Ämnet för denna lektion kommer att vara magnetfältet och dess grafiska representation. Vi kommer att diskutera inhomogena och enhetliga magnetfält. Till att börja med kommer vi att ge en definition av magnetfältet, berätta vad det är kopplat till och vilka egenskaper det har. Låt oss lära oss hur man avbildar det på diagram. Vi kommer också att lära oss hur ett inhomogent och enhetligt magnetfält bestäms.
Idag ska vi först och främst upprepa vad ett magnetfält är. Ett magnetfält - kraftfält som bildas runt en ledare genom vilken en elektrisk ström flyter. Det har med flyttladdningar att göra..
Nu är det nödvändigt att notera magnetiska fältegenskaper. Du vet att det finns flera fält förknippade med en debitering. I synnerhet det elektriska fältet. Men vi kommer att diskutera exakt det magnetiska fält som skapas av att flytta laddningar. Magnetfältet har flera egenskaper. Först: magnetfält skapas genom att elektriska laddningar rör sig. Med andra ord bildas ett magnetfält runt en ledare genom vilken en elektrisk ström flyter. Nästa egenskap som säger hur magnetfältet definieras. Det bestäms av verkan på en annan elektrisk laddning i rörelse. Eller, säger de, till en annan elektrisk ström. Vi kan bestämma närvaron av ett magnetfält genom verkan på kompassnålen, på den så kallade. magnetisk nål.
En annan egenskap: magnetfält utövar kraft. Därför säger de att magnetfältet är material.
Dessa tre egenskaper är kännetecknen för ett magnetfält. Efter att vi har bestämt vad ett magnetfält är, och har bestämt egenskaperna för ett sådant fält, är det nödvändigt att säga hur magnetfältet undersöks. Först och främst undersöks magnetfältet med hjälp av en slinga med ström. Om vi tar en ledare, gör en rund eller fyrkantig ram av denna ledare och leder en elektrisk ström genom denna ram, så kommer denna ram i ett magnetfält att rotera på ett visst sätt.
Ris. 1. Ramen med ström roterar i ett externt magnetfält
Förresten den här ramen vänder, kan vi bedöma magnetiskt fält. Bara här finns det ett viktigt villkor: ramen måste vara väldigt liten eller så måste den vara väldigt liten jämfört med de avstånd på vilka vi studerar magnetfältet. En sådan ram kallas en strömslinga.
Vi kan också utforska magnetfältet med hjälp av magnetiska nålar, placera dem i ett magnetfält och observera deras beteende.
Ris. 2. Verkan av ett magnetfält på magnetiska nålar
Nästa sak vi ska prata om är hur ett magnetfält kan avbildas. Som ett resultat av forskning som har utförts under lång tid, blev det tydligt att magnetfältet bekvämt avbildas med magnetiska linjer. Att observera magnetiska linjer Låt oss göra ett experiment. För vårt experiment behöver vi en permanent magnet, järnspån av metall, glas och ett ark vitt papper.
Ris. 3. Järnspån radas upp längs magnetfältslinjer
Vi täcker magneten med en glasplatta och lägger ett pappersark ovanpå, ett vitt pappersark. Strö järnspån ovanpå ett pappersark. Som ett resultat kommer det att ses hur magnetfältslinjerna ser ut. Det vi kommer att se är magnetfältslinjerna för en permanentmagnet. De kallas också ibland för spektrumet av magnetiska linjer. Observera att linjerna finns i alla tre riktningarna, inte bara i planet.
magnetisk linje- en tänkt linje längs vilken de magnetiska pilarnas axlar skulle radas upp.
Ris. 4. Schematisk representation av magnetlinjen
Titta, figuren visar följande: linjen är krökt, magnetlinjens riktning bestäms av magnetnålens riktning. Riktningen indikerar den magnetiska nålens nordpol. Det är mycket bekvämt att avbilda linjer med hjälp av pilar.
Ris. 5. Hur kraftlinjernas riktning anges
Låt oss nu prata om egenskaperna hos magnetiska linjer. För det första har magnetiska linjer varken början eller slut. Dessa är stängda linjer. Eftersom magnetlinjerna är stängda finns det inga magnetiska laddningar.
Andra: det här är linjer som inte skär varandra, inte bryts, inte vrider sig på något sätt. Med hjälp av magnetiska linjer kan vi karakterisera magnetfältet, föreställa oss inte bara dess form, utan också prata om krafteffekten. Om vi avbildar en större täthet av sådana linjer, kommer vi på denna plats, vid denna punkt i rymden, att ha en större kraftverkan.
Om linjerna är parallella med varandra är deras densitet densamma, i det här fallet säger de det magnetfältet är enhetligt. Om så tvärtom inte är fallet, d.v.s. tätheten är annorlunda, linjerna är krökta, då kommer ett sådant fält att kallas heterogen. I slutet av lektionen vill jag uppmärksamma dig på följande figurer.
Ris. 6. Inhomogent magnetfält
För det första vet vi det nu magnetiska linjer kan representeras av pilar. Och figuren representerar just det inhomogena magnetfältet. Densiteten på olika ställen är olika, vilket innebär att krafteffekten av detta fält på magnetnålen blir olika.
Följande figur visar ett redan homogent fält. Linjerna är riktade i samma riktning, och deras täthet är densamma.
Ris. 7. Enhetligt magnetfält
Ett enhetligt magnetfält är det fält som uppstår inuti en spole med ett stort antal svängar eller inuti en rätlinjig, stångmagnet. Magnetfältet utanför bandmagneten, eller vad vi observerade idag på lektionen, detta fält är inhomogent. För att helt förstå allt detta, låt oss titta på tabellen.
Lista över ytterligare litteratur:
Belkin I.K. Elektriska och magnetiska fält // Kvant. - 1984. - Nr 3. - S. 28-31. Kikoin A.K. Var kommer magnetismen ifrån? // Quantum. - 1992. - Nr 3. - S. 37-39,42 Leenson I. Magnetnålens gåtor // Kvant. - 2009. - Nr 3. - S. 39-40. Elementär lärobok i fysik. Ed. G.S. Landsberg. T. 2. - M., 1974
Användningen av test i klassrummet gör det möjligt att genomföra verklig individualisering och differentiering av lärandet; göra korrigerande arbete i tid i undervisningsprocessen; att på ett tillförlitligt sätt utvärdera och hantera utbildningens kvalitet. De föreslagna testerna på ämnet "Magnetiskt fält" innehåller 10 uppgifter vardera.
Test #1
1. En magnet skapar ett magnetfält runt sig själv. Var kommer detta fälts verkan att manifesteras starkast?
A. Nära polerna på en magnet.
B. I mitten av magneten.
C. Magnetfältets verkan manifesterar sig jämnt vid varje punkt på magneten.
Rätt svar: A.
2. Är det möjligt att använda en kompass på månen för att navigera i terrängen?
A. Du kan inte.
B. Du kan.
B. Det är möjligt, men bara på slätten.
Rätt svar: A.
3. Under vilka förhållanden uppstår ett magnetfält runt en ledare?
A. När en elektrisk ström uppstår i en ledare.
B. När ledaren viks på mitten.
B. När ledaren är uppvärmd.
Rätt svar: A.
A. Upp.
B. Ner.
B. Rätt.
G. Vänster.
Rätt svar: B.
5. Specificera den fundamentala egenskapen hos magnetfältet?
S. Dess kraftlinjer har alltid källor: de börjar på positiva laddningar och slutar på negativa.
B. Magnetfältet har inga källor. Det finns inga magnetiska laddningar i naturen.
F. Hans kraftlinjer har alltid källor: de börjar på negativa laddningar och slutar på positiva.
Rätt svar: B.
6.Välj bilden som visar magnetfältet.
Rätt svar: fig.2
7. Ström flyter genom trådringen. Ange riktningen för den magnetiska induktionsvektorn.
En ner.
B. Upp.
B. Rätt.
Rätt svar: B.
8. Hur kärnspolarna som visas i figuren beter sig.
A. Interagera inte.
B. Vänd dig om.
B. Tryck av.
Rätt svar: A.
9. Järnkärnan togs bort från strömspolen. Hur kommer bilden av magnetisk induktion att förändras?
S. Tätheten av magnetiska linjer kommer att öka många gånger om.
B. Tätheten av magnetiska linjer kommer att minska många gånger om.
B. Mönstret av magnetiska linjer kommer inte att förändras.
Rätt svar: B.
10. På vilket sätt kan polerna för en magnetspole med ström ändras?
A. Sätt in kärnan i spolen.
B. Ändra riktningen på strömmen i spolen.
B. Stäng av strömkällan.
D. Öka strömmen.
Rätt svar: B.
Test #2
1. På Island och Frankrike började den nautiska kompassen användas på 1100- och 1200-talen. En magnetisk stång fixerades i mitten av ett träkors, sedan placerades denna struktur i vatten och korset, som vände sig, installerades i nord-sydlig riktning. Vilken pol på magnetstaven kommer att vända mot jordens nordmagnetiska pol?
A. Severny.
B. Södra.
Rätt svar: B.
2. Vilket ämne attraheras inte alls av en magnet?
A. Järn.
B. Nickel.
B. Glas.
Rätt svar: B.
3. En isolerad tråd läggs inuti väggbeklädnaden. Hur hittar man platsen för tråden utan att störa väggbeklädnaden?
A. För en magnetnål mot väggen. En ledare med ström och en pil kommer att samverka.
B. Lys upp väggarna. Förstärkning av ljuset kommer att indikera platsen för tråden.
B. Trådens placering kan inte bestämmas utan att väggbeklädnaden bryts.
Rätt svar: A.
4. Figuren visar platsen för magnetnålen. Hur riktas vektorn för magnetisk induktion till punkt A?
En ner.
B. Upp.
B. Rätt.
G. Vänster.
Rätt svar: A.
5. Vad kännetecknar magnetiska induktionslinjer?
A. Magnetinduktionslinjer börjar på positiva laddningar och slutar på negativa laddningar.
B. Rader har varken början eller slut. De är alltid stängda.
Rätt svar: B.
6. Ledare med ström är vinkelrät mot planet. Vilken figur visar linjerna för magnetisk induktion korrekt?
Fig.1 Fig.2 Fig.3 Fig.4
Rätt svar: Fig. 4.
7. Ström flyter genom trådringen. Ange strömriktningen om den magnetiska induktionsvektorn är riktad uppåt.
A. Moturs.
B. Medurs.
Rätt svar: A.
8. Bestäm vilken typ av interaktion mellan spolarna som visas i figuren.
A. Attraheras.
B. Tryck av.
B. Interagera inte.
Rätt svar: B.
9. Ramen med ström i magnetfältet roterar. Vilken enhet använder detta fenomen?
A. Laserskiva.
B. Amperemeter.
B. Elektromagnet.
Rätt svar: B.
10. Varför roterar en ram med ström placerad mellan polerna på en permanentmagnet?
A. På grund av interaktionen mellan de magnetiska fälten i ramen och magneten.
B. På grund av verkan av ramens elektriska fält på magneten.
B. På grund av magnetens magnetfälts inverkan på laddningen i spolen.
Rätt svar: A.
Litteratur: Fysik. Årskurs 8: lärobok för allmänna utbildningshandlingar / A.V. Peryshkin. - Bustard, 2006.
Jobbkatalog.
Uppgifter D13. Ett magnetfält. Elektromagnetisk induktion
Gör testet för dessa uppgifter
Tillbaka till jobbkatalogen
Version för utskrift och kopiering i MS Word
En elektrisk ström leddes genom en ljusledande ram placerad mellan polerna på en hästskomagnet, vars riktning indikeras med pilar i figuren.
Lösning.
Magnetfältet kommer att riktas från magnetens nordpol mot söder (vinkelrätt mot ramens AB-sida). Amperekraften verkar på ramens sidor med ström, vars riktning bestäms av vänsterregeln, och värdet är . Således kommer krafter som är lika stora men motsatta i riktning att verka på ramens AB-sida och den sida som är parallell med den: på vänster sida "från oss" och på höger sida "på oss". Krafterna kommer inte att verka på de andra sidorna, eftersom strömmen i dem flyter parallellt med kraftfältslinjerna. Således kommer ramen att börja rotera medurs när den ses uppifrån.
När den roterar kommer kraftens riktning att ändras och i samma ögonblick som ramen roterar 90° kommer vridmomentet att ändra riktning, så ramen kommer inte att rotera längre. Under en tid kommer ramen att svänga i denna position, och sedan kommer den att vara i den position som anges i figur 4.
Svar: 4
Källa: GIA i fysik. huvudvåg. Alternativ 1313.
En elektrisk ström flyter genom spolen, vars riktning visas i figuren. Samtidigt i ändarna av spolens järnkärna
1) magnetiska poler bildas: i slutet 1 - nordpolen; i slutet 2 - söder
2) magnetiska poler bildas: i slutet 1 - Sydpolen; i slutet 2 - norra
3) elektriska laddningar ackumuleras: i slutet 1 - en negativ laddning; slut 2 - positiv
4) elektriska laddningar ackumuleras: i slutet 1 - en positiv laddning; i slutet av 2 - negativ
Lösning.
När laddade partiklar rör sig uppstår alltid ett magnetfält. Låt oss använda högerhandsregeln för att bestämma riktningen för den magnetiska induktionsvektorn: låt oss rikta våra fingrar längs den aktuella linjen, då kommer den böjda tummen att indikera riktningen för den magnetiska induktionsvektorn. Således är linjerna för magnetisk induktion riktade från ände 1 till ände 2. Linjerna i magnetfältet kommer in i den sydliga magnetiska polen och lämnar norr.
Rätt svar är numrerat 2.
Notera.
Inuti magneten (spolen) går magnetfältslinjerna från sydpolen till norr.
Svar: 2
Källa: GIA i fysik. huvudvåg. Alternativ 1326., OGE-2019. huvudvåg. Alternativ 54416
Figuren visar ett mönster av magnetfältslinjer från två stångmagneter, erhållna med järnspån. Vilka poler av stångmagneter, att döma av magnetnålens placering, motsvarar områdena 1 och 2?
1) 1 - nordpolen; 2 - söder
2) 1 - söder; 2 - nordpolen
3) både 1 och 2 - till nordpolen
4) både 1 och 2 - till sydpolen
Lösning.
Eftersom magnetlinjerna är stängda kan polerna inte vara både söder och norr samtidigt. Bokstaven N (nord) betecknar nordpolen, S (söder) - syd. Nordpolen lockas till söder. Därför är område 1 sydpolen, område 2 är nordpolen.
Från 8:ans fysikkurs vet du att ett magnetfält genereras av en elektrisk ström. Den finns till exempel runt en metallledare med ström. I detta fall skapas strömmen av elektroner som rör sig i en riktning längs ledaren. Ett magnetfält uppstår också när strömmen passerar genom en elektrolytlösning, där laddningsbärare är positivt och negativt laddade joner som rör sig mot varandra.
Eftersom elektrisk ström är den riktade rörelsen av laddade partiklar kan vi säga att magnetfältet skapas av att laddade partiklar flyttas, både positiva och negativa.
Kom ihåg att, enligt Amperes hypotes, uppstår ringströmmar i atomer och materiamolekyler som ett resultat av elektronernas rörelse.
Figur 85 visar att i permanentmagneter är dessa elementära ringströmmar orienterade på samma sätt. Därför har magnetfälten som bildas runt varje sådan ström samma riktningar. Dessa fält förstärker varandra och skapar ett fält i och runt magneten.
Ris. 85. Illustration av Ampères hypotes
För en visuell representation av magnetfältet används magnetlinjer (de kallas även magnetfältlinjer) 1 . Kom ihåg att magnetlinjer är imaginära linjer längs vilka små magnetiska nålar placerade i ett magnetfält skulle vara placerade.
En magnetisk linje kan dras genom vilken punkt som helst i rymden där det finns ett magnetfält.
Figur 86 visar att en magnetisk linje (både rätlinjig och krökt) är ritad så att tangenten till den vid vilken punkt som helst på denna linje sammanfaller med axeln för den magnetiska nålen placerad vid denna punkt.
Ris. 86. Vid vilken punkt som helst av magnetlinjen sammanfaller tangenten till den med magnetnålens axel placerad vid denna punkt
Magnetiska linjer är stängda. Till exempel är bilden av magnetlinjerna för en rak ledare med ström en koncentrisk cirkel som ligger i ett plan vinkelrätt mot ledaren.
Figur 86 visar att riktningen för den magnetiska linjen vid vilken punkt som helst tas villkorligt som den riktning som indikerar nordpolen för den magnetiska nålen placerad vid denna punkt.
I de områden av rymden där magnetfältet är starkare, dras magnetlinjerna närmare varandra, d.v.s. tjockare än på de platser där fältet är svagare. Till exempel är fältet som visas i figur 87 starkare till vänster än till höger.
Ris. 87. Magnetiska linjer ligger närmare varandra på de ställen där magnetfältet är starkare
Sålunda, enligt mönstret av magnetiska linjer, kan man bedöma inte bara riktningen utan också magnituden av magnetfältet (d.v.s. vid vilka punkter i rymden fältet verkar på magnetnålen med större kraft, och vid vilken - med mindre).
Betrakta bilden av magnetfältslinjerna för en permanent stavmagnet (Fig. 88). Från 8:ans fysikkurs vet du att magnetlinjer kommer ut från magnetens nordpol och går in i söder. Inuti magneten är de riktade från sydpolen mot norr. Magnetiska linjer har varken början eller slut: de är antingen slutna eller går, liksom mittlinjen i figuren, från oändlighet till oändlighet.
Ris. 88. Bild på magnetfältet för en permanent stavmagnet
Ris. 89. Magnetiska linjer i ett magnetfält skapat av en rätlinjig ledare med ström
Utanför magneten är magnetlinjer tätast vid dess poler. Det betyder att fältet är starkast nära polerna, och när du rör dig bort från polerna försvagas det. Ju närmare magnetens pol den magnetiska nålen är placerad, desto större kraftmodul verkar magnetens fält på den. Eftersom magnetlinjerna är krökta ändras också riktningen för den kraft med vilken fältet verkar på nålen från punkt till punkt.
Således kan kraften med vilken fältet hos en remsmagnet verkar på en magnetisk nål placerad i detta fält vara olika både i absolut värde och i riktning vid olika punkter i fältet.
Ett sådant fält kallas inhomogent. Linjerna i ett inhomogent magnetfält är krökta, deras densitet varierar från punkt till punkt.
Ett annat exempel på ett olikformigt magnetfält är fältet runt en rätlinjig strömförande ledare. Figur 89 visar en sektion av en sådan ledare, placerad vinkelrätt mot ritningens plan. Cirkeln anger ledarens tvärsnitt. Punkten betyder att strömmen riktas från bakom ritningen till oss, som om vi ser spetsen på en pil som indikerar strömmens riktning (strömmen som riktas från oss bortom ritningen indikeras med ett kors, som om vi ser svansen av en pil riktad längs strömmen).
Från denna figur kan man se att de magnetiska linjerna i fältet som skapas av en rätlinjig ledare med ström är koncentriska cirklar, avståndet mellan vilka ökar med avståndet från ledaren.
I ett visst begränsat område av rymden är det möjligt att skapa ett enhetligt magnetfält, d.v.s. ett fält, vid vilken som helst punkt där kraften av kraften på magnetnålen är densamma i storlek och riktning.
Figur 90 visar magnetfältet som uppstår inuti solenoiden - en cylindrisk trådspole med ström. Fältet inuti solenoiden kan anses vara homogent om solenoidens längd är mycket större än dess diameter (utanför solenoiden är fältet inhomogent, dess magnetiska linjer är ungefär desamma som för en stavmagnet). Från denna figur kan man se att magnetlinjerna i ett enhetligt magnetfält är parallella med varandra och är belägna med samma densitet.
Ris. 90. Magnetfält för solenoiden
Fältet inuti permanentstavmagneten i dess centrala del är också homogent (se fig. 88).
För bilden av magnetfältet används följande metod. Om linjerna i ett enhetligt magnetfält är placerade vinkelrätt mot ritningens plan och är riktade från oss bortom ritningen, är de avbildade med kors (fig. 91, a), och om på grund av ritningen mot oss, då med prickar (fig. 91, b). Som i fallet med ström är varje kors så att säga svansfjäderdräkten på en pil som flyger från oss, och punkten är spetsen på en pil som flyger mot oss (i båda figurerna sammanfaller pilarnas riktning med magnetlinjernas riktning).
Ris. 91. Magnetiska fältlinjer riktade vinkelrätt mot ritningens plan: a - från observatören; b - till observatören
Frågor
- Vad är källan till magnetfältet?
- Vad skapar magnetfältet hos en permanentmagnet?
- Vad är magnetiska linjer? Vad är deras riktning vid någon punkt i den?
- Hur är de magnetiska nålarna i ett magnetfält, vars linjer är rätlinjiga; krökt?
- 0 vad kan bedömas av mönstret av magnetfältslinjer?
- Vilken typ av magnetfält - homogent eller inhomogent - bildas runt en stångmagnet; runt en rak ledare med ström; inuti en solenoid vars längd är mycket större än dess diameter?
- Vad kan sägas om modul och riktning för kraften som verkar på magnetnålen vid olika punkter av det inhomogena magnetfältet; enhetligt magnetfält?
- Vad är skillnaden mellan placeringen av magnetiska linjer i olikformiga och enhetliga magnetfält?
Övning 31
1 I § 37 kommer ett närmare namn och definition av dessa rader att ges.
teman ANVÄND kodifierare : interaktion av magneter, magnetfält hos en ledare med ström.
Materiens magnetiska egenskaper har varit kända för människor under lång tid. Magneter har fått sitt namn från uråldrig stad Magnesia: ett mineral (senare kallat magnetisk järnmalm eller magnetit) var utbredd i dess närhet, vars bitar drog till sig järnföremål.
Interaktion mellan magneter
På två sidor av varje magnet finns Nordpolen Och Sydpolen. Två magneter attraheras av varandra av motsatta poler och stöter bort av lika poler. Magneter kan verka på varandra även genom ett vakuum! Allt detta påminner dock om samspelet mellan elektriska laddningar interaktionen mellan magneter är inte elektrisk. Detta bevisas av följande experimentella fakta.
Den magnetiska kraften försvagas när magneten värms upp. Styrkan i interaktionen av punktladdningar beror inte på deras temperatur.
Den magnetiska kraften försvagas genom att magneten skakas. Inget liknande händer med elektriskt laddade kroppar.
Positiva elektriska laddningar kan separeras från negativa (till exempel när kroppar är elektrifierade). Men det är omöjligt att separera magnetens poler: om du skär magneten i två delar, visas poler också vid skärpunkten, och magneten bryts upp i två magneter med motsatta poler i ändarna (orienterade i exakt samma sätt som polerna på den ursprungliga magneten).
Alltså magneterna Alltid bipolära, de existerar bara i formen dipoler. Isolerade magnetiska poler (s.k magnetiska monopoler- analoger av elektrisk laddning) i naturen existerar inte (i alla fall har de ännu inte upptäckts experimentellt). Detta är kanske den mest imponerande asymmetrin mellan elektricitet och magnetism.
Precis som elektriskt laddade kroppar verkar magneter på elektriska laddningar. Men magneten verkar bara på rör på sig avgift; Om laddningen är i vila i förhållande till magneten, så verkar ingen magnetisk kraft på laddningen. Tvärtom agerar ett elektrifierat organ på vilken laddning som helst, oavsett om den är i vila eller i rörelse.
Förbi moderna idéer teori om kortdistansverkan, samspelet mellan magneter utförs genom magnetiskt fält En magnet skapar nämligen ett magnetfält i det omgivande utrymmet, som verkar på en annan magnet och orsakar en synlig attraktion eller avstötning av dessa magneter.
Ett exempel på en magnet är magnetisk nål kompass. Med hjälp av en magnetisk nål kan man bedöma närvaron av ett magnetfält i ett givet område av rymden, såväl som fältets riktning.
Vår planet Jorden är en jättemagnet. Inte långt från jordens geografiska nordpol ligger den sydliga magnetiska polen. Därför pekar den norra änden av kompassnålen, som vänder sig mot jordens sydmagnetiska pol, mot den geografiska norr. Därför uppstod faktiskt namnet "nordpolen" på magneten.
Magnetiska fältlinjer
Det elektriska fältet, minns vi, undersöks med hjälp av små testladdningar, genom den verkan på vilken man kan bedöma fältets storlek och riktning. En analog till en testladdning i fallet med ett magnetfält är en liten magnetisk nål.
Till exempel kan du få en geometrisk uppfattning om magnetfältet genom att placera mycket små kompassnålar på olika punkter i rymden. Erfarenheten visar att pilarna kommer att radas upp längs vissa linjer - de sk magnetiska fältlinjer. Låt oss definiera detta begrepp i form av följande tre stycken.
1. Magnetiska fältlinjer, eller magnetiska kraftlinjer, är riktade linjer i rymden som har följande egenskap: en liten kompassnål placerad vid varje punkt på en sådan linje är orienterad tangentiellt till denna linje.
2. Riktningen för den magnetiska fältlinjen är riktningen för de norra ändarna av kompassnålarna som ligger vid punkterna på denna linje.
3. Ju tjockare linjerna är, desto starkare är magnetfältet i ett givet område i rymden..
Rollen av kompassnålar kan framgångsrikt utföras av järnspån: i ett magnetfält magnetiseras små filar och beter sig exakt som magnetiska nålar.
Så, efter att ha hällt järnspån runt en permanent magnet, kommer vi att se ungefär följande bild av magnetfältslinjer (Fig. 1).
Ris. 1. Permanent magnetfält
Magnetens nordpol indikeras i blått och bokstaven; sydpolen - i rött och bokstaven . Observera att fältlinjerna lämnar magnetens nordpol och går in i sydpolen, eftersom det är mot magnetens sydpol som kompassnålens norra ände kommer att peka.
Oersteds erfarenhet
Trots det faktum att elektriska och magnetiska fenomen har varit kända för människor sedan antiken, har inget förhållande mellan dem observerats under lång tid. Under flera århundraden pågick forskningen om elektricitet och magnetism parallellt och oberoende av varandra.
Det anmärkningsvärda faktum att elektriska och magnetiska fenomen faktiskt är relaterade till varandra upptäcktes först 1820 i det berömda experimentet i Oersted.
Schemat för Oersteds experiment visas i fig. 2 (bild från rt.mipt.ru). Ovanför den magnetiska nålen (och - pilens nord- och sydpoler) finns en metallledare ansluten till en strömkälla. Om du stänger kretsen, så vänder pilen vinkelrätt mot ledaren!
Detta enkla experiment pekade direkt på förhållandet mellan elektricitet och magnetism. Experimenten som följde Oersteds erfarenhet etablerade bestämt följande mönster: magnetfält genereras elektriska strömmar och verkar på strömmar.
Ris. 2. Oersteds experiment
Bilden av linjerna i det magnetiska fältet som genereras av en ledare med ström beror på ledarens form.
Magnetfält för en rak tråd med ström
Magnetfältslinjerna i en rak tråd som bär ström är koncentriska cirklar. Dessa cirklars centrum ligger på tråden, och deras plan är vinkelräta mot tråden (fig. 3).
Ris. 3. Fält för en direkt ledning med ström
Det finns två alternativa regler för att bestämma riktningen för likströms magnetfältslinjer.
timvisare regel. Fältlinjerna går moturs när de ses så att strömmen flyter mot oss..
skruvregel(eller gimlet regel, eller korkskruvsregel- det är närmare någon ;-)). Fältlinjerna går dit skruven (med konventionell högergänga) måste vridas för att röra sig längs gängan i strömriktningen.
Använd den regel som passar dig bäst. Det är bättre att vänja sig vid medursregeln - du kommer att se själv senare att den är mer universell och enklare att använda (och sedan kom ihåg den med tacksamhet under ditt första år när du studerar analytisk geometri).
På fig. 3, något nytt har också dykt upp: detta är en vektor, som kallas magnetfältsinduktion, eller magnetisk induktion. Den magnetiska induktionsvektorn är en analog till vektorn för elektrisk fältstyrka: den tjänar kraftkaraktäristik magnetfält, som bestämmer den kraft med vilken magnetfältet verkar på rörliga laddningar.
Vi kommer att prata om krafter i ett magnetfält senare, men för nu kommer vi bara att notera att magnetfältets storlek och riktning bestäms av den magnetiska induktionsvektorn. Vid varje punkt i rymden pekar vektorn i samma riktning som den norra änden av kompassnålen placerad i given poäng, nämligen tangent till fältlinjen i denna linjes riktning. Den magnetiska induktionen mäts i teslach(Tl).
Som i fallet med ett elektriskt fält, för induktion av ett magnetfält, superpositionsprincipen. Det ligger i det faktum att induktion av magnetfält som skapas vid en given punkt olika strömmar, adderas vektoriellt och ger den resulterande vektorn för magnetisk induktion:.
Magnetfältet hos en spole med ström
Betrakta en cirkulär spole genom vilken en likström cirkulerar. Vi visar inte källan som skapar strömmen i figuren.
Bilden av linjerna i fältet i vår tur kommer att ha ungefär följande form (fig. 4).
Ris. 4. Spolens fält med ström
Det blir viktigt för oss att kunna avgöra i vilket halvrum (relativt spolens plan) magnetfältet är riktat. Återigen har vi två alternativa regler.
timvisare regel. Fältlinjerna går dit och tittar varifrån strömmen verkar cirkulera moturs.
skruvregel. Fältlinjerna går dit skruven (med konventionella högergängor) skulle röra sig om den roteras i strömmens riktning.
Som du kan se är strömmens och fältets roller omvända - i jämförelse med formuleringarna av dessa regler för fallet med likström.
Magnetfältet hos en spole med ström
Spole det kommer att visa sig, om det är tätt, spole till spole, linda tråden till en tillräckligt lång spiral (Fig. 5 - bild från webbplatsen en.wikipedia.org). Spolen kan ha flera tiotals, hundratals eller till och med tusentals varv. Spolen kallas också solenoid.
Ris. 5. Spole (solenoid)
Magnetfältet i ett varv ser som vi vet inte så enkelt ut. Fält? individuella varv av spolen är överlagrade på varandra, och det verkar som att resultatet borde bli en mycket förvirrande bild. Detta är dock inte fallet: fältet för en lång spole har en oväntat enkel struktur (fig. 6).
Ris. 6. spolfält med ström
I denna figur går strömmen i spolen moturs sett från vänster (detta kommer att hända om, i fig. 5, den högra änden av spolen är ansluten till "plus" av strömkällan, och den vänstra änden till "minus"). Vi ser att spolens magnetfält har två karakteristiska egenskaper.
1. Inuti spolen, bort från dess kanter, är magnetfältet homogen: vid varje punkt är den magnetiska induktionsvektorn densamma i storlek och riktning. Fältlinjerna är parallella räta linjer; de böjer sig bara nära spolens kanter när de går ut.
2. Utanför spolen är fältet nära noll. Ju fler varv i spolen, desto svagare är fältet utanför den.
Observera att en oändligt lång spole inte avger ett fält alls: det finns inget magnetfält utanför spolen. Inuti en sådan spole är fältet enhetligt överallt.
Påminner det dig inte om något? En spole är den "magnetiska" motsvarigheten till en kondensator. Du kommer ihåg att kondensatorn skapar ett enhetligt elektriskt fält inuti sig själv, vars linjer är krökta endast nära plattornas kanter, och utanför kondensatorn är fältet nära noll; en kondensator med oändliga plattor släpper inte fältet alls, och fältet är enhetligt överallt inuti det.
Och nu - den viktigaste observationen. Jämför gärna bilden av magnetfältslinjerna utanför spolen (fig. 6) med magnetens fältlinjer i fig. 1 . Det är väl samma sak? Och nu kommer vi till en fråga som du förmodligen hade för länge sedan: om ett magnetfält genereras av strömmar och verkar på strömmar, vad är då orsaken till uppkomsten av ett magnetfält nära en permanent magnet? Denna magnet verkar trots allt inte vara en ledare med ström!
Ampères hypotes. Elementära strömmar
Först trodde man att växelverkan mellan magneter berodde på speciella magnetiska laddningar koncentrerade vid polerna. Men till skillnad från elektricitet kunde ingen isolera den magnetiska laddningen; trots allt, som vi redan har sagt, var det inte möjligt att separat erhålla magnetens nord- och sydpoler - polerna är alltid närvarande i magneten i par.
Tvivel om magnetiska laddningar förvärrades av erfarenheten från Oersted, när det visade sig att magnetfältet genereras av en elektrisk ström. Dessutom visade det sig att för vilken magnet som helst är det möjligt att välja en ledare med en ström av lämplig konfiguration, så att fältet för denna ledare sammanfaller med magnetens fält.
Ampere lade fram en djärv hypotes. Det finns inga magnetiska laddningar. En magnets verkan förklaras av slutna elektriska strömmar inuti den..
Vilka är dessa strömmar? Dessa elementära strömmar cirkulera inom atomer och molekyler; de är förknippade med elektronernas rörelse i atomära banor. Magnetfältet hos vilken kropp som helst består av dessa elementära strömmars magnetfält.
Elementära strömmar kan placeras slumpmässigt i förhållande till varandra. Då upphäver deras fält varandra, och kroppen visar inga magnetiska egenskaper.
Men om elementära strömmar är samordnade, förstärker deras fält varandra. Kroppen blir en magnet (fig. 7; magnetfältet kommer att riktas mot oss; magnetens nordpol kommer också att vara riktat mot oss).
Ris. 7. Elementära magnetströmmar
Amperes hypotes om elementära strömmar klargjorde magneternas egenskaper. Uppvärmning och skakning av en magnet förstör ordningen för dess elementära strömmar, och magnetiska egenskaper försvagas. Magnetpolernas oskiljbarhet blev uppenbar: på platsen där magneten skars får vi samma elementära strömmar i ändarna. En kropps förmåga att magnetiseras i ett magnetfält förklaras av den samordnade inriktningen av elementära strömmar som "vänder" ordentligt (läs om rotationen av en cirkulär ström i ett magnetfält i nästa blad).
Ampères hypotes visade sig vara korrekt – det visade sig ytterligare utveckling fysik. Begreppet elementära strömningar har blivit en integrerad del av teorin om atomen, utvecklad redan på 1900-talet – nästan hundra år efter Ampères lysande gissningar.
