Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
§ 24. Магнітне поле77
Узагальнення вченими результатів теоретичних іекспериментальних досліджень різних взаємодій у природідали підстави зробити висновок, що матерія може існувати нелише у формі речовини, а й у формі поля. У попередніх класах, вивчаючи фізику, ви дізналися про існування електричного і магнітного полів, завдяки яким взаємодіють наелектризовані тіла. Роботи Дж. Максвелла, М. Фарадея та інших учених показали, що ці поля пов’язані між собою і фактично єпроявом єдиного, більш універсального електромагнітногополя. І лише вибір системи відліку визначає, що ми спостерігаємо - електричне чи магнітне поле. Вивчити всі властивості електромагнітного поля відразу дуже складно. Тому у фізиці вивчають поступово окремі прояви цього поля. Одним зетапів вивчення властивостей електромагнітного поля є вивчення магнітного поля, яке проявляється у випадку, колиелектрично заряджені частинки чи тіла в певній системі відліку рухаються рівномірно. У цьому розділі розглядаються нелише умови, за яких магнітне поле спостерігається, а й фізичні величини, що описують його властивості, закони, за якимивзаємодіють магнітні поля і речовинні об ’ єкти. Знання цихзаконів дає змогу здійснювати важливі для практики розрахунки результатів взаємодії магнітного поля з різними фізичними тілами.
ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ
Явища, які ми називаємо магнітними, відомі людям давно.Незвичайні властивості магнетиту (одного з видів залізноїруди) використовувалися в Стародавньому Китаї, а потім і вінших країнах для виготовлення компасів. Магнітам приписувалися магічні властивості, їх дією пояснювали нерозгаданіявища природи, намагалися лікувати хвороби.
Систематичні дослідження магнітів провів англійський фізик У. Гільберт у XVI ст. Він не тільки дослідив взаємодіюпостійних магнітів, а й установив, що Земля - це велетенськиймагніт.
Учення про магніти тривалий час розвивалося відособлено,як окрема галузь науки, аж поки низка відкриттів і теоретичних досліджень у X IX ст. не довели його органічний зв’язок зелектрикою.
Одним з фундаментальних доказів єдності електричних і магнітнихявищ є результат досліду Г .Х . Ерстеда, данського фізика, який у1820 р. помітив, що магнітна стрілка змінює свою орієнтацію поблизупровідника зі струмом (мал. 2 . 1 ).
Очевидним було, що причиноюцього є електричний струм - на
прямлений рух заряджених частинок у провіднику. З описомцього досліду ви ознайомлювалися в 9-му класі.
Магнітну дію рухомих заряджених тіл досліджував такожамериканський фізик Г. Роуланд у 1878 р. Основною частиною його дослідної установки (мал. 2 .2 ) був ебонітовий диск,покритий тонким шаром золота 1 . Диск насаджувався на вал і міг вільно обертатися між двома скляними дисками 2. Надебонітовим диском підвішувалися на тонкій нитці дві намагнічені голки З, які були чутливими індикаторами магнітногополя. Коли диск зарядили і почали обертати, голки повернулись на певний кут, реєструючи наявність магнітного поля.При збільшенні швидкості обертання диска кут повертаннянамагнічених голок збільшувався.
Дослідами Г. Роуланда підтверджене відкриття Ерстедапро зв’язок магнітного поля з рухомими електрично зарядженими частинками або тілами.
Мал. 2.1. Дослід Ерстеда
Генрі Роуланд (1848-1901) - американський фізик; наукові праці у сфері електродинаміки, оптики, спектроскопії і теплоти. Він установив, що заряджені тіла, якщо вони рухаються, викликають магнітну взаємодію.
§ 24. Магнітне поле
Магнітні явища хоча й пов’язаніз електричними, проте не тотожніїм. Це також підтверджується дослідами.
Якщо взяти два довгі паралельніпровідники й приєднати їх до джерела струму, то помітимо, що провідники, якими проходить струм упротилежних напрямах, відштовхуються один від одного (мал. 2 .3-а).Якщо скласти коло так, щоб у провідниках струми були одного напряму, то провідники притягуватимуться один до одного (мал. 2.3-6).
Дія провідника зі струмом намагнітну стрілку чи на інший провідник зі струмом відбувається завідсутності безпосереднього контакту між ними, завдяки наявності навколо провідника магнітного поля.
Магнітне поле має свої особливості, які вирізняють йогоз-поміж інших полів:
1 ) магнітне поле спостерігається завжди, коли є рухоміелектрично заряджені частинки або тіла;
2 ) магнітне поле діє лише на рухомі заряджені частинкиабо тіла.
Інші властивості магнітного поля будуть з ’ясовані далі.
Мал. 22. Головна частина установки Роуланда для
виявлення магнітного поля рухомого електрично
зарядженого диска
79
Мал. 23. Магнітна взаємодія провідників зі струмом
ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ
1. Які явища свідчать про існування магнітного поля?2. Які досліди підтверджують зв'язок магнітного поля з рухом
заряджених частинок або тіл?3. Які досліди свідчать про відмінність магнітного поля від елек
тричного?4. Які основні властивості магнітного поля?~і
§ 25. Магнітна індукціяСпостереження магнітних явищ у природі, у лабо
раторії, на виробництві показують, що дія магнітного поля нафізичні тіла чи провідники зі струмом за одних і тих самихумов може бути різною.
Інтенсивність магнітної взаємодії може бути різною в різних умовах.
80 ̂ Якщо для виявлення дії магнітного поля Землі магнітну
стрілку компаса доводиться встановлювати на спеціальних опорах, які суттєво зменпіують силу тертя, то дія електромагніта,в обмотках якого проходить електричний струм, буде помітноюнавіть тоді, коли стрілка вільно лежатиме на поверхні стола.
По-різному взаємодіють і паралельні провідники зі струмом. Сила взаємодії цих провідників буде змінюватися, якщозмінювати силу струму в них або відстань між ними, - воназростатиме при збільшенні сили струму і наближенні їх одиндо одного.
в усіх таких і подібних випадках говорять про «слабке»або «сильне» поле. Подібне траплялося під час вивчення електростатичного поля, коли йшлося про дію електричного поляна нерухомі заряди. Як відомо, силову дію електричного поляхарактеризує напруженість поля. Для характеристики діїмагнітного поля на провідники зі струмом застосовують фізичну величину, яку називають магнітною індукцією. Вона є векторною величиною, оскільки харастеризує силову дію магнітного поля. Її позначають буквою В. Подібно до напруженості електричного поля магнітна індукція є силовою характеристикою магнітного поля. Довгий час дослідження магнітного поля проводилися з використанням магнітної стрілки навістрі і магнітна індукція як характеристика магнітного полябула пов’язана з його дією на магнітну стрілку. Зокрема, домовилися, що за напрям магнітної індукції приймається напрям, який указує північний полюс стрілки.
§ 25. Магнітна індукція
І Магнітна індукція - векторна величина і має напрям.
Дослідимо за допомогою стрілкимагнітне поле дротяного витка, уякому проходить електричнийструм. Замкнувши коло живленнявитка, почнемо обносити стрілкунавколо нього. Орієнтація стрілки впросторі буде змінюватися. У різних точка вона матиме різну орієнтацію. Найвідчутнішою дія магнітного поля витка буде тоді, колистрілка перебуватиме в його центрі(мал. 2.4).
Отже, магнітна індукція полявитка чи прямокутної рамки зіструмом має максимальне значенняв центрі витка чи рамки. Поздовжня вісь магнітної стрілки буде перпендикулярною до площини витка. Подібне спостерігається і тоді, коли замість виткавикористати прямокутну рамку або плоский контур зі струмом довільної форми.
На відміну від напруженості електричного поля, магнітнаіндукція як векторна величина не збігається з напрямом сили,що діє на провідник зі струмом. З’ясуємо, як напрям магнітноїіндукції залежить від напряму електричного струму у витку.
Мал. 2.4. Поздовжня вісь магнітної стрілки, яка
знаходиться в центрі витка зі струмом, перпендикулярна
до його площини
81
Магнітна індукція - це силова характеристика магнітного поля. Вона визначає силу, яка діє на провідник зі струмом чи рухому частинку.
Відмітивши орієнтацію стрілки при певному напрямі струму у витку, змінимо напрям останнього на протилежний.Магнітна стрілка повернеться на 180°, показуючи, що напряммагнітної індукції також змінився. Отже, напрям магнітноїіндукції витка залежить від напряму струму в ньому.
Аби щоразу, коли потрібно знати напрям магнітної індукції, не проводити спеціальні вимірювання, користуються правилом правого гвинта (свердлика). Це правило полегшуєзапам’ятовування зв’язку між напрямом струму у витку і напрямом магнітної індукції його поля. Для цього потрібноуявити, як буде рухатися правий гвинт, перпендикулярноприставлений до площини витка, при обертанні його головкиза напрямом струму у витку.
e-Rzlka, 11 кі
ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ
Мал. 2.5. Визначення напряму магнітної індукції витка
зі струмом
і,Man. 2.6. Дослідження
магнітного поля прямогопровідника зі струмом за
допомогою пробного витка
Якщо напрям обертання правого гвинта, розміщеного в центрі витка зі струмом, збігається з напрямом струму, то його поступальний рух показує напрям магнітної індукції (мал. 2.5).
82 Магнітне поле існує також навколо прямого провідника зіструмом. На підтвердження цього магнітну стрілку будемообносити навколо провідника, не змінюючи відстані від нього (мал. 2.6). У різних точках її орієнтація в просторі будерізною, але вісь стрілки завжди буде дотичною до траєкторії.
Відповідно й індукція магнітного поля провідника зіструмом у цих точках матиме такий самий напрям.
Зі зміною напряму струму в провіднику на протилежниймагнітна стрілка повернеться на 180° і покаже напрям маг
нітної індукції, який також буде протилежний до попереднього.
Отже, напрям магнітної індукції прямого провідника залежить від напрямуструму в ньому. Для полегшення йоговизначення, як і в попередньому випадку, на основі аналізу результатів експерименту, сформульовано правило правого гвинта (мал. 2 .7 ): якщо напрям поступального руху правого гвинта збігається з напрямом струму в провіднику, тонапрям його обертання показує напряммагнітної індукції.
Для вимірювання магнітної індукціївикористовується одиниця, яка називається тесла (Тл). Цю одиницю названо на честь відомого сербського вченого і винахідника Ніколи Тесли.,
Мал. 2.7. Визначення напряму магнітної
індукції поля прямого провідника
зі струмом за допомогою правогогвинта (свердлика)
_̂ 5̂̂ _Магнітн̂ ^
Ші'
Нікола Тесла (1856-1943) - уродженець Сербії, винахідник і фізик. ІНайбільш відомий своїми винаходами в галузі елею-ротехніки і радіотехніки; працював інженером на підприємствах Угорщини, Франції, США.
На практиці використовуються й менші одиниці:1 мілітесла = 1 мТл = 10 ® Тл,
1 мікротесла = 1 мкТл = 10 ® Тл.Значення магнітної індукції вимірюють приладами, які на
зиваються індикаторами магнітної індукції, або магнітометрами (мал. 2 .8 ).
У багатьох випадках замість прямих вимірювань користуються формулами, які пов’язують характеристики магнітногополя з характеристиками провідника. Таким прикладом можебути розрахунок модуля магнітної індукції прямого провідника зі струмом. Експериментальні дослідження показують,ш;о магнітна індукція поля прямого провідника пропорційнасилі струму в ньому і обернено пропорційна відстані від провідника до досліджуваної точки поля:
М
83
Б =
ІИагнітна індукція прямого провідника зі струмом пропорційна силі струму в ньому і обернено пропорційна відстані від провідника до точки спостереження.
Коефіцієнт пропорційності залежить від вибору системиодиниць вимірювання. У Міжнародній системі одиниць (СІ)він має значення k -
2 лде Цц - магнітна стала, числове значення якої дорівнює 1,256 • 10'® Н/А^.
= 1,256 • 10 ® Н/А^
Тоді остаточно для розрахунківмодуля магнітної індукції поляпрямого провідника зі струмоммаємо формулу:
(І) 2 яг ’Мал. 2.8. Лабораторний
магнітометр для шкільних дослідів
ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ
де Цц - магнітна стала; І - сила струму в провіднику; г - відстань від даної точки поля до провідника.
Задача. Яке значення модуля магнітної індукції в точціполя, віддаленій на З см від нескінченно довгого провідника,яким проходить струм 6 А ?
Д а н о :г = З см,/ = 6 А.
Р о з в ’ я з а н н яМагнітна індукція поля прямого провідника обчислюється за формулою
2пг
84
В - 1
Підставивши значення фізичних величин, маємод 12,56 -10~^Н /А^-6 А
2 • 3,14 • З • 10“^м
= 4 - 1 0 - 5 4 - 1 0 - 5 г р д
А -мВідповідь: магнітна індукція поля прямого провідника до
рівнює 4 • 10“® Тл.
1. Чому магнітна індукція вважається силовою характеристикоюмагнітного поля?
2.. Що спільного і відмінного між напруженістю електричного поля і магнітною індукцією?
3. Який напрям має магнітна індукція?4. Як визначити напрям магнітної індукції поля прямого провід
ника зі струмом?5. Які одиниці вимірювання магнітної індукції?6. Як називається прилад для вимірювання магнітної індукції?7. Від чого залежить магнітна індукція поля прямого провідника зі
струмом?
В п р а ва 131. Визначити максимальну магнітну індукцію поля на від
стані 10 см від осі провідника, яким проходить струм 600 А.2. Визначити силу струм у в прямому провіднику, якщ о
на відстані 1 0 см від осі провідника магнітна індукція до рівнює 4 • 10"® Тл.
3. На якій відстані від провідника, сила струм у в якому250 мА, магнітна індукція дорівнює 2 • 10"® Тл?