Tématem této lekce bude magnetické pole a jeho grafické znázornění. Budeme diskutovat o nehomogenním a rovnoměrném magnetickém poli. Na začátek si uvedeme definici magnetického pole, řekneme si, s čím souvisí a jaké má vlastnosti. Pojďme se naučit, jak to znázornit na grafech. Dozvíme se také, jak se určuje nehomogenní a rovnoměrné magnetické pole.
Dnes si nejprve zopakujeme, co je magnetické pole. magnetické pole - silové pole, které se tvoří kolem vodiče, kterým protéká elektrický proud. Souvisí to s přesunem náloží..
Nyní je třeba poznamenat vlastnosti magnetického pole. Víte, že s poplatkem je spojeno několik polí. Zejména elektrické pole. Ale budeme diskutovat přesně o magnetickém poli vytvořeném pohybujícími se náboji. Magnetické pole má několik vlastností. První: magnetické pole vzniká pohybem elektrických nábojů. Jinými slovy, magnetické pole se vytváří kolem vodiče, kterým protéká elektrický proud. Další vlastnost, která říká, jak je definováno magnetické pole. Je určeno působením na jiný pohybující se elektrický náboj. Nebo, říkají, na jiný elektrický proud. Přítomnost magnetického pole můžeme určit působením na střelku kompasu, na tzv. magnetická jehla.
Další nemovitost: magnetické pole působí silou. Proto říkají, že magnetické pole je hmotné.
Tyto tři vlastnosti jsou charakteristickými znaky magnetického pole. Poté, co jsme se rozhodli, co je magnetické pole, a určili jsme vlastnosti takového pole, je nutné říci, jak se magnetické pole zkoumá. Nejprve se magnetické pole zkoumá pomocí smyčky s proudem. Vezmeme-li vodič, z tohoto vodiče vytvoříme kulatý nebo čtvercový rám a tímto rámem propustíme elektrický proud, pak se tento rám v magnetickém poli bude určitým způsobem otáčet.
Rýže. 1. Rám s proudem se otáčí ve vnějším magnetickém poli
Podle toho, jak se tento rám otáčí, můžeme soudit magnetické pole. Pouze zde platí jedna důležitá podmínka: rám musí být velmi malý nebo musí být velmi malý ve srovnání se vzdálenostmi, ve kterých magnetické pole studujeme. Takový rámec se nazývá proudová smyčka.
Magnetické pole můžeme také prozkoumat pomocí magnetických jehel, umístit je do magnetického pole a pozorovat jejich chování.
Rýže. 2. Působení magnetického pole na magnetické jehly
Další věc, o které budeme mluvit, je, jak lze znázornit magnetické pole. Výsledkem výzkumu, který byl prováděn po dlouhou dobu, bylo jasné, že magnetické pole je vhodně znázorněno pomocí magnetické čáry. Pozorovat magnetické čáry Udělejme jeden experiment. Pro náš experiment budeme potřebovat permanentní magnet, kovové piliny, sklo a list bílého papíru.
Rýže. 3. Železné piliny se seřadí podél magnetických siločar
Magnet přikryjeme skleněnou deskou a navrch položíme list papíru, bílý list papíru. Na vrch listu papíru nasypte železné piliny. V důsledku toho bude vidět, jak se magnetické siločáry objeví. To, co uvidíme, jsou magnetické siločáry permanentního magnetu. Někdy se jim také říká spektrum magnetických čar. Všimněte si, že čáry existují ve všech třech směrech, nejen v rovině.
magnetická čára- pomyslná čára, podél které by se srovnaly osy magnetických šipek.
Rýže. 4. Schematické znázornění magnetické čáry
Podívejte se, obrázek ukazuje následující: čára je zakřivená, směr magnetické čáry je určen směrem magnetické střelky. Směr označuje severní pól magnetické střelky. Je velmi vhodné znázornit čáry pomocí šipek.
Rýže. 5. Jak je vyznačen směr siločar
Nyní si povíme něco o vlastnostech magnetických čar. Za prvé, magnetické čáry nemají začátek ani konec. Jedná se o uzavřené linie. Protože magnetické čáry jsou uzavřené, nevznikají žádné magnetické náboje.
Druhý: to jsou linie, které se neprotínají, nelámou, nekroutí jakýmkoliv způsobem. Pomocí magnetických čar můžeme charakterizovat magnetické pole, představit si nejen jeho tvar, ale také mluvit o silovém účinku. Pokud znázorníme větší hustotu takových čar, pak v tomto místě, v tomto bodě prostoru, budeme mít větší silové působení.
Pokud jsou čáry navzájem rovnoběžné, jejich hustota je stejná, pak v tomto případě říkají, že magnetické pole je rovnoměrné. Pokud tomu tak naopak není, tzn. hustota je jiná, čáry jsou zakřivené, pak se takové pole zavolá heterogenní. Na závěr lekce bych vás rád upozornil na následující obrázky.
Rýže. 6. Nehomogenní magnetické pole
Za prvé, teď už to víme magnetické čáry mohou být znázorněny šipkami. A obrázek představuje právě nehomogenní magnetické pole. Hustota na různých místech je různá, což znamená, že silové působení tohoto pole na magnetickou střelku bude různé.
Následující obrázek ukazuje již homogenní pole. Čáry jsou nasměrovány stejným směrem a jejich hustota je stejná.
Rýže. 7. Rovnoměrné magnetické pole
Rovnoměrné magnetické pole je pole, které se vyskytuje uvnitř cívky s velký počet otočení nebo uvnitř přímočarého tyčového magnetu. Magnetické pole mimo magnet proužku, nebo to, co jsme dnes pozorovali v lekci, toto pole je nehomogenní. Abychom tomu všemu plně porozuměli, podívejme se na tabulku.
Seznam doplňkové literatury:
Belkin I.K. Elektrická a magnetická pole // Kvant. - 1984. - č. 3. - S. 28-31. Kikoin A.K. Odkud pochází magnetismus? // Kvantové. - 1992. - č. 3. - S. 37-39,42 Leenson I. Hádanky magnetické střelky // Kvant. - 2009. - č. 3. - S. 39-40. Základní učebnice fyziky. Ed. G.S. Landsberg. T. 2. - M., 1974
Použití testů ve třídě umožňuje provádět skutečnou individualizaci a diferenciaci učení; provádět včasné nápravné práce ve vyučovacím procesu; spolehlivě vyhodnocovat a řídit kvalitu vzdělávání. Navržené testy na téma „Magnetické pole“ obsahují každý 10 úloh.
Test #1
1. Magnet kolem sebe vytváří magnetické pole. Kde se působení tohoto pole projeví nejsilněji?
A. V blízkosti pólů magnetu.
B. Uprostřed magnetu.
C. Působení magnetického pole se projevuje rovnoměrně v každém bodě magnetu.
Správná odpověď: A.
2. Je možné použít kompas na Měsíci k navigaci v terénu?
A. Nemůžeš.
B. Můžete.
B. Je to možné, ale pouze na pláních.
Správná odpověď: A.
3. Za jakých podmínek se kolem vodiče objeví magnetické pole?
A. Když se ve vodiči objeví elektrický proud.
B. Když je vodič přeložen napůl.
B. Když je vodič zahřátý.
Správná odpověď: A.
A. Nahoru.
B. Dolů.
Jasný.
G. Vlevo.
Správná odpověď: B.
5. Určete základní vlastnost magnetického pole?
A. Jeho siločáry mají vždy své zdroje: začínají na kladných nábojích a končí na záporných.
B. Magnetické pole nemá žádné zdroje. V přírodě neexistují žádné magnetické náboje.
Q. Jeho siločáry mají vždy své zdroje: začínají na záporných nábojích a končí na kladných.
Správná odpověď: B.
6.Vyberte obrázek zobrazující magnetické pole.
Správná odpověď: obr.2
7. Drátěným kroužkem protéká proud. Určete směr vektoru magnetické indukce.
A. Dolů.
B. Nahoru.
Jasný.
Správná odpověď: B.
8. Jak se chovají cívky jádra znázorněné na obrázku.
A. Neinteragujte.
B. Otočte se.
B. Odtlačte.
Správná odpověď: A.
9. Železné jádro bylo odstraněno z cívky proudu. Jak se změní obraz magnetické indukce?
A. Hustota magnetických čar se mnohonásobně zvýší.
B. Hustota magnetických čar se mnohonásobně sníží.
B. Vzor magnetických čar se nezmění.
Správná odpověď: B.
10. Jakým způsobem lze měnit póly magnetické cívky s proudem?
A. Vložte jádro do cívky.
B. Změňte směr proudu v cívce.
B. Vypněte zdroj napájení.
D. Zvyšte proud.
Správná odpověď: B.
Test #2
1. Na Islandu a ve Francii se námořní kompas začal používat ve 12. a 13. století. Do středu dřevěného kříže byla upevněna magnetická tyč, poté byla tato konstrukce umístěna do vody a otočený kříž byl instalován ve směru sever-jih. Který pól magnetické tyče se otočí k severnímu magnetickému pólu Země?
A. Severný.
B. Jižní.
Správná odpověď: B.
2. Kterou látku magnet vůbec nepřitahuje?
A. Železo.
B. Nikl.
B. Sklo.
Správná odpověď: B.
3. Uvnitř obkladu stěny je položen izolovaný drát. Jak najít umístění drátu, aniž byste narušili obklad stěny?
A. Přineste magnetickou jehlu ke zdi. Vodič s proudem a šipkou budou interagovat.
B. Rozsviťte stěny. Zesílení světla bude indikovat umístění drátu.
B. Umístění drátu nelze určit bez porušení obložení stěny.
Správná odpověď: A.
4. Obrázek ukazuje umístění magnetické střelky. Jak je směrován vektor magnetické indukce v bodě A?
A. Dolů.
B. Nahoru.
Jasný.
G. Vlevo.
Správná odpověď: A.
5. Jaká je vlastnost magnetických indukčních čar?
A. Čáry magnetické indukce začínají na kladných nábojích a končí na záporných nábojích.
B. Řádky nemají začátek ani konec. Jsou vždy zavřené.
Správná odpověď: B.
6. Vodič s proudem je kolmý k rovině. Který obrázek ukazuje správně čáry magnetické indukce?
Obr.1 Obr.2 Obr.3 Obr.4
Správná odpověď: Obr. 4.
7. Drátěným kroužkem protéká proud. Určete směr proudu, pokud vektor magnetické indukce směřuje nahoru.
A. Proti směru hodinových ručiček.
B. Ve směru hodinových ručiček.
Správná odpověď: A.
8. Určete povahu vzájemného působení cívek znázorněných na obrázku.
A. Jsou přitahováni.
B. Odtlačte.
B. Neinteragujte.
Správná odpověď: B.
9. Rám s proudem v magnetickém poli se otáčí. Jaké zařízení tento jev využívá?
A. Laserový disk.
B. Ampérmetr.
B. Elektromagnet.
Správná odpověď: B.
10. Proč se rám s proudem umístěný mezi póly permanentního magnetu otáčí?
A. V důsledku interakce magnetických polí rámu a magnetu.
B. Působením elektrického pole rámu na magnet.
B. Působením magnetického pole magnetu na náboj v cívce.
Správná odpověď: A.
Literatura: Fyzika. 8. ročník: učebnice všeobecně vzdělávacích dokumentů / A.V. Peryshkin. - Drop, 2006.
Pracovní adresář.
Úkoly D13. Magnetické pole. Elektromagnetická indukce
Udělejte si test na tyto úkoly
Zpět na katalog prací
Verze pro tisk a kopírování v MS Word
Lehkým vodivým rámem umístěným mezi póly podkovovitého magnetu procházel elektrický proud, jehož směr je na obrázku vyznačen šipkami.
Řešení.
Magnetické pole bude směřováno od severního pólu magnetu na jižní (kolmo na AB stranu rámu). Ampérová síla působí na boky rámu proudem, jehož směr je určen pravidlem levé ruky a hodnota je . Tedy síly stejné velikosti, ale opačného směru budou působit na AB stranu rámu a stranu s ní rovnoběžnou: na levé straně „od nás“ a na pravé straně „na nás“. Síly nebudou působit na druhé strany, protože proud v nich teče rovnoběžně se siločarami. Rám se tedy při pohledu shora začne otáčet ve směru hodinových ručiček.
Jak se bude otáčet, změní se směr síly a v okamžiku, kdy se rám otočí o 90°, točivý moment změní směr, takže se rám nebude dále otáčet. Po nějakou dobu bude rám v této poloze kmitat a poté bude v poloze naznačené na obrázku 4.
Odpověď: 4
Zdroj: GIA in Physics. hlavní vlna. Možnost 1313.
Cívkou protéká elektrický proud, jehož směr je znázorněn na obrázku. Zároveň na koncích železného jádra cívky
1) vznikají magnetické póly: na konci 1 - severní pól; na konci 2 - jih
2) vznikají magnetické póly: na konci 1 - Jižní pól; na konci 2 - severní
3) elektrické náboje se hromadí: na konci 1 - záporný náboj; konec 2 - kladný
4) elektrické náboje se hromadí: na konci 1 - kladný náboj; na konci 2 - negativní
Řešení.
Při pohybu nabitých částic vždy vzniká magnetické pole. K určení směru vektoru magnetické indukce použijme pravidlo pravé ruky: nasměrujme prsty podél proudové čáry, pak ohnutý palec bude ukazovat směr vektoru magnetické indukce. Čáry magnetické indukce tedy směřují od konce 1 ke konci 2. Čáry magnetického pole vstupují do jižního magnetického pólu a vystupují ze severního.
Správná odpověď je očíslována 2.
Poznámka.
Uvnitř magnetu (cívky) jdou siločáry magnetického pole od jižního pólu k severnímu.
Odpověď: 2
Zdroj: GIA in Physics. hlavní vlna. Možnost 1326., OGE-2019. hlavní vlna. Možnost 54416
Obrázek ukazuje vzor magnetických siločar ze dvou tyčových magnetů, získaných pomocí železných pilin. Které póly tyčových magnetů, soudě podle umístění magnetické střelky, odpovídají oblastem 1 a 2?
1) 1 - severní pól; 2 - jih
2) 1 - jih; 2 - severní pól
3) jak 1, tak 2 - k severnímu pólu
4) jak 1, tak 2 - k jižnímu pólu
Řešení.
Protože magnetické čáry jsou uzavřené, nemohou být póly současně jižní a severní. Písmeno N (North) označuje severní pól, S (South) - jižní. Severní pól je přitahován k jihu. Oblast 1 je tedy jižní pól, oblast 2 je severní pól.
Z kurzu fyziky v 8. třídě víte, že magnetické pole vzniká elektrickým proudem. Existuje například kolem kovového vodiče s proudem. V tomto případě je proud vytvářen pohybem elektronů ve směru podél vodiče. Magnetické pole také vzniká, když proud prochází roztokem elektrolytu, kde nosiče náboje jsou kladně a záporně nabité ionty pohybující se k sobě.
Protože elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic, můžeme říci, že magnetické pole je vytvářeno pohybem nabitých částic, a to jak kladných, tak záporných.
Připomeňme, že podle Ampérovy hypotézy vznikají kruhové proudy v atomech a molekulách hmoty v důsledku pohybu elektronů.
Obrázek 85 ukazuje, že v permanentních magnetech jsou tyto elementární prstencové proudy orientovány stejným způsobem. Proto magnetická pole vytvořená kolem každého takového proudu mají stejné směry. Tato pole se navzájem posilují a vytvářejí pole v magnetu a kolem něj.
Rýže. 85. Ilustrace Amperovy hypotézy
Pro vizuální znázornění magnetického pole se používají magnetické čáry (nazývají se také magnetické siločáry) 1 . Připomeňme, že magnetické čáry jsou pomyslné čáry, podél kterých by byly umístěny malé magnetické jehly umístěné v magnetickém poli.
Magnetická čára může být vedena přes jakýkoli bod v prostoru, kde existuje magnetické pole.
Obrázek 86 ukazuje, že magnetická přímka (přímočará i křivočará) je nakreslena tak, že v kterémkoli bodě této přímky se tečna k ní shoduje s osou magnetické střelky umístěné v tomto bodě.
Rýže. 86. V libovolném bodě magnetické přímky se tečna k ní shoduje s osou magnetické střelky umístěné v tomto bodě
Magnetické čáry jsou uzavřeny. Například obrazem magnetických čar přímého vodiče s proudem je soustředný kruh ležící v rovině kolmé k vodiči.
Obrázek 86 ukazuje, že směr magnetické čáry v libovolném bodě je podmíněně brán jako směr, který označuje severní pól magnetické střelky umístěné v tomto bodě.
V těch oblastech vesmíru, kde je magnetické pole silnější, jsou magnetické čáry přitaženy blíže k sobě, tj. silnější než v místech, kde je pole slabší. Například pole zobrazené na obrázku 87 je silnější vlevo než vpravo.
Rýže. 87. Magnetické čáry jsou blíže k sobě v těch místech, kde je magnetické pole silnější
Podle vzoru magnetických čar lze tedy usuzovat nejen na směr, ale také na velikost magnetického pole (tj. v jakých bodech prostoru pole působí na magnetickou jehlu větší silou a ve kterých - s méně).
Uvažujme obrázek magnetických siločar permanentního tyčového magnetu (obr. 88). Z kurzu fyziky v 8. třídě víte, že magnetické čáry vycházejí ze severního pólu magnetu a vstupují do jižního. Uvnitř magnetu směřují od jižního pólu k severu. Magnetické čáry nemají začátek ani konec: jsou buď uzavřené, nebo, jako prostřední čára na obrázku, jdou z nekonečna do nekonečna.
Rýže. 88. Obrázek magnetického pole permanentního tyčového magnetu
Rýže. 89. Magnetické čáry magnetického pole vytvořené přímočarým vodičem s proudem
Mimo magnet jsou magnetické čáry nejhustší na jeho pólech. To znamená, že pole je nejsilnější v blízkosti pólů a jak se vzdalujete od pólů, slábne. Čím blíže k pólu magnetu je magnetická střelka umístěna, tím větší modul síly na ni pole magnetu působí. Vzhledem k tomu, že magnetické čáry jsou zakřivené, mění se také směr síly, kterou pole působí na jehlu, bod od bodu.
Síla, kterou pole páskového magnetu působí na magnetickou jehlu umístěnou v tomto poli, tedy může být různá jak v absolutní hodnotě, tak i ve směru v různých bodech pole.
Takové pole se nazývá nehomogenní. Čáry nehomogenního magnetického pole jsou zakřivené, jejich hustota se bod od bodu mění.
Dalším příkladem nerovnoměrného magnetického pole je pole kolem přímočarého vodiče s proudem. Obrázek 89 ukazuje řez takovým vodičem, umístěným kolmo k rovině výkresu. Kruh označuje průřez vodiče. Tečka znamená, že proud směřuje zpoza kresby k nám, jako bychom viděli špičku šipky označující směr proudu (proud směřující od nás za kresbu je označen křížkem, jako bychom viděli ocas šípu směřujícího podél proudu).
Z tohoto obrázku je vidět, že magnetické čáry pole vytvořeného přímočarým vodičem s proudem jsou soustředné kružnice, jejichž vzdálenost se zvětšuje se vzdáleností od vodiče.
V určité omezené oblasti prostoru je možné vytvořit stejnoměrné magnetické pole, tedy pole, jehož síla působící na magnetickou střelku je v libovolném bodě stejná co do velikosti i směru.
Obrázek 90 ukazuje magnetické pole, které se vyskytuje uvnitř solenoidu - válcové drátové cívky s proudem. Pole uvnitř solenoidu lze považovat za homogenní, pokud je délka solenoidu mnohem větší než jeho průměr (vně solenoidu je pole nehomogenní, jeho magnetické čáry jsou přibližně stejné jako u tyčového magnetu). Z tohoto obrázku je vidět, že magnetické čáry rovnoměrného magnetického pole jsou vzájemně rovnoběžné a jsou umístěny se stejnou hustotou.
Rýže. 90. Magnetické pole solenoidu
Pole uvnitř permanentního tyčového magnetu v jeho střední části je rovněž homogenní (viz obr. 88).
Pro zobrazení magnetického pole se používá následující metoda. Jsou-li čáry jednotného magnetického pole umístěny kolmo k rovině kresby a směřují od nás za kresbu, pak jsou znázorněny křížky (obr. 91, a), a pokud kvůli kresbě směrem k nám, pak s tečkami (obr. 91, b). Stejně jako v případě proudu je každý kříž jakoby ocasním opeřením šípu letícího od nás a hrotem je hrot šípu letícího k nám (na obou obrázcích se směr šipek shoduje s směr magnetických čar).
Rýže. 91. Magnetické siločáry směřující kolmo k rovině výkresu: a - od pozorovatele; b - k pozorovateli
Otázky
- Co je zdrojem magnetického pole?
- Co vytváří magnetické pole permanentního magnetu?
- Co jsou magnetické čáry? Jaký je jejich směr v kterémkoli místě?
- Jak jsou magnetické jehly v magnetickém poli, jehož čáry jsou přímočaré; křivočarý?
- 0 co lze posoudit podle vzoru magnetických siločar?
- Jaké magnetické pole - homogenní nebo nehomogenní - se vytváří kolem tyčového magnetu; kolem přímého vodiče s proudem; uvnitř solenoidu, jehož délka je mnohem větší než jeho průměr?
- Co lze říci o modulu a směru síly působící na magnetickou střelku v různých bodech nehomogenního magnetického pole; stejnoměrné magnetické pole?
- Jaký je rozdíl mezi umístěním magnetických čar v nestejnoměrných a jednotných magnetických polích?
Cvičení 31
1 V § 37 bude uveden přesnější název a definice těchto řádků.
Témata USE kodifikátor : interakce magnetů, magnetické pole vodiče s proudem.
Magnetické vlastnosti hmoty jsou lidem známy odedávna. Magnety dostaly své jméno pradávné město Magnesia: v jejím okolí byl rozšířen nerost (později nazývaný magnetická železná ruda nebo magnetit), jehož kusy přitahovaly železné předměty.
Interakce magnetů
Na dvou stranách každého magnetu jsou umístěny Severní pól A Jižní pól. Dva magnety jsou k sobě přitahovány opačnými póly a odpuzují se podobnými póly. Magnety na sebe mohou působit i přes vakuum! To vše však připomíná interakci elektrických nábojů interakce magnetů není elektrická. To dokazují následující experimentální fakta.
Magnetická síla slábne, když je magnet zahřátý. Síla interakce bodových nábojů nezávisí na jejich teplotě.
Magnetická síla se třesením magnetu oslabuje. U elektricky nabitých těles se nic podobného neděje.
Kladné elektrické náboje lze oddělit od záporných (například při elektrifikaci těles). Ale není možné oddělit póly magnetu: pokud magnet rozříznete na dvě části, objeví se v místě řezu také póly a magnet se rozpadne na dva magnety s opačnými póly na koncích (orientované přesně stejně způsobem jako póly původního magnetu).
Takže magnety Vždy bipolární, existují pouze ve formě dipóly. Izolované magnetické póly (tzv magnetické monopoly- analogy elektrického náboje) v přírodě neexistují (v žádném případě nebyly dosud experimentálně zjištěny). To je možná nejpůsobivější asymetrie mezi elektřinou a magnetismem.
Stejně jako elektricky nabitá tělesa působí magnety na elektrické náboje. Magnet však působí pouze dál pohybující se nabít; Pokud je náboj vzhledem k magnetu v klidu, pak na náboj nepůsobí žádná magnetická síla. Naopak zelektrizované těleso působí na jakýkoli náboj, bez ohledu na to, zda je v klidu nebo v pohybu.
Podle moderní nápady teorie působení krátkého dosahu, interakce magnetů se provádí prostřednictvím magnetické pole Magnet totiž vytváří v okolním prostoru magnetické pole, které působí na jiný magnet a způsobuje viditelné přitahování nebo odpuzování těchto magnetů.
Příkladem magnetu je magnetická jehla kompas. Pomocí magnetické jehly lze posoudit přítomnost magnetického pole v dané oblasti prostoru a také směr pole.
Naše planeta Země je obrovský magnet. Nedaleko geografického severního pólu Země je jižní magnetický pól. Proto severní konec střelky kompasu, otočený k jižnímu magnetickému pólu Země, ukazuje na geografický sever. Proto ve skutečnosti vznikl název „severní pól“ magnetu.
Magnetické siločáry
Elektrické pole, jak si vzpomínáme, je zkoumáno pomocí malých zkušebních nábojů působením, na kterém lze posoudit velikost a směr pole. Obdobou zkušebního náboje v případě magnetického pole je malá magnetická střelka.
Například můžete získat nějakou geometrickou představu o magnetickém poli umístěním velmi malých střelek kompasu do různých bodů v prostoru. Zkušenosti ukazují, že šipky se budou řadit podél určitých linií - tzv magnetické siločáry. Definujme tento pojem formou následujících tří odstavců.
1. Magnetické siločáry nebo magnetické siločáry jsou směrované čáry v prostoru, které mají následující vlastnost: malá střelka kompasu umístěná v každém bodě takové čáry je orientována tečně k této přímce.
2. Směr čáry magnetického pole je směr severních konců střelek kompasu umístěných v bodech této čáry.
3. Čím silnější jsou čáry, tím silnější je magnetické pole v dané oblasti prostoru..
Roli střelek kompasu mohou úspěšně plnit železné piliny: v magnetickém poli se malé piliny zmagnetizují a chovají se přesně jako magnetické střelky.
Takže po nalití železných pilin kolem permanentního magnetu uvidíme přibližně následující obrázek magnetických siločar (obr. 1).
Rýže. 1. Permanentní magnetické pole
Severní pól magnetu je označen modře a písmenem ; jižní pól - v červené barvě a písmeno . Všimněte si, že siločáry opouštějí severní pól magnetu a vstupují do jižního pólu, protože severní konec střelky kompasu bude směřovat k jižnímu pólu magnetu.
Oerstedova zkušenost
Navzdory skutečnosti, že elektrické a magnetické jevy byly lidem známy již od starověku, dlouho mezi nimi nebyl pozorován žádný vztah. Po několik století probíhal výzkum elektřiny a magnetismu paralelně a nezávisle na sobě.
Pozoruhodný fakt, že elektrické a magnetické jevy spolu skutečně souvisejí, byl poprvé objeven v roce 1820 ve slavném experimentu Oersteda.
Schéma Oerstedova experimentu je uvedeno na Obr. 2 (obrázek z rt.mipt.ru). Nad magnetickou střelkou (a - severním a jižním pólem šipky) je kovový vodič připojený ke zdroji proudu. Pokud obvod uzavřete, šipka se otočí kolmo k vodiči!
Tento jednoduchý experiment ukázal přímo na vztah mezi elektřinou a magnetismem. Experimenty, které následovaly po Oerstedových zkušenostech, pevně stanovily následující vzorec: vzniká magnetické pole elektrické proudy a působí na proudy.
Rýže. 2. Oerstedův experiment
Obraz čar magnetického pole generovaného vodičem s proudem závisí na tvaru vodiče.
Magnetické pole přímého drátu s proudem
Magnetické siločáry přímého drátu procházejícího proudem jsou soustředné kružnice. Středy těchto kružnic leží na drátu a jejich roviny jsou kolmé na drát (obr. 3).
Rýže. 3. Pole stejnosměrného vodiče s proudem
Existují dvě alternativní pravidla pro určení směru stejnosměrných magnetických siločar.
pravidlo hodinové ručičky. Siločáry jdou při pohledu proti směru hodinových ručiček, takže proud teče směrem k nám..
šroubové pravidlo(nebo gimlet pravidlo nebo pravidlo vývrtky- někomu je to bližší ;-)). Siločáry jdou tam, kde se musí otáčet šroub (s konvenčním pravým závitem), aby se pohyboval podél závitu ve směru proudu.
Použijte pravidlo, které vám nejlépe vyhovuje. Je lepší si zvyknout na pravidlo ve směru hodinových ručiček - později sami uvidíte, že je univerzálnější a snáze se používá (a pak si to s vděčností zapamatujte v prvním ročníku, když studujete analytickou geometrii).
Na Obr. 3 se také objevilo něco nového: jedná se o vektor, který se nazývá indukce magnetického pole nebo magnetická indukce. Vektor magnetické indukce je analogem vektoru síly elektrického pole: slouží výkonová charakteristika magnetické pole, určující sílu, kterou magnetické pole působí na pohybující se náboje.
O silách v magnetickém poli si povíme později, ale prozatím si všimneme pouze toho, že velikost a směr magnetického pole určuje vektor magnetické indukce. V každém bodě prostoru ukazuje vektor stejným směrem jako severní konec střelky kompasu daný bod, totiž tečna k siločáry ve směru této čáry. Magnetická indukce se měří v teslach(Tl).
Stejně jako v případě elektrického pole, pro indukci magnetického pole, princip superpozice. Spočívá v tom, že indukce magnetických polí vytvořených v daném bodě různé proudy, jsou přidány vektorově a dávají výsledný vektor magnetické indukce:.
Magnetické pole cívky s proudem
Uvažujme kruhovou cívku, kterou cirkuluje stejnosměrný proud. Na obrázku neukazujeme zdroj, který vytváří proud.
Obrázek čar pole našeho tahu bude mít přibližně následující podobu (obr. 4).
Rýže. 4. Pole cívky s proudem
Pro nás bude důležité, abychom dokázali určit, do kterého poloprostoru (vzhledem k rovině cívky) magnetické pole směřuje. Opět máme dvě alternativní pravidla.
pravidlo hodinové ručičky. Siločáry tam jdou a dívají se z místa, kde se zdá, že proud cirkuluje proti směru hodinových ručiček.
šroubové pravidlo. Siločáry jdou tam, kde by se šroub (s konvenčním pravým závitem) pohyboval, pokud by se otáčel ve směru proudu.
Jak je vidět, role proudu a pole jsou obrácené - ve srovnání s formulacemi těchto pravidel pro případ stejnosměrného proudu.
Magnetické pole cívky s proudem
Cívka ukáže se, že pokud je těsně, cívka k cívce, svineme drát do dostatečně dlouhé spirály (obr. 5 - obrázek ze stránky en.wikipedia.org). Cívka může mít několik desítek, stovek nebo dokonce tisíc závitů. Cívka se také nazývá solenoid.
Rýže. 5. Cívka (solenoid)
Magnetické pole jedné otáčky, jak víme, nevypadá příliš jednoduše. Pole? jednotlivé závity cívky jsou na sebe navrstveny a zdálo by se, že výsledkem by měl být velmi matoucí obrázek. Není tomu však tak: pole dlouhé cívky má nečekaně jednoduchou strukturu (obr. 6).
Rýže. 6. cívkové pole s proudem
Na tomto obrázku jde proud v cívce proti směru hodinových ručiček při pohledu zleva (to se stane, pokud je na obr. 5 pravý konec cívky připojen ke „plusu“ zdroje proudu a levý konec k „mínus“). Vidíme, že magnetické pole cívky má dvě charakteristické vlastnosti.
1. Uvnitř cívky, daleko od jejích okrajů, je magnetické pole homogenní: v každém bodě je vektor magnetické indukce stejný co do velikosti a směru. Siločáry jsou rovnoběžné přímky; ohýbají se pouze v blízkosti okrajů cívky, když zhasnou.
2. Mimo cívku je pole blízké nule. Čím více závitů v cívce, tím slabší pole mimo ni.
Všimněte si, že nekonečně dlouhá cívka nevyzařuje žádné pole: mimo cívku není žádné magnetické pole. Uvnitř takové cívky je pole všude jednotné.
Nepřipomíná vám to nic? Cívka je "magnetický" protějšek kondenzátoru. Pamatujete si, že kondenzátor uvnitř sebe vytváří rovnoměrné elektrické pole, jehož čáry jsou zakřivené pouze v blízkosti okrajů desek a vně kondenzátoru je pole blízké nule; kondenzátor s nekonečnými deskami pole vůbec neuvolňuje a pole je všude uvnitř rovnoměrné.
A teď - hlavní postřeh. Porovnejte prosím obrázek magnetických siločar vně cívky (obr. 6) se siločárami magnetu na obr. 1. To je to samé, ne? A nyní se dostáváme k otázce, kterou jste pravděpodobně měli již dávno: pokud je magnetické pole generováno proudy a působí na proudy, jaký je důvod výskytu magnetického pole v blízkosti permanentního magnetu? Koneckonců, tento magnet se nezdá být vodičem s proudem!
Amperova hypotéza. Elementární proudy
Nejprve se předpokládalo, že interakce magnetů byla způsobena speciálními magnetickými náboji soustředěnými na pólech. Ale na rozdíl od elektřiny nikdo nedokázal izolovat magnetický náboj; ostatně, jak jsme si již řekli, nebylo možné získat odděleně severní a jižní pól magnetu - póly jsou v magnetu vždy ve dvojicích.
Pochybnosti o magnetických nábojích prohloubila zkušenost Oersteda, když se ukázalo, že magnetické pole je generováno elektrickým proudem. Navíc se ukázalo, že pro každý magnet je možné zvolit vodič s proudem odpovídající konfigurace tak, aby pole tohoto vodiče souhlasilo s polem magnetu.
Ampere předložil odvážnou hypotézu. Neexistují žádné magnetické náboje. Působení magnetu je vysvětleno uzavřenými elektrickými proudy uvnitř něj..
Jaké jsou tyto proudy? Tyto elementární proudy cirkulovat v atomech a molekulách; jsou spojeny s pohybem elektronů po atomových drahách. Magnetické pole jakéhokoli tělesa je tvořeno magnetickými poli těchto elementárních proudů.
Elementární proudy mohou být vzájemně náhodně umístěny. Pak se jejich pole navzájem ruší a těleso nevykazuje magnetické vlastnosti.
Ale pokud jsou elementární proudy koordinovány, pak se jejich pole, která se sčítají, vzájemně posilují. Těleso se stane magnetem (obr. 7; magnetické pole bude směřovat k nám, severní pól magnetu bude také směřovat k nám).
Rýže. 7. Proudy elementárních magnetů
Ampérova hypotéza o elementárních proudech objasnila vlastnosti magnetů Zahřívání a třesení magnetu ničí řád jeho elementárních proudů a magnetické vlastnosti oslabit. Neoddělitelnost pólů magnetu se stala zřejmou: v místě, kde byl magnet uříznut, dostáváme na koncích stejné elementární proudy. Schopnost tělesa být zmagnetizována v magnetickém poli se vysvětluje koordinovaným vyrovnáním elementárních proudů, které se správně „otáčí“ (o rotaci kruhového proudu v magnetickém poli si přečtěte na dalším listu).
Amperova hypotéza se ukázala jako správná – ukázala další vývoj fyzika. Pojem elementárních proudů se stal nedílnou součástí teorie atomu, rozvíjené již ve dvacátém století – téměř sto let po Ampérově brilantní domněnce.
