§16. Магнитное поле и его характеристики и свойства. Графическое изображение магнитного поля. Поток вектора магнитной индукции
Темой этого урока будет магнитное поле и его графическое изображение. Мы обсудим неоднородное и однородное магнитное поле. Для начала дадим определение магнитному полю, расскажем, с чем оно связано и какими оно обладает свойствами. Научимся изображать его на графиках. Также узнаем, как определяется неоднородное и однородное магнитное поле.
Cегодня мы в первую очередь повторим, что такое магнитное поле. Магнитное поле - силовое поле, которое образуется вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Оно связано с движущимися зарядами .
Теперь необходимо отметить свойства магнитного поля . Вы знаете, что с зарядом связано несколько полей. В частности, электрическое поле. Но мы будем обсуждать именно магнитное поле, создаваемое движущимися зарядами. У магнитного поля несколько свойств. Первое: магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами . Иными словами, магнитное поле образуется вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Следующее свойство, которое говорит, как магнитное поле определяется. Определяется оно по действию на другой движущийся электрический заряд. Или, говорят, на другой электрический ток. Наличие магнитного поля мы можем определить по действию на стрелку компаса, на т.н. магнитную стрелку.
Еще одно свойство: магнитное поле оказывает силовое действие . Поэтому говорят, что магнитное поле материально.
Эти три свойства являются отличительными чертами магнитного поля. После того, как мы определились с тем, что такое магнитное поле, и определили свойства такого поля, необходимо сказать, как магнитное поле исследуют. В первую очередь магнитное поле исследуется при помощи рамки с током. Если мы возьмем проводник, сделаем из этого проводника круглую или квадратную рамку и по этой рамке будем пропускать электрический ток, то в магнитном поле эта рамка будет определенным образом поворачиваться.
Рис. 1. Рамка с током поворачивается во внешнем магнитном поле
По тому, как поворачивается эта рамка, мы можем судить о магнитном поле . Только здесь есть одно важное условие: рамка должна быть очень маленькая или она должна быть очень малых размеров по сравнению с расстояниями, на которых мы изучаем магнитное поле. Такую рамку называют контур с током.
Исследовать магнитное поле мы можем и при помощи магнитных стрелок, размещая их в магнитном поле и наблюдая за их поведением.
Рис. 2. Действие магнитного поля на магнитные стрелки
Следующее, о чем мы будем говорить, о том, как можно изобразить магнитное поле. В результате исследований, которые были проведены в течение долгого времени, стало понятно, что магнитное поле удобно изображать при помощи магнитных линий. Чтобы пронаблюдать магнитные линии , проделаем один эксперимент. Для нашего эксперимента потребуется постоянный магнит, металлические железные опилки, стекло и лист белой бумаги.
Рис. 3. Железные опилки выстраиваются вдоль линий магнитного поля
Магнит накрываем стеклянной пластиной, а сверху кладем лист бумаги, белый лист бумаги. Сверху на лист бумаги сыплем железные опилки. В результате будет видно, как проявляются линии магнитного поля. То, что мы увидим, - это линии магнитного поля постоянного магнита. Их еще называют иногда спектром магнитных линий. Заметьте, что линии существуют по всем трем направлениям, не только в плоскости.
Магнитная линия - воображаемая линия, вдоль которой выстраивались бы оси магнитных стрелок.
Рис. 4. Схематическое изображение магнитной линии
Посмотрите, на рисунке представлено следующее: линия изогнутая, направление магнитной линии определяется направлением магнитной стрелки. Направление указывает северный полюс магнитной стрелки. Очень удобно изображать линии именно при помощи стрелок.
Рис. 5. Как обозначается направление силовых линий
Теперь поговорим о свойствах магнитных линий. Во-первых, у магнитных линий нет ни начала, ни конца. Это линии замкнутые. Раз магнитные линии замкнуты, то не существует магнитных зарядов.
Второе: это линии, которые не пересекаются, не прерываются, не свиваются каким-либо образом. При помощи магнитных линий мы можем характеризовать магнитное поле, представить себе не только его форму, но и говорить о силовом воздействии. Если изображать большую густоту таких линий, то в этом месте, в этой точке пространства, у нас силовое действие будет больше.
Если линии располагаются параллельно друг другу, их густота одинакова, то в этом случае говорят, что магнитное поле однородно . Если, наоборот, этого не выполняется, т.е. густота разная, линии искривлены, то такое поле будет называться неоднородным . В заключение урока хотелось бы обратить ваше внимание на следующие рисунки.
Рис. 6. Неоднородное магнитное поле
Во-первых, теперь мы уже знаем, что магнитные линии можно изображать стрелками. И рисунок представляет именно неоднородное магнитное поле. Густота в разных местах разная, значит, силовое воздействие этого поля на магнитную стрелку будет разным.
На следующем рисунке представлено уже однородное поле. Линии направлены в одну сторону, и их густота одинакова.
Рис. 7. Однородное магнитное поле
Однородное магнитное поле - это поле, которое встречается внутри катушки с большим числом витков или внутри прямолинейного, полосового магнита. Магнитное поле вне полосового магнита или то, что мы сегодня наблюдали на уроке, это поле неоднородное. Чтобы все это до конца усвоить, давайте посмотрим на таблицу.
Список дополнительной литературы:
Белкин И.К. Электрическое и магнитное поля // Квант. — 1984. — № 3. — С. 28-31. Кикоин А.К. Откуда берется магнетизм? // Квант. — 1992. — № 3. — С. 37-39,42 Леенсон И. Загадки магнитной стрелки // Квант. — 2009. — № 3. — С. 39-40. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 2. - М., 1974
Src="http://present5.com/presentation/3/46060323_437197076.pdf-img/46060323_437197076.pdf-1.jpg" alt="> Магнитное поле и его графическое изображение Неоднородное и однородное"> Магнитное поле и его графическое изображение Неоднородное и однородное магнитное поле Правило буравчика Правило правой руки Правило левой руки
Src="http://present5.com/presentation/3/46060323_437197076.pdf-img/46060323_437197076.pdf-2.jpg" alt=">Магнитное поле и его графическое изображение Для наглядного представления "> Магнитное поле и его графическое изображение Для наглядного представления магнитного поля мы пользовались магнитными линиями. Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. На рисунке показано магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная). По картине магнитных линий можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля.
Src="http://present5.com/presentation/3/46060323_437197076.pdf-img/46060323_437197076.pdf-3.jpg" alt=">Неоднородное и однородное магнитное поле Сила, с которой поле полосового магнита"> Неоднородное и однородное магнитное поле Сила, с которой поле полосового магнита действует на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению. Такое поле называют неоднородным. Линии неоднородного магнитного поля искривлены, их густота меняется от точки к точке. В некоторой ограниченной области пространства можно создать однородное магнитное поле, т. е. поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению. Для изображения магнитного поля пользуются следующим приемом. Если линии однородного магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа и наплавлены от нас за чертеж, то их изображают крестиками, а если из-за чертежа к нам – то точками.
Src="http://present5.com/presentation/3/46060323_437197076.pdf-img/46060323_437197076.pdf-4.jpg" alt=">Правило буравчика Известно, что направление линий магнитного поля тока связано с"> Правило буравчика Известно, что направление линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике. Эта связь может быть выражена простым правилом, которое называется правилом буравчика. Правило буравчика заключается в следующем: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока. С помощью правила буравчика по направлению тока можно определить направлений линий магнитного поля, создаваемого этим током, а по направлению линий магнитного поля – направление тока, создающего это поле.
Src="http://present5.com/presentation/3/46060323_437197076.pdf-img/46060323_437197076.pdf-5.jpg" alt=">Правило правой руки Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее"> Правило правой руки Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться другим правилом, которое иногда называют правилом правой руки: если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида. Соленоид, как и магнит, имеет полосы: тот конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, называется северным полюсом, а тот, в который входят, - южным. Зная направления тока в соленоиде, по правилу правой руки можно определить направление магнитных линий внутри него, а значит, и его магнитные полюсы и наоборот. Правило правой руки можно применять и для определения направления линий магнитного поля в центре одиночного витка с током.
Src="http://present5.com/presentation/3/46060323_437197076.pdf-img/46060323_437197076.pdf-6.jpg" alt=">Правило правой руки для проводника с током Если правую руку "> Правило правой руки для проводника с током Если правую руку расположить так, чтобы большой палец был направлен по току, то остальные четыре пальца покажут направление линии магнитной индукции
Постоянные магниты – тела, сохраняющие длительное время намагниченность. Полюс - место магнита, где обнаруживается наиболее сильное действие N – северный полюс магнита S – южный полюс магнита S N S Дугообразный магнит Полосовой магнит N 2
В чем же причины намагничивания? Гипотеза Ампера + S Согласно гипотезы Ампера (1775 - 1836 г.) в атомах и молекулах в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В 1897 г. гипотезу подтвердил английский учёный Томсон, а в 1910 г. измерил токи американский учёный Милликен. - е N При внесении куска железа во внешнее магнитное поле все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле. Так кусок железа становится магнитом. 3
Движение электронов представляет собой круговой ток, а вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле. 4 4
Искусственные и естественные магниты. Искусственные магниты -полученные намагничиванием железа при внесении его в магнитное поле. Естественные магниты - магнитный железняк. Природные магниты, т. е. кусочки магнитного железняка магнетита 5
Свойства магнитов: 1. Наиболее сильное магнитное действие обнаруживают полюса магнитов; 2. Хорошо притягиваются магнитом чугун, сталь, железо и некоторые сплавы; 3. Железо, сталь, никель в присутствии магнитного железняка приобретают магнитные свойства; 4. Разноименные магнитные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются. 6 6
Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют между собой. 7
Магнитное поле постоянных магнитов Представление о виде магнитного поля можно получить с помощью железных опилок. Стоит лишь положить на магнит лист бумаги и посыпать его сверху железными опилками. Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц. 8
Магнитные поля изображаются с помощью магнитных линий. Это воображаемые линии, вдоль которых располагаются магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Магнитные линии можно провести через любую точку магнитного поля, они имеют направление и всегда замкнуты. Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита. 9
По картине магнитных линий можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля. В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг у другу, гуще, чем в тех местах, где поле слабее. 10
НЕОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Сила, с которой действует поле магнита может быть различной как по модулю, так и по направлению. Такое поле называют неоднородным. Характеристики неоднородного магнитного поля: магнитные линии искривлены; густота магнитных линий различна; сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, различна в разных точках этого поля по величине и направлению. 12
Где существует неоднородное магнитное поле? Вокруг прямого проводника с током. На рисунке изображен участок такого проводника, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа. Ток направлен от нас. Видно, что магнитные линии представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от проводника 13
ОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Характеристики однородного магнитного поля: магнитные линии параллельные прямые; густота магнитных линий везде одинакова; сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, одинакова во всех точках этого поля по величине и направлению. 15
Где существует однородное магнитное поле? Внутри полосового магнита и внутри соленоида, если его длина много больше, чем диаметр 16
Это интересно Магнитные полюсы Земли много раз менялись местами (инверсии). За последний миллион лет это случалось 7 раз. 570 лет назад магнитные полюса Земли были расположены в районе экватора 17
Это интересно Если на Солнце происходит мощная вспышка, то усиливается солнечный ветер. Это вызывает возмущение земного магнитного поля и приводит к магнитной буре. Пролетающие мимо Земли частицы солнечного ветра создают дополнительные магнитные поля. Магнитные бури причиняют серьёзный вред: они оказывают сильное влияние на радиосвязь, на линии электросвязи, многие измерительные приборы показывают неверные результаты. 18
Это интересно Земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями. 19
Это интересно Результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли является полярное сияние. Вторгаясь в земную атмосферу, частицы солнечного ветра (в основном электроны и протоны) направляются магнитным полем и определённым образом фокусируются. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферного воздуха, они ионизируют и возбуждают их, в результате чего возникает свечение, которое называют полярным сиянием. 20
Это интересно Изучением влияния различных факторов погодных условий на организм здорового и больного человека занимается специальная дисциплина - биометрология. Магнитные бури вносят разлад в работу сердечно -сосудистой, дыхательной и нервной системы, а также изменяют вязкость крови; у больных атеросклерозом и тромбофлебитом она становится гуще и быстрее свёртывается, а у здоровых людей, напротив, повышается. 21
Закрепление 1. 2. 3. 4. 5. 6. Какие тела называют постоянными магнитами? Чем порождается магнитное поле постоянного магнита? Что называют магнитными полюсами магнита? Чем отличаются однородные магнитные поля от неоднородных? Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов? Объясните, почему иголка притягивает скрепку? (см. рис) 22
Магнитное поле порождается электрическим током. Магнитное поле порождается электрическим током. В металле ток создается электронами, направленно движущимися вдоль проводника. В металле ток создается электронами, направленно движущимися вдоль проводника. В растворе электролита ток создается положительно и отрицательно заряженными ионами, движущиеся навстречу друг другу. В растворе электролита ток создается положительно и отрицательно заряженными ионами, движущиеся навстречу друг другу.
Согласно гипотезе Ампера в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах элементарные кольцевые токи ориентированы одинаково. Поэтому магнитные поля, образующиеся вокруг каждого такого тока, имеют одинаковые направления. Эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита.
Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями. Магнитные линии это воображаем линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле. Магнитные линии всегда замкнуты
Магнитные линии выходят из северного по люса магнита и входят в южный. Внутри магнита они направлены от южного полюса к северному. Вне магнита магнитные линии расположены наиболее густо у с полюсов. Значит, возле полюсов поле самое сильное, а по мере удаления от полюсов оно ослабевает.
Неоднородное и однородное магнитное поле Неоднородное магнитное поле Сила, с которой поле полосового магнита действует на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по на правлению. Магнитные линии неоднородного магнитного поля искривлены, их густота меняется от точки к точке. Однородное магнитное поле В некоторой ограниченной области пространства можно создать однородное магнитное поле, т. е. поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению. Магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Направление тока и направление линий его магнитного поля Правило буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока
