Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

І /

Мал. 135

Насамперед спробуємо з'ясувати, чи не є взаємодія провідників зі струмами електричною (кулонівською) взаємодією заряджених тіл. Як відомо, електрична взаємодія виникає за наявності зарядів на провідниках і залежить від значення цих зарядів.

Легко зрозуміти, що провідники зі струмами в цілому електрично нейтральні: сумарний заряд позитивних йонів кристалічної решітки металевого провідника дорівнює за модулем сумарному зарядові електронів провідності і в цілому провідник зі струмом електрично нейтральний. Тому взаємодія між провідниками зі струмами має інший, відмінний від кулонівського, характер.

Ця взаємодія дістала назву магнітної взаємодії, оскільки вона схожа на дію струмів на магніти, а також дії магнітів на струми.

Подібно до того, як нерухоме електрично заряджене тіло діє на друге заряджене тіло за допомогою свого електричного поля, так і провідник зі струмом діє на другий провідник зі струмом за допомогою магнітного поля, яке виникає в навколишньому просторі завжди з появою електричного струму.

Магнітне поле — це вид матерії, який здійснює взаємодію електричних струмів.

На відміну від електричного поля, яке створюється нерухомими електрично зарядженими тілами, магнітне поле вини-

200

кас лише під час руху заряджених тіл. Магнітне поле постійних магнітів, як побачимо далі, також пояснюється рухом заряджених частинок в атомах самого магніту.

Отже, магнітне поле створюється лише рухомими зарядами. В той же час дослідження показали, що магнітне поле діє лише на рухомі заряджені тіла і не чинить жодного впливу на нерухомі заряджені частинки.

Магнітне поле виникає навколо провідника зі струмом завжди, навіть коли відсутні інші провідники і магнітна взаємодія не спостерігається. І в цьому випадку в оточуючому провідник просторі відбуваються певні фізичні зміни. Оскільки магнітне поле виникає у просторі навколо провідника, через який проходить струм, то електричний струм слід розглядати як джерело магнітного поля. Саме так слід розуміти вираз «магнітне поле струму», або «магнітне поле, створене струмом».

Дослідження магнітних явищ і вивчення магнітного поля має практичне значення.

? 1. Які взаємодії називають магнітними і в чому їхня відміна від електростатичних взаємодій? 2. Повз учня, який сидить у класі, лаборант проносить заряджений провідник. Для кого з них існує магнітне поле? електричне поле? 3. Як взаємодіють між собою два повітряні проводи тролейбусної лінії: притягуються чи відштовхуються?

§ 64» Магнітне поле струму

Існування магнітного поля навколо провідників зі струмом можна виявити різними способами. Один з таких способів, відомий вам з курсу фізики 8-го класу, полягає у використанні магнітних стрілок. У магнітному полі на стрілку діють магнітні сили поля і вона встановлюється так, щоб вісь стрілки збігалася з лінією дії сил.

Помістимо в горизонтальній площині навколо вертикального провідника зі струмом ряд магнітних стрілок. До вмикання струму всі стрілки розташовуються паралельно одна одній (мал. 136, а), указуючи одним кінцем на північ, другим — на південь. У разі вмикання струму стрілки повертаються і розташовуються по замкнутих колах (мал. 136, б), даючи уявлення про напрям дії сил в різних частинах магнітного поля. Домовилися вважати за напрям дії магнітної сили в будь-якій точці поля такий, на який вказує північний полюс магнітної стрілки, вміщеної в цю точку поля. Але магнітні (•трілки мають значні розміри, що ускладнює детальне вивчення характеру магнітних полів за їх допомогою. Значно простіше і зручніше спостерігати картину магнітного поля

201

Мал. 136

провідника зі струмом, скориставшись дрібними металевими ошурками. Кожний шматочок металу цих ошурок у магнітному полі намагнічується і стає своєрідною маленькою магнітною стрілкою. Вісь кожної з них у магнітному полі встановлюється вздовж напряму сил магнітного поля. У 8-му класі за допомогою залізних ошурок ви досліджували характер магнітних полів навколо прямолінійного і колового струмів, а також магнітних полів постійних магнітів. Повторимо і дещо доповнимо одержані раніше відомості.

Візьмемо лист картону або скла і пропустимо через отвір у центрі провід перпендикулярно до площини. Насиплемо на лист тонкий шар залізних ошурок, а також розмістимо кілька магнітних стрілок на вістрях. Якщо пропустити через провідник електричний струм і легенько постукати по листу пальцем, то ошурки розмістяться навколо провідника зі струмом концентричними колами (мал. 137, а), вказуючи тим самим напрям дії магнітних сил поля в кожній його точці. Від зміни напряму струму в провіднику зовнішня картина поля не зміниться, але магнітні стрілки повернуться на 180 (мал. 137, б). Це свідчить про те, що напрям магнітних сил поля пов'язаний з напрямом струму в провіднику.

202

Мал. 138 Мал. 139

Лінії, вздовж яких у магнітному полі розташовуються осі маленьких магнітних стрілок, називають силовими лініями магнітного поля. Як і електричне, магнітне поле зручно зображати графічно за допомогою магнітних силових ліній. Силову лінію проводять так, що дотична до неї в будь-якій її точці вказує на напрям сили, яка діє в цій точці на північний полюс магнітної стрілки.

Напрям магнітних силових ліній легко визначати за відомим вам правилом «свердлика»: напрям магнітної силової лінії збігається з напрямом руху ручки свердлика при вгвинчуванні його вздовж напряму струму (мал. 138).

За допомогою залізних ошурок можна одержати картини магнітного поля колового струму (мал. 139) і котушки зі струмом (мал. 140). Правило «свердлика» і тут дає змогу встановити напрям силових ліній, знаючи напрям струму у витках. Всередині витка напрям всіх силових ліній збігається (з мал. 139 видно, що з одного боку магнітні силові лінії входять у виток, а з другого — виходять). Магнітне поле котушки зі струмом можна розглядати як сумарне поле, утворене внаслідок накладання магнітних полів кількох колових струмів. Якщо порівняти магнітне поле котушки зі струмом з магнітним полем постійного магніту (мал. 141), можна виявити велику їх схожість. Кінець котушки, з якого силові лінії виходять, аналогічний північному полюсу магніту, а кінець котушки, в який входять силові лінії, південному полюсу магніту. Це можна підтвердити на досліді. Якщо до магнітного полюса ко-

203

женості завжди розімкиуті: вони починаються і закінчуються на електричних зарядах. Магнітні ж силові лінії завжди замкнуті, тобто не мають ні початку, ні кінця. Це свідчить про те, що в природі не існує «магнітних зарядів».

Розглядаючи розташування магнітних силових ліній в різних місцях поля, бачимо, що за їх густиною можна мати уявлення про силу поля. Наприклад, поблизу кінців котушки зі струмом магнітні силові лінії розташовуються густіше, вказуючи тим самим, що тут поле сильніше.

• 1. Як за допомогою магнітної стрілки визначити полюси колового струму і котушки зі струмом? 2. Чим відрізняються магнітні силові лінії від ліній напруженості електричного поля? 3. Як визначають напрям магнітних силових ліній?

§ 65. Сила Ампера

Ми вже знаємо, що два провідники зі струмами взаємодіють з певною силою (§ 63). Ця взаємодія пояснюється тим, що на кожний провідник зі струмом діє магнітне поле іншого провідника. З 8-го класу вам відомо, що на кожен провідник зі струмом магнітне поле, в якому знаходиться цей провідник,

показано на малюнку, провідник виштовхується з проміжку між полюсами магніту. Якщо змінити напрям струму або поміняти місцями полюси магніту (тобто змінити напрям магнітного поля), провідник втягуватиметься у проміжок між

204

В8

полюсами магніту. Отже, напрям струму в провіднику, напрям силових ліній магнітного поля і напрям сили, яка діє на провідник зі струмом, пов'язані між собою. За будь-якого напряму поля і струму напрям сили залишається перпендикулярним до силових ліній поля і напряму струму в провіднику. Для визначення напряму сили, яка діє на прямолінійний провідник зі струмом у магнітному полі, користуються правилом лівої руки (мал. 143). Пригадаємо його: якщо розмістити ліву руку так, щоб силові лінії магнітного поля входили в її долоню, а витягнуті чотири пальці вказували напрям струму, то відігнутий великий палець покаже напрям діючої на провідник сили.

Силу, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, можна виміряти за допомогою установки, зображеної на мал. 144. Щоб підвищити чутливість установки, а також щоб у ході досліду можна було змінювати довжину провідника зі струмом, який знаходиться в магнітному полі, нижню частину рамки доцільно взяти з 150 витками мідного провідника з відгалуженнями від п'ятдесятого і сімдесят п'ятого витків. Приєднаємо рамку через реостат, амперметр і ключ, який дає змогу змінювати напрям струму в рамці, до джерела живлення. Встановивши за допомогою реостата певну силу струму в рамці, виміряємо силу, з якою діє на рамку магнітне поле. Збільшуючи силу струму вдвічі, втричі, помічаємо, що й сила, яка діє на провідник зі струмом, також зростає відповідно у 2 чи 3 рази. Звідси можна зробити висновок, що сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, прямо пропорційна силі струму в ньому:

Р ~ І.

205

Вмикаючи різну кількість витків рамки (спочатку 75, а потім 50), тобто зменшуючи довжину провідника, який перебуває в магнітному полі, вдвічі і втричі порівняно з попереднім її значенням, можна переконатися, що діюча на провідник сила прямо пропорційна довжині провідника у разі постійної сили струму в ньому: Р ~ І.

Знявши один із двох магнітів, тобто зменшивши довжину провідника, який перебуває в магнітному полі, переконаємося, що має значення довжина тієї частини провідника, яка знаходиться безпосередньо в магнітному полі.

Дослідимо тепер залежність сили від орієнтації провідника зі струмом відносно напряму магнітних силових ліній. Поміщаючи нижній бік рамки перпендикулярно, паралельно і під деяким кутом а до напряму силових ліній (мал. 145), переконаємося, що сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, виявляється максимальною при а = 90°, у разі зменшення кута вона зменшується і дорівнює нулеві при а = 0. Точніші дослідження показали, що діюча на провідник зі струмом сила пропорційна синусу кута між напрямом силових ліній магнітного поля і напрямом струму: Р ~ 8Іп а.

Нарешті, замінивши в установці магніти на сильніші, можна переконатися, що діюча на провідник зі струмом сила зростає, тобто сила залежить від того магнітного поля, в якому перебуває провідник зі струмом.

Таким чином, на основі проведених дослідів можна зробити висновок, що сила Р, яка діє в магнітному полі на провідник зі струмом, прямо пропорційна силі струму /, довжині про-

206

Множник В у цій формулі виражає залежність сили від того магнітного поля, в якому знаходиться провідник зі струмом. Фізичний зміст цього множника розглянемо в наступному параграфі.

Якщо провідник розміщений перпендикулярно до силових

А. А м п е р о м і називається вона законом Ампера, а силу Р, яка діє на провідник зі струмом у магнітному полі, називають

силою Ампера.

? 1. Від чого залежить сила, яка діє на прямолінійний провідник зі струмом у зовнішньому магнітному полі? 2. Чому магнітне поле не діє на провідник без струму? Адже електрони перебувають у провіднику в тепловому русі.

§ 66. Магнітна індукція

Властивості магнітних полів зручно характеризувати, вивчаючи їх механічні дії на провідники зі струмами. Якщо один і той самий провідник із незмінною силою струму в ньому вміщувати в різні магнітні поля перпендикулярно до силових ліній цих полів, можна переконатися, що сила, яка на нього діє, змінюється за значенням і напрямом. Більше того, якщо поміщати провідник досить малої довжини в різні

207

точки одного й того самого поля, можна встановити, що поле від точки до точки змінюється. Природно сильнішим вважати магнітне поле в тій його точці, в якій на провідник зі струмом діє більша сила. Тому для силової характеристики точок магнітного поля також вводять фізичну величину. Такою величиною і є множник В у формулі (65.2). Справді, для характеристики точок магнітного поля треба взяти величину, яка б не залежала від сили струму в провіднику і його довжини. Відповідно з раніше описаними дослідами відношення сили Р до добутку II для даної точки магнітного поля є величина стала: ^ = В; це відношення не залежить від

властивостей провідника, внесеного в поле, і тому може бути характеристикою поля. Величину В називають магнітною індукцією поля.

Магнітна індукція в даній точці поля вимірюється силою, яка діє на одиницю довжини провідника, вміщеного в цю точку перпендикулярно до силових ліній, якщо сила струму в провіднику дорівнює одиниці.

Магнітна індукція — силова характеристика поля, тому вона є векторною величиною і в будь-якій точці поля спрямована вздовж дотичної до силової лінії поля. Звичайно, коли кажуть про напрям магнітного поля, розуміють саме напрям вектора магнітної індукції.

Як і у випадку електричних полів під час графічного зображення магнітного поля, домовилися силові лінії проводити з такою густиною, щоб кількість ліній, які перетинають одиницю поверхні, перпендикулярну до них, дорівнювала (або була пропорційною) значенню магнітної індукції в даній частині поля. За такої умови на графіку наочно видно, як змінюється у просторі магнітна індукція за значенням і напрямом. Там, де силові лінії розташовані на малюнку густіше, магнітна індукція поля більша. Підкреслимо, що проведені таким способом силові лінії звичайно називають лініями індукції.

У загальному випадку магнітна індукція змінюється від точки до точки поля. Але можна створити й таке поле, де магнітна індукція у всіх точках його однакова. Таке поле називають однорідним. Неважко здогадатися, що у випадку однорідного поля лінії індукції є паралельними прямими, розташованими на однакових відстанях одна від одної. Прикладом однорідного поля може бути магнітне поле в середній частині прямої котушки зі струмом. Біля кінців котушки лінії індукції викривляються і розходяться, а значить, поле стає неоднорідним.

Виведемо одиницю вимірювання магнітної індукції. З формули (65.2) випливає: В = р. Тоді

208

= 1, А 1 м = 1 Тл (тесла).

Ця одиниця на честь відомого югославського електротехніка Н . Т е с л а (1857—1943) дістала назву т е с л а .

Задача 1. Між полюсами електромагніту в горизонтальному магнітному полі знаходиться провідник, розміщений горизонтально. Індукція магнітного поля В = 0,01 Тл спрямована горизонтально. Якої сили струм треба мати у провіднику, щоб він висів, не падаючи? Маса 1 м довжини провідника дорівнює т = 0,01 кг.

Р о з в ' я з а н н я . Н а провідник з і струмом діють сила

І= Ш= 9,8 А .

В

Задача 2. Горизонтальні рейки, розташовані на відстані І = 1,5 м одна від одної, перебувають в однорідному магнітному полі, лінії індукції якого вертикальні. На них лежить залізний стержень масою т = 2 кг перпендикулярно до рейок. Якої сили струм треба пропустити через стержень, щоб він почав рухатися? Індукція Б = 0,1 Тл; коефіцієнт тертя ц = 0,3.

Р о з в ' я з а н н я . Щоб стержень почав рухатися, сила Ампера, яка діє на нього з боку магнітного поля, має дорівнювати або бути більшою за силу тертя цтад, тобто ВИ > \іт£, звідси

1 > тзіі = 39,2 А

? 1. Яка величина характеризує магнітне поле в кожній його точці? 2. Як напрямлена сила, яка діє на провідник зі струмом у магнітному полі, відносно провідника зі струмом? 3. У разі якого взаємного розташування векторамагнітної індукції і провідника зі струмом, вміщеного в магнітне поле, сила, що діє на провідник зі струмом, дорівнює нулеві?

довжиною І = 0,2 м і масою т = 0,002 кг. Лінії індукції магнітного поля розташовані горизонтально і перпендикулярно до провідника. Якої сили струм має йти через провідник, щоб він висів у магнітному полі?

2. В однорідному магнітному полі на тонких вертикальних дротинках однакової дожини підвішено прямолінійний провідник масою т = 10 г і довжиною І = ЗО см. Індукція поля В = 0,25 Тл спрямована вертикально. Провідником тече струм силою І = 2 А. На який кут а від вертикалі відхиляться дротинки, які підтримують провідник? Масами дротинок знехтувати.

209