud. Un astfel de dispozitiv este utilizat pe scară largă în tehnologie, deoarece poate fi controlat: devine magnet doar atunci când curentul din bobină este pornit. Rețineți că liniile câmpului magnetic din interiorul bobinei sunt aproape paralele și dense. Câmpul din interiorul solenoidului este foarte puternic și uniform. Câmpul din exteriorul bobinei este neuniform, este mult mai slab decât câmpul din interior și este îndreptat în direcția opusă. Direcția câmpului magnetic în interiorul bobinei este determinată de regula brațelor ca și pentru câmpul din interiorul unei spire. Pentru sensul de rotație al mânerului, luăm direcția curentului care circulă prin bobină, iar mișcarea brațului indică direcția câmpului magnetic din interiorul acesteia (vezi Fig. 20).

Orez. 20. Regula brațului pentru mulinetă

Dacă plasați o bobină purtătoare de curent într-un câmp magnetic, aceasta se va reorienta ca un ac magnetic. Momentul forței care provoacă rotația este legat de modulul vectorului de inducție magnetică într-un punct dat, aria bobinei și puterea curentului din aceasta prin următoarea relație:

Acum devine clar pentru noi de unde provin proprietățile magnetice ale unui magnet permanent: un electron care se mișcă într-un atom de-a lungul unei căi închise este ca o bobină cu curent și, ca o bobină, are un câmp magnetic. Și, așa cum am văzut cu exemplul unei bobine, multe spire de curent, ordonate într-un anumit fel, au un câmp magnetic puternic.

Câmpul creat de magneții permanenți este rezultatul mișcării sarcinilor în interiorul acestora. Și aceste sarcini sunt electroni în atomi (vezi Fig. 21). Orez. 21. Mișcarea electronilor în atomi Să explicăm mecanismul apariției sale la nivel calitativ. După cum știți, electronii dintr-un atom sunt în mișcare. Deci, fiecare electron, în fiecare atom, își creează propriul câmp magnetic, astfel, se obține un număr imens de magneți de mărimea unui atom. În majoritatea substanțelor, acești magneți și câmpurile lor magnetice sunt orientate aleatoriu. Prin urmare, câmpul magnetic total creat de corp este zero. Dar există substanțe în care câmpurile magnetice create de electronii individuali sunt orientate în același mod (vezi Fig. 22). Orez. 22. Câmpurile magnetice sunt orientate la fel Prin urmare, câmpurile magnetice create de fiecare electron se adună. Drept urmare, un corp format dintr-o astfel de substanță are un câmp magnetic și este un magnet permanent. Într-un câmp magnetic extern, atomi individuali sau grupuri de atomi, care, după cum am aflat, au propriul lor câmp magnetic, se întorc ca un ac de busolă (vezi Fig. 23). Orez. 23. Rotația atomilor într-un câmp magnetic extern Dacă înainte nu erau orientați într-o direcție și nu formau un câmp magnetic total puternic, atunci după ordonarea magneților elementari, câmpurile lor magnetice se vor aduna. Și dacă, după acțiunea unui câmp exterior, ordinea este păstrată, substanța va rămâne un magnet. Procesul descris se numește magnetizare.

Desemnați polii sursei de curent care alimentează solenoidul la punctul indicat în fig. 24 de interacțiuni. Să raționăm: un solenoid în care curge un curent continuu se comportă ca un magnet.

Orez. 24. Sursa curentă

Conform fig. 24 arată că acul magnetic este orientat cu polul sud spre solenoid. La fel ca polii magneților se resping reciproc, în timp ce polii opuși se atrag. De aici rezultă că polul stâng al solenoidului însuși este cel nord (vezi Fig. 25).

Orez. 25. Polul stâng al solenoidului nord

Liniile de inducție magnetică părăsesc polul nord și intră în sud. Aceasta înseamnă că câmpul din interiorul solenoidului este îndreptat spre stânga (vezi Fig. 26).

Orez. 26. Câmpul din interiorul solenoidului este îndreptat spre stânga

Ei bine, direcția câmpului în interiorul solenoidului este determinată de regula gimletului. Știm că câmpul este îndreptat spre stânga, așa că să ne imaginăm că brațul este înșurubat în această direcție. Apoi mânerul său va indica direcția curentului în solenoid - de la dreapta la stânga (vezi Fig. 27).

Direcția curentului este determinată de direcția de mișcare a sarcinii pozitive. O sarcină pozitivă se deplasează dintr-un punct cu un potențial mare (polul pozitiv al sursei) într-un punct cu unul mai mic (polul negativ al sursei). Prin urmare, polul sursă situat în dreapta este pozitiv, iar în stânga este negativ (vezi Fig. 28).

Orez. 28. Determinarea polilor sursei

Sarcina 2

Un cadru cu o suprafață de 400 este plasat într-un câmp magnetic uniform cu o inducție de 0,1 T, astfel încât normala cadrului să fie perpendiculară pe liniile de inducție. La ce putere de curent va acționa cuplul 20 asupra cadrului (vezi fig. 29)?

Orez. 29. Desen pentru problema 2

Să argumentăm: momentul forței care provoacă rotația este legat de modulul vectorului de inducție magnetică într-un punct dat, aria bobinei și puterea curentului din aceasta prin următoarea relație:

În cazul nostru, toate datele necesare sunt disponibile. Rămâne să exprimați puterea curentă dorită și să calculați răspunsul:

Problema rezolvata.

Bibliografie

1. Sokolovici Yu.A., Bogdanova G.S. Fizica: Manual cu exemple de rezolvare a problemelor. - redistribuire ediția a 2-a. - X .: Vesta: Editura „Ranok”, 2005. - 464 p.
2. Myakishev G.Ya. Fizica: Proc. pentru 11 celule. educatie generala instituţiilor. - M.: Educație, 2010.

1. Portalul de internet „Knowledge Hypermarket” ()
2. Portalul de internet „Colecția unificată a DER” ()

Teme pentru acasă

„Determinarea câmpului magnetic” - Conform datelor obținute în timpul experimentelor, completați tabelul. J. Verne. Când aducem un magnet la acul magnetic, acesta se întoarce. Reprezentarea grafică a câmpurilor magnetice. Hans Christian Oersted. Câmp electric. Magnetul are doi poli: nord și sud. Etapa generalizării și sistematizării cunoștințelor.

„Câmp magnetic și reprezentarea sa grafică” - Câmp magnetic neuniform. Bobine cu curent. linii magnetice. Ipoteza lui Ampère. În interiorul barei magnetice. Poli opuși magnetici. Lumini polare. Câmpul magnetic al unui magnet permanent. Un câmp magnetic. Câmpul magnetic al Pământului. poli magnetici. Biometrologie. cercuri concentrice. Câmp magnetic uniform.

„Energia câmpului magnetic” – Valoare scalară. Calculul inductanței. Câmpuri magnetice permanente. Timp de relaxare. Definiţia inductance. energia bobinei. Extracurenți într-un circuit cu inductanță. Procese de tranziție. Densitatea energiei. Electrodinamică. Circuit oscilator. Câmp magnetic pulsat. Auto-inducere. Densitatea energiei câmpului magnetic.

„Caracteristicile câmpului magnetic” - Liniile de inducție magnetică. regula lui Gimlet. Rotiți de-a lungul liniilor de forță. Modelul computerizat al câmpului magnetic al Pământului. Constanta magnetica. Inductie magnetica. Numărul de purtători de taxe. Trei moduri de a seta vectorul de inducție magnetică. Câmp magnetic al curentului electric. Fizicianul William Hilbert.

„Proprietățile câmpului magnetic” - Tip de substanță. Inducerea magnetică a unui câmp magnetic. Inductie magnetica. Magnet permanent. Câteva valori ale inducției magnetice. Ac magnetic. Difuzor. Modulul vectorului de inducție magnetică. Liniile de inducție magnetică sunt întotdeauna închise. Interacțiunea curenților. Cuplu. Proprietățile magnetice ale materiei.

„Mișcarea particulelor într-un câmp magnetic” - Spectrograf. Manifestarea acţiunii forţei Lorentz. forța Lorentz. Ciclotron. Determinarea mărimii forței Lorentz. Întrebări de testare. Direcțiile forței Lorentz. Materia interstelară. Sarcina experimentului. Schimbă setările. Un câmp magnetic. Spectrograf de masă. Mișcarea particulelor într-un câmp magnetic. Tub catodic.

În total sunt 20 de prezentări la subiect

Lectura: experiența lui Oersted. Câmpul magnetic al unui conductor purtător de curent. Modelul liniilor de câmp ale unui conductor lung drept și unui conductor inel închis, o bobină cu curent

Experiența lui Oersted

Proprietățile magnetice ale unor substanțe sunt cunoscute oamenilor de mult timp. Cu toate acestea, o descoperire nu atât de veche a fost aceea că naturile magnetice și electrice ale substanțelor sunt interconectate. Această conexiune a fost arătată Oersted care a efectuat experimente cu curent electric. Din întâmplare, lângă conductorul prin care trece curentul, se află un magnet. Și-a schimbat direcția destul de brusc în momentul în care curentul a trecut prin fire și a revenit la poziția inițială când cheia de circuit era deschisă.

Din această experiență s-a ajuns la concluzia că în jurul conductorului prin care trece curentul se formează un câmp magnetic. Adică poți face concluzie: câmpul electric este cauzat de toate sarcinile, iar câmpul magnetic este cauzat numai în jurul sarcinilor care au o mișcare direcționată.

Câmp magnetic conductor

Dacă luăm în considerare secțiunea transversală a unui conductor cu curent, atunci liniile sale magnetice vor avea cercuri de diferite diametre în jurul conductorului.

Pentru a determina direcția liniilor de curent sau de câmp magnetic în jurul unui conductor, utilizați regula șurubul drept:

Dacă prindeți conductorul cu mâna dreaptă și îndreptați degetul mare de-a lungul acestuia în direcția curentului, atunci degetele îndoite vor arăta direcția liniilor câmpului magnetic.

Puterea caracteristică a unui câmp magnetic este inducția magnetică. Uneori liniile de câmp magnetic sunt numite linii de inducție.

Inducția este desemnată și măsurată după cum urmează: [V] = 1 T.

După cum vă amintiți, principiul suprapunerilor era valabil pentru forța caracteristică câmpului electric, același lucru se poate spune și pentru câmpul magnetic. Adică, inducția de câmp rezultată este egală cu suma vectorilor de inducție în fiecare punct.

bobina cu curent

După cum știți, conductorii pot avea o formă diferită, inclusiv mai multe spire. În jurul unui astfel de conductor se formează și un câmp magnetic. Pentru a o determina, folosiți regula gimlet:

Dacă strângeți bobinele cu mâna astfel încât 4 degete îndoite să le strângă, atunci degetul mare va arăta direcția câmpului magnetic.

Subiecte ale codificatorului USE: interacțiunea magneților, câmpul magnetic al unui conductor cu curentul.

Proprietățile magnetice ale materiei sunt cunoscute oamenilor de mult timp. Magneții și-au primit numele de la orașul antic Magnesia: un mineral (numit mai târziu minereu de fier magnetic sau magnetit) era larg răspândit în vecinătatea sa, bucăți din care atrăgeau obiecte de fier.

Interacțiunea magneților

Pe două laturi ale fiecărui magnet sunt amplasate polul Nordși polul Sud. Doi magneți sunt atrași unul de celălalt de poli opuși și se resping prin poli similari. Magneții pot acționa unul asupra celuilalt chiar și prin vid! Toate acestea amintesc însă de interacțiunea sarcinilor electrice interacțiunea magneților nu este electrică. Acest lucru este dovedit de următoarele fapte experimentale.

Forța magnetică slăbește atunci când magnetul este încălzit. Puterea interacțiunii sarcinilor punctiforme nu depinde de temperatura acestora.

Forța magnetică este slăbită prin scuturarea magnetului. Nimic similar nu se întâmplă cu corpurile încărcate electric.

Sarcinile electrice pozitive pot fi separate de cele negative (de exemplu, atunci când corpurile sunt electrificate). Dar este imposibil să separați polii magnetului: dacă tăiați magnetul în două părți, atunci apar și poli la locul tăierii, iar magnetul se rupe în doi magneți cu poli opuși la capete (orientați exact în la fel ca polii magnetului original).

Deci magneții mereu bipolare, ele există doar sub formă dipoli. Poli magnetici izolați (așa-numiții monopoli magnetici- analogi ai sarcinii electrice) în natură nu există (în orice caz, nu au fost încă detectați experimental). Aceasta este poate cea mai impresionantă asimetrie dintre electricitate și magnetism.

Ca și corpurile încărcate electric, magneții acționează asupra sarcinilor electrice. Cu toate acestea, magnetul acționează doar asupra in miscareîncărca; Dacă sarcina este în repaus în raport cu magnetul, atunci nicio forță magnetică nu acționează asupra sarcinii. Dimpotrivă, un corp electrificat acționează asupra oricărei sarcini, indiferent dacă este în repaus sau în mișcare.

Conform conceptelor moderne ale teoriei acțiunii cu rază scurtă de acțiune, interacțiunea magneților se realizează prin camp magneticȘi anume, un magnet creează un câmp magnetic în spațiul înconjurător, care acționează asupra altui magnet și provoacă o atracție sau o repulsie vizibilă a acestor magneți.

Un exemplu de magnet este ac magnetic busolă. Cu ajutorul unui ac magnetic, se poate aprecia prezența unui câmp magnetic într-o anumită regiune a spațiului, precum și direcția câmpului.

Planeta noastră Pământ este un magnet uriaș. Nu departe de polul nord geografic al Pământului se află polul sud magnetic. Prin urmare, capătul de nord al acului busolei, întorcându-se spre polul magnetic sudic al Pământului, indică nordul geografic. De aici, de fapt, a apărut numele „polul nord” al magnetului.

Liniile de câmp magnetic

Câmpul electric, reamintim, este investigat cu ajutorul unor sarcini de test mici, prin acțiunea asupra căreia se poate judeca magnitudinea și direcția câmpului. Un analog al unei sarcini de testare în cazul unui câmp magnetic este un mic ac magnetic.

De exemplu, vă puteți face o idee geometrică despre câmpul magnetic plasând ace de busole foarte mici în diferite puncte din spațiu. Experiența arată că săgețile se vor alinia de-a lungul anumitor linii - așa-numitele linii de câmp magnetic. Să definim acest concept sub forma următoarelor trei paragrafe.

1. Liniile unui câmp magnetic, sau liniile magnetice de forță, sunt linii direcționate în spațiu care au următoarea proprietate: un mic ac de busolă plasat în fiecare punct al unei astfel de linii este orientat tangențial la această linie..

2. Direcția liniei câmpului magnetic este direcția capetelor nordice ale acelor busolei situate în punctele acestei linii.

3. Cu cât liniile sunt mai groase, cu atât câmpul magnetic este mai puternic într-o anumită regiune a spațiului..

Rolul acelor de busolă poate fi îndeplinit cu succes prin pilitură de fier: într-un câmp magnetic, pilitura mică este magnetizată și se comportă exact ca acele magnetice.

Deci, după ce au turnat pilitură de fier în jurul unui magnet permanent, vom vedea aproximativ următoarea imagine a liniilor câmpului magnetic (Fig. 1).

Orez. 1. Câmp magnetic permanent

Polul nord al magnetului este indicat cu albastru și litera ; polul sud - în roşu şi litera . Rețineți că liniile de câmp ies din polul nord al magnetului și intră în polul sud, deoarece capătul nord al acului busolei va îndrepta spre polul sud al magnetului.

Experiența lui Oersted

În ciuda faptului că fenomenele electrice și magnetice sunt cunoscute oamenilor încă din antichitate, nu s-a observat o relație între ele de mult timp. Timp de câteva secole, cercetările asupra electricității și magnetismului au decurs în paralel și independent unele de altele.

Faptul remarcabil că fenomenele electrice și magnetice sunt de fapt legate între ele a fost descoperit pentru prima dată în 1820 în celebrul experiment al lui Oersted.

Schema experimentului lui Oersted este prezentată în fig. 2 (imagine de la rt.mipt.ru). Deasupra acului magnetic (și - polii nord și sud ai săgeții) este un conductor metalic conectat la o sursă de curent. Dacă închideți circuitul, atunci săgeata se întoarce perpendicular pe conductor!
Acest experiment simplu a indicat direct relația dintre electricitate și magnetism. Experimentele care au urmat experiența lui Oersted au stabilit cu fermitate următorul model: câmpul magnetic este generat de curenți electrici și acționează asupra curenților.

Orez. 2. Experimentul lui Oersted

Imaginea liniilor câmpului magnetic generat de un conductor cu curent depinde de forma conductorului.

Câmp magnetic al unui fir drept cu curent

Liniile de câmp magnetic ale unui fir drept care transportă curent sunt cercuri concentrice. Centrele acestor cercuri se află pe fir, iar planurile lor sunt perpendiculare pe fir (Fig. 3).

Orez. 3. Câmp al unui fir direct cu curent

Există două reguli alternative pentru determinarea direcției liniilor de câmp magnetic de curent continuu.

regula orelor. Liniile de câmp merg în sens invers acelor de ceasornic atunci când sunt privite, astfel încât curentul să curgă spre noi..

regula șurubului(sau regula gimlet, sau regula tirbușonului- e mai aproape de cineva ;-)). Liniile de câmp merg acolo unde șurubul (cu filet convențional la dreapta) trebuie rotit pentru a se deplasa de-a lungul filetului în direcția curentului..

Utilizați oricare dintre regulile vi se potrivește cel mai bine. Este mai bine să te obișnuiești cu regula în sensul acelor de ceasornic - tu însuți vei vedea mai târziu că este mai universală și mai ușor de utilizat (și apoi ți-o amintești cu recunoștință în primul an când studiezi geometria analitică).

Pe fig. 3, a apărut și ceva nou: acesta este un vector, care se numește inducția câmpului magnetic, sau inducție magnetică. Vectorul de inducție magnetică este un analog al vectorului intensității câmpului electric: servește caracteristica de putere câmp magnetic, determinând forța cu care câmpul magnetic acționează asupra sarcinilor în mișcare.

Despre forțele dintr-un câmp magnetic vom vorbi mai târziu, dar deocamdată vom observa doar că mărimea și direcția câmpului magnetic este determinată de vectorul de inducție magnetică. În fiecare punct din spațiu, vectorul este îndreptat în aceeași direcție cu capătul de nord al acului busolei plasat în acest punct, și anume, tangent la linia câmpului în direcția acestei linii. Inducția magnetică se măsoară în teslach(Tl).

Ca și în cazul unui câmp electric, pentru inducerea unui câmp magnetic, principiul suprapunerii. Constă în faptul că inducția câmpurilor magnetice create într-un punct dat de diferiți curenți sunt adăugate vectorial și dau vectorul rezultat al inducției magnetice:.

Câmpul magnetic al unei bobine cu curent

Luați în considerare o bobină circulară prin care circulă un curent continuu. Nu arătăm în figură sursa care creează curentul.

Tabloul liniilor câmpului virajului nostru va avea aproximativ următoarea formă (Fig. 4).

Orez. 4. Câmpul bobinei cu curent

Va fi important pentru noi să putem determina în ce semi-spațiu (față de planul bobinei) este îndreptat câmpul magnetic. Din nou, avem două reguli alternative.

regula orelor. Liniile de câmp merg acolo, privind de unde curentul pare să circule în sens invers acelor de ceasornic.

regula șurubului. Liniile de câmp merg acolo unde șurubul (cu filete convenționale din dreapta) s-ar deplasa dacă ar fi rotit în direcția curentului.

După cum puteți vedea, rolurile curentului și câmpului sunt inversate - în comparație cu formulările acestor reguli pentru cazul curentului continuu.

Câmpul magnetic al unei bobine cu curent

Bobina se va dovedi, dacă este strâns, bobină la bobină, pentru a înfășura firul într-o spirală suficient de lungă (Fig. 5 - imagine de pe site-ul en.wikipedia.org). Bobina poate avea câteva zeci, sute sau chiar mii de spire. Bobina se mai numește solenoid.

Orez. 5. Bobina (solenoid)

Câmpul magnetic de o rotație, după cum știm, nu pare foarte simplu. Câmpuri? spirele individuale ale bobinei sunt suprapuse una peste alta și, se pare, rezultatul ar trebui să fie o imagine foarte confuză. Totuși, acesta nu este cazul: câmpul unei bobine lungi are o structură neașteptat de simplă (Fig. 6).

Orez. 6. câmp de bobine cu curent

În această figură, curentul din bobină merge în sens invers acelor de ceasornic atunci când este privit din stânga (acest lucru se va întâmpla dacă, în Fig. 5, capătul din dreapta al bobinei este conectat la „plusul” sursei de curent, iar capătul din stânga la „minus”). Vedem că câmpul magnetic al bobinei are două proprietăți caracteristice.

1. În interiorul bobinei, departe de marginile acesteia, se află câmpul magnetic omogen: în fiecare punct, vectorul de inducție magnetică este același ca mărime și direcție. Liniile de câmp sunt drepte paralele; se îndoaie numai în apropierea marginilor bobinei când se sting.

2. În afara bobinei, câmpul este aproape de zero. Cu cât sunt mai multe spire în bobină, cu atât câmpul în afara ei este mai slab.

Rețineți că o bobină infinit de lungă nu emite deloc un câmp: nu există niciun câmp magnetic în afara bobinei. În interiorul unei astfel de bobine, câmpul este uniform peste tot.

Nu-ți aduce aminte de nimic? O bobină este omologul „magnetic” al unui condensator. Vă amintiți că condensatorul creează un câmp electric uniform în interiorul său, ale cărui linii sunt curbate numai lângă marginile plăcilor, iar în afara condensatorului câmpul este aproape de zero; un condensator cu plăci infinite nu eliberează deloc câmpul, iar câmpul este uniform peste tot în interiorul lui.

Și acum - principala observație. Comparați, vă rog, imaginea liniilor de câmp magnetic din afara bobinei (Fig. 6) cu liniile de câmp ale magnetului din Fig. unu . Este același lucru, nu-i așa? Și acum ajungem la o întrebare pe care probabil ați avut-o cu mult timp în urmă: dacă un câmp magnetic este generat de curenți și acționează asupra curenților, atunci care este motivul apariției unui câmp magnetic în apropierea unui magnet permanent? La urma urmei, acest magnet nu pare a fi un conductor cu curent!

Ipoteza lui Ampère. Curenți elementari

La început, s-a crezut că interacțiunea magneților se datorează sarcinilor magnetice speciale concentrate la poli. Dar, spre deosebire de electricitate, nimeni nu putea izola sarcina magnetică; la urma urmei, așa cum am spus deja, nu a fost posibil să se obțină separat polii nord și sud ai magnetului - polii sunt întotdeauna prezenți în magnet în perechi.

Îndoielile cu privire la sarcinile magnetice au fost exacerbate de experiența lui Oersted, când s-a dovedit că câmpul magnetic este generat de un curent electric. Mai mult, s-a dovedit că pentru orice magnet este posibil să se aleagă un conductor cu un curent de configurație corespunzătoare, astfel încât câmpul acestui conductor să coincidă cu câmpul magnetului.

Ampere a prezentat o ipoteză îndrăzneață. Nu există sarcini magnetice. Acțiunea unui magnet este explicată de curenții electrici închisi din interiorul acestuia..

Care sunt aceste curente? Aceste curenti elementari circulă în atomi și molecule; sunt asociate cu mișcarea electronilor pe orbitele atomice. Câmpul magnetic al oricărui corp este alcătuit din câmpurile magnetice ale acestor curenți elementari.

Curenții elementari pot fi localizați aleatoriu unul față de celălalt. Apoi câmpurile lor se anulează reciproc, iar corpul nu prezintă proprietăți magnetice.

Dar dacă curenții elementari sunt coordonați, atunci câmpurile lor, însumându-se, se întăresc reciproc. Corpul devine magnet (Fig. 7; câmpul magnetic va fi îndreptat spre noi; polul nord al magnetului va fi și el îndreptat spre noi).

Orez. 7. Curenți elementari de magnet

Ipoteza lui Ampere despre curenții elementari a clarificat proprietățile magneților.Încălzirea și scuturarea unui magnet distruge aranjamentul curenților săi elementari, iar proprietățile magnetice slăbesc. Inseparabilitatea polilor magnetului a devenit evidentă: în locul în care a fost tăiat magnetul, obținem aceiași curenți elementari la capete. Capacitatea unui corp de a fi magnetizat într-un câmp magnetic este explicată prin alinierea coordonată a curenților elementari care „se rotesc” în mod corespunzător (citiți despre rotația unui curent circular într-un câmp magnetic în foaia următoare).

Ipoteza lui Ampere s-a dovedit a fi corectă - acest lucru a fost demonstrat de dezvoltarea ulterioară a fizicii. Conceptul de curenți elementari a devenit o parte integrantă a teoriei atomului, dezvoltată deja în secolul al XX-lea - la aproape o sută de ani după presupunerea genială a lui Ampère.

Toate formulele sunt luate în strictă conformitate cu Institutul Federal de Măsurători Pedagogice (FIPI)

3.3 UN CÂMP MAGNETIC

3.3.1 Interacțiunea mecanică a magneților

În apropierea unei sarcini electrice, se formează o formă particulară de materie - un câmp electric. În jurul magnetului există o formă similară de materie, dar are o natură diferită de origine (la urma urmei, minereul este neutru din punct de vedere electric), se numește câmp magnetic. Pentru studiul câmpului magnetic se folosesc magneți drepti sau în formă de potcoavă. Anumite locuri ale magnetului au cel mai mare efect atractiv, se numesc poli (nord și sud). Polii magnetici opuși se atrag, iar polii asemănători se resping.

Un câmp magnetic. Vector de inducție magnetică

Pentru caracteristica de putere a câmpului magnetic se folosește vectorul de inducție a câmpului magnetic B. Câmpul magnetic este reprezentat grafic folosind linii de forță (linii de inducție magnetică). Liniile sunt închise, nu au nici început, nici sfârșit. Locul din care ies liniile magnetice este Polul Nord (Nord), liniile magnetice intră în Polul Sud (Sud).

Inducția magnetică B [Tl]- mărimea fizică vectorială, care este puterea caracteristică câmpului magnetic.

Principiul suprapunerii câmpurilor magnetice - dacă câmpul magnetic într-un anumit punct al spațiului este creat de mai multe surse ale câmpului, atunci inducția magnetică este suma vectorială a inducțiilor fiecărui câmp separat. :

Liniile de câmp magnetic. Model de linie de câmp al magneților permanenți în bandă și potcoavă

3.3.2 Experiența lui Oersted. Câmpul magnetic al unui conductor purtător de curent. Modelul liniilor de câmp ale unui conductor lung drept și unui conductor inel închis, o bobină cu curent

Un câmp magnetic există nu numai în jurul unui magnet, ci și în jurul oricărui conductor cu curent. Experimentul lui Oersted demonstrează efectul curentului electric asupra unui magnet. Dacă un conductor drept, prin care trece curentul, este trecut printr-o gaură dintr-o foaie de carton, pe care sunt împrăștiate pilituri mici de fier sau oțel, atunci acestea formează cercuri concentrice, al căror centru este situat pe axa conductorului. . Aceste cercuri reprezintă liniile de forță ale câmpului magnetic al unui conductor care poartă curent.

3.3.3 Forța amperului, direcția și mărimea acesteia:

Puterea amplificatorului este forța care acționează asupra unui conductor purtător de curent într-un câmp magnetic. Direcția forței Ampère este determinată de regula mâinii stângi: dacă mâna stângă este poziționată astfel încât componenta perpendiculară a vectorului de inducție magnetică B să intre în palmă și patru degete întinse sunt direcționate în direcția curentului, atunci degetul mare îndoit la 90 de grade va arăta direcția forței care acționează asupra conductorului de segment cu curent, adică forța Amperi.

Unde eu- puterea curentului în conductor;

B

L este lungimea conductorului în câmpul magnetic;

α este unghiul dintre vectorul câmpului magnetic și direcția curentului în conductor.

3.3.4 Forța Lorentz, direcția și magnitudinea acesteia:

Deoarece curentul electric este o mișcare ordonată a sarcinilor, acțiunea unui câmp magnetic asupra unui conductor purtător de curent este rezultatul acțiunii acestuia asupra sarcinilor individuale în mișcare. Forța exercitată de un câmp magnetic asupra sarcinilor care se mișcă în el se numește forță Lorentz. Forța Lorentz este determinată de relația:

Unde q este mărimea sarcinii în mișcare;

V- modulul vitezei sale;

B este modulul vectorului de inducție a câmpului magnetic;

α este unghiul dintre vectorul viteză de încărcare și vectorul de inducție magnetică.

Vă rugăm să rețineți că forța Lorentz este perpendiculară pe viteza și, prin urmare, nu funcționează, nu modifică modulul vitezei sarcinii și energia cinetică a acesteia. Dar direcția vitezei se schimbă continuu.

Forța Lorentz este perpendiculară pe vectori LAși v, iar direcția sa este determinată folosind aceeași regulă pentru stânga ca direcția forței lui Ampère: dacă mâna stângă este poziţionată astfel încât componenta inducţiei magnetice LA, perpendicular pe viteza sarcinii, a intrat în palmă și patru degete au fost îndreptate de-a lungul mișcării unei sarcini pozitive (împotriva mișcării unei sarcini negative, de exemplu, un electron), apoi degetul mare îndoit la 90 de grade va arăta direcția forța Lorentz care acționează asupra încărcăturii Fl.

Mișcarea unei particule încărcate într-un câmp magnetic uniform

Când o particulă încărcată se mișcă într-un câmp magnetic, forța Lorentz nu funcționează. Prin urmare, modulul vectorului viteză nu se modifică atunci când particula se mișcă. Dacă o particulă încărcată se mișcă într-un câmp magnetic uniform sub acțiunea forței Lorentz, iar viteza ei se află într-un plan perpendicular pe vector, atunci particula se va deplasa de-a lungul unui cerc cu raza R.