Как найти полюса проводника

 Опыт Эрстеда

Про­дол­жи­тель­ное время элек­три­че­ские и маг­нит­ные поля изу­ча­лись раз­дель­но. Но в 1820 году дат­ский учё­ный Ханс Кри­сти­ан Эр­стед во время лек­ции по фи­зи­ке об­на­ру­жил, что маг­нит­ная стрел­ка по­во­ра­чи­ва­ет­ся возле про­вод­ни­ка с током (см. Рис. 1). Это до­ка­за­ло маг­нит­ное дей­ствие тока. После про­ве­де­ния несколь­ких экс­пе­ри­мен­тов Эр­стед об­на­ру­жил, что по­во­рот маг­нит­ной стрел­ки за­ви­сел от на­прав­ле­ния тока в про­вод­ни­ке.

Рис. 1. Опыт Эр­сте­да

Для того чтобы пред­ста­вить, по ка­ко­му прин­ци­пу про­ис­хо­дит по­во­рот маг­нит­ной стрел­ки вб­ли­зи про­вод­ни­ка с током, рас­смот­рим вид с торца про­вод­ни­ка (см. Рис. 2, ток  на­прав­лен в ри­су­нок,  – из ри­сун­ка), возле ко­то­ро­го уста­нов­ле­ны маг­нит­ные стрел­ки. После про­пус­ка­ния тока стрел­ки вы­стро­ят­ся опре­де­лён­ным об­ра­зом, про­ти­во­по­лож­ны­ми по­лю­са­ми друг к другу. Так как маг­нит­ные стрел­ки вы­стра­и­ва­ют­ся по ка­са­тель­ным к маг­нит­ным ли­ни­ям, то маг­нит­ные линии пря­мо­го про­вод­ни­ка с током пред­став­ля­ют собой окруж­но­сти, а их на­прав­ле­ние за­ви­сит от на­прав­ле­ния тока в про­вод­ни­ке.

Рис. 2. Рас­по­ло­же­ние маг­нит­ных стре­лок возле пря­мо­го про­вод­ни­ка с током

Для более на­гляд­ной де­мон­стра­ции маг­нит­ных линий про­вод­ни­ка с током можно про­ве­сти сле­ду­ю­щий опыт. Если во­круг про­вод­ни­ка с током вы­сы­пать же­лез­ные опил­ки, то через неко­то­рое время опил­ки, попав в маг­нит­ное поле про­вод­ни­ка, на­маг­ни­тят­ся и рас­по­ло­жат­ся по окруж­но­стям, ко­то­рые охва­ты­ва­ют про­вод­ник (см. Рис. 3).

Рис. 3. Рас­по­ло­же­ние же­лез­ных опи­лок во­круг про­вод­ни­ка с током

 Правило буравчика. Правило правой руки

Для опре­де­ле­ния на­прав­ле­ния маг­нит­ных линий возле про­вод­ни­ка с током су­ще­ству­ет пра­ви­ло бу­рав­чи­ка (пра­ви­ло пра­во­го винта) – если вкру­чи­вать бу­рав­чик по на­прав­ле­нию тока в про­вод­ни­ке, то на­прав­ле­ние вра­ще­ния ручки бу­рав­чи­ка ука­жет на­прав­ле­ние линий маг­нит­но­го поля тока (см. Рис. 4).

Рис. 4. Пра­ви­ло бу­рав­чи­ка

Также можно ис­поль­зо­вать пра­ви­ло пра­вой руки – если на­пра­вить боль­шой палец пра­вой руки по на­прав­ле­нию тока в про­вод­ни­ке, то че­ты­ре со­гну­тых паль­ца ука­жут на­прав­ле­ние линий маг­нит­но­го поля тока (см. Рис. 5).

Рис. 5. Пра­ви­ло пра­вой руки

Оба ука­зан­ных пра­ви­ла дают один и тот же ре­зуль­тат и могут быть ис­поль­зо­ва­ны для опре­де­ле­ния на­прав­ле­ния тока по на­прав­ле­нию маг­нит­ных линий поля.

 Разветвление: Взаимодействие проводников с током в опытах Ампера

После от­кры­тия яв­ле­ния воз­ник­но­ве­ния маг­нит­но­го поля вб­ли­зи про­вод­ни­ка с током Эр­стед разо­слал ре­зуль­та­ты своих ис­сле­до­ва­ний боль­шин­ству ве­ду­щих учё­ных Ев­ро­пы. По­лу­чив эти дан­ные, фран­цуз­ский ма­те­ма­тик и физик Ампер при­сту­пил к своей серии экс­пе­ри­мен­тов и через неко­то­рое время про­де­мон­стри­ро­вал пуб­ли­ке опыт по вза­и­мо­дей­ствию двух па­рал­лель­ных про­вод­ни­ков с током. Ампер уста­но­вил, что если по двум рас­по­ло­жен­ным па­рал­лель­но про­вод­ни­кам течёт элек­три­че­ский ток в одну сто­ро­ну, то такие про­вод­ни­ки при­тя­ги­ва­ют­ся (см. Рис. 6 б) если ток течёт в про­ти­во­по­лож­ные сто­ро­ны – про­вод­ни­ки от­тал­ки­ва­ют­ся (см. Рис. 6 а).

Рис. 6. Опыт Ам­пе­ра

Из своих опы­тов Ампер сде­лал сле­ду­ю­щие вы­во­ды:

1. Во­круг маг­ни­та, или про­вод­ни­ка, или элек­три­че­ски за­ря­жен­ной дви­жу­щей­ся ча­сти­цы су­ще­ству­ет маг­нит­ное поле.

2. Маг­нит­ное поле дей­ству­ет с неко­то­рой силой на за­ря­жен­ную ча­сти­цу, дви­жу­щу­ю­ся в этом поле.

3. Элек­три­че­ский ток пред­став­ля­ет собой на­прав­лен­ное дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц, по­это­му маг­нит­ное поле дей­ству­ет на про­вод­ник с током.

 Разветвление: Задача на применение правила буравчика для прямого проводника с током

На ри­сун­ке 7 изоб­ра­жён про­во­лоч­ный пря­мо­уголь­ник, на­прав­ле­ние тока в ко­то­ром по­ка­за­но стрел­ка­ми. Ис­поль­зуя пра­ви­ло бу­рав­чи­ка, на­чер­тить возле сто­рон пря­мо­уголь­ни­ка по одной маг­нит­ной линии, ука­зав стрел­кой её на­прав­ле­ние.

Рис. 7. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Ре­ше­ние

Вдоль сто­рон пря­мо­уголь­ни­ка (про­во­дя­щей рамки) вкру­чи­ва­ем мни­мый бу­рав­чик по на­прав­ле­нию тока.

Вб­ли­зи пра­вой бо­ко­вой сто­ро­ны рамки маг­нит­ные линии будут вы­хо­дить из ри­сун­ка слева от про­вод­ни­ка и вхо­дить в плос­кость ри­сун­ка спра­ва от него. Это обо­зна­ча­ет­ся с по­мо­щью пра­ви­ла стре­лы в виде точки слева от про­вод­ни­ка и кре­сти­ка спра­ва от него (см. Рис. 8).

Ана­ло­гич­но опре­де­ля­ем на­прав­ле­ние маг­нит­ных линий возле дру­гих сто­рон рамки.

Рис. 8. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

 Образование магнитного поля вблизи катушки с током (соленоида)

Опыт Ам­пе­ра, в ко­то­ром во­круг ка­туш­ки уста­нав­ли­ва­лись маг­нит­ные стрел­ки, по­ка­зал, что при про­те­ка­нии по ка­туш­ке тока стрел­ки к тор­цам со­ле­но­и­да уста­нав­ли­ва­лись раз­ны­ми по­лю­са­ми вдоль мни­мых линий (см. Рис. 9). Это яв­ле­ние по­ка­за­ло, что вб­ли­зи ка­туш­ки с током есть маг­нит­ное поле, а также что у со­ле­но­и­да есть маг­нит­ные по­лю­са. Если из­ме­нить на­прав­ле­ние тока в ка­туш­ке, маг­нит­ные стрел­ки раз­вер­нут­ся.

Рис. 9. Опыт Ам­пе­ра. Об­ра­зо­ва­ние маг­нит­но­го поля вб­ли­зи ка­туш­ки с током

Для опре­де­ле­ния маг­нит­ных по­лю­сов ка­туш­ки с током ис­поль­зу­ет­ся пра­ви­ло пра­вой руки для со­ле­но­и­да (см. Рис. 10) – если об­хва­тить со­ле­но­ид ла­до­нью пра­вой руки, на­пра­вив че­ты­ре паль­ца по на­прав­ле­нию тока в вит­ках, то боль­шой палец по­ка­жет на­прав­ле­ние линий маг­нит­но­го поля внут­ри со­ле­но­и­да, то есть на его се­вер­ный полюс. Это пра­ви­ло поз­во­ля­ет опре­де­лять на­прав­ле­ние тока в вит­ках ка­туш­ки по рас­по­ло­же­нию её маг­нит­ных по­лю­сов.

Рис. 10. Пра­ви­ло пра­вой руки для со­ле­но­и­да с током

 Разветвление: Задача на применение правила правой руки для соленоида с током

Опре­де­ли­те на­прав­ле­ние тока в ка­туш­ке и по­лю­сы у ис­точ­ни­ка тока, если при про­хож­де­нии тока в ка­туш­ке воз­ни­ка­ют ука­зан­ные на ри­сун­ке 11 маг­нит­ные по­лю­сы.

Рис. 11. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Ре­ше­ние

Со­глас­но пра­ви­лу пра­вой руки для со­ле­но­и­да, об­хва­тим ка­туш­ку таким об­ра­зом, чтобы боль­шой палец по­ка­зы­вал на её се­вер­ный полюс. Че­ты­ре со­гну­тых паль­ца ука­жут на на­прав­ле­ние тока вниз по про­вод­ни­ку, сле­до­ва­тель­но, пра­вый полюс ис­точ­ни­ка тока по­ло­жи­тель­ный (см. Рис. 12).

Рис. 12. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Определение полярности проводов – важный навык, который необходим всем продвинутым пользователям техники и автолюбителям. Путаница с минусом и плюсом в лучшем случае приведет к некорректной работе устройства. В худшем – оно полностью выйдет из строя либо взорвется из-за перегрева аккумулятора. Однако такие последствия легко предотвратить, так как определить плюс и минус на проводах можно несколькими способами, в т. ч. без специального оборудования.

Описание полюсов

Когда электричество проходит через 2 точки, электроны распределяются неравномерно. На одном полюсе их больше, чем на другом. Та часть, на которой частиц больше, имеет отрицательный заряд. Полюс с меньшим количеством электронов считают «плюсом».

Когда обе точки соединены проводом, частицы движутся по направлению от отрицательного заряда к положительному. Такой поток называют электрическим током.

Основные способы для проверки полярности кабеля

Самый простой метод определить плюс и минус на проводе – это визуальный осмотр. В первую очередь оценивают наличие маркировки и цвет. Однако зрительный способ не всегда дает результат. Тогда проводят проверку с помощью специальных приборов. В крайнем случае допускается использование простой батарейки или лампы. Если под рукой нет ничего подходящего, можно проверить полярность картофелем или водой. Иногда заряд определяют компьютерным вентилятором.

Как понять зрительно, где плюс и минус

Иногда производители наносят на провода маркировку. Однако в большинстве случаев специальных обозначений на кабелях нет. Основным методом определения полярности проводов остается проверка цвета оплетки.

По маркировке

В редких случаях на проводе можно найти заводское обозначение в виде плюса или минуса. Однако чаще всего полярность в маркировке не указывается. Производители предпочитают использовать цветовые обозначения.

В основной маркировке перечисляют тип жил, их количество, сечение, рабочее назначение и т. д.

По цвету провода

Фазу, т. е. плюс, принято обозначать яркими цветами. Чаще всего это красный. Иногда используют оранжевые, фиолетовые и желтые оттенки.

Ноль, т. е. минус, маркируют белым, серым, черным или синим цветом. Однако возможны исключения в зависимости от страны-производителя. Например, в США и Канаде фазный проводник может быть черным. Зеленым цветом в большинстве случаев обозначают заземление. В таблице ниже приведены наиболее распространенные варианты в разных регионах.

Страна или регион	Цвета фазных проводников	Цвет нейтрального проводника	Цвет защитного проводника
США	Черный, коричневый, красный, фиолетовый, синий и желтый	Серый или серебристый	Зеленый
Канада	Красный, оранжевый, черный, коричневый, синий и желтый	Белый	Зеленый или без оплетки
Пакистан и Индия	Желтый, белый, красный и синий	Черный	Зеленый или желто-зеленый
Европа	Коричневый, черный и серый	Синий	Желто-зеленый
Норвегия	Черный, коричневый, белый и серый	Синий	Желто-зеленый, зеленый или без оплетки
СССР	Зеленый, желтый, красный	Синий	Желто-зеленый, редко – черный
Китай, Россия, Беларусь, Украина и Казахстан	Зеленый, желтый, красный	Синий	Желто-зеленый

Проверка с помощью специальных приборов и инструментов

Основное устройство для проверки полярности – мультиметр. В бытовых условиях проще воспользоваться индикаторной отверткой: она недорогая и удобная. Однако прибор не всегда корректно определяет заряд. Если никаких профессиональных инструментов при себе нет, а проверить полярность нужно срочно, можно воспользоваться лампой накаливания или батарейкой с динамиком.

Индикаторная отвертка

Для определения заряда нужно прикоснуться металлической частью отвертки к проводу или просто поднести ее к источнику напряжения.

Если светодиод загорелся, перед вами плюс. Отсутствие сигнала означает минус. Если провод отключен от сети или оборван, индикатор не будет светиться даже на фазе.

К ложным срабатываниям чаще всего приводит трение корпуса о сторонние поверхности, поэтому следует по возможности исключить этот фактор.

Мультиметр

Для проверки полярности мультиметр переводят в режим замера постоянного напряжения (до 20 В). Щуп подключают к гнезду COM, а красный провод – к разъему VmA. Последний выступает в качестве фазы. Щуп используют как минус.

После подключения провода проверяют щупами. Положительным результатом считается появление цифр на экране прибора. Если дисплей никак не реагирует на происходящее либо появляется знак минуса, значит, нужно поменять кабели местами. В некоторых моделях для индикации используют стрелки. Последняя смещается в противоположную сторону при неправильном подключении.

Лампа накаливания

Лампу для проверки вставляют в патрон. Последний подсоединяют к предположительному фазовому проводнику. Включение света свидетельствует о том, что перед вами – плюс.

Обычная батарейка

Для проверки понадобятся пальчиковая батарейка и динамик. Проверяемые провода по очереди подключают к разным концам. Их соединяют с динамиком на несколько секунд. Если диффузор двигается вверх, значит, провода подключены правильно. Небольшая просадка вниз свидетельствует о том, что нужно поменять кабели местами.

Народные методы определения полярности проводов

Для простой проверки заряда проводников можно использовать воду или картофель. Если вы боитесь за свою безопасность, возьмите старый компьютерный вентилятор. Большинство моделей недорогие, поэтому даже в случае ошибки вы почти ничего не теряете.

Стакан воды

Для определения полярности сделайте следующее:

1. Возьмите небольшую неметаллическую емкость. Подойдет широкая стеклянная колба, фарфоровая чашка или пластиковый стаканчик.
2. Заполните сосуд теплой водой. Она должна иметь приятную для пальцев температуру. Холодная жидкость не даст нужную реакцию.
3. Отведите от источника питания 2 провода. Опустите их в воду оголенными концами и следите за реакцией.

Возле нулевого проводника начнется электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода. Визуально вы увидите пузырьки. Рядом с фазой не будет происходить ничего необычного.

Картошка

Для проверки нужно взять картофелину и разрезать ее на 2 части. Чистить овощ необязательно. Отведите 2 провода от неизвестного источника питания и погрузите металлические концы в мякоть клубня. Оставьте конструкцию на 5-10 минут. Возле фазы вы обнаружите зеленовато-голубые пятна. Рядом с нулевым выводом образуется немного пены.

Компьютерный вентилятор

Способ с вентилятором используют в том случае, если напряжение не превышает 20 В. Высокие значения способны испортить устройство. При напряжении менее 3 В возможно полное отсутствие результата. Если значения выходят за указанные пределы, следует воспользоваться мультиметром.

Вентилятор при необходимости отсоединяют от компьютера и чистят. У устройства может быть 2 или 3 выхода. Третий провод есть у вентиляторов с датчиком оборотов. Его выход желтого цвета. Если он есть, игнорируйте его. В большинстве случаев фаза у вентиляторов красная, а ноль – черный. Соедините провода, подключив устройство к источнику тока. Если вы угадали, лопасти начнут крутиться. В ином случае поменяйте кабели местами.

Магнитное поле. Линии

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

к оглавлению ▴

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

к оглавлению ▴

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

к оглавлению ▴

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.

Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

к оглавлению ▴

Магнитное поле витка с током

Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.

Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4).

Рис. 4. Поле витка с током

Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.

Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.

Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.

к оглавлению ▴

Магнитное поле катушки с током

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 – изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.

Рис. 5. Катушка (соленоид)

Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6).

Рис. 6. поле катушки с током

На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.

1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.

2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.

Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.

Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.

А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6) с линиями поля магнита на рис. 1. Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!

к оглавлению ▴

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.

Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.

Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.

Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.

Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.

Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).

Рис. 7. Элементарные токи магнита

Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).

Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.

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.