обзорные лекции / Магнитное поле

Методика изучения магнитного поля в курсе физики средней школы.

При рассмотрении магнитного поля ярко выражены три этапа:

1. изучение магнитного поля и его особенностей;

2. изучения явления электромагнитной индукции;

3. знакомство с магнитными свойствами вещества.

1. С магнитным полем учащиеся знакомятся после знакомства с электростатическим и электрическим стационарным полями. Поэтому целесообразно произвести сравнение свойств этих полей и выяснить их особенности. Электрическое поле обнаруживается по действию его на заряженные тела. Для обнаружения магнитного поля можно провести опыт Эрстеда, опыт по взаимодействию двух проводников с током, опыт с постоянным магнитом и витком с током. Таким образом, делают вывод, что магнитное поле обнаруживается по его действию на магнитную стрелку или движущийся электрический заряд. Проводят сравнение дальше. Силовой характеристикой электростатического поля является напряженность. Линии напряженности электростатического поля связаны с зарядом, они начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном. Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. «Магнитных» зарядов не существует. Линии индукции магнитного поля замкнуты и располагаются вокруг проводника с током. То есть магнитное поле имеет вихревой характер. Далее встает вопрос об определении направления вектора магнитной индукции. Учащихся знакомят с правилом буравчика (правого винта). На этом этапе уместно выполнить несколько заданий на определение направления вектора магнитной индукции по направлению тока в проводнике и направления тока в проводнике по направлению вектора магнитной индукции. Для определения модуля вектора магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током вводят соотношение и единицы измерения магнитной индукции – Тл (Тесла). Если же рассматривать замкнутый контур с током (рамка), то .

Поскольку все опыты демонстрируют наличие силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, то возникает необходимость в определении этой силы и поиска работы, совершаемой этой силой. Сила Ампера определяется по формуле: , где  - угол между направлением вектора магнитной индукции и отрезком проводника с током (элемент тока). Теперь нужно рассчитать работу, производимую магнитным полем по перемещению проводника с током. . Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Необходимо подчеркнуть, что это только механическая работа, и она не составляет всю работу магнитного поля. Однако полную работу магнитного поля можно будет рассмотреть с учащимися только после введения понятия ЭДС индукции магнитного поля.

Рассмотрев силу Ампера, действующую на проводник с током в магнитном поле, приступают к рассмотрению силы, действующей на единичный движущийся в магнитном поле заряд. Эта сила носит название силы Лоренца. Вводят ее через силу Ампера , где N - число носителей заряда в проводнике. Путем несложных преобразований получают значение силы Лоренца . При этом отмечается, что сила Лоренца изменяет направление движения заряженной частицы и при этом не совершает работу, так как направление скорости движения частицы и направление силы Лоренца взаимно перпендикулярны.

Для дальнейшего изучения свойств и закономерностей магнитного поля и его связи с электрическим полем необходимо познакомить учащихся с понятием магнитного потока и способами изменения магнитного потока.

При углубленном изучении физики формулируется закон Био-Савара-Лапласа, определяющего распределение магнитного поля в пространстве в зависимости от токов:

В конце изучения темы рассматривают принцип действия электроизмерительных приборов

2. Изучение электромагнитной индукции начинается с опыта Фарадея и понимания сущности явления электромагнитной индукции. На этом этапе вводится понятие индукционного поля и формулируется правило Ленца. На этом же опыте можно продемонстрировать, от чего зависит сила индукционного тока, подводя учащихся к формулировке закона электромагнитной индукции. Предварительно нужно ввести понятие ЭДС индукции: работа сил при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура. Закон электромагнитной индукции записывают в виде: или . Знак «-« объясняют правилом Ленца. Зная определение магнитного потока, учащиеся легко могут продифференцировать данное выражение по B и S:

Электрический ток, вызванный изменением магнитного поля, порождает индукционное электрическое поле. Учащимся следует объяснить, что индукционное электрическое поле отличается от электростатического поля и поля постоянного тока поскольку носит вихревой характер. Силовой характеристикой индукционного электрического поля является напряженность, а энергетической – ЭДС индукции. ЭДС индукции определяется самим магнитным поле и не зависит от наличия проводника.

Далее рассматривают явление самоиндукции, т.е. возникновении индукционного тока и ЭДС индукции в том же проводнике, по которому течет ток. Характеризует это явление ЭДС самоиндукции. Из пропорциональности магнитного потока силе тока в проводнике записывают соотношение , где L – коэффициент пропорциональности, характеризующий инертные свойства проводника (индуктивность, Гн). Тогда закон электромагнитной индукции выражают равенством: . После этого, опираясь на аналогию между массой и индуктивность, скоростью и силой тока, записывают выражение для энергии магнитного поля: . В классах углубленного изучения физики вводят понятие плотности энергии магнитного поля: .

3. Магнитные свойства вещества в школьном курсе физики рассматриваются на качественном уровне. Материал этот имеет важное научное значение, магнитные материалы находят широкое применение. Изложение материала о магнитных свойствах вещества производят в исторической последовательности, сообщая о вкладе отечественных ученых (Столетов, Френкель, Ландау) в развитие этого вопроса. Новыми при изучении этого материала станут понятия магнитной проницаемости вещества и намагниченности. Магнитная проницаемость вещества показывает во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде больше или меньше магнитного поля в вакууме: . Намагниченность показывает, на сколько индукция магнитного поля в однородной среде больше или меньше индукции магнитного поля в вакууме: .

В школьном курсе физики качественно рассматривают различие свойств диа-, пара- и ферромагнетиков, сравнивая их магнитную проницаемость и электронное строение и свойства веществ. Магнитная проницаемость парамагнетиков . Электроны, движущиеся в атомах или молекулах парамагнитных тел, создают в окружающем пространстве магнитное поле. Эти атомы приближенно можно рассматривать как маленькие замкнутые кольцевые токи. При внесении парамагнетика во внешнее поле отдельные элементарные токи стремятся ориентироваться по направлению линий индукции намагничивающего поля, точнее, нормали к контурам. Поэтому магнитные поля элементарных токов усиливают внешнее поле. В атомах или молекулах диамагнитных веществ токи, обусловленные движением электронов, имеют такую конфигурацию, что созданные ими магнитные поля взаимно компенсируют друг друга. В результате в обычном состоянии атом не создает поля. При помещении диамагнетика во внешнее магнитное поле в атомах или молекулах возникают индукционные токи. Созданное индукционным током поле, согласно правилу Ленца, противодействует внешнему магнитному полю, ослабляя его. Магнитная проницаемость диамагнетиков Ферромагнетики намагничиваются по направлению поля и значение магнитной проницаемость у них может быть много больше 1. Кроме того ферромагнитные тела обладают остаточным магнетизмом. Зависимость J от В₀ для ферромагнетиков носит сложный характер. Ее демонстрируют на рисунке: Оа – кривая намагничивания. В точке а достигается насыщение. При уменьшении индукции намагничивающего поля после достижения насыщения намагниченность уменьшается медленнее, чем происходил ее рост. Это явление называют магнитным гистерезисом. При В₀=0 намагниченность отлична от нуля. Ее значение представляет собой остаточную намагниченность.. Образец создает магнитное поле без внешнего намагничивающего поля. Он является постоянным магнитом. Чтобы размагнитить образец, необходимо увеличивать магнитную индукцию В₀ в направлении противоположном предыдущему до тех пор, пока значение намагниченности не станет равным нулю. Значение индукции при этом называют коэрцитивной (задерживающей) силой. Продолжая процесс, можно получить замкнутую кривую, которая называется петлей гистерезиса.

Изучив свойства диа-, пара- и ферромагнитных материалов, рассматривают области их применения.