Заняття № 37 ____________2011р.

Тема: Магнітне поле як особливий вид матерії. Взаємодія струмів. Матеріальність магнітного поля. Основні відмінності між магнітним та електричним полями. Графічне зображення магнітних полів. Магнітна індукція. Лінії індукції магнітного поля. Магнітні поля ( прямого провідника зі струмом , постійного магніту , соленоїда). Напруженість магнітного поля. Принцип суперпозиції для магнітних полів. Магнітна проникність середовища. . Магнітна стала.. Пара-, діа-, феромагнетики. Постійні магніти. Магнітне поле Землі.

Основні положення та означення.

1. Магнітні явища тисячоліття тому були виявлені на природних ма­теріалах. Досвід засвідчував, що деякі залізні руди мають властивість притягувати до себе на близьких відстанях невеликі предмети (залізні ошурки, рудний порох тощо). Цю властивість руд було назва­но магнетизмом, а самі матеріали — природними магнітами. Пізніше було помічено, що є матеріали, які під впливом природних магнітів також намагнічуються і в окремих випадках зберігають досить довгий час набуті магнітні властивості. Таким способом почали одержувати постійні штучні магніти. З часом було встановлено наявність у магнітів двох полюсів (південного та північного залежно від орієнтації в полі земного магнетизму) і нейтральної смуги між полю­сами, де магнітні властивості практично не проявляються. Досвід та­кож засвідчував, що розділити полюси магніту, тобто одержати магніт з одним полюсом, неможливо.

Орієнтація в напрямі північ — південь намагніченого тіла, ви­готовленого у вигляді магнітної стрілки, закріпленої в точці рівноваги на нейтральній полосі, стала основою для побудови приладів (компасів), які широко застосовувались у мореплавстві, в походах і под. Це спонукало до подальшого вивчення властивос­тей магнітів.

2 . У 1819 р. X. Ерстед експериментально виявив дію постійного електричного струму в провіднику на магнітну стрілку . У дослідах Ерстеда магнітна стрілка розміщувалась під або над про­відником паралельно в напрямі північ — південь уздовж меридіана. Під час пропускання струму крізь провідник магнітна стрілка повер­талася і намагалась установитися перпендикулярно до провідника. Зі зміною напряму струму в провіднику на протилежний змінювався і на­прям дії сили на магнітну стрілку (стрілка поверталася на 180°). При віддаленні магнітної стрілки від провідника орієнтуюча дія зменшу­валася. Якщо струм вимикався, то стрілка поверталася у вихідне поло­ження.

3. Дослідами Ерстеда вста­новлено декілька фундамен­тальних відкриттів.

- По-пер­ше, було з'ясовано, що в про­сторі навколо провідника зі струмом діють сили, подібні до тих, які діють поблизу при­родних і штучних магнітів. Електричні струми, тобто ру­хомі електричні заряди, взаємодіють з магнітною стрілкою за допомогою ма­теріального посередника — магнітного поля.

- По-друге, встановлено, що значення магнітного поля в різних точ­ках простору навколо провідника зі струмом є різним.

- По-третє, по­казано, що магнітне поле має напрям у просторі, тобто є полем век­торним.

4 . Після відкриття Ерстеда почалися інтенсивні дослідження магнітних полів струмів. У 1820 р. А. Ампер встановив закон ме­ханічної взаємодії двох елементів струмів, які містяться на певній відстані один від одного. Два паралельних про­відники, по яких проходять струми однакового напряму, притягу­ються один до одного . Зміна напряму одного із струмів зумовлює протилежну дію — відштовхування провідників зі струмом . Ця «дія на відстані» не має нічого спільного з електро­статичною взаємодією. Отже, в цих дослідах спостережувана поведінка провідників зі стру­мом визначається силами іншої природи. Сили, зумовлені рухомими електричними зарядами, називають магнітними.

5. Дія магнітного поля провідника зі струмом на магнітну стрілку нічим не відрізняється від його дії на котушку, по якій проходить струм від батареї , або дії на рухомий пучок електронів в електронно-променевій трубці .

Останні досліди свідчать не тільки про те, що магнітне поле ство­рюється рухомими електричними зарядами, а й про те, що магнітне поле, у свою чергу, діє лише на рухомі електричні заряди і цією дією інтегрально визначається взаємодія провідників зі струмом, провід­ника зі струмом і магнітної стрілки або взагалі магнітна взаємодія.

6. Електричний струм — це напрямлений рух електричних зарядів, тому навколо провідників, по яких рухаються ці заряди, виникає магнітне поле, крізь яке і взаємодіють між собою провідники зі стру­мом. Отже, всередині провідників, по яких проходить постійний струм, і в просторі, що оточує їх, існують як стаціонарне електричне, так і стаціонарне, незмінне в часі, магнітне поле.

7. Магнітне поле – це особлива форма матерії, через яку взаємодіють рухомі заряджені частинки. Розділ магнетизму, що вивчає стаціонарні магнітні поля, називають магнітостатикою.

8. Між електричним і магнітним полями немає повної симетрії. Основні відмінності:

- а).Джерелами електричного поля є електричні заряди, а їх носіями — елементарні частинки (електрони, протони, тощо).

- б). Магнітних зарядів у природі не виявлено, хоча теоретично П. Дірак у 1931 р. обґрунтовував можливість існування магнітних мо­нополів.

- в). Єдиними матеріальними носіями магнітного поля, згідно із сучасними уявленнями, є рухомі електричні заряди.

9. Магнітне поле зображають за допомогою ліній магнітної індукції. Лінії магнітної індукції завжди замкнені та охоплюють провідник із струмом.

Для прямого провідника із струмом лінії магнітної індукції мають вигляд концентричних кіл.

1 0. Напрямок ліній магнітної індукції визначають за правилом гвинта (свердлика): якщо поступальний рух гвинта з правою нарізкою збігається з напрямом струму, то напрям магнітного поля збігається з напрямом руху кінця ручки гвинта.

11. Для кількісної характеристики магнітного поля струму вводять фізичну величину, яку називають індукцією магнітного поля. Магнітна індукція – це векторна фізична величина яка є силовою характеристикою магнітного поля. 12. Вектор магнітної індукції напрямлений по дотичній до лінії магнітної індукції за її напрямом. За одиницю магнітної індукції в СІ приймають 1Тл. ( Позначається літерою - , одиниця вимірювання – тесла (Тл)).

13. Лінії магнітної індукції для різних конфігурацій провідника достатньо легко побачити за допомогою металевих «обпилок», які знаходяться в магнітному полі даного провідника:

13. Модуль вектора магнітної індукції визначають за законом Біо – Савара – Лапласса:

14. На практиці будемо використовувати наслідки із заданого закону:

- Модуль вектора магнітної індукції прямого провідника із струмом:

- Модуль вектора магнітної індукції в центрі колового провідника

15. Якщо в деякій точці простору існують одночасно декілька магнітних полів з індукціями то результуюча індукція магнітного поля у даній точці визначається за принципом суперпозиції тобто векторною сумою

16.Для спрощення розрахунку індукції магнітного поля вводять нову фізичну величину – напруженість магнітного поля. Величину, яка характеризує магнітне поле в довільній точці простору, що створене макрострумами в провідниках незалежно від навколишнього середовища, називають напруженістю магнітного поля в цій точці. ( позначають літерою – H, одиниця вимірювання – ампер поділений на метр (А/м)

17. Магнітна індукція та напруженість магнітного поля пов’язані співвідношенням

Величину називають магнітною сталою

18. Будь яка речовина впливає на магнітне поле, тобто величина магнітної індукції залежить від властивостей середовища. Цю залежність характеризує магнітна проникність середовища - , яка показує, у скільки разів магнітна індукція в середовищі більша ( або менша ) ніж у вакуумі. ( магнітна проникність є величиною безрозмірною і табличним значенням) Для повітря і вакууму: .

19. Речовини, які намагнічуються під впливом магнітного поля називаються магнетиками. Одні речовини, намагнічуючись зовнішнім полем, підсилюють його, а інші послаблюють В залежності від величини магнітної проникності магнетики поділяють на три групи:

- Парамагнетики – речовини, в яких магнітна проникність не набагато більша за одиницю. ( марганець - ; алюміній - ; азот - ; платина - ; повітря - ) Такі речовини слабо підсилюють магнітне поле

- Діамагнетики - речовини, в яких магнітна проникність не набагато менша за одиницю. ( кремній - ; вода - ; водень - ; мідь - ; скло - ) Такі речовини послаблюють магнітне поле

- Феромагнетики - речовини, в яких магнітна проникність набагато більша за одиницю.

( алмазна сталь - ; штабове залізо - ; чавун - ; нікель - ) Такі речовини значно підсилюють магнітне поле.

20. Намагнічування та розмагнічування феромагнетиків графічно зображають кривою, яку називають петлею гістерезису

21. Існують речовин в яких намагнічення залишається на довгий час, і тільки механічними діями або нагріванням їх можна розмагнітити. Такі намагнічені тіла називають постійними магнітами. У процесі вивчення постійних магнітів було встановлено: постійні магніти мають два полюси, які назвали – північний ( N ) і південний ( S ) ; однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні притягуються.

22. Планета Земля має власне магнітне поле. Поблизу північного географічного полюсу знаходиться південний магнітний полюс Землі, а поблизу південного географічного полюсу – північний магнітний. Магнітосфера - це область навколоземного простору, власти­вості, розміри і форма якої визначаються магнітним полем Землі та його вза­ємодією з потоками заряджених частинок від Сонця, тобто сонячним вітром.

Сонячний вітер - це постійний радіальний потік плазми сонячної ко­рони в міжпланетний простір. Сонячний вітер містить в основному про­тони, небагато ядер гелію, іонів кисню, кремнію, сірки, заліза. Ці частинки досягають орбіти Землі, маючи велику швидкість, наприклад, швидкість протонів досягає 300-750 км/с. Поблизу Землі зіткнення частинок сонячного вітру з геомагнітним полем породжує стаціонарну ударну хвилю перед земною магнітосферою. Сонячний вітер ніби обтікає магнітосферу, обме­жуючи її протяжність у просторі.

Наближено можна вважати, що межа магнітосфери непрозора для со­нячного вітру. Частинки, які про­рвалися в магнітосферу, спричинюють полярні сяйва. У внутрішніх областях магнітосфери магнітне поле вдержує, як у магнітній пастці, потоки швидких частинок. Ці частинки утворюють радіаційні смуги Землі.

Зміни інтенсивності сонячного вітру, пов'язані зі спалахами на Сонці, призводять до магнітосферних бур. При цьому полярні сяйва підсилю­ються, потік частинок у радіаційних смугах зростає, магнітне поле Землі спотворюється.

Дослідження за допомогою космічних апаратів показали, що магніто­сферу мають і деякі інші планети: Меркурій, Юпітер, Сатурн, Венера.

Конспект

Розв’язування задач.

М одель № 1. ( два провідники із струмом, два магнітних поля , визначають індукцію у точці, що лежить на прямій, яка з’єднує провідники ) х

Результуюча індукція

або в проекції на вісь Х :

1. По двом прямим паралельним провідникам, що знаходяться на відстані 5см один від одного у повітрі, протікають струми по 10А у кожному. Визначити індукцію магнітного поля в точці, що лежить по середині між провідниками, для випадків: а) струми течуть в одному напрямі; б) струми течуть у протилежних напрямах. а)0 ; б)160мкТл

Модель № 2. ( два провідники із струмом, два магнітних поля , визначають індукцію у точці, що лежить за межами прямоъ, яка з’єднує провідники )

d

Результуюча індукція r₁ r₂

Модуль :

знаходимо із трикутника:

2. Два паралельні провідники, по яким протікають струми в одному напрямі по 60А, розміщені на відстані см один від одного. Визначити індукцію магнітного поля в точці, яка віддалена на см від одного провідника та на відстані см від другого провідника. (286мкТл)

Модель №3 ( провідник зігнуто у вигляді деякої геометричної фігури, визначають результуючу індукцію у деякій точці )

1. Кожна сторона фігури утворює магнітне поле з індукцією:

2. Результуюча індукція :

3. Кількість доданків рівна кількості сторін. Проектуємо суму на вибрану вісь.

3. По провіднику, зігнутому у вигляді квадратної рамки із стороною 10см, протікає струм 5А. Визначити індукцію магнітного поля в точці перетину діагоналей.

Домашнє завдання.

1.Законспектувати по підручнику «Фізика» тему : Магнітне поле як особливий вид матерії.

2.Вивчити основні означення даної теми

Заняття № 38 ____________2011р.

Тема: Сила Ампера. Правило лівої руки. Сила взаємодії паралельних струмів Дія магнітного поля на провідник із струмом. Силова характеристика магнітного поля . Робота при переміщенні провідника зі струмом. Контур із струмом в магнітному полі. Магнітний момент контуру із струмом. Магнітний потік. Електричні двигуни.

Основні положення та означення.

1. П ровідник із струмом утворює магнітне поле, яке взаємодіє із іншими полями, а отже на провідник із струмом, який знаходиться в магнітному полі зі сторони поля діє сила яку називають силою Ампера. Сила Ампера прямо пропорційна індукції магнітного поля , силі струму , що протікає по провіднику, довжині провідника та синусу кута між напрямком струму у провіднику і напрямом вектора магнітної індукції :

Н апрямок дії сили Ампера визначають за правилом лівої руки: ліву руку розміщують так щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири розпрямлені пальці показували напрямок струму у провіднику, тоді відігнутий на 90⁰великий палець показуватиме напрям дії сили Ампера. Лінії магнітної індукції завжди напрямлені від північного магнітного полюса до південного.

2. Д ва паралельні провідники із струмами І₁ та І₂ , які знаходяться на відстані один від одного , на ділянці довжини взаємодіють I₁ I₂ із силою (якщо струми в одному напрямі - провідники притягуються , в протилежних – відштовхуються ) d

3. Я кщо за допомогою провідника із струмом І утворити деякий контур площею S то кажуть, що даний контур має магнітний момент Р_м, який визначається за формулою Магнітний момент є векторною величиною, яка має напрям, що співпадає із напрямом нормалі проведеної до площини. Напрямок нормалі визначають за правилом свердлика. ( позначається літерою – Р_м., одиниця вимірювання – ампер помножений на метр квадратний (А·м²))

4. Н а контур із струмом, який знаходиться в магнітному полі діє механічний ( обертовий ) момент ( позначається літерою - М, одиниця вимірювання – ньютон помножений на метр ( Н·м)), і за певних умов повертає контур на деякий кут φ . При такому повороті буде виконана робота ( кут φ тільки у радіанах ! )

5. Магнітним потоком Ф через замкнену поверхню площею S називають скалярну фізичну величину, що визначається добутком ( позначається літерою -Ф, одиниця вимірювання – вебер (Вб))

6. Робота переміщення замкнутого контуру із струмом в магнітному полі визначається виразом

Сила Лоренца. Рух зарядженої частинки в магнітному полі.

Основні положення та означення.