как магнитное поле изображают графически
Основные характеристики магнитного поля
Магнитное поле представляет собой особую форму материи которая проявляется через механическое взаимодействие токов и через возникновение ЭДС в проводниках движущихся в этом поле. Оно обнаруживается вокруг движущихся электрических зарядов, следовательно и вокруг проводника с током.
Графическое изображение магнитного поля
Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми.
Для того что бы определить направление магнитного поля можно воспользоваться магнитной стрелкой, или правилом буравчика.
Основные характеристики магнитного поля
Магнитная индукция B — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл.
B = Ф/S
магнитная постоянная.
µ — относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)
Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.
Магнитный поток через контур максимален,если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю.
Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле:
Φmax = B · S
Магнитный поток через контур равен нулю,если контур располагается параллельно магнитному полю.
Напряженность H – это векторная величина независящая от магнитных свойств среды. Измеряется в ампер на метр А/М.
Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит магнитная проницаемость.
Магнитное поле и его характеристики
теория по физике 🧲 магнетизм
Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими частицами.
Основные свойства магнитного поля
Вектор магнитной индукции
За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.
Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:
За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.
Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.
Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.
Напряженность магнитного поля
μ — магнитная проницаемость среды (у воздуха она равна 1), μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 π · 10 − 7 Гн/м.
Направление вектора магнитной индукции и способы его определения
Чтобы определить направление вектора магнитной индукции, нужно:
В пространстве между полюсами постоянного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса:
При определении направления вектора магнитной индукции с помощью витка с током следует применять правило буравчика:
При вкручивании острия буравчика вдоль направления тока рукоятка будет вращаться по направлению вектора → B магнитной индукции.
Отсюда следует, что:
Способы обозначения направлений векторов:
| Вверх |  |
| Вниз |  |
| Влево |  |
| Вправо |  |
| На нас перпендикулярно плоскости чертежа |  |
| От нас перпендикулярно плоскости чертежа |  |
Пример №1. На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) вектор магнитной индукции в точке С?
Если мысленно начать вкручивать острие буравчика по направлению тока, то окажется, что вектор магнитной индукции в точке С будет направлен к нам — к наблюдателю.
Магнитное поле прямолинейного тока
Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.
Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:
Правило буравчика (правой руки)
Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, направить в сторону тока в проводнике, то остальные 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.
Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:
Магнитное поле кругового тока
Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.
Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:
Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.
Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:
Модуль напряженности в центре витка:
Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?
Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.
Магнитное поле электромагнита (соленоида)
Соленоид — это катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра.
Число витков в соленоиде N определяется формулой:
l — длина соленоида, d — диаметр проволоки.
Линии магнитной индукции являются замкнутыми, причем внутри соленоида они располагаются параллельно друг другу. Поле внутри соленоида однородно.
Если ток по виткам соленоида идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B внутри соленоида направлен вверх, если по часовой стрелке, то вниз. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом правой руки для витка с током.
Модуль вектора магнитной индукции в центральной области соленоида:
Модуль напряженности магнитного поля в центральной части соленоида:
Алгоритм определения полярности электромагнита
Пример №3. Через соленоид пропускают ток. Определите полюсы катушки.
Ток условно течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Следовательно, ток течет по виткам от точки А к точке В. Мысленно обхватив соленоид пальцами правой руки так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках соленоида, отставим большой палец на угол 90 градусов. Он покажет направление линий магнитной индукции внутри соленоида. Проделав это, увидим, что линии магнитной индукции направлены вправо. Следовательно, они выходят из В, который будет являться северным полюсом. Тогда А будет являться южным полюсом.
На рисунке изображён круглый проволочный виток, по которому течёт электрический ток. Виток расположен в вертикальной плоскости. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен
а) вертикально вверх в плоскости витка
б) вертикально вниз в плоскости витка
в) вправо перпендикулярно плоскости витка
г) влево перпендикулярно плоскости витка
Алгоритм решения
Решение
По условию задачи мы имеем дело с круглым проволочным витком. Поэтому для определения вектора → B магнитной индукции мы будем использовать правило правой руки.
Чтобы применить это правило, нам нужно знать направление течение тока в проводнике. Условно ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Следовательно, на рисунке ток течет по витку в направлении хода часовой стрелки.
Теперь можем применить правило правой руки. Для этого мысленно направим четыре пальца правой руки в направлении тока в проволочном витке. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает относительно рисунка влево. Это и есть направление вектора магнитной индукции.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Магнитная стрелка компаса зафиксирована на оси (северный полюс затемнён, см. рисунок). К компасу поднесли сильный постоянный полосовой магнит и освободили стрелку. В каком положении установится стрелка?
а) повернётся на 180°
б) повернётся на 90° по часовой стрелке
в) повернётся на 90° против часовой стрелки
г) останется в прежнем положении
Алгоритм решения
Решение
Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изначально южный полюс магнитной стрелки находится справа, а северный — слева. Полосовой магнит подносят к ее южному полюсу северной стороной. Поскольку это разноименные полюса, положение магнитной стрелки не изменится.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой вдоль её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рисунок). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.
Алгоритм решения
Решение
Чтобы определить направление тока в соленоиде, посмотрим на расположение полюсов источника тока. Ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. Следовательно, относительно рисунка ток в витках соленоида направлен по часовой стрелке.
Зная направление тока в соленоиде, можно определить его полюса. Северным будет тот полюс, из которого выходят линии магнитной индукции. Определить их направление поможет правило правой руки для соленоида. Мысленно обхватим соленоид так, чтобы направление четырех пальцев правой руки совпадало с направлением тока в витках соленоида. Теперь отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление вектора магнитной индукции. Проделав все манипуляции, получим, что вектор магнитной индукции направлен вниз. Следовательно, внизу соленоида расположен северный полюс, а вверху — южный.
Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Подвешенный полосовой магнит обращен к южному полюсу соленоида северным полюсом. А это значит, что при замыкании электрической цепи он будет растягивать пружину, притягиваясь к соленоиду (двигаться вниз).
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Физика
ТУТ для каждого есть работа,
которая будет по душе
И программы обучения специальностям
для школьников, студентов и выпусников
План урока:
Магнитное поле и его графическое изображение
Камни, способные притягивать предметы из железа, назвали в честь острова, на котором они были найдены – магнитами. А их свойство располагаться в пространстве определенным образом легло в основу создания магнитного компаса. Понимание того, как работает данное устройство необходимо для дальнейшего изучения материала.
Итак, схема простейшего магнитного компаса приведена на рисунке. Он состоит из тонкой иглы, на которой располагается маленький магнит в форме ромба. Этот магнит может свободно вращаться на игле.
Как уже было сказано ранее, при отсутствии внешнего воздействия магниты ориентируются в пространстве всегда определенным образом: одним концом по направлению к Северному полюсу Земли (по аналогии этот конец камня называют северным полюсом и обозначают синим цветом); а другим концом по направлению к Южному (южный полюс магнита обозначают красным).
Рисунок 1(а) – Магнитная стрелка (вид сверху)
Рисунок 1(б) – Схема простейшего компаса
В 1820 году Ганс Христиан Эрстед проводил лекцию, на которой демонстрировал выделение тепла на проводнике с током: пропускал через длинный проводник ток, в следствие чего проводник нагревался. В перерыве между занятиями любопытные студенты начали включать и выключать установку и случайно заметили, что при прохождении тока по проводнику магнитная стрелка, находившаяся неподалеку, приходит в движение. Студенты поделились наблюдением с Эрстедом, которого очень заинтересовало данное явление, и он начал его исследовать. Опыты, которые он проводил, позднее назвали опытами Эрстеда. Они стали первым доказательством связи электрического тока с магнитными свойствами.
Рассмотрим опыт, проведенный Эрстедом. Под длинным проводником, включенным в цепь, ставили магнитную стрелку (см. рисунок 2).
Рисунок 2 – Схема опыта Г.Х. Эрстеда
Когда в проводнике начинает течь ток, магнит поворачивается до положения перпендикулярно проводнику. Направление его зависело от того, куда направлен ток. На рисунке 3 приведен проводник с током, направление которого указано белой стрелкой. В таком случае магнитная стрелка ориентировалась синим концом влево.
Рисунок 3 – Магнитная стрелка ориентировалась относительно проводника
Если в установке на рисунке 3 поменять местами полюса источника (ток будет течь в противоположную сторону), стрелка повернется красным концом влево.
То есть ток воздействует на стрелку из магнита. Непосредственного контакта между стрелкой и проводником нет (они не касаются друг друга), значит воздействие осуществляется с помощью поля*, которое впоследствии назвали магнитным.
Важно отметить, что магнитное поле:
*Напоминание: поле – это такая материя, которую нельзя увидеть или почувствовать органами чувств, однако можно обнаружить его действие на какие-либо объекты.
Линии магнитного поля (они же магнитные линии) – это мысленно проведенные линии по касательной, к которым ориентировались бы магнитные стрелки (эти линии являются воображаемыми, в действительности их, конечно, не существует). Они являются графическим изображением магнитного поля и имеют направление туда же, куда и северный полюс магнитной стрелки.
На рисунке 4 можно увидеть линии поля прямоугольного магнита. Такой тип магнитов часто называют полосовыми (от слова «полоса»).
Рисунок 4 – Магнитные линии поля прямоугольного магнита
Свойства магнитных линий:
Неоднородное и однородное магнитное поле
Если вернуться к исследованиям Г.Х. Эрстеда и понаблюдать за поведением стрелки в различных точках, можно заметить, что, чем дальше стрелку убирают от проводника, тем меньше она отклоняется. Это значит, что поле слабеет с удалением от источника.
Рисунок 5 – Магнитные линии поля проводника с током
Поле, в различных точках пространства воздействующее на магнитную стрелку с одинаковой силой, называют однородным.
В противной ситуации говорят о неоднородном магнитном поле.
Строго говоря, магнитное поле почти всегда неоднородно. Тем не менее поле, созданное некоторыми источниками, в какой-то небольшой области можно считать однородным. Например, поле в области между магнитами, расположенными последовательно (см. рисунок 6). Линии индукции однородного магнитного поля параллельны, а густота,с которой они изображены, не меняется.
Рисунок 6 – Поле между двумя последовательно лежащими магнитами
Направление тока и направление линий магнитного поля
Правило буравчика
Ранее для определения направления магнитного поля в опытах использовалась стрелка из магнита. А что же делать, если ее под рукой не оказалось?
Необходимо знать правило буравчика* (правого винта):когда поступательное движение буравчика (винта) сонаправлено с током, протекающего в проводнике, направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля.
Рисунок 7 –Иллюстрация использования правила буравчика
*Напоминание: вообще, буравчик — это режущий инструмент для высверливания небольших отверстий. Однако зачастую школьникам трудно представить его. Более простым примером системы, аналогичной буравчику, может служить обычная пробка у пластиковой бутылки. Когда бутыль расположена вертикально, а пробка закручивается по часовой стрелке, поступательно она движется вниз. Если пробку раскручивать против часовой стрелки, она будет двигаться вверх. Можно ориентироваться на этот пример, мысленно располагая бутыль с пробкой вертикально или горизонтально, чтобы в дальнейшем было легче использовать правило буравчика.
Вместо буравчика зачастую используют правило правой руки: если отогнутый от ладони на 90° большой палец развернуть по току в проводнике, а затем оставшимися пальцами обхватить проводник, они укажут направление линий магнитного поля.
Пример, поясняющий правило правой руки,приведен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Иллюстрация применения правила правой руки
Правила буравчика и правила правой руки одинаково удобны и можно использовать любое из них. Однако далее будет рассматриваться еще и правило левой руки. Чтобы избежать путаницы, в какой ситуации какую руку использовать, для определения направления линий магнитного поля предпочтительнее пользоваться именно правилом буравчика.
Величина магнитного поля
Индукция магнитного поля. Линии магнитной индукции
Чтобы иметь возможность охарактеризовать, описать и сравнить между собой магнитные поля, была введена индукция магнитного поля или просто магнитная индукция.
Единицей измерения этой величины в СИ была выбрана тесла (Тл) – в честь знаменитого ученого Николы Теслы:
[B] = 1Тл
Однородному полю присуща индукция постоянная во всех точках. У неоднородного поля изменяется.
Рассмотрим цепь, состоящую из источника, ключа К и длинного проводника R (см. рисунок 9). Если данный проводник окружить однородным магнитным полем (разместить его U-образном магните, например) и замкнуть ключ, проводник R изогнется, т.к. появится сила (F), пытающаяся вытолкнуть его из магнита.
Рисунок 9 – Проводник в U-образном магните (1)
Изменив направление тока в магнитном поле,можно заметить, что сила (F) тоже начнет действовать в обратную сторону и будет пытаться втащить проводник в магнит (см. рисунок 10).
Рисунок 10 – Проводник в U-образном магните (2)
Точно так же вектор силы развернется, если повернуть магнит на 180°, при неизменном направлении электрического тока.
Сила (F), которая была обнаружена в опыте, называется силой Ампера. С ее помощью магнитное поле и воздействует на проводники с током, размещенные в нем.
Направление, в котором действует сила, определяется правилом левой руки: когда ладонь повернута так, что вектор индукции поля входит в нее, а четыре пальца ориентированы в сторону течения тока, большой палец, отогнутый на 90 указывает куда направлена амперова сила.
Небольшая оговорка: ранее рассматривался проводник с током. То есть внутри проводника двигались заряды. Логично, что магнитное поле воздействует и на каждую движущуюся заряженную частицу отдельно.
За направление тока в цепи принято считать направление движения положительных зарядов. Получается, что, рассматривая отдельно летящую заряженную положительно частицу, по правилу левой руки пальцы нужно направлять по вектору скорости этой частицы. В случае же частицы с отрицательным зарядом пальцы нужно будет располагать в направлении, противоположном ее скорости (см. рисунок 10).
Рисунок 10 – Применение правила левой руки для частиц с зарядами разных знаков
Силу Ампера можно рассчитать по формуле:
(a – угол между направлением тока и направлением линий магнитной индукции).
Когда проводник перпендикулярен линиям магнитной индукции, выражение переписывается так:
Это выражение удобно для определения величины однородного магнитного поля. И становится очевидной связь единиц измерения:
То есть индукция в 1 теслу это величина такого магнитного поля, которое действует с силой в 1 Ньютон на проводник, имеющий длину 1 метр и силу тока в нем 1 ампер.
И теперь можно сказать, что более точное название магнитных линий – линии магнитной индукции.
Магнитный поток
Плоский контур. Явление электромагнитной индукции
Как уже неоднократно упоминалось, магнитное поле порождается электрическим током. Тогда возможна ли ситуация, когда, наоборот магнитное поле породит электрический ток?
Из опытов установлено, что магнитное поле действительно может порождать ток. Один из самых простых опытов, доказывающих это, заключается в следующем: замкнутый плоский контур (все точки которого лежат в одной плоскости) из проводящего ток материала подключают к амперметру (чтобы зафиксировать ток) и затем вносят его в область U-образного магнита (см. рисунок 11).
Рисунок 11 – Проводящий контур в магнитном поле (К – контур, А – амперметр)
В ходе данного опыта было выяснено:
Что же изменялось в течение опыта? Если судить по рисунку, видно, что менялось количество магнитных линий, пересекающих контур (они изображены стрелками вниз). На языке физики говорят, что изменялся магнитный поток (Ф), пронизывающий замкнутый контур.
Магнитный поток обозначается буквой Ф и измеряется в Веберах.
Он прямо пропорционален количеству линий магнитного поля, пересекающих плоскость, ограниченную контуром.
Если в эксперименте использовать кольцо большего радиуса, его бы пронизывал больший поток (большая площадь контура могла бы захватить больше магнитных линий). Поле между ветвями U-образного магнита считается однородным.
Если оставить контур прежним, но взять более мощный магнит, поток Ф тоже станет больше (при более сильном поле магнитные линии рисуются гуще).
Если повернуть контур по диаметру, площадь, которой он «захватывает» магнитные линии уменьшится, а значит и магнитный поток уменьшится.
Получается, что поток Ф тем больше, чем больше величина магнитной индукции (В)и площадь контура. Помимо этого, он зависит от того, как расположен контур в поле.
Возникновение тока в замкнутом контуре (из проводящего материала) при изменении магнитного потока Ф, пронизывающего площадь, ограниченную контуром, называется явлением электромагнитной индукции. А возникающий ток – индукционным.
Подробным изучением этого явления занимался английский ученый М.Фарадей.
Направление индукционного тока
Правило Ленца
Рисунок 12 – Установка для опыта по определению направления индукционного тока
Чем объясняются данные наблюдения?
В разорванном кольце ток пойти не может, поэтому ничего не происходит.
В цельном кольце при попытках изменить магнитный поток (Ф) возникает ток, который порождает свое магнитное поле .
Если магнит пытаются приблизить к контуру-кольцу, плоскость, ограниченную кольцом, начинают пронизывать магнитные линии поля магнита . Кольцо, отталкиваясь от магнита, «сопротивляется» изменению магнитного потока, а индукционный ток в контуре порождает поле, линии которого противоположны линиям поля магнита: .
Русский ученый Э. Х. Ленц вывел следующее правило: индукционный ток в замкнутом контуре порождает магнитное поле, противодействующее изменению внешнего магнитного потока (Ф).