Under lång tid studerades elektriska och magnetiska fält separat. Men 1820 upptäckte den danske vetenskapsmannen Hans Christian Oersted, under en föreläsning om fysik, att den magnetiska nålen vrider sig nära en ledare som leder ström (se fig. 1). Detta bevisade den magnetiska effekten av ström. Efter att ha utfört flera experiment upptäckte Oersted att magnetnålens rotation berodde på strömriktningen i ledaren.
Ris. 1. Oersteds experiment
För att föreställa sig principen genom vilken den magnetiska nålen roterar nära en ledare med ström, betrakta vyn från änden av ledaren (se fig. 2, strömmen riktas in i figuren, - från figuren), nära vilken magnetiska nålar är installerade. Efter att ha passerat ström kommer pilarna att radas upp på ett visst sätt, med motsatta poler till varandra. Eftersom magnetiska pilar är i linje med magnetiska linjer, är magnetlinjerna för en rak ledare med ström cirklar, och deras riktning beror på strömriktningen i ledaren.
Ris. 2. Placering av magnetiska nålar nära en rak ledare med ström
För en tydligare demonstration magnetiska linjer ledare med ström, kan du utföra följande experiment. Om järnspån hälls runt en strömförande ledare, så kommer efter en tid spånen, när de väl befinner sig i ledarens magnetfält, att magnetiseras och ordnas i cirklar som omger ledaren (se fig. 3).
Ris. 3. Arrangemang av järnspån runt en strömförande ledare ()
För att bestämma riktningen för magnetiska linjer nära en strömförande ledare finns det gimlet regel(höger skruvregel) - om du skruvar en gimlet i strömriktningen i ledaren, kommer rotationsriktningen för gimlethandtaget att indikera riktningen för linjerna magnetiskt fält ström (se fig. 4).
Ris. 4. Gimlet-regel ()
Du kan också använda högerhandsregel- om du pekar tummen på din högra hand i riktning mot strömmen i ledaren, kommer fyra böjda fingrar att indikera riktningen för strömmens magnetfältslinjer (se fig. 5).
Ris. 5. Högerhandsregel ()
Båda dessa regler ger samma resultat och kan användas för att bestämma strömriktningen i magnetfältlinjernas riktning.
Efter att ha upptäckt fenomenet med uppkomsten av ett magnetfält nära en ledare som bär ström, skickade Oersted resultaten av sin forskning till de flesta av de ledande forskarna i Europa. Efter att ha mottagit dessa uppgifter började den franske matematikern och fysikern Ampere sin serie experiment och visade efter en tid för allmänheten sin erfarenhet av interaktionen mellan två parallella ledare med ström. Ampere fastställde att om en elektrisk ström flyter i en riktning genom två parallella ledare, så attraherar sådana ledare (se fig. 6 b) om strömmen flyter in motsatta sidor- ledare stöter bort (se bild 6 a).
Ris. 6. Amperes experiment ()
Från sina experiment drog Ampere följande slutsatser:
1. Det finns ett magnetfält runt en magnet, eller en ledare, eller en elektriskt laddad rörlig partikel.
2. Ett magnetfält verkar med viss kraft på en laddad partikel som rör sig i detta fält.
3. Elektricitet representerar den riktade rörelsen av laddade partiklar, så ett magnetfält verkar på en ledare som bär ström.
Figur 7 visar en trådrektangel, vars riktning strömmen visas med pilar. Använd gimlet-regeln och rita en magnetisk linje nära rektangelns sidor och anger dess riktning med en pil.
Ris. 7. Illustration för problemet
Lösning
Vi skruvar en imaginär gimlet längs rektangelns sidor (ledande ram) i strömriktningen.
Nära höger sida av ramen kommer magnetiska linjer att lämna mönstret till vänster om ledaren och gå in i mönstret till höger om det. Detta indikeras av pilregeln i form av en prick till vänster om ledaren och ett kryss till höger om den (se fig. 8).
På liknande sätt bestämmer vi riktningen för magnetlinjerna nära de andra sidorna av ramen.
Ris. 8. Illustration för problemet
Amperes experiment, där magnetiska pilar installerades runt spolen, visade att när ström flödade genom spolen, var pilarna till solenoidens ändar installerade med olika poler längs tänkta linjer (se fig. 9). Detta fenomen visade att det finns ett magnetfält nära den strömförande spolen, och även att solenoiden har magnetiska poler. Om du ändrar riktningen på strömmen i spolen kommer magnetnålarna att vända.
Ris. 9. Amperes experiment. Bildandet av ett magnetfält nära en spole med ström
För att bestämma magnetiska poler strömspolar används högerregel för solenoid(se fig. 10) - om du spänner fast solenoiden med höger handflata och pekar fyra fingrar i riktning mot strömmen i svängarna, så kommer tummen att visa riktningen för magnetfältslinjerna inuti solenoiden, dvs. är, till dess nordpol. Denna regel låter dig bestämma riktningen för strömmen i spolens varv genom platsen för dess magnetiska poler.
Ris. 10. Högerregel för en strömförande solenoid
Bestäm riktningen för strömmen i spolen och polerna vid strömkällan om, när ström passerar genom spolen, de magnetiska polerna som anges i figur 11 visas.
Ris. 11. Illustration för problemet
Lösning
Enligt högerregeln för solenoiden kommer vi att ta tag i spolen så att tummen pekar mot dess nordpol. De fyra böjda fingrarna kommer att indikera riktningen för strömmen nedför ledaren, därför är strömkällans högra pol positiv (se fig. 12).
Ris. 12. Illustration för problemet
I den här lektionen undersökte vi fenomenet med uppkomsten av ett magnetfält nära en rak ledare med ström och en spole med ström (solenoid). Reglerna för att hitta magnetiska linjer i dessa fält studerades också.
Bibliografi
- A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. Fysik 9. - Bustard, 2006.
- G.N. Stepanova. Samling av problem i fysik. - M.: Utbildning, 2001.
- A. Fadeeva. Fysikprov (åk 7 - 11). - M., 2002.
- V. Grigoriev, G. Myakishev Krafter i naturen. - M.: Nauka, 1997.
Läxa
- Internetportal Clck.ru ().
- Internetportal Class-fizika.narod.ru ().
- Internetportal Festival.1september.ru ().
Figur 94 visar placeringen av magnetiska nålar runt en strömförande ledare placerad vinkelrätt mot ritningens plan. Figuren visar att ändring av strömriktningen leder till en rotation av alla magnetiska nålar med 180°. Dessutom, i båda fallen, är pilaxlarna tangerade till de magnetiska linjerna.
Ris. 94. Riktningen för de magnetiska fältlinjerna som skapas av en strömförande ledare beror på strömriktningen i ledaren
Följaktligen beror riktningen för strömmens magnetfältslinjer på strömriktningen i ledaren.
Detta förhållande kan uttryckas med gimlet-regeln (eller rätt skruvregel), som är följande: om riktningen Framåtriktad rörelse gimleten sammanfaller med strömriktningen i ledaren, då sammanfaller gimlethandtagets rotationsriktning med riktningen för strömmens magnetfältslinjer (fig. 95, 96).
Ris. 95. Tillämpning av gimletregeln: ledaren med ström är placerad vinkelrätt mot ritningens plan
Ris. 96. Tillämpning av gimletregeln: den strömförande ledaren är placerad i ritningens plan
Med hjälp av gimlet-regeln kan du i strömriktningen bestämma riktningen för magnetfältlinjerna som skapas av denna ström, och i riktningen för magnetfältlinjerna - riktningen för strömmen som skapar detta fält.
För att bestämma riktningen för magnetfältslinjerna i solenoiden är det bekvämare att använda en annan regel, som ibland kallas högerregeln. Denna regel är formulerad enligt följande: om du spänner fast solenoiden med din högra hand och pekar fyra fingrar i riktning mot strömmen i svängarna, så kommer den förlängda tummen att visa riktningen för magnetfältslinjerna inuti solenoiden ( Fig. 97).
Ris. 97. Bestämma riktningen för magnetfältslinjerna inuti solenoiden
Du vet redan att magnetfältet för en solenoid (se fig. 90) liknar fältet för en permanent remsmagnet (se fig. 88). En solenoid, som en magnet, har poler: änden av solenoiden från vilken de magnetiska linjerna kommer ut är nordpolen, och änden i vilken magnetlinjerna går in är sydpolen.
Genom att känna till riktningen för strömmen i solenoiden, med hjälp av den högra regeln, kan du bestämma riktningen för de magnetiska fältlinjerna inuti den, och därför dess magnetiska poler.
Omvänt, genom riktningen av magnetfältslinjerna inuti solenoiden eller placeringen av dess poler, kan riktningen för strömmen i solenoidens varv bestämmas.
Högerregeln kan också användas för att bestämma riktningen för magnetfältslinjerna i mitten av spolen med ström.
Frågor
- Beskriv ett experiment som bekräftar sambandet mellan strömriktningen i en ledare och riktningen för de magnetfältslinjer som skapas av ledaren.
- Formulera gimletregeln.
- Vad kan du avgöra med hjälp av gimlet-regeln?
- Ange högerhandsregeln.
- Vad kan avgöras med hjälp av högerhandsregeln?
Övning 32
Frågor.
1. Hur kan man experimentellt visa sambandet mellan strömriktningen i en ledare och riktningen för dess magnetfältlinje?
Om du ändrar riktningen på strömmen i en ledare till den motsatta, kommer alla magnetiska nålar som finns i magnetfältet som skapas av denna ledare också att rotera 180°.
2. Formulera gimletregeln.
Om gimletens translationsrörelse sammanfaller med strömriktningen i ledaren, sammanfaller rotationsriktningen för gimlethandtaget med riktningen för de magnetiska fältlinjerna som skapas av denna ström.
3. Vad kan fastställas med hjälp av gimlet-regeln?
Med hjälp av gimlet-regeln kan du bestämma riktningen för magnetfältslinjerna, genom att känna till strömmens riktning eller vice versa.
4. Ange högerregeln för solenoiden.
Om vi föreställer oss att höger hand är en solenoid och placerar den så att strömmen kommer ut ur fingertopparna, kommer tummen att indikera riktningen för de magnetiska induktionslinjerna.
5. Vad kan fastställas med hjälp av högerhandsregeln?
Med hjälp av högerregeln kan du bestämma riktningen för magnetiska linjer, känna till strömmens riktning och vice versa.
Övningar.
1. Figur 99 visar en trådrektangel, strömriktningen i den visas med pilar. Rita ritningen i en anteckningsbok och, med hjälp av gimlet-regeln, rita en magnetisk linje runt var och en av dess fyra sidor, och anger dess riktning med en pil.
2. Figur 100 visar magnetfältslinjerna runt strömförande ledare. Konduktörer avbildas som cirklar. Rita ritningen i en anteckningsbok och använd symboler för att indikera strömriktningarna i ledarna, med hjälp av gimlet-regeln för detta.
.jpg)
.jpg)
3. En ström i den angivna riktningen leds genom en spole, inuti vilken det finns en stålstång (fig. 101). Bestäm polerna för den resulterande elektromagneten. Hur kan du ändra positionen för polerna på denna elektromagnet?
.jpg)
Enligt högerregeln finner vi att elektromagneten som visas i figur 101 har sydpolen S till vänster och nordpolen N till höger. För att ändra polernas position till motsatt måste du göra säker på att strömmen flyter i motsatt riktning.
4. Bestäm riktningen för strömmen i spolen och polerna vid strömkällan (Fig. 102), om, när ström passerar genom spolen, de magnetiska polerna som anges i figuren visas.
.jpg)
I spolen flyter strömmen från höger till vänster, från plus till minus.
5. Strömmens riktning i varven av lindningen av en hästskoformad elektromagnet visas med pilar (fig. 103). Identifiera polerna för en elektromagnet.
.jpg)
Om hästskomagneten är placerad med ett snitt mot oss, så kommer S att vara till vänster, N till höger, om snittet är borta från oss, då vice versa.
6. Parallella ledningar som bär strömmar i samma riktning attraherar och parallella strålar av elektroner som rör sig i samma riktning stöter bort. I vilket av dessa fall orsakas växelverkan av elektriska krafter och i vilka av magnetiska krafter? Varför tror du det?
Eftersom laddningar av samma tecken alltid stöter bort, beror avstötningen av elektronstrålar på elektriska (Coulomb) krafter, och attraktionen av ledare beror på magnetiska krafter.
