Обнаружение магнитного поля

Обнаружение магнитного поля

Обнаружение магнитного поля

При помощи органов чувств человек не может обнаружить магнитное поле. Наличие магнитного поля можно установить при его воздействии на:

  • магнитную стрелку,
  • проводник с током,
  • движущийся электрический заряд.

Так, магнитное поле способно поворачивать в пространстве магнитные стрелки и рамки с токами, то есть на данные объекты наше поле оказывает ориентирующее воздействие. На проводник с током и перемещающийся заряд в магнитном поле действуют магнитные силы, перпендикулярные направлению перемещения зарядов.

Ориентирующее действие магнитного поля

Поместим малую (пробную) рамку с током в магнитное поле.

Замечание 1

Пробная рамка с током отвечает следующим требованиям:

  1. Она имеет малые размеры, такие, что ее поведение отражало бы характер поля в точке.
  2. Сила тока в рамке должна быть малой, такой, что влияние этого тока на источники исследуемого магнитного поля было бы несущественным.

Повернем нашу рамку на некоторый угол $\alpha $ относительно ее положения равновесия. Тогда на рамку будет оказывать действие момент сил, зависящий от силы тока в рамке $I$, площади ее поверхности $S$:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

$M\sim IS\sin {\alpha \, \left( 1 \right),}$

где $\alpha $ – угол поворота рамки.

Если рамку развернуть перпендикулярно силовым линиям поля, тогда $\alpha =\frac{\pi }{2},$, а вращающий момент сил становится наибольшим:

$M_{max}\sim IS\left( 2 \right)$.

Отношение $M_max$ к силе тока и площади сечения рамки будет характеристикой магнитного поля в точке расположения рамки:

$B=\frac{M_{max}}{IS}\left( 3 \right)$.

где $B$ – величина вектора магнитной индукции поля, являющаяся одним из основных параметров, описывающих поле.

Действие магнитного поля на заряженные частицы

Проведем следующий эксперимент. В трубке осциллографа получим прямолинейный пучок электронов, которые движутся по прямой линии. Падая на экран, этот пучок оставит лед в виде небольшого пятна. Приблизим к этому пучку снизу северный полюс линейного магнита. Пучок электронов сместится.

Изменим полюс магнита, смещение пучка произойдет в противоположную сторону. Данный эксперимент указывает на то, что перемещающиеся электроны испытывают действие некоторой специфической силы в магнитном поле. Причем опыты показали, что эта сила пропорциональна скорости движения электронов.

Подобным образом ведут себя любые другие заряженные частицы, перемещающиеся в магнитном поле.

Сила, действующая на заряженную частицу, перемещающуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, она равна:

$\vec{F}_{L}=q\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)\left( 4 \right)$,

где характеристиками частицы являются:

  • $q$ – величина заряда частицы;
  • $\vec v$ — скорость движения частицы.

характеристикой поля является вектор магнитной индукции.

Выражение (4) является справедливым для постоянных и переменных магнитных полей.

Замечание 2

На заряд, находящийся в покое, магнитное поле не оказывает действия. Индикатором наличия магнитного поля служит перемещающийся заряд.

Формула (4) показывает принципиальный способ измерения индукции магнитного поля по силе воздействия поля на движущийся заряд.

С этой целью убеждаются в отсутствии электрического поля при помощи неподвижного заряда.

Находят такое направление скорости ($\vec v$), при котором сила Лоренца становится равной нулю. Это будет происходить, если вектор скорости сонаправлен или направлен в противоположную сторону вектору индукции. Так, с точностью до знака определяется направление магнитного поля.

Измеряют силу Лоренца при движении заряда нормально к вектору индукции поля. При этом:

$F_{L}=q\left( \vec{v}_{n}\times \vec{B} \right)\left( 5 \right)$,

где $\vec{v}_{n}\quad $ – скорость движения частицы перпендикулярная вектору поля ($\left( \vec{v}_{n}\vec{B} \right)=0)$. Следовательно:

$\vec{B}=\frac{1}{{qv}_{n}{2}}\left( \vec{F}_{L}\times \vec{v}_{n}\right)\left( 6 \right)$.

Формула (6) однозначно определяет вектор магнитной индукции.

Действие магнитного поля на токи

Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.

Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:

$\vec{j}=nq\vec{v}\left( 7 \right)$.

Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:

$d\vec{F}=nq\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)dV=(\vec{j}\times\vec{B})dV\left( 8 \right)$,

где $N=ndV$ — число частиц в объеме $dV$.

Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:

$d\vec{F}=I\left( d\vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 9 \right)$.

где $\vec jdV=I d\vec j$. Направление вектора $ d\vec j$ — совпадает с направлением силы тока.

Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.

Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:

$\vec{F}_{A}=I\left( \vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 10 \right)$,

где $l$ — длина прямого проводника.

Модуль силы Ампера из (10) равен:

$F_{A}=IBL\sin \left( \hat{\vec{l}\vec{B}} \right)\left( 11 \right)$.

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $\vec l$ и $\vec B$ и направлен по правилу правого винта.

Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:

$dF=\frac{\mu_{0}I_{1}I_{2}}{2\pi R}dl\left( 12 \right)$,

где R – расстояние между проводниками, $dF$ — сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.

Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.

Воздействие токов на магниты

Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.

Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику.

При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку.

Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/magnitnoe_pole/obnaruzhenie_magnitnogo_polya/

§ 36. Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Обнаружение магнитного поля

Из курса физики 8 класса вы знаете, что на всякий проводник с током, помещённый в магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с некоторой силой.

Наличие такой силы можно показать с помощью установки, изображённой на рисунке 101. Трёхсторонняя рамка ABCD, изготовленная из медной проволоки, подвешена на крюках так, что может свободно отклоняться от вертикали.

Сторона ВС находится в области наиболее сильного магнитного поля дугообразного магнита, располагаясь между его полюсами (рис. 101, а). Рамка присоединена к источнику тока последовательно с реостатом и ключом.

Рис. 101. Действие магнитного поля на проводник с током

При замыкании ключа в цепи возникает электрический ток, и сторона ВС втягивается в пространство между полюсами (рис. 101, б).

Если убрать магнит, то при замыкании цепи проводник ВС двигаться не будет. Значит, со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила, отклоняющая его от первоначального положения.

Действие магнитного поля на проводник с током может быть использовано для обнаружения магнитного поля в данной области пространства.

Конечно, обнаружить магнитное поле проще с помощью компаса. Но действие магнитного поля на находящуюся в нём магнитную стрелку компаса, по существу, тоже сводится к действию поля на элементарные электрические токи, циркулирующие в молекулах и атомах магнитного вещества, из которого изготовлена стрелка.

Таким образом, магнитное поле создаётся электрическим током и обнаруживается по его действию на электрический ток.

Изменим направление тока в цепи, поменяв местами провода в гнёздах изолирующей штанги (рис. 102). При этом изменится и направление движения проводника ВС, а значит, и направление действующей на него силы.

Рис. 102. Направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током, зависит от направления тока

Направление силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами полюсы магнита (т. е. изменить направление линий магнитного поля). Следовательно, направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить, пользуясь правилом левой руки.

В наиболее простом случае, когда проводник расположен в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, это правило заключается в следующем: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы (рис. 103).

Рис. 103. Применение правила левой руки к проводнику с током

Пользуясь правилом левой руки, следует помнить, что за направление тока в электрической цепи принимается направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Другими словами, четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в электрической цепи.

В таких проводящих средах, как растворы электролитов, где электрический ток создаётся движением зарядов обоих знаков, направление тока, а значит, и направление четырёх пальцев левой руки совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

С помощью правила левой руки можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятые движущиеся в нём частицы, как положительно, так и отрицательно заряженные.

Для наиболее простого случая, когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это правило формулируется следующим образом: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на частицу силы (рис. 104).

Рис. 104. Применение правила левой руки к заряженным частицам, движущимся в магнитном поле

По правилу левой руки можно также определить направление тока (если знаем, как направлены линии магнитного поля и действующая на проводник сила), направление магнитных линий (если известны направления тока и силы), знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы) и т. д.

Следует отметить, что сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линией магнитной индукции или параллельны ей (рис. 105).

Рис. 105. Магнитное поле не действует в случаях, если прямолинейный проводник с током или скорость движущейся заряженной частицы параллельны линиям магнитного поля или совпадают с ними

Вопросы

  1. Какой опыт позволяет обнаружить наличие силы, действующей на проводник с током в магнитном поле?
  2. Как обнаруживается магнитное поле?
  3. От чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле?
  4. Сформулируйте правило левой руки для находящегося в магнитном поле проводника с током; для движущейся в этом поле заряженной частицы.
  5. Что можно определить, пользуясь правилом левой руки?
  6. В каком случае сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю?

Упражнение 33

  1. В какую сторону покатится лёгкая алюминиевая трубочка при замыкании цепи (рис. 106)?

    Рис. 106

  2. На рисунке 107 изображены два оголённых проводника, соединённых с источником тока, и лёгкая алюминиевая трубочка АВ.

    Рис. 107

    Вся установка находится в магнитном поле. Определите направление тока в трубочке АВ, если в результате взаимодействия этого тока с магнитным полем трубочка катится по проводникам в направлении, указанном на рисунке.

    Какой полюс источника тока является положительным, а какой — отрицательным?

  3. Между полюсами магнитов (рис. 108) расположены четыре проводника с током. Определите, в какую сторону движется каждый из них.

    Рис.

    108

  1. Отрицательно заряженная частица движется со скоростью и в магнитном поле (рис. 109). Укажите направление силы, с которой поле действует на частицу.

    Рис. 109

  2. Магнитное поле действует с силой F на частицу, движущуюся со скоростью v (рис. 110). Определите знак заряда частицы.

Рис. 110

Источник: http://tepka.ru/fizika_9/36.html

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Обнаружение магнитного поля

Цели урока:

  • Образовательные:
    • изучить как обнаруживается магнитное поле по его действию на электрический ток, изучить правило левой руки, повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений;
    • закрепить знания по предыдущим темам;
    • научить применять знания, полученные на уроке;
    • показать связь с жизнью;
    • расширить межпредметные связи.
  • Воспитательные:
    • формировать интерес к предмету, к учебе, воспитывать инициативу, творческое отношение, воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки, как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.
  • Развивающие:
    • развивать физическое мышление учащихся, их творческие способности, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес путем привлечения дополнительного материала, а также потребности к углублению и расширению знаний;
    • развивать речевые навыки;
    • формировать умения выделять главное, делать выводы, развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Этапы урока:

1. Организационный момент – 2 мин.
2. Проверка домашнего задания, знаний и умений – 6
мин.
3. Объяснение нового материала – 18 мин.
4. Физкультминутка – 2 мин.
5. Закрепление. Решение задач – 15 мин.

6. Итоги. Выводы. Домашнее задание  – 2 мин.

ХОД УРОКА

I.   Проверка домашнего задания, знаний
и умений – 6 мин

1. Магнитное поле порождается______________
(электрическим током).
2. Магнитное поле создается
______________заряженными частицами (движущимися).
3. За направление магнитной линии в какой-либо ее
точке условно принимают направление, которое
указывает _________полюс магнитной стрелки,
помещенной в эту точку (северный).
4.

Магнитные линии выходят из _________ полюса магнита
и входят в ________. (Северного, южный).
5. Как взаимодействуют два провода троллейбусной
линии: притягиваются или отталкиваются?
(Притягиваются).
Поменялись листочками и проверили друг друга. На
кодоскопе высвечиваются правильные ответы.

Правильных ответов: 5 ответов– 5 баллов, 4 ответа
– 4 балла, 3 ответа – 3 балла, 1 – 2 ответа – 2 балла.

II.  Объяснение нового материала – 20 мин

Учитель:  Как можно обнаружить
магнитное поле? Оно не действует на наши органы
чувств – не имеет запаха, цвета, вкуса. Мы не
можем, правда, с уверенностью утверждать, что в
животном мире нет существ, чувствующих магнитное
поле. В США и Канаде для отгона миног с места
скопления мальков на реках, впадающих в Великие
озера, установлены электромагнитные барьеры.

Ученые объясняют способность рыб
ориентироваться в просторах океана их реакцией
на магнитные поля…
Сегодня на уроке мы изучим,  как  обнаружить
магнитного поля по его действию на электрический
ток и изучим правило левой руки.

На всякий проводник с током, помещенный в
магнитное поле и не совпадающий с его магнитными
линиями, это поле действует с некоторой силой,
наличие такой силы можно посмотреть с помощью
такого опыта: проводник подвешен на гибких
проводах, который через ключ присоединен к
аккумуляторам. Проводник помещен между полюсами
подковообразного магнита, т. е. находится в
магнитном поле.

При замыкании ключа в цепи возникает
электрический ток, и проводник приходит в
движение. Если убрать магнит, то при замыкании
цепи проводник с током двигаться не будет.

Если ученики смогут сами ответить:
Значит, со стороны магнитного поля на проводник с
током действует некоторая сила, отклоняющая его
от первоначального положения.

Учитель: Действие магнитного поля на
проводник с током может быть использовано для
обнаружения магнитного поля в данной области
пространства.
Конечно, обнаружить магнитное поле проще с
помощью компаса.

Но действие магнитного поля на
находящуюся в нем магнитную стрелку компаса, по
существу, тоже сводится к действию поля на
элементарные электрические токи, циркулирующие
в молекулах и атомах магнитного вещества, из
которого изготовлена стрелка.

Вывод 1: Таким образом, магнитное
поле создается электрическим током и
обнаруживается по его действию на электрический
ток.
Выясним, от чего зависит направление силы,
действующей на проводник с током в магнитном
поле.

Опыт показывает, что при изменении
направления тока изменяется и направление
движения проводника, а значит, и направление
действующей на него силы Направление силы
изменится и в том случае, если, не меняя
направления тока, поменять местами полюсы
магнита (т. е.

изменить направление линий
магнитного поля).
Следовательно, направление тока в проводнике,
направление линий магнитного поля и направление
силы, действующей на проводник, связаны между
собой.

Направление силы, действующей на проводник с
током в магнитном поле, можно определить,
пользуясь правилом левой руки.

В наиболее
простом случае, когда проводник расположен в
плоскости, перпендикулярной линиям магнитного
поля, это правило заключается в следующем: если
левую руку расположить так, чтобы линии
магнитного поля входили в ладонь
перпендикулярно к ней, а четыре пальца были
направлены по току, то отставленный на 90° большой
палец покажет направление действующей на
проводник силы.

Ученики: за направление тока во
внешней части электрической цепи (т.е. вне
источника тока) принимается направление от
положительного полюса источника тока к
отрицательному.

Учитель: Пользуясь правилом левой
руки это следует помнить. Другими словами, четыре пальца левой руки должны
быть направлены против движения электронов в
электрической цепи.

В таких проводящих средах,
как растворы электролитов, где электрический ток
создается движением зарядов обоих знаков,
направление тока, а значит, и направление четырех
пальцев левой руки совпадает с направлением
движения положительно заряженных
частиц.

                                                    
                              

С помощью правила левой руки можно определить
направление силы, с которой магнитное поле
действует на отдельно взятую движущуюся в нем
частицу, как положительно, так и отрицательно
заряженную.

Для наиболее простого случая, когда
частица движется в плоскости, перпендикулярной
магнитным линиям, это правило формулируется
следующим образом: если левую руку
расположить так, чтобы линии магнитного поля
входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре
пальца были направлены по движению положительно
заряженной частицы (или против движения
отрицательно заряженной), то отставленный на 90°
большой палец покажет направление действующей
на частицу силы.

Пользуясь правилом левой руки, можно
определить не только направление силы,
действующей в магнитном поле на проводник с
током или движущуюся заряженную частицу.

По
этому правилу мы можем определить направление
тока (если знаем, как направлены линии магнитного
поля и действующая на проводник сила),
направление магнитных линий (если известны
направления тока и силы), знак заряда движущейся
частицы (по направлению магнитных линий, силы и
скорости движения частицы).

Сила действия магнитного поля на проводник с
током или движущуюся заряженную частицу равна
нулю, если направление тока в проводнике или
скорость частицы совпадают с линиями магнитного
поля или параллельны им.

III. Физкультминутка – 2 мин.

Встаньте, пожалуйста. Вы – компас, ваше лицо
– указывает всегда на север, затылок – на юг,
стена – это северный полюс, противоположная
доска – южный полюс. – Дети поворачиваются лицом
к стене. Полюса поменялись. Дети поворачиваются
лицом к доске. Возникают магнитные бури – дети
начинают качаться и вращаться.
Отдохнули, спасибо, присаживайтесь.

А знаете ли вы, что…

  • Сильное магнитное поле влияет на рост кристаллов: например, монокристаллы меди, сформировавшиеся в сильных магнитных полях, обладают более совершенной кристаллической решеткой.
  • Сильное магнитное поле используется и для лечения такого распространенного и опасного заболевания, как нарушение ритма сердечных сокращений (аритмия). Сердце – орган, непрерывно совершающий ритмичные сокращения, период которых определяется слабыми электрическими сигналами, посылаемыми головным мозгом. При заболеваниях сердца ритм сокращений нарушается. В особо тяжелых случаях используют дефибрилляторы – приборы, генерирующие импульсы высокого напряжения, причем электроды накладываются непосредственно на область сердца, в результате чего нередко получается ожог. При использовании пульсирующего магнитного поля, вызывающего индукционные токи в нервных клетках, эта опасность исключается.

Магнитный страж прилавка

Чтобы как-то защититься от краж, владельцы
магазинов прикрепляют к товару особые бирки,
которые отрываются на контрольном пункте после
того, как уплачены деньги.

Бирки – крошечные
антенны – при попытке вынести покупку из
магазина без оплаты включают на выходе сигнал
тревоги за счет резонансного усиления
радиосигнала, поступающего от небольших
радиопередатчиков, установленных на выходе.

Однако этот способ оказался не совсем надежен:
вор может, заэкранировав бирку кусочком фольги
или собственным телом, обмануть сигнальное
устройство.
Чтобы этого не случалось, фирма «Чекмейт
системс» разработала новую систему.

Контрольная
бирка изготавливается теперь из магнитного
материала, а на выходе магазина стоят
высокочувствительные магнитометры.

Система отрегулирована так, что она не реагирует
на металлические предметы малого размера: ключи,
часы, пряжки и ювелирные изделия, но отчаянно
трезвонит, когда замечает контрольную бирку.

IV. Закрепление материала. Решение задач – 15
мин.

Учитель:Упр. 36 (1). В какую сторону
покатится легкая алюминиевая трубочка при
замыкании цепи?
Ученики дают ответы: по правилу левой
руки линии магнитного поля входят в ладонь,
электрический ток течет по трубочке, значит,
трубочка покатится к источнику тока.
Учитель: Давайте проверим на опыте ваши
ответы.

Решение задач: № 1068, № 1069 (а, б),  №
1070, № 1078.   

Учитель: Сегодня на уроке мы изучили,
как обнаружить магнитное поле по его действию на
электрический ток. Рассмотрели правило левой
руки.

V. Домашнее задание: § 46, упр. 36 (2, 3, 4, 5).

30.01.2008

Источник: https://urok.1sept.ru/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/503252/

Booksm
Добавить комментарий