...
Магнітне поле струму PDF Печать E-mail

Магнітне поле струму

Мета роботи:    оволодіти методикою і технікою шкільного фізичного експерименту, що проводиться при вивченні елек-тромагнетизму.
Обладнання:    прилад для демонстрування магнітного поля колового струму, моделі для демонстрування спектрів магнітного поля струму, магніти смугові, магніт підковоподібний, штатив універсаль¬ний, стрічки з фольги 2 шт., трансформатор універсальний, осцилограф електронний, реостат, електромагніт розбірний, стальна ліній¬ка, штатив ізольований з двома контактами, лам¬па електрична в патроні на підставці з двома клемами, ви¬микач, з'єднувальні провідники, джерело струму,  ключ, алюмінієва спіраль, екран фону, дві котушки, прилад Ейхенвальда, два соленоїди, капронова нитка, котушка від розбірного електромагніту, магнітна стрілка, товстий провід¬ник (діаметри 3-5 мм, довжи¬ною 600 мм), прямий магніт, підйомний столик, трубка з електролітом, моток, сито з залізними ошурками, аркуш паперу для креслення, малий освітлювач або проекційний ліхтар, лист з фанери з отвором по середині для пропускання провідника, котушка від розбірного або універсального трансформатора, магнітна стрілка, пред¬мет для намагнічування (стержень, цвях), модель електричного дзвінка, модель телеграфного апарата..

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Магнітне поле — це  форма  матерії,  через  яку  здійснюється взаємодія  між  рухомими  електрично зарядженими  частинками.
Основні властивості магнітного поля, установлені експеримен¬тально.      Вони такі:
1. Магнітне поле породжується електричним струмом (рухо¬мими зарядами);
2. Магнітне поле виявляється за дією на струм (рухомі заряди).
Подібно до електричного поля магнітне поле існує реально, незалежно від нас, від наших знань про нього. Експерименталь¬ним доказом реальності магнітного поля, як і реальності електричного поля, є факт існу¬вання електромагнітних хвиль.
Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику. А поле, створене другим струмом, діє на перший. Для дослідження магнітного     поля, здавалося б, зручно взяти дуже малий  елемент  струму,   тобто   малий   відрізок тонкого  провідника  із струмом,  подібно до того, як для дослідження електричного поля використовували   невелике  заряджене  тіло. Проте постійний струм у відрізку провідни¬ка  не може існувати, бо будь-яке коло,  по якому тече  постійний  струм,  завжди  замк¬нуте. Для вивчення магнітного поля найкраще взяти замкнутий контур малих розмірів (порівняно з відстанями, на яких магнітне поле помітно змінюється). Наприклад, мож¬на взяти маленьку плоску дротяну рамку довільної   форми.   Провідники, що підводять струм, треба розмістити близько    один до одного   або    сплести їх разом. Оскільки по цих провідниках тече однако¬вий струм, але в протилежних напрямах, результуюча сила, що діє з боку магніт¬ного поля на ці провідники, дорівнює нулю.
Електричне поле характеризується векторною величиною — напруженістю електричного поля. Для характеристики магнітно¬го поля треба ввести особливу фізичну величину. Ця величина називається вектором магнітної індукції і позна¬чається буквою В.
Ми бачили, що в магнітному полі рамка із струмом на гнучкому підвісі, з боку якого не діють сили пруж¬ності, які заважають орієнтації рамки, повертається доти, поки не встановиться у певному положенні. З курсу фізики VII класу відомо, що так само поводить себе і магнітна стрілка. Стрілка — це маленький довгастий магніт з двома полюсами на кінцях— південним і північним. Орієнтуючу дію магніт¬ного поля на магнітну стрілку чи рамку зі струмом можна використати для визначення напряму вектора магнітної ін¬дукції. За напрям вектора магнітної індукції, за означенням, беруть напрям  від південного полюса до північного  стрілки,  яка вільно установлюється в магнітному полі.  Цей напрям збігається з напрямом додатної нормалі до замкнутого контура із струмом. Додатна нор-маль напрямлена у той бік, куди пересу-вається свердлик (правий гвинт), якщо його обертати у напрямі струму в рамці. Маючи рамку зі струмом або магнітну стрілку, можна ви¬значити напрям вектора магнітної індукції "в будь-якій точці поля.
Напрям вектора магнітної індукції встановлюють за допомогою правила свердлика. Правило свердлика формулює¬ться так: якщо напрям поступального руху свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання ручки свердлика збігається з напрямом вектора м а г н і т н о ї і н д у к ц і ї. Напрям   вектора   індукції   магнітного   поля   Землі   визначає
кожний, хто орієнтується на місцевості за компасом.
Однорідне маг¬нітне поле не спричинює поступального руху рамки із струмом або магнітної стрілки. Згідно із законами механіки це означає, що сума сил, які діють на рамку або стрілку, дорівнює нулю. Але рамка не перебуває в рівновазі, якщо нормаль до рамки не збігається з напрямом вектора магнітної індукції. Це означає, що момент сил, які діють на рамку, не дорівнює нулю. Значення цього момента при заданій силі струму в рамці не є сталим. Воно залежить від орієнтації площини рамки від¬носно вектора В. Якщо площина рамки установилася перпенди¬кулярно до вектора магнітної індукції, момент сил дорівнює нулю. 
Модулем вектора магнітної індукції нази¬вають відношення максимального момента сил, що діють на контур із струмом, до добут¬ку сили струму на площу контура:



Моментом сили називається добуток модуля сили на плече — перпендикуляр, опущений з осі на напрям сили. Моменти сил спричинюють обертання тіл.
Магнітне поле діє на всі ділянки провідника із струмом. За¬кон, що визначає силу, яка діє на окрему ділянку провідника (елемент струму), в 1820 р. установив Ампер. Оскільки створити відокремлений елемент струму не можна, Ампер проводив досліди із замкнутими провідниками. Змінюючи форму провідників і їхнє розміщення, Ампер зумів установити вираз для сили, що діє на окремий елемент струму.
Закон Ампера. _Нехай вектор В утворює з напрямом відрізка провідника із струмом (елементом струму) кут α. (За напрям еле¬мента струму беруть напрям, у якому по провіднику тече струм). Дослід показує, що магнітне поле, вектор індукції якого напрям¬лений уздож провідника із струмом, не діє на струм. Тому модуль сили залежить лише від модуля тієї складової вектора В,  яка  перпендикулярна  до  провідника,  тобто  від
В± = В sinα  і не зале¬жить від складової В, напрямленої вздовж провідника. Вираз для модуля сили F, що діє на малий відрізок провідника Δl, по якому тече струм I, з боку магнітного поля з індукцією В, що утво¬рює з елементом струму кут α, має вигляд:
F = В|І| Δl sinα.
Цей вираз називають  законом Ампера.   
Напрям сили Ампера. У розглянутому вище досліді вектор F
перпендикулярний елементу струму і вектору В. Його напрям ви¬значають правилом лівої руки: якщо ліву руку розмістити так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора індукції В входила в долоню, а чо¬тири витягнутих пальці були напрямлені так само, як струм, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили, що діє на відрізок провідника.
Електричний струм — це сукупність заряджених частинок, які рухаються упорядковано. Тому дія магнітного поля на провідник із струмом є результат дії поля на рухомі заряджені частинки всередині провідника. Силу, що діє на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля, називають силою Лоренца.


Якщо ліву руку розмістити так, щоб складова магнітної індукції В, перпендикулярна до швидкості заряду, входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили Лоренцо, що діє на заряд
ХІД  РОБОТИ
1.    Повторіть матеріал, що стосується магнітних властивостей електричного струму, за шкільним підручником та за підручником з курсу загальної фізики. Ознайомтесь з рекомендаціями з програми фізики для демонстрацій при вивченні в школі даної теми.
2. Взаємодія паралельних струмів.
Провідник, по якому про¬ходять досліджувані струми, є стрічкою з алюмінієвої фольги від паперового конденсатора завширшки 20—ЗО мм і дов¬жиною не менше 1,2 м. Можна використати латунну або мідну фольгу. Кінці стрічки для зручності вмикання струму затиску¬ють в обойму з удвоє зі¬гнутої жерстяної смужки. Таку саму обойму ставлять і на середині довжини стріч¬ки (верхній контакт). Стрічку підвішують за верхній кон¬такт так, щоб відстань між звисаючими її вітками була 15—20 мм. Потрібний натяг віток забезпечується ї    х ва¬гою, а в разі потреби може бути збільшений підвішуван¬ням до нижнього згину лег¬ких рейтерів з дроту. Для демонстрування взає¬модії   паралельних струмів стрічки сполучають   парале¬льно, для цього одну з клем дже¬рела струму   сполучають   з верхнім   контактом   стрічки, а другу — з нижніми кінця¬ми віток. Для досліду треба  на  мить   замкнути ключ у колі. Щоб продемонструвати взаємодію антипаралельних струмів, стрічки сполучають послідовно, верх¬ній контакт при цьому залишається вільним.   
3. Дія магнітного поля на контур із струмом. З'ясувати характер дії магнітного поля на контур із струмом можна за допомогою такого досліду. Підвісимо на тонких гнучких провідниках, сплетених разом, маленьку плоску рамку, що складається з кіль¬кох витків дроту. На відстані, значно біль¬шій за розміри рамки, розмістимо верти¬кальний провід (мал. 6, а). Якщо про¬пустити електричний струм через провід і рамку, то рамка повернеться і стане так, що провід буде в пло¬щині рамки. Якщо напрям струму в проводі зміни¬ти, рамка повернеться на 180°. З курсу фізики VIІI класу ви знаєте, що магнітне поле створює¬ться не лише електричним струмом, а й постійними магнітами. Якщо між полюсами підковоподібного магніту підвісити на гнуч-ких проводах рамку із струмом, то вона повертатиметься доти, поки її площина не встановиться перпендикулярно до лінії, яка з'єднує північний полюс магніту з південним. Отже, магнітне поле виявляє орієнтуючу дію на рамку із струмом. Однорідне магнітне поле, тобто поле, однакове в усіх точках простору, де розміщена рамка із струмом, чинить на рамку, як показує дослід, тільки орієнтуючу дію. У неоднорідному полі рамка, крім того, рухатиметься поступально, притягуючись до провідника із струмом або відштовхуючись від нього.
Дослід, який демонструє поводження рамки з струмом у магнітному полі, можна поставити за допомогою іншого комплекту обладнання. Для цього беруть легку алюмінієву рамку, підві¬шують її  в полі дугоподібного маг¬ніту на двох гнучких провідни¬ках, які водночас є також струмопідводами. При пропусканні стру¬му по рамці на кожну з її двох вертикальних сторін діє сила, на¬прям якої визначається за пра¬вилом лівої руки. Ці сили паралельні, але оскільки напрями струму в сторонах рамки протилежні, то вони мають протилежні напрями. Під їх дією рамка повертається доти, поки її площина не буде перпендикулярна до напряму поля. У такому поло¬женні рамки сили, прикладені до її сторін, лише розтягують рамку.
Конструкція рамки зрозуміла з мал. 8, на якому зображена установка для демонстрування взаємодії поля рамки і магніту. її виготовляють з алюмінієвого дроту діаметром 1,5—2 мм. Щоб рамка не коливалась у міжполюсному просторі магніту, її відтя¬гують донизу за допомогою нитки, прив'язаної до нижньої сто¬рони рамки. Другий кінець нитки прикріплений до гирки, яка стоїть на столі. Увімкнувши струм у рамці, спостерігають її повертання. Цьому протидіє підвіс, який закручується при повертанні рамки, тому її площина не встановлюється перпендикулярно до напряму поля магніту.
4. Досліди з магнітною стрілкою. Досліди з магнітною стрілкою, які повторюють досліди з рамкою. У магнітному полі прямолінійного провідника із струмом магнітна стрілка встановлюється по дотичній до кола. Площина кола перпендикулярна до проводу, а його центр лежить на осі проводу.
5. Вимірювання момент сил, які діють на рамку із струмом. Момент сил, які діють на рамку, можна виміряти. Для цього використовують прилад, подібний до крутильних терезів Кулона.. На тонкій пружній дротинці замість коромисла із зарядженою кулькою підвішують контур із струмом. Щоб утримати контур під час замикання його кола в початковому положенні, дротинку треба закрутити на деякий кут. За кутом закручування дротинки визначають момент сил, які діють на рамку. Цей момент буде максимальний, якщо нормаль до рамки перпендикулярна до вектора В. Змінюючи силу струму в рамці і експериментуючи з рамками різної площі, можна встановити важливий факт: максимальний момент М  сил, які діють на рамку із струмом з боку магнітного поля, пропорційний добутку сили струму на площу рамки. Цей   дослідний   факт   можна   використати для визначення  модуля  вектора  магнітної  індукції.  Справді, оскільки  М~ ІS, то відношення М / ІS - не залежатиме ні від сили струму в контурі, ні від його площі. Це відношення характеризує магнітне поле в тому місці, де розміщена рамка.
6. Дія струму на магнітну стрілку (дослід Ерстеда). Над магнітною стріл¬кою, що встановилась у площині магнітного мери¬діана, натягують товстий провідник, кінці якого сполучають через реостат з полюсами джерела стру¬му. Провідник і стрілка повинні бути в одній площині, а відстань між ними — 5—10 мм.  До одного з кінців стрілки підносять постій-ний магніт і помічають, що стрілка втрачає свою початкову орієнтацію внаслідок взаємодії, а магнітним полем магніту. Давши стрілці заспокоїтись і знову встанови¬тись у площині меридіана, вмикають струм і спостерігають повертання  стрілки. З досліду роблять висновок про вплив струму в провіднику на орієнтацію стрілки, подібний до впливу поля постійного магніту. Змінюючи напрям струму в про¬віднику і спостерігаючи рух стрілки, виводять правило правої руки, справедливість якого перевіряють, піднявши провідник вище від стрілки. Полюси джерела струму повинні мати чіткі знаки «+» і «—», а на провіднику стрілкою  позначають напрям струму в ньому. Цей дослід добре видно всій аудиторії лише тоді, коли площина магнітного меридіана проходить паралельно, або під невеликим кутом  до дошки. В інших випадках слід наклеїти на стрілку кольором) папірці для  поліпшення видимості.
7. Спектр магнітного поля прямого струму. Прилад для проектування спектра прямого струму за допо¬могою проекційного ліхтаря входить до комплекту приладів, які випускає промисловість. До комплекту входять ще два прилади такої самої конструкції, за допомогою яких проектують спектри колового і соленоїдального струмів. Усі прилади є мотками, тому для їх живлення потрібне джерело струму на 2—4 В, 1—2 А. Для демонстрування прилад установлюють на конденсорну лінзу насадки для горизонтального проектування і під'єднують до джерела струму. Посипавши на столик приладу ошурками, вми¬кають струм і спостерігають спектр у процесі його утворення. Для поліпшення вигляду спектра корисно по столику приладу злегка постукати олівцем. Це полегшує встановлення ошурків уздовж силових ліній поля, бо при цьому зменшується тертя. Прилад не слід довго тримати під струмом. Звичайно, до вмикання струму демонструють хаотичне розташування ошурків на столику приладу.
8. Спектр магнітного поля колового струму. В школах є  спеціальний прилад для демонстру¬вання магнітного поля колового струму. Основною частиною  приладу є кільцевий  моток з 160 витків ізольованого дроту. Опір його — близько 3 Ом, розрахований на живлення від
джерела стуму в 4 В при струмі 1,5 А. Для розміщення стрілок або ошурків є зйомний горизонтальний столик, що складаєтьсяз  двох  половин. Прилад можна   використати  в  різних дослідах з електромагнетизму. За допомогою цього досліду проектують спектр колового струму на екрані.
9. Спектр магнітного поля соленоїда. Спектр магнітного поля соленоїди найкраще показати за допо¬могою приладу, описаного в досліді 7.
10. Одночасне існування в ланці постійного струму електричного та магнітного полів. Для цього збирають коло, що складається з високовольтного випрямляча, гальванометра, спеціального електромагніта, обмотки якого розраховані на високу напругу, електрометра та електричного султана. Ввімкнувши високовольтний випрямляч, спостерігають відхилення стрілки електрометра і розходження листочків електричного султана, що свідчить про наявність електричного поля. Одночасно спостерігають відхилення стрілки гальванометра і дію електромагніта, який притягає лезо безпечної бритви, дрібні цвяхи і т.д., що свідчить про наявність магнітного поля. При вимкненні випрямляча листочки султана опадають, стрілки електрометра і гальванометра повертаються у вихідне положення, електромагніт перестає притягати металеві предмети. На основі продемонстрованого досліду роблять висновок, що в явищі електричного струму електричне та магнітне поле існують як дві сторони одного і того ж явища. Таке поле прийнято називати електромагнітним. Так як електромагнітне поле постійного струму постійне в часі, то його звичайно називають стаціонарним електромагнітним полем.
11. Магнітне поле постійного струму. Провідник, що з’єднує реостат з акумулятором, не повинен бути занадто м’яким, щоб його можна було, вигнувши, розмістити над магнітною стрілкою. Замикаючи коло, спостерігають відхилення магнітної стрілки від початкового положення. Розімкнувши коло, екранують провідник фольгою з алюмінію (можна протягнути провідник в алюмінієвій трубці), яку з’єднують з землею, і повторюють дослід. Роблять висновок, що відхилення магнітної стрілки викликається не електричним полем.

 

Яндекс.Метрика >