План урока:

Магнитное поле и его графическое изображение

Неоднородное и однородное магнитное поле

Направление тока и направление линий магнитного поля

Величина магнитного поля

Магнитный поток

Направление индукционного тока

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:

• воздействует на движущиеся заряженные частицы и вещества, обладающие свойствами магнитов;
• порождается движущимися заряженными частицами или веществами-магнитами.

*Напоминание: поле – это такая материя, которую нельзя увидеть или почувствовать органами чувств, однако можно обнаружить его действие на какие-либо объекты.

Поскольку поле нельзя увидеть или почувствовать, но описывать и представлять нужно, было решено изображать магнитное поле схематично - в виде линий.

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:

• выходят из северного полюса магнита (т.е. начинаются на нем);
• входят в южный (заканчиваются на нем);
• являются или замкнутыми, или уходящими в бесконечность (начинающимися в бесконечности).

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.

Как выглядят магнитные линии поля проводника с током приведено на рисунке 5. Читателю представлен поперечный разрез проводника с током, текущим «в рисунок». В данном случае линии поля – это концентрические окружности. Там, где поле интенсивнее (близко к источнику - проводнику) линии рисуются гуще, а в областях, где слабее – реже.

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.

На рисунке 7 приведена иллюстрация, как использовать правило буравчика. Относительно читателя ток идет вниз. Буравчик, расположенный как на рисунке, вращают по часовой стрелке, чтобы он двигался вниз. Тогда, в соответствии с правилом, направление магнитных линий вокруг проводника - «по часовой стрелке».

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

Магнитная индукция - вектор. Его модуль отражает силу, с которой магнитное поле воздействует на магниты или движущиеся заряженные частицы, а направление указывает куда ориентированы линии поля.

Однородному полю присуща индукция  постоянная во всех точках. У неоднородного поля  изменяется.

Чтобы разобрать подробнее, что за величина , нужно рассмотреть еще один эксперимент.

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

Сила Ампера увеличивается с возрастанием силы тока , магнитной индукции (B) и длины проводника (L). Помимо этого,присутствует зависимость от ориентации проводника в поле.

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:

• контур вносится в поле (в процессе движения) - амперметр фиксирует ток;
• контур покоится внутри магнита –стрелка амперметра на нуле;
• контур вынимают из области магнита - ток есть;
• изменяют положение контура (поворачивают вокруг диаметра) - ток есть.

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.

[Ф] = 1 Вб.

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

Индукционный ток и его направление изучались опытным путем. Был придуман прибор, состоящий из узкой перемычки, на концах которой закреплены кольца из легкого металла (чаще всего из алюминия): одно - сплошное, а второе – с разрезом. Перемычка с кольцами размещена на подставке, которая позволяет ей вращаться (см. рисунок 12). В ходе опыта прямоугольный магнит перемещают рядом с металлическими кольцами:

• при приближении магнита к кольцу с разрезом, ничего не происходит;
• при попытках внести магнит в сплошное кольцо, перемычка приходит в движение и поворачивается, кольцо пытается удалиться от магнита (результат не зависит от того, каким полюсом развернут магнит к кольцу);
• если, придержав сплошное кольцо рукой, внести магнит, а затем, отпустив кольцо, попытаться удалить его из плоскости кольца – перемычка будет вращаться, а кольцо будет «догонять» магнит.

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:  .

Когда предварительно введенный в кольцо магнит пытаются достать, количество магнитных линий, пересекающих плоскость кольца, уменьшается. Индукционный ток в кольце порождает магнитное поле, линии которого будут «возмещать недостающее»: .

Русский ученый Э. Х. Ленц вывел следующее правило: индукционный ток в замкнутом контуре порождает магнитное поле, противодействующее изменению внешнего магнитного потока (Ф).