Содержание
Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током – FIZI4KA
ОГЭ 2018 по физике ›
1. Опыт Эрстеда заключается в следующем. На столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока (см. рис. 81). При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику.
При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону. Опыт Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течёт электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.
Опыт Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.
Об этой взаимосвязи свидетельствует и опыт, известный как опыт Ампера. Если по двум длинным параллельно расположенным проводникам пропустить электрический ток в одном направлении, то они притянутся друг к другу; если направление тока будет противоположным, то проводники оттолкнутся друг от друга.
Это происходит потому, что вокруг одного проводника возникает магнитное поле, которое действует на другой проводник с током. Если ток будет протекать только по одному проводнику, то проводники не будут взаимодействовать.
Таким образом, вокруг движущихся электрических зарядов или вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.
Силовой характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитной индукцией. Обозначается магнитная индукция буквой \( B \). Магнитная индукция является векторной величиной, т.е. имеет определённое направление. Это наглядно проявляется в опыте со взаимодействием параллельных проводников с током. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.
2. Обнаружить магнитное поле вокруг проводника с током можно с помощью либо магнитных стрелок, либо железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и становятся магнитными стрелками.
На рисунке 87 изображён проводник, пропущенный через лист картона, на который насыпаны железные опилки. При прохождении по проводнику электрического тока опилки располагаются вокруг него по концентрическим окружностям.
Линии, вдоль которых располагаются в магнитном поле магнитные стрелки или железные опилки, называют линиями магнитной индукции. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, принято за направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции в каждой точке поля.
Как следует из результатов опыта Эрстеда и опыта по взаимодействию параллельных проводников с током, направление линий вектора магнитной индукции (и линий магнитной индукции) зависит от направления тока в проводнике. Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила буравчика. Для линейного проводника оно следующее: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции.
3. Если пропустить электрический ток по катушке, то опилки расположатся, как показано на рисунке 88.
Картина линий магнитной индукции свидетельствует о том, что катушка с током становится магнитом. Если катушку с током подвесить, то она повернётся южным полюсом на юг, а северным — на север (рис. 89).
Следовательно, катушка с током имеет два полюса: северный и южный. Определить полюса, которые появляются на её концах можно, если известно направление электрического тока в катушке. Для этого пользуются правилом буравчика: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри катушки (рис. 90).
4. Тела, длительное время сохраняющие магнитные свойства, или намагниченность, называют постоянными магнитами. Поднося магнит к железным опилкам, можно заметить, что они притягиваются к концам магнита и практически не притягиваются к его середине.
Те места магнита, которые производят наиболее сильное магнитное действие, называются полюсами магнита. Магнит имеет два полюса: северный — N и южный — S. Принято северный полюс магнита окрашивать синим цветом, а южный — красным. Если полосовой магнит разделить на две части, то каждая из них окажется магнитом с двумя полюсами.
Положив на постоянный магнит лист бумаги или картона и насыпав на него железные опилки, можно получить картину его магнитного поля (рис. 91). Линии магнитной индукции постоянных магнитов замкнуты, все они выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.
Магнитные стрелки и магниты взаимодействуют между собой. Разноимённые магнитные полюсы притягиваются друг к другу, а одноимённые — отталкиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что магнитное поле одного магнита действует на другой магнит и, наоборот, магнитное поле 2-го магнита действует на 1-й.
Причиной наличия у веществ магнитных свойств является движение электронов, существующих в каждом атоме.
При своём движении вокруг атома электроны создают магнитные поля. Если эти поля имеют одинаковую ориентацию, то вещество, например железо или сталь, намагничены достаточно сильно.
5. Магнитное поле действует на проводник с током. Доказать это можно с помощью эксперимента (рис. 92).
Если в поле подковообразного магнита поместить проводник длиной \( l \), подвешенный на тонких проводах, соединить его с источником тока, то при разомкнутой цепи проводник останется неподвижным. Если замкнуть цепь, то по проводнику пойдёт электрический ток, и проводник отклонится в магнитном поле от своего первоначального положения. При изменении направления тока проводник отклонится в противоположную сторону. Таким образом, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила, которую называют силой Ампера.
Экспериментальное исследование показывает, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника \( l \) и силе тока \( I \) в проводнике: \( F\sim Il \).
Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции \( B \). Соответственно, \( F=BIl \).
Сила, действующая на проводник с током, помещённый в магнитное поле, равна произведению модуля вектора магнитной индукции, силы тока и длины той части проводника, которая находится в магнитном поле.
В таком виде зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, записыватся в том случае, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током.
Формула силы Ампера, позволяет раскрыть смысл понятия вектора магнитной индукции. Из выражения для силы Ампера следует: \( B=\frac{F}{Il} \), т.е. магнитной индукцией называется физическая величина, равная отношению силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, к силе тока и длине проводника, находящейся в магнитном поле.
Из приведённой формулы понятно, что магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.
Единица магнитной индукции \( [В] = [F]/[I][l] \).
\( [B] \) = 1 Н/(1 А · 1 м) — 1 Н/(А · м) = 1 Тл. За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию такого поля, в котором на проводник длиной 1 м действует сила 1 Н при силе тока в проводнике 1 А.
Направление силы Ампера определяют, пользуясь правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник (рис. 93).
6. Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся (рис. 94), потому, что на стороны рамки действует сила Ампера. При этом сила, действующая на сторону рамки \( ab \), противоположна силе, действующей на сторону \( cd \).
Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике.
Для этого к концам рамки припаяны полукольца, по которым скользят контакты, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняются контактные пластины, которых касаются полукольца и, соответственно, направление тока в рамке.
В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.
Содержание
- ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
- Часть 1
- Часть 2
- Ответы
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.
1) 1 — S, 2 — N
2) 1 — А, 2 — N
3) 1 — S, 2 — S
4) 1 — N, 2 — S
2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?
1) 1 — северному полюсу; 2 — южному
2) 1 — южному; 2 — северному полюсу
3) и 1, и 2 — северному полюсу
4) и 1, и 2 — южному полюсу
3.
При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка
1) повернётся на 90°
2) повернётся на 180°
3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение
4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4
5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?
1) вправо
2) влево
3) на нас из-за плоскости чертежа
4) от нас за плоскость чертежа
6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке.
При этом на концах железного сердечника катушки
1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный
2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный
7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.
Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке
8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная
1) вправо →
2) влево ←
3) вверх ↑
4) вниз ↓
9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена
1) вверх ↑
2) вниз ↓
3) направо →
4) налево ←
10.
На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?
1) вверх ↑
2) вправо →
3) вниз ↓
4) влево ←
11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле.
2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле.
3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный.
4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов.
5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.
12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см.
рисунок).
Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится.
2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо.
3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А.
4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.
Часть 2
13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Ответы
Электромагнитная индукция.
Опыты Фарадея. Электромагнитные колебания и волны →
← Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца
Опыт Эрстеда: магнитное поле тока
В физике уже давно установлено, что магнитные и электрические явления связаны между собой. Такую связь доказывает опыт Эрстеда, магнитное поле тока и другие факторы, указывающие на одинаковую природу магнетизма и электричества. Полученные результаты позволили глубже изучить суть этих явлений для последующего применения их в практической деятельности.
Взаимосвязь магнитных и электрических явлений
Аналогия данных явлений проявилась еще в результате первых исследований. В качестве примера можно привести свойства притягивания и отталкивания, когда в электростатике притягиваются и отталкиваются разноименные и одноименные заряды, а в магнетизме – аналогичные полюса.
В течение продолжительного времени было невозможно провести необходимые опыты по причине отсутствия постоянного источника тока. Проведение первых опытов, связанных с намагничиванием иглы, стало возможным после появления лейденской банки.
Более широкие исследования начались после того как появилась батарея Вольта.
Первым, наиболее удачным экспериментом, считается опыт Эрстеда с использованием металлической проволоки, натягиваемой между двумя стойками. Расположение магнитной стрелки под проволокой выполняется так, чтобы происходило ее выравнивание относительно магнитного поля земли. Таким образом, она становится направленной с севера на юг. В самом начале электрического тока в цепи не было, проволока и стрелка располагались параллельно между собой. После этого проволока подключалась к источнику тока.
Суть опыта Эрстеда
Во время включения электрического тока в цепь происходит поворот магнитной стрелки на 90 градусов. Она принимает положение, перпендикулярное относительно проволоки. В процессе поворота стрелка начинает колебаться, а затем успокаивается в установленном положении. После отключения тока магнитная стрелка снова принимает исходное положение, размещаясь в направлении магнитного поля земли.
После первых опытов Эрстеда данной проблемой стали заниматься и другие ученые. Например, английским физиком Фарадеем была выдвинута теория, связанная с силовыми линиями магнитного поля. Опыт Эрстеда позволяет обнаруживать магнитное поле и без специального лабораторного оборудования.
Опыт Эрстеда проводится с помощью высокого стакана с водой и широкой чашки с солью, растворенной в воде. Далее, нужно взять иглу, намагнитить ее постоянным магнитом, смазать жиром и опустить в стакан на водную поверхность, не нарушая ее поверхностный слой. Игла будет играть роль магнитной стрелки. В качестве источника тока служит уголь, завернутый в ткань и опущенный в соленую воду и пластина из цинка, также опущенная в соленую воду. При замыкании или размыкании самодельной цепи, игла будет поворачиваться в соответствующем направлении.
Эксперимент Эрстеда | Научный проект
Научный проект
Ганс Христиан Эрстед — датский ученый, исследовавший взаимосвязь между электрическим током и магнетизмом.
Ток — это поток электронов, и то, как мы упрочняем электричество. Токи создают свои собственные магнитные поля в замкнутых контурах, которые, как известно, магниты индуцируют или создают ток в проводах.
Эрстед экспериментировал с этим, используя компас, который использует магнитные полюса Земли, чтобы показать, в каком направлении вы смотрите. Поднеся компас к замкнутой токовой петле, он смог повлиять на магнитное поле и заставить стрелку компаса двигаться.
Скачать проект
Оценка
Средняя школаСредняя школа
Изучите электромагнитную индукцию, воссоздав эксперимент Эрстеда.
Что произойдет, если вы поднесете компас к текущей петле?
- Батарея D
- Провод изолированный
- Изолента
- Компас
- Коробка
- Изолента
- Отрежьте 1-метровую петлю из изолированного провода.
- Используйте изоленту, чтобы прикрепить зачищенный конец провода к одной стороне батареи D.
- Протяните провод вверх по одной стороне коробки, сверху и вниз по другой стороне. Убедитесь, что у вас достаточно провода, чтобы его можно было проложить по столу или земле для повторного подключения аккумулятора. Теперь у вас есть петля!
- Подсоедините другой открытый конец провода к аккумулятору, чтобы начал течь ток.
- Поместите компас в центр петли. Что случается?
- Переместите компас ближе к проводу и подальше от провода. Запишите свои наблюдения.
По проводу течет ток, создающий вокруг себя магнитное поле. Если поднести компас к проводу или в петлю, стрелка компаса начнет двигаться.
Ток индуцирует магнитное поле в соответствии с правилом правой руки. Сделайте знак «большой палец вверх» правой рукой. Большой палец будет направлением тока (текущего от отрицательного к положительному выводу батареи), а остальные пальцы будут изгибаться в направлении магнитного поля.
Магнитное поле, создаваемое током, будет мешать магнитному полю компаса, если его поднести достаточно близко.
Отказ от ответственности и меры предосторожности
Education.com предоставляет идеи проекта научной ярмарки для ознакомления
только цели. Education.com не дает никаких гарантий или заявлений
относительно идей проекта научной ярмарки и не несет ответственности за
любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких
Информация. Получая доступ к идеям проекта научной ярмарки, вы отказываетесь и
отказаться от любых претензий к Education.com, возникающих в связи с этим. Кроме того, ваш
доступ к веб-сайту Education.com и проектным идеям научной ярмарки покрывается
Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, включая ограничения
об ответственности Education.com.
Настоящим предупреждаем, что не все проектные идеи подходят для всех
отдельных лиц или во всех обстоятельствах.
Реализация любой идеи научного проекта
следует проводить только в соответствующих условиях и с соответствующими родителями.
или другой надзор. Чтение и соблюдение мер предосторожности всех
материалы, используемые в проекте, является исключительной ответственностью каждого человека. За
дополнительную информацию см. в справочнике по научной безопасности вашего штата.
Эксперимент Эрстеда: основное наблюдение | StudySmarter
В 1820 году Эрстед обнаружил первоначальную связь между электричеством и магнетизмом, которая даже вызвала предположения. Что он обнаружил в своем эксперименте? Он действительно обнаружил находки случайно? В этой статье мы поговорим об открытиях Эрстеда и о том, как он придумал закон Эрстеда.
Эрстед Открытие связи между электричеством и магнетизмом
Закон Эрстеда — это физический закон электромагнетизма, который гласит, что электрический ток создает магнитное поле. Ганс Христиан Эрстед (1777–1851), датский ученый, открыл это 21 апреля 1820 года, когда заметил, что стрелка компаса вблизи провода с током вращается перпендикулярно проводу.
Хотя он определил магнитное поле, создаваемое прямым проводом с током, он также обнаружил первоначальную связь между электричеством и магнетизмом.
Стрелка простого компаса отклоняется при приближении к проводу с током, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
связь между электричеством и магнетизмом. Существовал миф, что он обнаружил находку случайно во время одной из своих лекций, однако он искал взаимосвязь между электричеством и магнетизмом с 1818 года. Он просто не был уверен в значении находок.
Его первое предположение заключалось в том, что магнитные свойства излучаются со всех сторон провода, по которому течет электрический ток, подобно излучению света и тепла. Три месяца спустя он провел более интенсивное исследование и вскоре опубликовал свои выводы. Он продемонстрировал, что электрический ток создает круговое магнитное поле, когда движется по проводу. Эрстед также отметил, что сила магнитного поля \(B\) прямо пропорциональна величине тока \(I\)
\(B \propto I\)
и сила магнитного поля \(B\) была обратно пропорциональна расстоянию от тока \(r\).
\(B \propto \frac{1}{r}\).
Схема эксперимента Эрстеда
На рисунке ниже показана принципиальная схема установки Эрстеда. Батарея подключена к магнитному компасу и резистору. Переключатель изначально разомкнут, через компас не проходит ток, и его стрелка не отклоняется.
На изображении магнитный компас помещен в цепь, включающую две батареи и сопротивление. Поскольку переключатель выключен, по проводу не течет ток, и показания компаса не меняются. Лаборатория Java
На изображении ниже мы видим, что переключатель теперь замкнут. Теперь через компас проходит ток, и его стрелка отклоняется.
Теперь переключатель включен. По проводу начинает течь ток, и стрелка компаса отклоняется. JavaLab
Почему стрелка компаса отклоняется только при включенном переключателе? Давайте подробнее об этом!
Моделирование эксперимента Эрстеда
Когда ток проходит по цепи, электроны, протекающие по проводу, создают окружающее его магнитное поле.
Северная часть стрелки отклоняется за счет расположения магнитного компаса, как показано на изображении выше. Это связано с тем, что существует магнитное поле, создаваемое проводом с током. Направление магнитного поля можно показать с помощью правила правой руки, которое мы немного обсудим.
Направление магнитного поля провода с током
Изображение ниже представляет собой простую иллюстрацию, показывающую, как можно определить направление тока, если известно направление магнитного поля, и наоборот.
Согласно правилу правой руки, большой палец показывает направление тока, а четыре пальца обвивают провод и показывают направление магнитного поля, Creative Commons
Правило правой руки, как его называют, может использоваться для определения направления магнитного поля в заданном положении, а также направления стрелок на силовых линиях магнитного поля, которое является направлением, в котором указывает «северный полюс» стрелки компаса. Пальцы скручиваются вокруг провода в направлении магнитного поля, если правая рука обхватывает провод, а большой палец указывает в направлении тока.
Примеры экспериментов Эрстеда
Давайте применим правило правой руки к простому примеру, чтобы определить, понимаем ли мы, как его можно использовать для определения направления магнитного поля. На рисунке ниже провод с током проходит через руку с током, текущим вверх и вправо. Из эксперимента Эрстеда мы знаем, что этот ток будет генерировать магнитное поле, но в каком направлении будет указывать это поле?
Ток течет в направлении вверх и вправо. Для определения направления магнитного поля можно использовать правило правой руки, адаптированное из изображения SVGguru CC BY-SA 4.0
Правило правой руки можно использовать для определения направления, в котором будут указывать силовые линии магнитного поля. То есть большой палец следует за направлением тока; вверх и вправо. Прямой ток, во-первых, указывает на то, что магнитное поле будет закручиваться вокруг провода. Затем костяшки пальцев, обращенные к нам (вне страницы), указывают на то, что в этой точке линии магнитного поля направлены к нам, а кончики пальцев, направленные от нас (в сторону страницы), указывают на то, что в этой точке линии магнитного поля направлены к нам.
указывая от нас. Изображение ниже дает нам полную картину направления магнитного поля (для простоты нарисована только одна силовая линия).
Ток, проходящий по проводу в направлении, указанном красным, создаст магнитное поле в направлении, указанном синим, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Если бы мы поместили компас рядом с этим проводом, мы бы обратите внимание, что северный полюс этого компаса будет отклоняться и указывать в направлении силовых линий. Инверсия направления тока изменит направление, в котором будут указывать закрученные силовые линии магнитного поля. По сути, это то, что Эрстед открыл в своем эксперименте и легло в основу электромагнетизма.
Краткий обзор эксперимента Эрстеда по электромагнетизму
Теперь мы можем подвести итоги открытий Эрстеда из его эксперимента. Для прямого провода, по которому течет постоянный постоянный ток (DC), Эрстед обнаружил, что:
- Проводник с током окружен силовыми линиями магнитного поля.
- Магнитное поле меняет направление, когда меняется направление тока.
