Использование железных опилок для обнаружения магнитного поля
Магнитное поле возникает вокруг проводников, по которым течет ток. Чтобы его обнаружить, есть множество способов, некоторые из которых мы рассматривали в прошлом уроке.
Теперь мы рассмотрим еще один способ — использование мелких железных опилок.
Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки? Ответ очень прост: эти маленькие кусочки железа, оказавшись в магнитном поле, намагничиваются — становятся маленькими магнитным стрелками.
Опыт Эрстеда уже показал нам, что магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения при наличии рядом проводника, по которому течет ток. Теперь у нас будет не одна такая стрелка, а большое их множество. Мы же можем пронаблюдать за тем, как ось каждой такой стрелки будет устанавливаться при действии сил магнитного поля.
Сила Ампера: варианты расчета
Прежде чем сформулировать данную величину, необходимо разобраться, что такое понятие сила в физике. Ей называется величина в физике, которая является мерой воздействия всех окружающих тел на рассматриваемый объект. Обычно любую силу обозначают английской буквой F, от латинского fortis, что означает сильный.
Рассчитывается элементарная сила Ампера по формуле:
где, dl – часть длины проводника, B –индукция магнитного контура, I – сила тока.
Рассчитывается также сила Ампера по формуле:
где, J – направление плотности тока, dv– элемент объема проводника.
Формулировка расчета модуля силы Ампера, согласно литературе, звучит так: данный показатель напрямую зависит от силы тока, протяженности проводника, синуса, образуемого между этим вектором и самим проводником угла, и величины значения вектора магнитного контура в модуле. Она и носит название модуля силы Ампера. Формула данного закона математически строится так:
где, B – модуль индукции магнитного контура, I – сила тока, l – длина проводника, α – образуемый угол. Максимальное значение будет при перпендикулярном их пересечении.
Показатель измеряется в ньютонах (условное обозначение – Н) или
. Он является векторной величиной и зависит от вектора индукции и тока.
Существуют и другие формулы для расчета силы Ампера. Но на практике они достаточно редко востребованы и тяжелы для понимания.
Определение формы магнитного поля
Как же «выглядит» магнитное поле? Давайте проведем простой опыт (рисунок 1).
У нас есть прямой проводник с током. Сделаем в листе картона отверстие и проденем через него наш проводник. На картон насыпем тонкий слой железных опилок и включим ток.
Что же мы увидим? Как теперь располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
Рисунок 1. Расположение железных опилок в магнитном поле прямого тока
Под действием магнитного поля опилки примут интересное положение. Они теперь не беспорядочно лежат на листе картона, а располагаются вокруг проводника по концентрическим окружностям.
Линии магнитного поля
Чтобы описать магнитное поле и созданные им окружности из железных опилок, мы введем новое определение — магнитные линии.
Магнитные линии магнитного поля — это линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок.
То есть, если мы соединим опилки, образовавшие одну из окружностей, воображаемой линией, то получим окружность, в центре который находится проводник (рисунок 2).
Рисунок 2. Магнитные линии магнитного поля прямого тока
Обратите внимание, что стрелки не только выстраиваются вдоль этих линий, но и ориентируются все в одном направлении по этой окружности. Для того, чтобы проще было это оценить, рядом с проводником можно разместить обычные магнитные стрелки, как на рисунке 2.
Они располагаются на линии магнитного поля, указывая одним своим полюсом в одну сторону. Здесь мы не говорим, что они указывают направо или налево. Они разворачиваются одним полюсом как бы в одном направлении движения по окружности.
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 магнитных линий и форма магнитного поля
Получается, что использование опилок дало нам две новые характеристики магнитного поля: мы видим не только его форму с помощью магнитных линий, но и замечаем, что сами линии имеют определенное направление.
Итак, мы можем сделать следующие выводы:
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые (концентрические окружности в случае магнитного поля прямого тока), охватывающие проводник.
Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии магнитного поля.
Связь направлений магнитных линий и направления электрического тока
Магнитные линии дают нам возможность изобразить магнитное поле графически.
На каком расстоянии от проводника мы можем нарисовать его магнитные линии? Ответ прост — для графического изображения мы можем использовать удобный для нас масштаб.
Магнитное поле существует во всех точках пространства, окружающего проводник с током. Значит, мы можем правомерно провести магнитную линию через любую точку.
Хорошо, но как определить направление магнитных линий? Опыты показывают следующее:
Направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике.
Так как магнитные линии лежат в плоскости, перпендикулярной проводнику с током, на чертежах принято изображать сечение проводника (проводник в разрезе). Направление тока при этом условно обозначается крестиком, если ток направлен от нас, и точкой, если ток направлен на нас (рисунок 3).
Рисунок 3. Обозначения направления тока
Взгляните на рисунок 4, а. Ток течет вниз по проводнику. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль магнитных линий. Их оси ориентируется таким образом, как показано на рисунке.
Рисунок 4. Направление магнитных линий при движении тока вниз/от нас
Графическое изображение такого магнитного поля представлено на рисунке 4, б. Проводник с током расположен перпендикулярно плоскости чертежа, как будто мы смотрим на него сверху, а не сбоку. Направление тока мы обозначили крестиком на самом проводнике (от нас), и указали направление магнитных линий (куда указывают северные полюса магнитных стрелок.
Теперь сделаем так, чтобы ток шел не вниз, а вверх. Что мы увидим? Магнитные стрелки снова расположились вдоль окружности, но ориентация их осей изменилась (рисунок 5, а). Теперь они развернулись на $180 \degree$ по сравнению с первой ситуацией, где ток шел вниз по проводнику.
Рисунок 5. Направление магнитных линий при движении тока вверх/к нам
На рисунке 5, б показано графическое изображение такого поля. Тот факт, что ток направлен к нам, условно обозначен точкой на проводнике. Направление магнитных линий поменялось на противоположное.
Такой простой опыт подтвердил нам тот факт, что направление магнитных линий связано с направлением тока.
Общие правила
Существует несколько для вариантов, чтобы указать направление перпендикулярного отрезка к двум исходным векторам и определить ориентацию базиса. В физике есть такие важные направления:
- оборотов тела вокруг центра движения;
- силового вектора магнитного поля в выбранной точке.
Выбор пути аксиальной величины является условным, но он происходит одинаково, поэтому в конечном значении знак остается постоянным. Правила и способы помогают сохранять единый выбор:
- Правило буравчика. Провод помещается в руку, при этом четыре пальца сжимаются в кулак. Главный палец, который располагается вертикально, покажет путь передвижения заряженных электронов (тока). Остальные пальцы, которые ставятся параллельно друг другу, определят направление передвижения электромагнитных линий.
- Правило правой руки. При помещении исследуемого кабеля в руку сжатые пальцы показывают путь линий силового поля, а большой — направление тока. При поступательном перемещении проводника вдоль линий, которые определяют напряженность, их движение направлено в ладонь. Вытянутый перпендикулярно большой палец совпадает с перемещением стержня. Если раскрыть кулак, то прямые пальцы определят курс индукционного тока.
- Правило левой руки. Рука располагается так, чтобы четыре пальца показывали направление движения электронов. Путь индукционных линий направлен в ладонь. Отогнутый палец показывает действие силы на провод. Закон действует для отклонения проводникового стержня, справа и слева от которого располагаются магниты, а он находится под током.
С помощью этих правил выбирается направление векторного произведения и базисов (или одного из двух взаимосвязанных понятий). Прием используется для определения направлений основных величин взамен применения остальных методов, если иметь представление о порядке расположения множителей в соответствующих формулах.
Способы выбора правила сочетаются между собой для вычисления положительного пути произведения векторов и базиса (координатной системы) в пространстве. Базис определяется как скоординированный векторный набор, при этом любой вектор в пространстве представляется в едином варианте линейного соотношения векторов из этого пакета.
Правило буравчика и правило правой руки
Можно запомнить, как соотносятся направление тока в проводнике и направление магнитных линий, а можно воспользоваться простым способом — правилом буравчика.
Если правой рукой вкручивать буравчик (винт, штопор) острием по направлению тока, то ваш большой палец будет поворачиваться по направлению магнитных линий.
Может вам покажется более удобной для использования другая интерпретация этого мнемонического правила — правило правой руки (рисунок 6).
Если обхватить правой рукой прямой проводник с током с отставленным большим пальцем так, чтобы он совпадал с направлением тока, то ваши четыре пальца покажут направление магнитных линий.
Рисунок 6. Правило правой руки для прямого проводника с током
Упражнения
Упражнение №1
Каким полюсом повернется к наблюдателю магнитная стрелка, если ток в проводнике направлен от A к B (рисунок 7)? Изменится ли ответ, если стрелку поместить над проводником?
Рисунок 7. Магнитная стрелка, расположенная под проводником
Пользуясь полученными знаниями, мы можем сказать, что магнитная стрелка повернется к нам южным полюсом (рисунок 8, а).
Как мы это определили? Если нарисовать чертеж (рисунок 8, б) точкой A к нам, то ток будет идти от нас. Так мы можем, используя готовые результаты опытов, приведенные в данном уроке выше, определить направление магнитных линий поля. Магнитная стрелка повернется северным полюсом по направлению этих линий, т. е. от нас.
Пользуясь правилом правой руки, мы получим тот же результат: если большой палец будет указывать направление тока, то четыре пальца укажут направление магнитных линий.
Рисунок 6. Ориентация магнитной стрелки в данном магнитном поле прямого тока
Если же мы поместим проводник под магнитной стрелкой, то ее положение поменяется. Она повернется к нам северным полюсом, потому что в этой точке магнитные линии будут направлены так же к нам.
Упражнение №2
В стене расположен (замурован) прямой электрический провод. Как найти место нахождения провода и направление тока в нем, не вскрывая стену?
Мы можем обнаружить такой провод с помощью магнитной стрелки на подставке или обычного компаса. Передвигая компас вдоль стены (и при этом не поворачивая его), нужно следить за положением магнитной стрелки. Если она начнет отклоняться, значит, в этом месте на нее действует магнитное поле проводника с током — наш провод где-то рядом.
Чтобы определить направление тока в этом проводе, посмотрим, куда указывает северный полюс стрелки компаса. Его направление будет совпадать с направлением магнитных линий. Если он повернется вправо, то ток направлен вверх, а если влево, то ток направлен вниз.
Немного из истории магнетизма
Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.
Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.
В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.
