какое действие оказывает на рамку с током магнитное поле

Физика. 10 класс

§ 27. Действие магнитного поля на проводник с током. Взаимодействие проводников с током

Явления взаимодействия одноимённых и разноимённых электрических зарядов напоминают явления отталкивания одноимённых полюсов и притяжения разноимённых полюсов магнитов ( рис. 136 ). Электрические взаимодействия осуществляются посредством электрических полей, а чем обусловлены магнитные взаимодействия и чем определяются магнитные свойства тел?

Магнитное поле. То, что магниты взаимодействуют друг с другом, что распиленный пополам магнит превращается в два магнита, а железо при соприкосновении с магнитом намагничивается, было установлено достаточно давно. Гораздо позже обнаружили связь между электрическими и магнитными явлениями, хотя намагничивание железных предметов, перемагничивание стрелки компаса во время грозовых электрических разрядов и многие другие наблюдения и опыты заставляли учёных задуматься над этим. Первыми эту связь исследовали в 1820 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед ( 1777–1851 ) и уже известный вам французский физик и математик Андре-Мари Ампер.

Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивалась на некоторый угол при прохождении по проводнику электрического тока ( рис. 137 ). Открытие Эрстеда позволило Амперу сделать вывод, что магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами, циркулирующими внутри этого тела и получившими название «амперовы токи» или «молекулярные токи» ( рис. 138 ). Это означало, что магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, а движением электрических зарядов — электрическим током.

Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки в опыте Эрстеда является взаимодействием электрического тока проводника с «амперовыми токами» в магнитной стрелке (гипотеза Ампера). Это взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля.

Магнитное поле – особая форма материи, создаваемая движущимися относительно определённой инерциальной системы отсчёта электрическими зарядами или переменными электрическими полями.

Опыты свидетельствуют, что магнитное поле возникает при движении любых электрических зарядов. Поскольку скорость движения заряда зависит от выбора системы отсчёта, магнитное поле одного и того же заряда в разных системах отсчёта различное. Если по отношению к определённой инерциальной системе отсчёта электрический заряд покоится, то в этой системе отсчёта он создаёт только электростатическое поле. Электрический заряд, движущийся относительно данной инерциальной системы отсчёта, создаёт в ней не только электрическое поле, но и магнитное, которые являются компонентами единого электромагнитного поля.

Посредством магнитного поля осуществляется взаимодействие между подвижными электрическими зарядами (а также магнитами). При этом каждый движущийся в данной инерциальной системе отсчёта электрический заряд создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Это поле действует некоторыми силами на любые другие движущиеся электрические заряды, а также находящиеся в нём магниты.

Таким образом, о существовании магнитного поля можно судить по наличию силы, действующей на электрический заряд, движущийся относительно выбранной инерциальной системы отсчёта, или находящийся в этом поле магнит.

Магнитная стрелка, расположенная под медным проводником, поворачивается на некоторый угол при прохождении по нему электрического тока. Будет ли стрелка поворачиваться, если медный проводник заменить водным раствором щёлочи, помещённым в тонкую стеклянную трубку?

Интересно знать

Современные научные представления не отвергают, а наоборот, предсказывают частицы с магнитным зарядом — магнитные монополи. однако такие частицы пока экспериментально не наблюдали.

Источник

Действие магнитного поля на ток

В § 10-а мы рассмотрели опыт, где магнитное поле проводника с током действовало на магнит – стрелку компаса. Возникает вопрос: а будет ли существовать обратное явление – будет ли магнит воздействовать на проводник с током? Проделаем опыт.

Посмотрите на рисунок. В начале опыта провод свисает свободно (рис. «а»). Если же концы провода присоединить к источнику тока, соблюдая расположение «+» и «–», то провод втягивается внутрь магнита (рис. «б»). Поменяв местами подключение «+» и «–», мы обнаружим, что провод выталкивается из промежутка между полюсами магнита (см. рис. ниже).

Вместо дугообразного магнита в этом опыте можно взять два полосовых магнита или два электромагнита. Важно лишь, чтобы проводник с током находился в промежутке между их полюсами, где магнитное поле является наиболее сильным. Иначе говоря, магнитное поле всегда действует силой на проводник с током. Для определения направления силы есть правило.

Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник – гласит правило левой руки. Поясним использование этого правила и проиллюстрируем его рисунком.

Силовые линии магнитного поля между полюсами магнита будут направлены от северного полюса к южному (см. § 10-а). Именно такое направление укажет магнитная стрелка, помещённая в пространство между полюсами. Значит, чтобы линии входили в ладонь, необходимо отвернуть её от себя, причём четырьмя пальцами вверх – по направлению тока. Тогда отогнутый большой палец укажет, что проводник будет смещаться вправо, что мы и наблюдаем в этом опыте.

Немного усложним опыт. Вместо проводника в виде гибкого провода возьмём проволоку, согнутую в виде жёсткой рамки. Концы проволоки упрём в металлические «чашечки», подключенные к источнику тока так же, как и в случае с гибким проводом: «+» сверху (см. рис. «б»). Расположение магнита оставим прежним: северный полюс на дальнем плане справа.

Если сначала рамка расположена так, как на рисунке «в», то после включения тока (рис. «г») рамка начнёт поворачиваться, пока не займёт положение, показанное на рисунке «д».

Но если в момент подхода рамки к положению «д» ток выключить, то, продолжая двигаться, рамка самостоятельно довернётся в положение «в». Теперь, если снова включить ток, рамка опять, пройдя через положение «г», повернётся в положение «д». И если поступление тока регулировать так, чтобы он включался в момент «в» и выключался в момент «д», рамка будет вращаться непрерывно. Мы получим модель электрического двигателя.

Выясним теперь, почему рамка вообще поворачивается. На рисунке «г» показано, что в левой части рамки ток идёт вниз (и эта часть перемещается «в глубь» магнита), а в правой части рамки ток идёт вверх (и эта часть перемещается наружу). В опыте с гибким проводом было так же: если ток шёл вниз, то провод втягивалтся внутрь магнита, как и двойная сторона рамки. Если же полярность подключения провода меняли, и ток шёл вверх, то провод выталкивалтся наружу, как и одинарная сторона рамки.

Правило левой руки тоже показывает, что на противоположные стороны рамки с током, находящейся в магнитном поле, действуют противоположно направленные силы, вращающие рамку.

Источник

Действие магнитного поля на рамку с током.

Модуль 2(9)

Магнитное поле. Действие магнитного поля на рамку с током. Вектор магнитной индукции. Микро и макро токи.

Магнитное поле— особый вид материи, источником магнитного поля является постоянные магниты, проводники с током, движущиеся заряженные частицы.

Действие магнитного поля на рамку с током.

За направление магнитного поля принимается направление вдоль которого располагается положительная нормаль к свободно вращающейся рамки или направление, совпадающее с направлением силы действующей на северный магнитный полис стрелки, помещённый в данную точку магнитного поля.

Вектор магнитной индукции – векторная величина, которая характеризует отношение максимального вращательного момента к магнитному моменту данного контура.

Макро токи – токи протекающие по проводникам.

Микро токи – обусловлены движением электронов в атомах и молекулах.

Источник

Какое действие оказывает на рамку с током магнитное поле

Рамка с током в магнитном поле

Электрический ток всегда замкнут, поэтому прямолинейный проводник можно рассматривать как часть электрической цепи.

Как же ведёт себя в магнитном поле замкнутый контур?

Если вместо гибкого проводника между полюсами магнита поместить проволоку, изогнутую в виде жёсткой рамки, то в начальный момент такая рамка установится параллельно линии, соединяющей полюса магнита. В этот момент вектор магнитной индукции параллелен двум сторонам рамки и расположен в её плоскости. После включения тока рамка начнёт поворачиваться и установится таким образом, что линии магнитного поля будут пронизывать её плоскость.

Вращение рамки объясняется действием на неё сил Ампера.

Каждую из сторон рамки по отдельности можно рассматривать как проводник с током. Согласно закону Ампера на них действует сила Ампера. Её направление определяется с помощью правила левой руки.

Очевидно, что силы, действующие на противоположные стороны прямоугольной рамки, будут равны по величине и противоположны по направлению из-за разного направления токов в них.

На стороны рамки, расположенные параллельно линиям магнитной индукции, силы не действуют, так как угол αмежду вектором магнитной индукции и направлением тока равен 0, следовательно, sinαтакже равен нулю.

Угол между вектором индукции и направлением тока в вертикальных сторонах рамки равен 90о. Следовательно, sinα = 1, а модуль силы, действующей на каждую из них, равен

Силы создают вращающий момент, скалярная величина которого равна

Под действием этого момента рамка начинает поворачиваться. В любой промежуточный момент M = I·S·B·sinβ,гдеβ – угол между вектором магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки. При повороте этот угол меняется, уменьшается величина силы, и постепенно рамка занимает положение перпендикулярно вектору магнитной индукции. В этом случае вращающий момент становится равным нулю. (М = 0).

На принципе поворота рамки с током в магнитном поле основана работа простейшего электродвигателя. Если отключить ток в тот момент, когда рамка ещё не достигла устойчивого положения, она повернётся по инерции и остановится. При включении тока она снова начнёт вращаться. Включая и выключая ток в нужный момент, можно добиться непрерывного вращения рамки. На этом принципе основана работа простейшего электродвигателя постоянного тока.

Чтобы рамка вращалась непрерывно, необходимо, чтобы ток поступал каждые пол-оборота. В двигателе эту функцию выполняет устройство, которое называют коллектором. Он состоит из двух металлических полуколец. К ним припаяны концы рамки. Когда подключается ток, рамка совершает пол-оборота. Вместе с ней поворачиваются и полукольца коллектора. В результате контакты рамки переключаются, ток в ней меняет своё направление, и рамка продолжает вращаться безостановочно.

Двигатели постоянного тока используются в тяговых электроприводах электровозов, трамваев, тепловозов, теплоходов. Электрический стартер автомобиля – это тоже двигатель постоянного тока. Микродвигатели приводят в действие детские игрушки, электроинструменты, компьютерные устройства, швейные машинки, пылесосы, бормашины и др.

Взаимодействие проводников с током

Выделим основные открытия Ампера в области электромагнетизма:

1. Взаимодействия проводников с током

Два параллельных проводника с токами притягиваются друг к другу, если токи в них сонаправлены и отталкиваются, если токи в них противонаправлены.

Закон Ампера гласит:

Сила взаимодействия двух параллельных проводников пропорциональна произведению величин токов в проводниках, пропорциональна длине этих проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

F – сила взаимодействия двух параллельных проводников,

I1, I2 – величины токов в проводниках,

∆ℓ − длина проводников,

r – расстояние между проводниками.

Открытие этого закона позволило ввести в единицы измерения величину силы тока, которой до того времени не существовало. Так, если исходить из определения силы тока как отношения количества заряда перенесённого через поперечное сечение проводника в единицу времени, то мы получим принципиально не измеряемую величину, а, именно, количество заряда, переносимое через поперечное сечение проводника. На основании этого определения не сможем ввести единицу измерения силы тока. Закон Ампера позволяет установить связь между величинами сил тока в проводниках и величинами, которые можно измерить опытным путём: механической силой и расстоянием. Таким образом, получена возможность ввести в рассмотрение единицу силы тока – 1 А (1 ампер).

Ток в один ампер – это такой ток, при котором два однородных параллельных проводника, расположенные в вакууме на расстоянии один метр друг от друга взаимодействуют с силой 2∙10-7 Ньютона.

Закон взаимодействия токов – два находящихся в вакууме параллельных проводника, диаметры которых много меньше расстояний между ними, взаимодействуют с силой прямо пропорциональной произведению токов в этих проводниках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Сила Ампера

Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током, называется силой Ампера.

Величина этой силы, действующей на элемент Δl проводника с током I в магнитном поле с индукцией \(

где α – угол между направлениями тока и вектора индукции.

Направление силы Ампера можно найти с помощью правила левой руки (рис. 1):

если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали по направлению с направлением тока, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы, действующей на элемент проводника.

Использование этого правила затруднительно лишь в том случае, когда угол α мал. Поскольку, однако, величина B∙sin α представляет собой модуль перпендикулярной проводнику с током компоненты вектора индукции \(

\vec B_<\perp>\) (рис. 2), то ориентацию ладони можно определять именно этой компонентой – она должна входить в открытую ладонь левой руки.

Из (1) следует, что сила Ампера равна нулю, если проводник с током расположен вдоль линий магнитной индукции, и максимальна, если проводник перпендикулярен этим линиям.

Закон Ампера выполняется для любого магнитного поля. Предположим, что это поле создается длинным линейным проводником с током I₂, параллельным первому проводнику c током I₁ и находящимся на расстоянии r от него. Тогда индукцию магнитного поля в точках расположения первого проводника можно определить (с учетом замены I → I₂) по формуле:

Подставляя это выражение в (1) и замечая, что в рассматриваемом случае параллельных проводников α = 90°, находим силу, действующую на линейный элемент Δl первого проводника,

Совершенно ясно, что точно такое же выражение можно записать для силы, действующей на второй проводник. Используя правило буравчика (для определения магнитной индукции проводника с током) и правило левой руки (для определения силы, действующей на проводник с током), можно убедиться в том, что если токи в проводниках текут в одинаковых направлениях, то эти проводники притягиваются (рис. 3 а, б), а если в разных – отталкиваются (рис. 4, а, б), что и подтверждается опытом.

Выражение (2) было положено в основу принципа определения единицы силы тока. Если в (2) считать I₁ = I₂ = 1 А, r = 1 м, Δl = 1 м, то получим F = 2∙10-7 Н/м. Другими словами,

если по двум параллельным, бесконечно длинным линейным проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга, текут одинаковые токи в 1 А, то эти токи взаимодействуют с силой 2∙10-7 Н на каждый метр длины проводников.

Заметим, что единица силы тока – ампер – в СИ принадлежит, наряду с секундой, метром, килограммом, кельвином, молем и канделой, к числу основных единиц измерения физических величин.

Электромагниты

В 1269 г. французский естествоиспытатель Пьер де Марикур написал труд под названием «Письмо о магните». Основной целью Пьера де Марикура было создание вечного двигателя, в котором он собирался использовать удивительные свойства магнитов. Насколько успешными были его попытки, неизвестно, но достоверно то, что Якоби использовал свой электродвигатель для того, чтобы привести в движение лодку, при этом ему удалось ее разогнать до скорости 4,5 км/ч.

Необходимо упомянуть еще об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведет себя подобно постоянному магниту. Это значит, что можно сконструировать электромагнит – устройство, мощность которого можно регулировать (рис. 5).

Рис. 5. Электромагнит

Магнитное взаимодействие

Французский физик Андре-Мари Ампер в 1820 г. обнаружил, что два проводника, по которым пропущен электрический ток, расположенные параллельно друг другу, притягиваются, если направления токов совпадают, и отталкиваются, если токи направлены в разные стороны. Ампер назвал этот эффект электродинамическим взаимодействием.

Рис. 1. Опыт Ампера по взаимодействию токов в параллельных проводниках.

Для объяснения этого явления Ампер ввел понятие магнитного поля, которое возникает вокруг любого движущегося электрического заряда. Магнитное поле непрерывно в пространстве и проявляет себя, оказывая силовое воздействие на другие движущиеся электрические заряды.

Предшественники Ампера пытались построить теорию магнитного поля по аналогии с электрическим полем с помощью магнитных зарядов с разными знаками (северным N и южным S). Однако, эксперименты показали, что отдельных магнитных зарядов в природе не существует. Магнитное поле возникает только в результате движения электрических зарядов.

Источник

Действие магнитного поля на рамку с током

Разделы: Физика

Цели урока:

Основное содержание урока

I. Проверка домашнего задания.

– Какая сила называется силой Ампера?

– Сформулируйте правило, позволяющее определить направление силы Ампера. И т.д.

– (тест графический) работа в парах, проверка.

II. Кроссворд

Ключевое слов – электродвигатель.

Электродвигатель – машина, преобразующая электрическую энергию в механическую работу.

III. Новый материал.

Эксперимент: подключим к источнику тока проволочную рамку прямоугольной формы.

Поместим слева и справа от неё магниты, замкнём цепь.

– Это означает, что магнитное поле оказывает на рамку с током вращающее действие.

– Как вы думаете, чем объясняется вращение рамки?

– Вращение рамки с током в магнитном поле объясняется действием на неё сил Ампера.

Эти силы действуют как на левую, так и на правую сторону рамки, но в противоположных направлениях.

Под действием этих сил и происходит вращение.

(Сообщение о Борисе Семеновиче Якоби – Российский физик и изобретатель)

Выводы:

– Какое преимущество электрических двигателей от тепловых двигателей?

Сообщение: В отличии от тепловых двигателей электрические двигатели не выделяют в процессе работы вредных газов, дыма и пара и, следовательно, не загрязняют окружающую среду. КПД мощных электродвигателей может достигать 98%.

– А где же применяются электрические двигатели?

Сообщение: Электрические двигатели находят широкое применение в технике, особенно на таких видах транспорта, как электровозы, троллейбусы и трамваи. С помощью специального электродвигателя постоянного тока (стартера) производится запуск двигателя внутреннего сгорания в автомобилях.

Учитель:

Приложение

Вращение рамки с током в магнитном поле используется и в таких электроизмерительных приборах, как амперметр и вольтметр.

Устройство одного из них показано на рисунке.

Между полюсами постоянного магнита 1 располагается легкая рамка 2, на которую намотана катушка из нескольких витков провода. Внутри рамки находится неподвижный железный сердечник 3.

Ток в катушку поступает по металлическим пружинкам 4.

При отсутствии тока пружинки удерживают рамку в таком положении, что соединенная с ней стрелка 5 указывает на нулевое деление шкалы.

При включении прибора в цепь по катушке начинает идти ток, и под действием магнитного поля рамка со стрелкой поворачивается.

Их вращение продолжается до тех пор, пока момент сил упругости со стороны пружинок не уравновесит момент сил Ампера, действующих со стороны магнитного поля.

Чем больше сила тока в цепи, тем больше будет момент сил Ампера и потому на больший угол повернется стрелка, перемещаясь по шкале прибора.

IV. Кратковременная лабораторная работа №6: «Изучение модели электродвигателя»

Цель: изучить модель электродвигателя, выяснить с помощью каких сил вращается электродвигатель.

Вывод: ответить на вопрос

Под действием, каких сил начинает вращаться электрический двигатель?

V. Закрепление материала:

– Что называют электродвигателем?

– На чем основан принцип действия такого двигателя?

Задачи из Д/ф.

VI. Домашнее задание:

Параграф 27, вопросы стр. 71.

Привести собственный проект выполнения лабораторной работы.

Источник