Проверки и анализы 

Магнитная индукция поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током, –. Магниты и магнитное поле проводника с током

Инструкция

Чтобы узнать направление магнитных для прямого проводника с , расположите его так, чтобы электрический ток шел в направлении от вас (например, в лист бумаги). Попробуйте вспомнить, как двигается бур или закручиваемый отверткой винт: по часовой и . Изобразите это движение рукой, чтобы понять направление линий . Таким образом, линии магнитного поля направлены по часовой стрелке. Отметьте их схематично на чертеже. Этот метод правилом буравчика.

Если проводник расположен не в том направлении, мысленно встаньте таким образом или поверните конструкцию так, чтобы ток от вас удалялся. Затем вспомните движение бура или винта и поставьте направление магнитных линий по часовой стрелке.

Если правило буравчика кажется вам сложным, попробуйте использовать правило правой руки. Чтобы с его помощью определить направление магнитных линий , расположите руку используйте правую руку с оттопыренным большим пальцем. Большой палец направьте по движению проводника, а 4 остальных пальца – в направлении индукционного тока. Теперь обратите внимание, силовые линии магнитного поля в вашу ладонь.

Для того, чтобы использовать правило правой руки для катушки с током, обхватите его мысленно ладонью правой руки так, чтобы пальцы были направлены вдоль тока в витках. Посмотрите, куда смотрит отставленный палец – это и есть направление магнитных линий внутри . Этот способ поможет определить ориентацию металлической болванки, если вам нужно зарядить при помощи катушки с током.

Чтобы определить направление магнитных линий при помощи магнитной стрелки, расположите несколько таких стрелок вокруг провода или катушки. Вы увидите, что оси стрелок направлены по касательным к окружности. С помощью этого метода можно найти направление линий в каждой точке пространства и их непрерывность.

Под линиями индукции понимают силовые линии магнитного поля. Для того чтобы получить информацию об этом виде материи, недостаточно знать абсолютную величину индукции, нужно знать и ее направление. Направление линий индукции можно найти при помощи специальных приборов или пользуясь правилами.

Вам понадобится

  • - прямой и круговой проводник;
  • - источник постоянного тока;
  • - постоянный магнит.

Инструкция

Подключите к источнику постоянного тока прямой проводник. Если по нему течет ток, он магнитным полем, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности. Определите направление силовых линий, воспользовавшись правилом . Правым буравчиком называется винт, продвигающийся при вращении в правую сторону (по часовой стрелке).

Определите направление тока в проводнике, учитывая, что он протекает от положительного полюса источника к отрицательному. Шток винта расположите параллельно проводнику. Начинайте вращать его так, чтобы шток начал двигаться в направлении тока. В этом случае направление вращения рукоятки покажет направление линий индукции магнитного поля.

Найдите направление силовых линий индукции витка с током. Для этого используйте то же правого буравчика. Буравчик расположите таким образом, чтобы рукоятка вращалась в направлении протекания тока. В этом случае движение штока буравчика покажет направление линий индукции. Например, если ток протекает в витке по часовой стрелке, то линии магнитной индукции будут плоскости витка и будут уходить в его плоскость.

Если проводник двигается во внешнем магнитном поле, определите его направление, пользуясь правилом левой руки. Для этого расположите левую руку так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, а отставленный большой палец, направление движения проводника. Тогда линии индукции однородного магнитного поля будут входить в ладонь левой руки.

Видео по теме

В процессе создания чертежа инженер сталкивается с целым спектром проблем, умение решать которые является степенью его квалификации. Определение видимости на чертежах многосложных деталей есть одна из упомянутых проблем. Самый распространенный метод определения видимости на чертеже – метод конкурирующих точек.

Вам понадобится

  • Изображения детали без определенной видимости по крайней мере в двух главных видах, захватывающих вид спереди, для этого лучше подойдут вид спереди и сверху, отмеченные ключевые точки на чертеже, в которых будет определяться видимость.

Инструкция

Найдите на чертеже точки, проекции которых на либо плоскости совпадают, не совпадая при этом на плоскости проекции. Такие точки конкурирующими и они будут использованы нами в качестве опорных точек при построении видимости, сообщая нам о нахождении в пространстве тех , к которым эти точки привязаны.

Через отмеченные вами ранее точки, предназначенные для видимости, проведите прямые таким образом, чтобы они были перпендикулярны одной из главных плоскостей проекции, при этом автоматически становясь параллельными другой плоскости проекции.

Отметьте точки пересечения , проведенных вами в предыдущем шаге, с деталью. Эти точки будут конкурирующими, поскольку их проекции на одной плоскости будут совпадать, не совпадая при этом на другой плоскости. Если проекции точек совпадают на фронтальной плоскости (П1), то точки называются фронтально конкурирующими. Если проекции точек совпадают на горизонтальной плоскости (П2), то такие точки называются горизонтально-конкурирующими.

Определите видимость. Для фронтально конкурирующих точек видимость определяется на виде сверху. Та точка, горизонтальная проекция ниже, то есть ближе к наблюдателю, будет видима на виде спереди. Соответственно другая точка, конкурирующая данной, будет невидима. Для горизонтально конкурирующих точек видимость определяется на виде спереди, при этом та точка будет видима, которая находится выше остальных, а все остальные, конкурирующие данной, будут невидимы.

Магнитное поле не воспринимается органами чувств человека. Для того чтобы его увидеть, необходим специальный прибор. Он позволяет наблюдать форму силовых линий магнитного поля в трехмерном виде.

Инструкция

Приготовьте основу прибора - пластмассовую бутылку. Применять стеклянную нежелательно, поскольку она может быть разбита в ходе опытов магнитом, инструментами или другими металлическими предметами. У бутылки должна быть наклейка только с одной стороны. Если наклейка , удалите одну из ее половин, а если ее нет вообще, закрасьте один бок бутылки белой краской. Получится фон, на котором силовые линии наиболее заметны.

Расположитесь в любом помещении, кроме кухни. Постелите на стол газету, наденьте защитные перчатки. Настригите на нее ненужными ножницами из старой металлической мочалки для мытья посуды. Заверните в пакет и этим приспособлением полностью соберите . Вставьте в горлышко бутылки воронку, а затем, поместив приспособление над воронкой, уберите магнит из пакета. Опилки отделятся от пакета и через воронку в бутылку. Ни в коем случае не допускайте попадания опилок на пол и любые окружающие предметы, особенно одежду, обувь и продукты питания! Теперь наполните бутылку почти доверху прозрачным и безопасным маслом, после чего плотно закупорьте. Тщательно вымойте готовый прибор снаружи от остатков масла.

Перемешайте опилки с маслом, вращая бутылку. Просто встряхивать ее неэффективно. Теперь поднесите к ней магнит, и опилки выстроятся в соответствии с формой силовых линий. Чтобы подготовить прибор к следующему опыту, уберите магнит и снова перемешайте опилки с маслом, как указано выше.

Попробуйте пронаблюдать силовые линии поле й магнитов различной формы. Зарисуйте или сфотографируйте их. Подумайте, они имеют именно такую форму, на этот вопрос в учебнике физики. Попробуйте объяснить, почему прибор не на переменные магнитные поля, например, от трансформаторов.

Видео по теме

Обратите внимание

Не разрешайте детям пользоваться визуализатором без наблюдения взрослых - это не игрушка, а физический прибор. Содержащиеся в нем опилки опасны при проглатывании.

Источники:

  • Трехмерный визуализатор магнитных полей в 2019

Истинным направлением тока является то, в котором движутся заряженные частицы. Оно, в свою очередь, зависит от знака их заряда. Помимо этого, техники пользуются условным направлением перемещения заряда, не зависящим от свойств проводника.

Инструкция

Для определения истинного направления перемещения заряженных частиц руководствуйтесь следующим правилом. Внутри источника они вылетают из электрода, который от этого заряжается с противоположным знаком, и движутся к электроду, который по этой причине приобретает заряд, по знаку аналогичный частиц. Во внешней же цепи они вырываются электрическим полем из электрода, заряд которого совпадает с зарядом частиц, и притягиваются к противоположно заряженному.

В металле носителями тока являются свободные электроны, перемещающиеся между узлами кристаллической . Поскольку эти частицы заряжены отрицательно, внутри источника считайте их движущимися от положительного электрода к отрицательному, а во внешней цепи - от отрицательного к положительному.

В неметаллических проводниках заряд переносят также электроны, но механизм их перемещения иной. Электрон, покидая атом и тем самым превращая его в положительный ион, заставляет его захватить электрон с предыдущего атома. Тот же электрон, который покинул атом, ионизирует отрицательно следующий. Процесс повторяется непрерывно, пока в цепи ток. Направление движения заряженных частиц в этом случае считайте тем же, что и в предыдущем случае.

В заряд всегда переносят тяжелые ионы. В зависимости от состава электролита, они могут быть как отрицательными, так и положительными. В первом случае считайте их ведущими себя аналогично электронам, а во втором - аналогично положительным ионам в газах или дыркам в полупроводниках.

При указании направления тока в электрической схеме, независимо от того, куда перемещаются заряженные частицы на самом деле, считайте их движущимися в источнике от отрицательного полюса к положительному, а во внешней цепи - от положительного к отрицательному. Указанное направление считается условным, а принято оно до строения атома.

Источники:

  • направление тока

Совет 6: Где найти проводника для похода в горы или в лес

Многих людей, собирающихся в отпуск, привлекает не бесцельное лежание на пляже, а пешие или конные походы в горы или в лес, дающие возможность побыть наедине с природой, полюбоваться красотою мест, не испорченных цивилизацией, да и проверить себя. Но, если вы отправляетесь не просто на прогулку по исхоженным тропам, а в настоящий многодневный поход по неизведанным местам, без проводника вам не обойтись.

Зачем нужен проводник в походе

Даже бывалые и опытные туристы, впрочем, особенно такие, отправляясь в горы или лес по сложному маршруту в тех местах, где они до этого не были, обязательно возьмут с собой проводника. Проводник, это человек, живущий в данной местности и прекрасно знающий ее, который занимается сопровождением профессионально или время от времени.

Такой человек не только досконально изучил здесь каждую тропу, но знает все местной погоды, особенности поведения и правила безопасности. Его присутствие станет гарантией того, что поход пройдет в максимально комфортабельных условиях и все его участники вернутся из него целыми и невредимыми.

Особенно необходим проводник в том случае, когда вы и участники вашей группы – начинающие туристы. Порою незнание элементарных правил безопасности и отсутствие первичных туристических навыков приводят к настоящим человеческим трагедиям. Проводник не только гарант безопасности, но и человек, который обучит вас правилам и покажет вам то, что сами вы просто не сможете разглядеть и увидеть.

Отправляясь в поход, тщательно изучите все особенности данной территории, просмотрите маршрут и подготовьтесь физически.

Как находить проводника для туристического похода

Если местность, куда вы направляетесь, достаточно безлюдная, договориться о сопровождении можно с местными жителями. Как правило, за небольшую (для вас) плату они с удовольствием соглашаются помочь приезжим туристам в этом вопросе. В том случае, когда рядом расположен крупный населенный пункт, можно узнать и обратиться в местные туристические клубы или службу спасения, подразделение МЧС.
Перед тем как выйти на маршрут, предупредите об этом местные спасательные службы и договоритесь о контрольных сроках вашего появления, чтобы в случае задержки помощь была выслана немедленно.

Если они не выделят проводника из рядов своих членов и сотрудников, наверняка посоветуют, к кому из местных жителей вам можно обратиться. Хороший совет и рекомендации вы можете получить и обратившись в торговую точку, где продают горное или туристическое снаряжение, обычно торгуют там люди, не понаслышке знакомые с туризмом и альпинизмом.

Всесильный интернет окажет вам помощь в поиске. Вы можете посмотреть официальные сайты тех городов, которые будут отправной точкой вашего похода, часто там имеется подобная информация. Есть специализированные сайты, предлагающие услуги профессиональных проводников, причем они могут сопровождать вас не только по России, но и за рубежом.

Источники:

  • Заказ проводников и сопровождающих по интернету в 2019

Магнитный лак для ногтей появился на рынке несколько лет назад. Правда, задолго до появления в широкой продаже это средство уже мелькало в лимитированных коллекциях некоторых брендов. Особенность продукта - широкие возможности для дизайна. С помощью специальных магнитов ногти можно украсить стилизованными звездами, снежинками, зигзагами или волнами.

Инструкция

Загадка эффекта магнитного лака в его составе. В формулу включены мельчайшие металлические частицы, которые под действием магнита выстраиваются в определенном порядке. Каждый магнит может «нарисовать» только один вид узора. Поэтому те, кто хотят разнообразия, вынуждены покупать несколько приспособлений с разными мотивами. Хорошая новость для любителей магнитных лаков - все аксессуары для создания рисунков взаимозаменяемы. Вы можете приобрести лаки одной марки и делать на них узоры магнитами другой.

Еще одна общая черта всех лаков этого типа - похожий вид покрытия. Лаки имеют плотную текстуру с перламутровым отблеском, для нанесения средства ровным слоем требуется сноровка. Палитра магнитных лаков ограничена темными сложными оттенками от черно-серого до серо-голубого. Большинство цветов имеет выраженный холодный подтон - его задают металлические частицы, присутствующие в составе.

Магнитные лаки отличаются высокой стойкостью. Однако они могут подчеркнуть все неровности ногтя. Чтобы средство лежало идеально, перед нанесением необходимо выровнять пластину полировочным бруском и нанести на нее слой защитной базы.

Если лаки марок разных ценовых категорий очень похожи, то в категории магнитов царит разнообразие. Начинающим стоит обратить внимание на , укрепленные на подставке - ими гораздо удобнее пользоваться. Достаточно поместить палец на специальную платформу начнет действовать. Пластинки, которые нужно самостоятельно держать над накрашенным ногтем, менее удобны - не всегда удается правильно рассчитать расстояние, необходимое для появления рисунка. Если же поднести пластинку слишком близко, легко смазать свеженанесенный лак.

Самый популярный рисунок для магнитного маникюра - звезда или снежинка. На втором месте разнообразные полосы. Волны и зигзаги встречаются реже, а магниты с необычными узорами вроде цветов или сердечек почти не выпускаются.

Маникюр с магнитным лаком имеет некоторые особенности. Средство наносят довольно толстым слоем, свеженакрашенный ноготь немедленно помещается под магнит. Чем дольше держать магнит над лаком и чем ближе он будет расположен, тем ярче получится рисунок. Наносить на него блестящие топы, жидкие сушки и другие средства нельзя - они размоют поверхность магнитного лака, и узор станет плохо виден. На сушку потребуется не меньше получаса, зато покрытие получится прочным и будет держаться не менее 5 дней.

Видео по теме

Полезный совет

Выбирая узор, учтите, что звезды и поперечные полосы делают ногти короче и шире, а зигзаги, продольные волны и вертикальные полоски наоборот, удлиняют пластину.

Магнитное поле Земли

Глубоко под нашими ногами, под толщей Земной коры находится то, что вот уже много миллиардов лет согревает планету Земля изнутри – огромный океан вязкой раскаленной магмы. Эта магма состоит из множества веществ, в том числе и из металлов, которые очень хорошо проводят электрический ток. На всей планете под поверхностью Земли движутся микроскопические электроны, создавая электрическое, а с ним и магнитное поле.

Перемещение геомагнитных полюсов

Магнитное поле Земли имеет два полюса: Северный геомагнитный полюс (находится в планеты) и Южный геомагнитный полюс (находится в северном полушарии планеты). Одно из самых широко известных необычных явлений, касающихся магнитного поля Земли – это географическое передвижение геомагнитных полюсов.

Дело в том, что на магнитное поле воздействует сразу несколько факторов, способствующих его нестабильному положению. Это и взаимодействие с осью вращения Земли, и различное давление земной коры на разных участках планеты, и приближение/удаление космических тел (Солнца, Луны), и, в большей степени, передвижение магмы.

Поток магмы представляет собой гигантскую мантийную реку, которая движется под воздействием солнечной радиации и вращения Земли с запада на восток. Но, поскольку размеры этой реки огромны, она, как и обычная река, не может двигаться стабильно ровно. Конечно, в идеальных условиях русло мантийной реки должно бы проходить вдоль экватора. В этом случае географические и магнитные полюса Земли совпадали бы. Но природные условия таковы, что во время движения магма ищет зоны наименьшего сопротивления потоку (зоны низкого давления коры) и продвигается к ним, сдвигая при этом магнитное поле и геомагнитные полюса.

Магнитные аномалии

Нестабильность мантийной реки влияет не только на магнитные полюса, но и на возникновение особых зон, названных «магнитными аномалиями». Магнитные аномалии не имеют постоянного месторасположения, могут становиться сильнее/слабее, различаются размерами и причинами возникновения.

Самое распространенное явление – локальные магнитные аномалии (менее 100 квадратных метров). Они встречаются везде, расположены в хаотичном порядке и возникают, в основном, под воздействием месторождений полезных ископаемых, расположенных слишком близко к поверхности Земли.

Другие магнитные аномалии – региональные (до 10 000 квадратных километров). Они возникают вследствие изменения магнитного поля. Их размер и сила зависит от строения земной коры в данной местности. Например, при переходе равнинной местности в гористую, происходит резкий подъем земной коры, как на поверхности Земли, так и под ней. При таком изменении рельефа, скорость движения потока магмы резко увеличивается, частицы вещества сталкиваются друг с другом и возникают колебания в магнитном поле. Одни из самых известных региональных аномалий – Курская и Гавайская.

Самыми крупными являются континентальные магнитные аномалии (площадью более 100 000 квадратных километров). Они обязаны своим возникновением разломами коры Земли и воздействием земной оси. Например, Восточносибирская аномалия вследствие сдвига земной оси именно в эту сторону. Вдобавок, горные хребты разделили мантийную реку на два рукава, текущих в разных направлениях, вследствие чего стрелка компаса будет иметь в этом районе в западное . У берегов Канады складывается другая ситуация. Там находится огромная площадь соприкосновения мантийной реки с корой Земли, вследствие которой возникает напряженность магнитного поля, которая, в свою очередь, оттягивает ось Земли на себя.

Однако самая интересная магнитная аномалия находится на юге Атлантического океана. Магнитная река там поворачивает в противоположную сторону, тем самым меняя магнитное поле таким образом, что эта область противоположна остальному южному полушарию. Эта аномалия знаменита тем, что несколько раз у космонавтов, пролетающих над ней, ломалась мелкая электроника.

Магнитные аномалии разбросаны по всей планете, не имеют постоянного расположения, они появляются и исчезают, становятся сильнее или слабее. Помимо всего прочего, годы исследований показали, что геомагнитное поле планеты слабеет, а магнитные аномалии становятся все сильнее.

Магнитный конструктор и развитие ребенка

Магнитные конструкторы появились на рынке сравнительно недавно. Приобретая набор из магнитов, взрослые часто плохо представляют себе, что же они купили. Для того чтобы разобраться в принципах работы , стоит почитать инструкцию. В инструкции вы найдете несколько вариантов сборки базовых моделей. Магнитные конструкторы предназначены для создания разнообразных фигур и форм, в том числе и объемных.

Главное достоинство магнитного конструктора заключается в том, что он не загоняет фантазию ребенка в рамки, а позволяет ему творить. В инструкции можно найти несколько базовых фигур, сложив которые, ребенок научится «управлять» своей новой игрушкой. Затем подключается фантазия, и малыш начинает творить, создавая новые, фантастические фигуры.

В основе действия магнитного конструктора лежит соединение различных деталей. Внутри каждой детали находятся магниты. При помощи магнитов элементы можно присоединять друг к другу любой стороной. Существует несколько модификаций магнитных наборов. Для самых маленьких – магнитные доски с плоскими элементами. Для детей постарше – детали, позволяющие создавать большие трехмерные фигуры. Большой популярностью пользуются наборы из маленьких магнитных шариков и палочек.

Применение в обучении

Использование конструкторов с магнитными элементами позволяет перенести процесс обучения на новый уровень. Создание из маленьких деталей развивает двигательные навыки, помогает открыть в ребенке новые способности. В процессе игры ребенок узнает о разнообразии форм, учится координироваться свои движения.

Учителя используют магнитные конструкторы в качестве наглядных пособий. Из деталей можно построить форму, демонстрирующую структуру молекул. Или воссоздать человеческий скелет в трехмерной проекции. Или показать детям объемные геометрические формы. Возможность осмотреть и потрогать модели различных фигур в несколько раз повышает уровень усвоения нового материала в школе.

Правила безопасности

Магнитные конструкторы содержат много мелких деталей, поэтому покупать их следует с осторожностью, учитывая возрастные особенности детей. Особенно опасны маленькие магнитные шарики, входящие в состав многих наборов. Эти детали с легкостью могут проникнуть в рот, ухо, нос ребенка. Поэтому рекомендуется покупать магнитные доски с большими деталями.

где r – расстояние от оси проводника до точки.

Согласно предположению Ампера в любом теле существуют микроскопи­ческие токи (микротоки), обусловленные движением электронов в атомах. Они создают свое магнитное поле и ориентируются в магнитных полях макротоков. Макроток - это ток в проводнике под действием ЭДС или разности потенциа­лов. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Магнитное поле макротоков описывается также и вектором напряженности. В случае однородной изо­тропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности соотношением

(5)

где μ 0 - магнитная постоянная; μ- магнитная проницаемость среды, показы­вающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается или ослабляет­ся за счет микротоков среды. Иначе говоря, μ показывает, во сколько раз век­тор индукции магнитного поля в среде больше или меньше, чем в вакууме.

Единица напряженности магнитного поля - А/м. 1А/м - напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна
Тл. Земля пред­ставляет собой огромный шарообразный магнит. Действие магнитного поля Земли обнаруживается на ее поверхности и в окружающем пространстве.

Магнитным полюсом Земли называют ту точку на ее поверхности, в кото­рой свободно подвешенная магнитная стрелка располагается вертикально. По­ложения магнитных полюсов подвержены постоянным изменениям, что обусловлено внутренним строением нашей планеты. Поэтому магнитные полюса не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли рас­положен у северных берегов Америки, а Северный полюс - в Антарктиде. Схе­ма силовых линий магнитного поля Земли показана на рис. 5 (пунктиром обо­значена ось вращения Земли): - горизонтальная составляющая индукции магнитного поля; N r , S r - географические полюсы Земли; N, S - магнитные по­люсы Земли.

Направление силовых линий магнитного поля Земли определяется с по­мощью магнитной стрелки. Если свободно подвесить магнитную стрелку, то она установится по направлению касательной к силовой линии. Так как маг­нитные полюсы находятся внутри Земли,магнитная стрелка устанавливается не горизонтально, а под некоторым углом α к плоскости горизонта. Этот угол α называют магнитным наклонением. С приближением к магнитному полюсу угол α увеличивается. Вертикальная плоскость, в которой расположена стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана, а угол между магнитным игеографическим меридианами - магнитным склонением. Силовой характеристикой магнитного поля, как уже отмечалось, является магнитная индукция В. Ее значение невелико и изменяется от 0,42∙10 -4 Тл на экваторе до 0,7∙10 -4 Тл у магнитных полюсов.

Вектор индукции магнитного поля Земли можно разделить на две состав­ляющие: горизонтальную и вертикальную
(рис. 5). Укрепленная навертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизон­тальной составляющей Земли . Магнитное склонение, наклонение α и горизонтальная составляющая магнитного поля являются основными пара­метрами магнитного поля Земли.

Значение определяют магнитометрическим методом, который основан на взаимодействии магнитного поля катушки с магнитной стрелкой. Прибор, называемый тангенс-буссолью, представляет собой небольшую буссоль (ком­пас с лимбом, разделенным на градусы), укрепленную внутри катушки 1 из не­скольких витков изолированной проволоки.

Катушка расположена в вертикальной плоскости. Она создает добавочное магнитное поле к (диаметр катушки и число витков указываются на приборе).

В центре катушки помещается магнитная стрелка 2. Она должна быть не­большой, чтобы можно было принимать индукцию, действующую на ее полю­сы, равной индукции в центре кругового тока. Плоскость контура катушки ус­танавливается так, чтобы она совпадала с направлением стрелки и была пер­пендикулярна горизонтальной составляющей земного поля r . Под действием r индукции поля Земли и индукции поля катушки стрелка устанавливается по направлению равнодействующей индукции р (рис. 6 а, б).

Из рис. 6 видно, что

(6)

Индукция магнитного поля катушки в центре –

7)

где N - число витков катушки; I - ток, идущий по ней; R - радиус катушки. Из (6) и (7) следует, что

(8)

Важно понять, что формула (8) является приближенной, т.е. она верна только в том случае, когда размер магнитной стрелки намного меньше радиуса контура R. Минимальная ошибка при измерении фиксируется при угле откло­нения стрелки ≈45°. Соответственно этому и подбирается сила тока в катушке тангенс-буссоли.

Порядок выполнения работы

    Установить катушку тангенс-буссоли так, чтобы ее плоскость совпала с на­ правлением магнитной стрелки.

    Собрать цепь по схеме (рис. 7).

3. Включить ток и измерить углы отклонения у концов стрелки
и
. Данные занести в таблицу. Затем с помощью переключателя П изменить направление тока на противоположное, не меняя величины силы тока, и измерить углы отклонения у обоих концов стрелки
и
вновь. Данные занести в таблицу. Таким образом, устраняется ошибка определения угла, связанная с несовпадением плоскости катушки тангенс-буссоли с плоскостью магнитно­го меридиана. Вычислить

Результаты измерений I и занести в таблицу 1.

Таблица 1

    Вычислить В ср. по формуле

где n - число измерений.

    Найти доверительную границу общей погрешности по формуле

,

Где
- коэффициент Стьюдента (при=0,95 иn=5
=2,8).

    Результаты записать в виде выражения

.

Контрольные вопросы

    Что называется индукцией магнитного поля? Какова единица ее измерения? Как определяется направление вектора магнитной индукции?

    Что называется напряженностью магнитного поля? Какова ее связь с магнитной индукцией?

    Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа, вычислить на его основе ин­дукцию магнитного поля в центре кругового тока, индукцию поля прямого тока и соленоида.

    Как определяется направление индукции магнитного поля прямого и круго­вого токов?

    В чем заключается принцип суперпозиции магнитных полей?

    Какое поле называют вихревым?

    Сформулируйте закон Ампера.

    Расскажите об основных параметрах магнитного поля Земли.

    Каким образом можно определить направление силовых линий магнитного поля Земли?

    Почему измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного по­ ля выгоднее проводить при угле отклонения стрелки в 45°?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

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

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

Взаимодействие магнитов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Линии магнитного поля

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1. Поле постоянного магнита

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

Опыт Эрстеда

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

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

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

Рис. 2. Опыт Эрстеда

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

Магнитное поле прямого провода с током

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

Рис. 3. Поле прямого провода с током

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

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

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

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

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

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

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

Магнитное поле витка с током

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

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

Рис. 4. Поле витка с током

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

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

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

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

Магнитное поле катушки с током

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

Рис. 5. Катушка (соленоид)

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

Рис. 6. поле катушки с током

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

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

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

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

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

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

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

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

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

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

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

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

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

Рис. 7. Элементарные токи магнита

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

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

Вычислим индукцию магнитного поля, создаваемого прямолинейным проводником с током в произвольной точке М . Мысленно разобьем проводник на элементарно малые участки длиною . Согласно правилу буравчика в точке М векторы от всех элементов тока имеют одинаковое направление - за плоскость рисунка. Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей , причем

. (3)

Для интегрирования нужно переменные , , и выразить через одну какую-либо из них. В качестве переменной интегрирования выберем угол . ВС - есть дуга окружности радиуса r с центром в точке , равная (см. рисунок). Выразим из прямоугольного треугольника АВС : . Подставив это выражение в (3) получим . Из треугольника АОМ определим , где - кратчайшее расстояние от точки поля до линии тока. Тогда

.

Интегрируя последнее выражение по всем элементам тока, что эквивалентно интегрированию от до , находим .

Таким образом, индукция магнитного поля, созданного прямолинейным током конечной длины будет равна

.

В дальнейшем, я введу понятие вектора напряженности магнитного поля , которое связано с индукцией магнитного поля соотношением , , где - магнитная проницаемость среды. Для вакуума , для воздуха . Тогда напряженность магнитного поля, созданного проводником конечной длины будет равна

.

Для прямолинейного проводника бесконечной длины углы и будут равны , , а выражение в скобках принимает значение . Следовательно, индукция и напряженность магнитного поля, созданного прямолинейным проводником с током бесконечной длины равны соответственно

Магнитное поле кругового тока

В качестве второго применения закона Био - Савара - Лапласа вычислим индукцию и напряженность магнитного поля на оси кругового тока. Обозначим радиус окружности проводника с током через , расстояние от центра кругового тока до исследуемой точки поля через h . От всех элементов тока образуется конус векторов , и легко сообразить, что результирующий вектор в точке будет направлен горизонтально вдоль оси . Для нахождения модуля вектора достаточно сложить проекции векторов на ось . Каждая такая проекция имеет вид



,

где учтено, что угол - между векторами и равен , поэтому синус равен единице. Проинтегрируем это выражение по всем

.

Интеграл - есть длина окружности проводника с током, тогда

.

Учитывая, что , запишем

и, применяя теорему Пифагора, получим,

,

а для напряженности магнитного поля

.

Магнитная индукция и напряженность магнитного поля в центре кругового тока, ( , ) , соответственно равны

Взаимодействие параллельных проводников с током.

Единица силы тока.

Найдем силу на единицу длины, с которой взаимодействуют в вакууме два параллельных бесконечно длинных провода с токами и , если расстояние между проводами равно . Каждый элемент тока находится в магнитном поле тока , а именно в поле . Угол между каждым элементом тока и вектором поля равен 90°.

Тогда согласно закону Ампера, на участок проводника с током действует сила

,

а на единицу длины проводника эта сила будет равна

Для силы действующей на единицу длины проводника с током , получается, то же выражение. И наконец. Определяя направление вектора при помощи правила правого винта, и направление силы Ампера при помощи правила левой руки убедимся, что токи одинаково направленные, притягиваются, а противоположно направленные отталкиваются.

Если по проводникам, находящимся на расстоянии протекают одинаковые токи , то на каждый метр длины проводников действуют силы равные по или, учитывая что , получим, а густота линий была бы пропорциональна модулю вектора, или в другой записи .

Это означает, что магнитное поле не имеет источников (магнитных зарядов). Магнитное поле порождают не магнитные заряды (которых в природе нет), а электрические токи. Этот закон является фундаментальным: он справедлив не только для постоянных, но и для переменных магнитных полей.

Электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле (рис. 7.1). Направление возникающего магнитного поля определяется направлением тока.
Способ обозначения направления электрического тока в проводнике показан на рис. 7.2: точку на рис. 7.2(а) можно воспринимать как острие стрелки, указывающей направление тока к наблюдателю, а крестик – как хвост стрелки, указывающей направление тока от наблюдателя.
Магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током, показано на рис. 7.3. Направление этого поля легко определяется с помощью правила правого винта (или правила буравчика): если острие буравчика совместить с направлением тока, то при его завинчивании направление вращения рукоятки будет совпадать с направлением магнитного поля.

Рис. 7.1. Магнитное поле вокруг проводника с током.


Рис. 7.2. Обозначение направления тока (а) к наблюдателю и (б) от на-блюдателя.


Поле, создаваемое двумя параллельными проводниками

1. Направления токов в проводниках совпадают. На рис. 7.4(а) изображены два параллельных проводника, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, причем магнитное поле каждого проводника изображено отдельно. В промежутке между проводниками создаваемые ими магнитные поля противоположны по направлению и компенсируют друг друга. Результирующее магнитное поле показано на рис. 7.4(б). Если из-менить направление обоих токов на обратное, то изменится на обратное и направление результирующего магнитного поля (рис. 7.4(б)).


Рис. 7.4. Два проводника с одинаковыми направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (6, в).

2. Направления токов в проводниках противоположны. На рис. 7.5(а) показаны магнитные поля для каждого проводника по отдельности. В этом случае в промежутке между проводниками их поля суммируются и здесь результирующее поле (рис. 7.5(б)) максимально.


Рис. 7.5. Два проводника с противоположными направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (б).


Рис. 7.6. Магнитное поле соленоида.

Соленоид – это цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков проволоки (рис. 7.6). Когда по виткам соленоида протекает ток, соленоид ведет себя как полосовой магнит с северным и южным полюсами. Создаваемое им магнитное поло ничем не отличается от ноля постоянного магнита. Магнитное поле внутри соленоида можно усилить, намотав катушку на магнитный сердечник из стали, железа или друго¬го магнитного материала. Напряженность (величина) магнитного поля соленоида зависит также от силы пропускаемого электрического тока и числа витков.

Электромагнит

Соленоид можно использовать в качестве электромагнита, при этом сердечник делается из магнитомягкого материала, например ковкого железа. Соленоид ведет себя как магнит только в том случае, когда через катушку протекает электрический ток. Электромагниты применяются в электрических звонках и реле.

Проводник в магнитном поле

На рис. 7.7 изображен проводник с током, помещенный в магнитное поле. Видно, что магнитное поле этого проводника складывается с магнитным полем постоянного магнита в зоне выше проводника и вычитается в зоне ниже проводника. Таким образом, более сильное магнитное поле находится выше проводника, а более слабое - ниже (рис. 7.8).
Если изменить направление тока в проводнике на обратное, то форма магнитного поля останется прежней, но его величина будет больше под проводником.

Магнитное поле, ток и движение

Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила, которая пытается передвинуть проводник из области более сильного поля в область более слабого, как показано на рис. 7.8. Направление этой силы зависит от направления тока, а также от направления магнитного ноля.


Рис. 7.7. Проводник с током в магнитном поле.


Рис. 7.8. Результирующее поле

Величина силы, действующей на проводник с током, определяется как величиной магнитного поля, так и силой гика, протекающего через этот проводник.
Движение проводника, помещенного в магнитное поле, при пропускании через него тока называется принципом двигателя. На этом принципе основана работа электродвигателей, магнитоэлектрических измерительных приборов с подвижной катушкой и других устройств. Если провод ник перемещать в магнитном поле, в нем генерируется ток. Это явление называется принципом генератора. На этом принципе основана работа генераторов постоянного и переменного тока.

До сих пор рассматривалось магнитное поле, связанное только с постоянным электрическим током. В этом случае направление магнитного поля неизменно и определяется направлением постоянного дока. При протекании переменного тока создается переменное магнитное поле. Если отдельную катушку поместить в это переменное поле, то в ней будет индуцироваться (наводиться) ЭДС (напряжение). Или если две отдельные катушки расположить в непосредственной близости друг к другу, как показано на рис. 7.9. и приложить переменное напряжение к одной обмотке (W1), то между выводами второй обмотки (W2) будет возникать новое переменное напряжение (индуцированная ЭДС). Это принцип работы трансформатора .


Рис. 7.9. Индуцированная ЭДС.

В этом видео рассказывается о понятии магнетизма и электромагнетизма: