Как найти направление магнитных линий на рисунке

Рисунок (2). Правило буравчика

Рисунок (3). Направление тока и направление линий его магнитного поля

Для определения направления линий магнитного поля соленоида применяют правило правой руки.

Соленоид подобен магниту, когда по нему протекает электрический ток. Также как и магнит, соленоид имеет полюсы: северный и южный.  Северным полюсом является тот конец соленоида, из которого выходят магнитные линии. В данном случае северным полюсом является левый конец. Значит, правый конец будет южным полюсом.

Магнитное поле возникает, если у нас есть движущиеся электрические заряды. Но мы не можем увидеть или почувствовать его с помощью наших органов чувств.

Физика может дать нам такую удивительную возможность — увидеть магнитное поле. Также мы сможем определить его форму, как и где оно располагается, каким-то образом охарактеризовать его.

Для этого нам будут нужны не какие-то сложные приборы, а всего лишь железные опилки. На данном уроке мы рассмотрим их применение и сделаем определенные выводы о магнитном поле прямого тока.

Использование железных опилок для обнаружения магнитного поля

Магнитное поле возникает вокруг проводников, по которым течет ток. Чтобы его обнаружить, есть множество способов. Некоторые из них мы рассматривали в прошлом уроке.

Теперь мы рассмотрим еще один способ — использование мелких железных опилок.

Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки? Ответ очень прост. Эти маленькие кусочки железа, оказавшись в магнитном поле, намагничиваются. Так они становятся маленькими магнитным стрелками. 

Опыт Эрстеда уже показал нам, что магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения при наличии рядом проводника, по которому течет ток. Теперь у нас будет не одна такая стрелка, а большое их множество. Мы же пронаблюдаем за тем, как ось каждой такой стрелки будет ориентироваться под действием сил магнитного поля.

Определение формы магнитного поля

Как же «выглядит» магнитное поле? Давайте проведем простой опыт (рисунок 1).

У нас есть прямой проводник с током. Сделаем в листе картона отверстие и проденем через него наш проводник. На картон насыпем тонкий слой железных опилок и включим ток.

Что же мы увидим? Как расположатся железные опилки в магнитном поле прямого тока?

Под действием магнитного поля опилки принимают интересное положение. Они теперь не беспорядочно лежат на листе картона. Теперь они располагаются вокруг проводника по концентрическим окружностям.

Линии магнитного поля

Чтобы описать магнитное поле и созданные им окружности из железных опилок, мы введем новое определение — магнитные линии.

Магнитные линии магнитного поля — это линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок.

Что означает это определение? Соединим опилки, образовавшие одну из окружностей, воображаемой линией. Так мы получим окружность, в центре который находится проводник (рисунок 2).

Обратите внимание, что стрелки не только выстраиваются вдоль этих линий. Еще они ориентируются все в одном направлении по этой окружности. Для того, чтобы проще было это оценить, рядом с проводником можно разместить обычные магнитные стрелки, как на рисунке 2.

Они располагаются на линии магнитного поля, указывая одним своим полюсом в одну сторону. Здесь мы не говорим, что они указывают направо или налево. Они разворачиваются одним полюсом как бы в одном направлении движения по окружности.

Направление магнитных линий и форма магнитного поля

Получается, что использование опилок дало нам две новые характеристики магнитного поля: мы видим не только его форму с помощью магнитных линий, но и замечаем, что сами линии имеют определенное направление.

Итак, мы можем сделать следующие выводы:

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые (концентрические окружности в случае магнитного поля прямого тока), охватывающие проводник.

Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии магнитного поля.

Связь направлений магнитных линий и направления электрического тока

Магнитные линии дают нам возможность изобразить магнитное поле графически. 

На каком расстоянии от проводника мы можем нарисовать его магнитные линии? Ответ прост — для графического изображения мы можем использовать удобный для нас масштаб. 

Магнитное поле существует во всех точках пространства, окружающего проводник с током. Значит, мы можем правомерно провести магнитную линию через любую точку.

Хорошо, но как определить направление магнитных линий? Опыты показывают следующее:

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

Так как магнитные линии лежат в плоскости, перпендикулярной проводнику с током, на чертежах принято изображать сечение проводника (проводник в разрезе). Направление тока при этом условно обозначается крестиком, если ток направлен от нас, и точкой, если ток направлен на нас (рисунок 3).

Взгляните на рисунок 4, а. Ток течет вниз по проводнику. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль магнитных линий. Их оси ориентируется таким образом, как показано на рисунке.

Графическое изображение такого магнитного поля представлено на рисунке 4, б. Проводник с током расположен перпендикулярно плоскости чертежа, как будто мы смотрим на него сверху, а не сбоку. Направление тока мы обозначили крестиком на самом проводнике (от нас), и указали направление магнитных линий (куда указывают северные полюса магнитных стрелок.

Теперь сделаем так, чтобы ток шел не вниз, а вверх. Что мы увидим? Магнитные стрелки снова расположились вдоль окружности, но ориентация их осей изменилась (рисунок 5, а). Теперь они развернулись на $180 degree$ по сравнению с первой ситуацией, где ток шел вниз по проводнику.

На рисунке 5, б показано графическое изображение такого поля. Тот факт, что ток направлен к нам, условно обозначен точкой на проводнике. Направление магнитных линий поменялось на противоположное.

Такой простой опыт подтвердил нам тот факт, что направление магнитных линий связано с направлением тока.

Правило буравчика и правило правой руки

Можно запомнить, как соотносятся направление тока в проводнике и направление магнитных линий, а можно воспользоваться простым способом — правилом буравчика.

Если правой рукой вкручивать буравчик (винт, штопор) острием по направлению тока, то ваш большой палец будет поворачиваться по направлению магнитных линий.

Может вам покажется более удобной для использования другая интерпретация этого мнемонического правила — правило правой руки (рисунок 6).

Если обхватить правой рукой прямой проводник с током с отставленным большим пальцем так, чтобы он совпадал с направлением тока, то ваши четыре пальца покажут направление магнитных линий.

Упражнения

Пользуясь полученными знаниями, мы можем сказать, что магнитная стрелка повернется к нам южным полюсом (рисунок 8, а).

Как мы это определили? Если нарисовать чертеж (рисунок 8, б) точкой A к нам, то ток будет идти от нас. Так мы можем, используя готовые результаты опытов, приведенные в данном уроке выше, определить направление магнитных линий поля. Магнитная стрелка повернется северным полюсом по направлению этих линий, т. е. от нас.

Пользуясь правилом правой руки, мы получим тот же результат: если большой палец будет указывать направление тока, то четыре пальца укажут направление магнитных линий.

Если же мы поместим проводник под магнитной стрелкой, то ее положение поменяется. Она повернется к нам северным полюсом, потому что в этой точке магнитные линии будут направлены так же к нам.

Мы можем обнаружить такой провод с помощью магнитной стрелки на подставке или обычного компаса. Передвигая компас вдоль стены (и при этом не поворачивая его), нужно следить за положением магнитной стрелки. Если она начнет отклоняться, значит, в этом месте на нее действует магнитное поле проводника с током — наш провод где-то рядом.

Чтобы определить направление тока в этом проводе, посмотрим, куда указывает северный полюс стрелки компаса. Его направление будет совпадать с направлением магнитных линий. Если он повернется вправо, то ток направлен вверх, а если влево, то ток направлен вниз.

Посмотри как решить задачи по этой теме.


№1 По направлению тока (см. рисунок 1) определите направление магнитной линии.

рис 1

Решение

По правилу правой руки большой палец направляем по току (крестик от нас), тогда обхватив ладонью 4 пальца показывают направление по часовой стрелке.

Ответ: Магнитные линии направленны по часовой стрелке.

Определение направления линий магнитного поля. Правило буравчика. Правило правой руки

Подробности

Обновлено 15.08.2018 20:44

Просмотров: 826

ПРАВИЛО БУРАВЧИКА для прямого проводника с током

– служит для определения направления магнитных линий ( линий магнитной индукции)
вокруг прямого проводника с током.

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Допустим, проводник с током расположен перпендикулярно плоскости листа:
1. направление эл. тока от нас ( в плоскость листа)

Согласно правилу буравчика, линии магнитного поля будут направлены по часовой стрелке.

или
2. направление эл. тока на нас ( из плоскости листа),

Тогда, согласно правилу буравчика, линии магнитного поля будут направлены против часовой стрелки.

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ для соленоида, т.е. катушки с током

– служит для определения направления магнитных линий (линий магнитной индукции) внутри соленоида.

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

ПОДУМАЙ

1.Как взаимодействуют между собой 2 катушки с током?

2. Как направлены токи в проводах, если силы взаимодействия направлены так, как на рисунке?

3. Два проводника расположены параллельно друг другу. Укажите раправление тока в проводнике СД.

Жду решений на следующем уроке на “5”!

ИНТЕРЕСНО

Известно, что сверхпроводники ( вещества, обладающие при определенных температурах практически нулевым электрическим сопротивлением) могут создавать очень сильные магнитные поля. Были проделаны опыты по демонстрации подобных магнитных полей. После охлаждения керамического сверхпроводника жидким азотом на его поверхность помещали небольшой магнит. Отталкивающая сила магнитного поля сверхпроводника была столь высокой, что магнит поднимался, зависал в воздухе и парил над сверхпроводником до тех пор, пока сверхпроводник, нагреваясь, не терял свои необыкновенные свойства.

Электромагнитное поле – Класс!ная физика

Магнитное поле —
Определение направления линий магнитного поля —
Обнаружение магнитного поля по его действию на проводник с током —
Магнитная индукция. Магнитный поток —
Явление электромагнитной индукции —
Электромагнитное поле. Электромагнитные волны

План урока:

Магнитное поле и его графическое изображение

Неоднородное и однородное магнитное поле

Направление тока и направление линий магнитного поля

Величина магнитного поля

Магнитный поток

Направление индукционного тока

Магнитное поле и его графическое изображение

Камни, способные притягивать предметы из железа, назвали в честь острова, на котором они были найдены – магнитами. А их свойство располагаться в пространстве определенным образом легло в основу создания магнитного компаса. Понимание того, как работает данное устройство необходимо для дальнейшего изучения материала.

Итак, схема простейшего магнитного компаса приведена на рисунке. Он состоит из тонкой иглы, на которой располагается маленький магнит в форме ромба. Этот магнит может свободно вращаться на игле.

Как уже было сказано ранее, при отсутствии внешнего воздействия магниты ориентируются в пространстве всегда определенным образом: одним концом по направлению к Северному полюсу Земли (по аналогии этот конец камня называют северным полюсом и обозначают синим цветом); а другим концом по направлению к Южному (южный полюс магнита обозначают красным).

Рисунок 1(а) – Магнитная стрелка (вид сверху)

Рисунок 1(б) – Схема простейшего компаса

В 1820 году Ганс Христиан Эрстед проводил лекцию, на которой демонстрировал выделение тепла на проводнике с током: пропускал через длинный проводник ток, в следствие чего проводник нагревался. В перерыве между занятиями любопытные студенты начали включать и выключать установку и случайно заметили, что при прохождении тока по проводнику магнитная стрелка, находившаяся неподалеку, приходит в движение. Студенты поделились наблюдением с Эрстедом, которого очень заинтересовало данное явление, и он начал его исследовать. Опыты, которые он проводил, позднее назвали опытами Эрстеда. Они стали первым доказательством связи электрического тока с магнитными свойствами.

Рассмотрим опыт, проведенный Эрстедом. Под длинным проводником, включенным в цепь, ставили магнитную стрелку (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема опыта Г.Х. Эрстеда

Когда в проводнике начинает течь ток, магнит поворачивается до положения перпендикулярно проводнику. Направление его зависело от того, куда направлен ток. На рисунке 3 приведен проводник с током, направление которого указано белой стрелкой. В таком случае магнитная стрелка ориентировалась синим концом влево.

Рисунок 3 – Магнитная стрелка ориентировалась относительно проводника

Если в установке на рисунке 3 поменять местами полюса источника (ток будет течь в противоположную сторону), стрелка повернется красным концом влево.

То есть ток воздействует на стрелку из магнита. Непосредственного контакта между стрелкой и проводником нет (они не касаются друг друга), значит воздействие осуществляется с помощью поля*, которое впоследствии назвали магнитным.

Важно отметить, что магнитное поле:

• воздействует на движущиеся заряженные частицы и вещества, обладающие свойствами магнитов;
• порождается движущимися заряженными частицами или веществами-магнитами.

*Напоминание: поле – это такая материя, которую нельзя увидеть или почувствовать органами чувств, однако можно обнаружить его действие на какие-либо объекты.

Поскольку поле нельзя увидеть или почувствовать, но описывать и представлять нужно, было решено изображать магнитное поле схематично – в виде линий.

Линии магнитного поля (они же магнитные линии) – это мысленно проведенные линии по касательной, к которым ориентировались бы магнитные стрелки (эти линии являются воображаемыми, в действительности их, конечно, не существует). Они являются графическим изображением магнитного поля и имеют направление туда же, куда и северный полюс магнитной стрелки.

На рисунке 4 можно увидеть линии поля прямоугольного магнита. Такой тип магнитов часто называют полосовыми (от слова «полоса»).

Рисунок 4 – Магнитные линии поля прямоугольного магнита

Свойства магнитных линий:

• выходят из северного полюса магнита (т.е. начинаются на нем);
• входят в южный (заканчиваются на нем);
• являются или замкнутыми, или уходящими в бесконечность (начинающимися в бесконечности).

Неоднородное и однородное магнитное поле

Если вернуться к исследованиям Г.Х. Эрстеда и понаблюдать за поведением стрелки в различных точках, можно заметить, что, чем дальше стрелку убирают от проводника, тем меньше она отклоняется. Это значит, что поле слабеет с удалением от источника.

Как выглядят магнитные линии поля проводника с током приведено на рисунке 5. Читателю представлен поперечный разрез проводника с током, текущим «в рисунок». В данном случае линии поля – это концентрические окружности. Там, где поле интенсивнее (близко к источнику – проводнику) линии рисуются гуще, а в областях, где слабее – реже.

Рисунок 5 – Магнитные линии поля проводника с током

Поле, в различных точках пространства воздействующее на магнитную стрелку с одинаковой силой, называют однородным.

В противной ситуации говорят о неоднородном магнитном поле.

Строго говоря, магнитное поле почти всегда неоднородно. Тем не менее поле, созданное некоторыми источниками, в какой-то небольшой области можно считать однородным. Например, поле в области между магнитами, расположенными последовательно (см. рисунок 6). Линии индукции однородного магнитного поля параллельны, а густота,с которой они изображены, не меняется.

Рисунок 6 – Поле между двумя последовательно лежащими магнитами

Направление тока и направление линий магнитного поля

Правило буравчика

Ранее для определения направления магнитного поля в опытах использовалась стрелка из магнита. А что же делать, если ее под рукой не оказалось?

Необходимо знать правило буравчика* (правого винта):когда поступательное движение буравчика (винта) сонаправлено с током, протекающего в проводнике, направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля.

На рисунке 7 приведена иллюстрация, как использовать правило буравчика. Относительно читателя ток идет вниз. Буравчик, расположенный как на рисунке, вращают по часовой стрелке, чтобы он двигался вниз. Тогда, в соответствии с правилом, направление магнитных линий вокруг проводника – «по часовой стрелке».

Рисунок 7 –Иллюстрация использования правила буравчика

*Напоминание: вообще, буравчик — это режущий инструмент для высверливания небольших отверстий. Однако зачастую школьникам трудно представить его. Более простым примером системы, аналогичной буравчику, может служить обычная пробка у пластиковой бутылки. Когда бутыль расположена вертикально, а пробка закручивается по часовой стрелке, поступательно она движется вниз. Если пробку раскручивать против часовой стрелки, она будет двигаться вверх. Можно ориентироваться на этот пример, мысленно располагая бутыль с пробкой вертикально или горизонтально, чтобы в дальнейшем было легче использовать правило буравчика.

Вместо буравчика зачастую используют правило правой руки: если отогнутый от ладони на 90° большой палец развернуть по току в проводнике, а затем оставшимися пальцами обхватить проводник, они укажут направление линий магнитного поля.

Пример, поясняющий правило правой руки,приведен на рисунке 8.

Рисунок 8 – Иллюстрация применения правила правой руки

Правила буравчика и правила правой руки одинаково удобны и можно использовать любое из них. Однако далее будет рассматриваться еще и правило левой руки. Чтобы избежать путаницы, в какой ситуации какую руку использовать, для определения направления линий магнитного поля предпочтительнее пользоваться именно правилом буравчика.

Величина магнитного поля

Индукция магнитного поля. Линии магнитной индукции

Чтобы иметь возможность охарактеризовать, описать и сравнить между собой магнитные поля, была введена индукция магнитного поля  или просто магнитная индукция.

Единицей измерения этой величины в СИ была выбрана тесла (Тл) – в честь знаменитого ученого Николы Теслы:

[B] = 1Тл

Магнитная индукция – вектор. Его модуль отражает силу, с которой магнитное поле воздействует на магниты или движущиеся заряженные частицы, а направление указывает куда ориентированы линии поля.

Однородному полю присуща индукция  постоянная во всех точках. У неоднородного поля  изменяется.

Чтобы разобрать подробнее, что за величина , нужно рассмотреть еще один эксперимент.

Рассмотрим цепь, состоящую из источника, ключа К и длинного проводника R (см. рисунок 9). Если данный проводник окружить однородным магнитным полем (разместить его U-образном магните, например) и замкнуть ключ, проводник R изогнется, т.к. появится сила (F), пытающаяся вытолкнуть его из магнита.

Рисунок 9 – Проводник в U-образном магните (1)

Изменив направление тока в магнитном поле,можно заметить, что сила (F) тоже начнет действовать в обратную сторону и будет пытаться втащить проводник в магнит (см. рисунок 10).

Рисунок 10 – Проводник в U-образном магните (2)

Точно так же вектор силы развернется, если повернуть магнит на 180°, при неизменном направлении электрического тока.

Сила (F), которая была обнаружена в опыте, называется силой Ампера. С ее помощью магнитное поле и воздействует на проводники с током, размещенные в нем.

Направление, в котором действует сила, определяется правилом левой руки: когда ладонь повернута так, что вектор индукции поля  входит в нее, а четыре пальца ориентированы в сторону течения тока, большой палец, отогнутый на 90 указывает куда направлена амперова сила.

Небольшая оговорка: ранее рассматривался проводник с током. То есть внутри проводника двигались заряды. Логично, что магнитное поле воздействует и на каждую движущуюся заряженную частицу отдельно.

За направление тока в цепи принято считать направление движения положительных зарядов. Получается, что, рассматривая отдельно летящую заряженную положительно частицу, по правилу левой руки пальцы нужно направлять по вектору скорости этой частицы. В случае же частицы с отрицательным зарядом пальцы нужно будет располагать в направлении, противоположном ее скорости (см. рисунок 10).

Рисунок 10 – Применение правила левой руки для частиц с зарядами разных знаков

Сила Ампера увеличивается с возрастанием силы тока , магнитной индукции (B) и длины проводника (L). Помимо этого,присутствует зависимость от ориентации проводника в поле.

Силу Ампера можно рассчитать по формуле:

(a  – угол между направлением тока и направлением линий магнитной индукции).

Когда проводник перпендикулярен линиям магнитной индукции, выражение переписывается так:

Это выражение удобно для определения величины однородного магнитного поля. И становится очевидной связь единиц измерения:

То есть индукция в 1 теслу это величина такого магнитного поля, которое действует с силой в 1 Ньютон на проводник, имеющий длину 1 метр и силу тока в нем 1 ампер.

И теперь можно сказать, что более точное название магнитных линий – линии магнитной индукции.

Магнитный поток

Плоский контур. Явление электромагнитной индукции

Как уже неоднократно упоминалось, магнитное поле порождается электрическим током. Тогда возможна ли ситуация, когда, наоборот магнитное поле породит электрический ток?

Из опытов установлено, что магнитное поле действительно может порождать ток. Один из самых простых опытов, доказывающих это, заключается в следующем: замкнутый плоский контур (все точки которого лежат в одной плоскости) из проводящего ток материала подключают к амперметру (чтобы зафиксировать ток) и затем вносят его в область U-образного магнита (см. рисунок 11). 

Рисунок 11 – Проводящий контур в магнитном поле (К – контур, А – амперметр)

В ходе данного опыта было выяснено:

• контур вносится в поле (в процессе движения) – амперметр фиксирует ток;
• контур покоится внутри магнита –стрелка амперметра на нуле;
• контур вынимают из области магнита – ток есть;
• изменяют положение контура (поворачивают вокруг диаметра) – ток есть.

Что же изменялось в течение опыта? Если судить по рисунку, видно, что менялось количество магнитных линий, пересекающих контур (они изображены стрелками вниз). На языке физики говорят, что изменялся магнитный поток (Ф), пронизывающий замкнутый контур.

Магнитный поток обозначается буквой Ф и измеряется в Веберах.

[Ф] = 1 Вб.

Он прямо пропорционален количеству линий магнитного поля, пересекающих плоскость, ограниченную контуром.

Если в эксперименте использовать кольцо большего радиуса, его бы пронизывал больший поток (большая площадь контура могла бы захватить больше магнитных линий). Поле между ветвями U-образного магнита считается однородным.

Если оставить контур прежним, но взять более мощный магнит, поток Ф тоже станет больше (при более сильном поле магнитные линии рисуются гуще).

Если повернуть контур по диаметру, площадь, которой он «захватывает» магнитные линии уменьшится, а значит и магнитный поток уменьшится.

Получается, что поток Ф тем больше, чем больше величина магнитной индукции (В)и площадь контура. Помимо этого, он зависит от того, как расположен контур в поле.

Возникновение тока в замкнутом контуре (из проводящего материала) при изменении магнитного потока Ф, пронизывающего площадь, ограниченную контуром, называется явлением электромагнитной индукции. А возникающий ток – индукционным.

Подробным изучением этого явления занимался английский ученый М.Фарадей.

Направление индукционного тока

Правило Ленца

Индукционный ток и его направление изучались опытным путем. Был придуман прибор, состоящий из узкой перемычки, на концах которой закреплены кольца из легкого металла (чаще всего из алюминия): одно – сплошное, а второе – с разрезом. Перемычка с кольцами размещена на подставке, которая позволяет ей вращаться (см. рисунок 12). В ходе опыта прямоугольный магнит перемещают рядом с металлическими кольцами:

• при приближении магнита к кольцу с разрезом, ничего не происходит;
• при попытках внести магнит в сплошное кольцо, перемычка приходит в движение и поворачивается, кольцо пытается удалиться от магнита (результат не зависит от того, каким полюсом развернут магнит к кольцу);
• если, придержав сплошное кольцо рукой, внести магнит, а затем, отпустив кольцо, попытаться удалить его из плоскости кольца – перемычка будет вращаться, а кольцо будет «догонять» магнит.

Рисунок 12 – Установка для опыта по определению направления индукционного тока

Чем объясняются данные наблюдения?

В разорванном кольце ток пойти не может, поэтому ничего не происходит.

В цельном кольце при попытках изменить магнитный поток (Ф) возникает ток, который порождает свое магнитное поле .

Если магнит пытаются приблизить к контуру-кольцу, плоскость, ограниченную кольцом, начинают пронизывать магнитные линии поля магнита . Кольцо, отталкиваясь от магнита, «сопротивляется» изменению магнитного потока, а индукционный ток в контуре порождает поле, линии которого противоположны линиям поля магнита:  .

Когда предварительно введенный в кольцо магнит пытаются достать, количество магнитных линий, пересекающих плоскость кольца, уменьшается. Индукционный ток в кольце порождает магнитное поле, линии которого будут «возмещать недостающее»: .

Русский ученый Э. Х. Ленц вывел следующее правило: индукционный ток в замкнутом контуре порождает магнитное поле, противодействующее изменению внешнего магнитного потока (Ф).