Тема 8.1. Електрична і магнітна взаємодія. Індукція магнітного поля.( 2 год.)

Мета: сформувати уявлення студентів про магнітне поле як вид матерії, повторити як взаємодіють між собою провідники зі струмом; дати визначення ліній магнітного поля; розвивати індивідуальні здібності , навички міжособистісного спілкування; творчу активність; виховувати почуття колективізму, інтересу до предмета.

План.

1. Магнітні явища.

2. Магнітне поле. Властивості поля.

3. Вектор магнітної індукції.

4. Лінії магнітної індукції, їх напрямок.

Вивчення нового матеріалу.

Магнітні явища були відомі ще у стародавньому світі. Компас був винайдений більше 4500 років тому. У Європі він з'явився приблизно в XII столітті нової ери. Проте тільки в XIX столітті був виявлений зв'язок між електрикою і магнетизмом і виникло уявлення про магнітне поле.

Першими експериментами (проведені в 1820 р.), що показали, що між електричними і магнітними явищами є глибокий зв'язок, були досліди датського фізика Х. Ерстеда. Ці досліди показали, що на магнітну стрілку, розташовану поблизу провідника із струмом, діють сили, які прагнуть її повернути. У тому ж році французький фізик А. Ампер спостерігав силову взаємодію двох провідників із струмами і встановив закон взаємодії струмів.

Між нерухомими електричними зарядами діють сили, що визначаються законом Кулона. Але між електричними зарядами можуть діяти сили й іншої природи. В існуванні їх можна переконатися за допомогою досліду. Два гнучкі провідники приєднаємо до джерела струму так, щоб у провідниках виникли струми протилежного напряму (рис.1). Провідники почнуть відштовхуватися один від одного. Якщо струми одного напряму, провідники притягуються (рис. 2).

Таку взаємодію між провідниками з іструмом, тобто взаємодію між рухомими електричними зарядами, називають магнітною. Сили, з якими провідники зі струмом діють один на одного, називають магнітними силами.

Згідно з теорією близькодії струм в одному із провідників не може безпосередньо діяти на інший струм.

Так само, як і в просторі, що оточує нерухомі електричні заряди, виникає електричне поле, у просторі, що оточує струми, виникає магнітне. Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику. А поле, створене другим струмом, діє на перше.

Магнітне поле - особлива форма матерії, через яку здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.

Основні властивості магнітного поля:

1) магнітне поле породжується електричним струмом (рухомими зарядами);

2) магнітне поле виявляється за дією на електричний струм (рухомі заряди);

3) як і електричне, магнітне поле існує реально незалежно від знань про нього. Це підтверджується існуванням електромагнітних хвиль.

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції . За напрям вектора магнітної індукції беруть напрям від південного полюса S до північного полюса N стрілки компаса, яка вільно встановлюється в магнітному полі.

Для дослідження магнітного поля використовують рамку зі струмом. При цьому напрям вектора магнітної індукції визначають за правилом свердлика: якщо напрям поступального руху свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання ручки свердлика збігається з напрямом вектора магнітної індукції.

Наочну картину магнітного поля можна отримати, якщо побудувати силові лінії поля. Це лінії, дотична до яких в кожній точці збігається за напрямом з вектором магнітної індукції .

Силові лінії довгої котушки із струмом (соленоїда) зображено на рис.. Поле всередині соленоїда через однакову густину ліній можна вважати однорідним. У наявності силових ліній магнітного поля можна переконатися з дослідів з металевими ошурками, які можна розглядати як маленькі магнітні стрілки.

Важливою особливістю ліній магнітної індукції є те, що вони не мають ні початку, ні кінця. Вони завжди замкнені. Поля із замкненими силовими лініями називають вихровими. Магнітне поле є вихровим, воно не має джерел. Магнітних зарядів, подібних до електричних, у природі не існує.

Дослідимо це поле за допомогою рамки площею S, в якій проходитьструмI. Магнітне поле створить максимальний обертальний момент Mmax, який зростає зі збільшенням індукції магнітного поля, сили струму I і площі рамки S. Тому модулем вектора магнітної індукції буде відношення максимальної сили, що діє з боку магнітного поля на ділянку провідника зі струмом, до добутку сили струму I на довжину цієї ділянки Dl:

У кожній точці магнітного поля можна визначити напрям вектора магнітної індукції і його модуль вимірюванням сили, що діє на ділянку провідника зі струмом. За одиницю магнітної індукції беруть магнітну індукцію такого поля, у якому на контур площею 1 м² із струмом силою 1 А діє з боку поля максимальний момент сил M = 1 Н·м.

Одиниця магнітної індукції - тесла (Тл); її названо на честь югославського вченого електротехніка Н. Тесла

Основні формули

1. Закон Біо-Савара-Лапласа

де dB – величина індукції магнітного поля (магнітної індукції), створеного елементом dℓ провідника з струмом I; ₀ – магнітна стала; (₀ = 4πּ10^-7 Гн/м); – радіус-вектор, проведений від елемента провідника до точки, де визначається ; α – кут між векторами і .

2. Зв’язок між магнітною індукцією і напруженістю магнітного поля у вакуумі

3. Принцип суперпозиції магнітних полів

4. Індукція магнітного поля, створеного струмом, що тече по нескінченно довгому прямому провіднику

де R – відстань від провідника до точки, в якій визначається В.

4. Індукція магнітного поля, створеного струмом, що тече у прямому провіднику скінченої довжини

5. Індукція магнітного поля, створеного струмом, що тече у прямому провіднику скінченої довжини

6. Індукція магнітного поля всередині нескінченно довгого соленоїда

де n – число витків соленоїда на одиниці його довжини.

7. Індукція магнітного поля у центрі колового струму

де R – радіус колового струму.

8. Індукція магнітного поля на осі колового струму

де d – відстань від центра колового струму до заданої точки на його осі.

9. Індукція магнітного поля всередині тороїда

де R – радіус основної лінії тороїда; r – відстань від центра тороїда до заданої точки; n – число витків, що припадає на одиницю довжини основної лінії тороїда.

Запитання для самоперевірки:

1. Що називають магнітним полем? Які його основні властивості?

2. Як взаємодіють між собою паралельні струми? Чим викликається їх взаємодія?

3. Назвіть правила, що визначають напрям магнітного поля (ліній магнітної індукції)? Поясніть, як користуватися кожним правилом.

4. Як визначають модуль вектора магнітної індукції? Якими формулами його виражають?

5. У яких одиницях вимірюють магнітну індукцію в СІ? Сформулюйте визначення цієї одиниці.

6. Що називають лініями магнітної індукції?