Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле катушки с током

Ключевые слова: магнитное взаимодействие, магнитное поле, силовые линии магнитного поля, правило обхвата правой рукой.

На этом уроке вы научитесь:

• объяснять свойства магнитного поля и определять направление линий магнитного поля прямого тока и соленоида.

В 1820 г. датский физик Эрстед на опыте обнаружил, что электрический ток действует на магнитную стрелку. Он предположил, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Этим открытием было положено начало новой главы физики — учению об электромагнетизме.

Рассмотрим опыт, проделанный ученым Х. Эрстедом (рис. 32.1). От источника тока протянут жесткий металлический провод, рядом с которым расположена магнитная стрелка, надетая на иглу. Пока в проводе тока нет, стрелка указывает на север (рис. 32.1, а). Теперь подключим концы провода к источнику тока. Мы увидим, что стрелка сразу же установится поперек провода (рис. 32.1, б). Если переместим стрелку на некоторое расстояние недалеко от провода, результат будет тем же: при замыкании цепи стрелка будет поворачиваться, располагаясь перпендикулярно проводу.

Рис. 32.1

Эрстед объяснил результат опыта так. Так как стрелка отклоняется, находясь в любом месте вблизи провода, значит, в пространстве вокруг провода существует силовое поле, которое и воздействует на магнитную стрелку. А поскольку на магнитную стрелку может действовать только магнитное поле, то в пространстве вокруг проводника с током существует магнитное поле. Знакомство с ним мы начали в § 31, описав существование магнитного поля постоянного магнита.

Опыт Эрстеда показал, что электрический ток, протекая по проводникам, создает вокруг него магнитное поле.

Французский физик А. М. Ампер считал, что взаимодействие токов отличается от взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Он проделал опыты (рис. 32.2), в которых было обнаружено взаимодействие параллельных токов, осуществляемое посредством магнитного поля. Параллельные проводники, в которых токи протекают в одном направлении, притягиваются, а если токи текут в противоположных направлениях, то проводники отталкиваются друг от друга, причем сила взаимодействия токов зависит от расстояния между ними. Это взаимодействие токов было названо магнитным взаимодействием, а силу взаимодействия токов назвали магнитной силой.

Рис. 32.2

Ампер и Эрстед своими опытами показали, что магнитное поле создается не только магнитами, но и электрическим током и движущимися заряженными частицами.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между токами и движущимися заряженными частицами.

Запомните! Неподвижные электрические заряды создают электростатическое поле, а движущиеся заряды (ток) создают магнитное поле. В природе нет магнитных зарядов, а есть ток, который и создает магнитное поле.

Рассмотрим, как выглядит магнитное поле, создаваемое прямолинейным проводником с током. Для этого проведем через прозрачное оргстекло прямой проводник и пропустим по нему ток (рис. 32.3). Магнитные стрелки выстроятся по окружностям вокруг проводника. Если поменять направление тока в проводнике, стрелки как по команде развернутся в другую сторону.

Если вместо магнитных стрелок насыпать на стекло железные опилки, то они тоже расположатся по окружностям, причем вблизи проводника опилки располагаются гуще, а чем дальше от него — тем реже (рис. 32.4). Это говорит о том, что, удаляясь от проводника, магнитное поле ослабевает. Такие линии образуются потому, что опилки намагничиваются и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелочкам: располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля, они разворачиваются, образуя множество кольцеобразных цепочек. Итак, силовые линии магнитного поля прямого проводника с током являются концентрическими окружностями, опоясывающими проводник.

Рис. 32.3

Рис. 32.4

Направлением силовой линии магнитного поля принято считать направление, куда указывает северный конец магнитной стрелки. Например, на рисунке 32.3 расположение северных концов показывает, что силовые линии поля направлены против часовой стрелки.

Для определения направления силовых линий магнитного поля прямого проводника с током есть специальные правила. Правило обхвата правой рукой: если прямой проводник обхватить ладонью так, чтобы отогнутый большой палец указывал направление тока в проводнике, то оставшиеся пальцы укажут направление силовых линий магнитного поля.

Это же правило известно и как «правило правого буравчика»: если буравчик с правой резьбой ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля. Т. е. магнитное поле прямых проводников с током выглядит как концентрические окружности. Рассмотрим теперь проводник, свернутый в виде спирали, по которому идет ток (рис. 32.5). Проводник, выполненный таким образом, называется катушкой или соленоидом (греч. «solen» — трубка). Расположим вдоль его оси лист оргстекла и рассыпем на нем железные опилки. На рисунке 32.5 отчетливо видно, что опилки выстроились в виде замкнутых линий, наиболее часто расположенных внутри витков соленоида. Следовательно, магнитное поле внутри соленоида сильнее, чем вне его. Кроме этого, внутри соленоида опилки располагаются практически прямолинейно. Этот факт говорит об однородности магнитного поля внутри соленоида.

Рис. 32.5

Намотаем теперь проволоку на каркас, располагая витки вплотную друг к другу, мы получим катушку. Замкнем цепь и поднесем к катушке мелкие гвоздики — часть из них притянется к ней (рис. 32.6, а). Если в нее вставить железный или стальной стержень — сердечник, то притянется заметно больше гвоздиков (рис. 32.6, б). Другими словами, происходит усиление магнитного поля. Катушка из изолированной проволоки с железным сердечником внутри называется электромагнитом. При прочих равных условиях магнитное поле электромагнита всегда сильнее магнитного поля соленоида или катушки без сердечника.

Как же происходит усиление магнитного поля, когда в соленоид помещают стальной сердечник? Сначала ток, идущий по соленоиду, намагничивает сердечник. Намагнитившись, сердечник создает собственное поле, которое совпадает по направлению с полем соленоида. Эти поля складываются, и образуется новое, более сильное поле. Об этом мы судим по количеству притянувшихся гвоздиков или стальных скрепок. Магнитное поле будет еще сильнее, если по катушке пропустить электрический ток большей силы.

Кроме того, при одной и той же силе тока поле электромагнита можно усилить, увеличив число витков проводника в его обмотке. Это объясняется тем, что магнитные поля, создаваемые каждым из витков, накладываются друг на друга и тем самым образуют новое, более сильное магнитное поле.

Рис. 32.6

Это вы знаете. Соленоид, подвешенный на нити, при пропускании через него тока, устанавливается под действием магнитного поля Земли так же, как стрелка компаса (рис. 32.7). Следовательно, магнитное поле катушки с током взаимодействует с магнитным полем Земли, которое оказывает на нее ориентирующее действие.

Рис. 32.7

Соленоид применяется в кассовых аппаратах для разрезания билетов и чеков, в электроприводах, телефонных трубках, в различных электромагнитных пускателях, выключателях, электроизмерительных приборах, грузоподъемных машинах на заводах, в магнитных сепараторах и т. д.

Вопросы

1. Почему в опыте Эрстеда важно присутствие магнитной стрелки?
2. Какой основной вывод следует из опыта Эрстеда?
3. Какая сила заставляет железные опилки располагаться по окружностям, подобно магнитным стрелкам?
4. Какие опыты доказывают, что вокруг проводника с током существует силовое поле?
5. На листе оргстекла рассыпаны железные опилки. Как вы думаете, что произойдет с ними, если: а) ударить по стеклу пальцем; б) поднести снизу магнит северным полюсом, а потом южным?
6. Для каких целей применяют правило обхвата правой рукой?
7. Какое другое правило можно использовать вместо правила обхвата правой рукой?
8. Что используют для изучения магнитного поля соленоида?
9. Как выглядят силовые линии магнитного поля соленоида?
10. Как усилить магнитное действие катушки с током?
11. Почему магнитное поле электромагнита сильнее поля соленоида?
12. Из каких элементов вы бы изготовили самодельный магнит? Где его можно применить?
13. Как определить полюса соленоида?

Задания.

1. Через соленоид (катушка с однослойной намоткой провода) пропускают ток (рис. 32.8). Определите полюсы катушки.
2. Определите направление тока в катушке и знаки полюсов у источника тока (рис. 32.9), если на верхнем конце катушки находится северный магнитный полюс.
3. Намотка катушки A (рис. 32.10) произведена по ходу часовой стрелки, а катушки B — против хода часовой стрелки. Одинаковые ли полюсы имеют левые концы электромагнитов?

Рис. 32.8, рис. 32.9 и рис. 32.10

Упражнение 20

1. Нарисуйте в тетради прямолинейный проводник, укажите направление тока в нем. Изобразите силовые линии магнитного поля прямого тока и укажите их направление. Какое правило вы использовали для этого?
2. Нарисуйте соленоид и укажите направление тока в нем.
3. Нарисуйте силовые линии магнитного поля катушки и укажите их направление. Какое правило вы использовали для этого?
4. Как изменится картина силовых линий магнитного поля катушки, если: а) увеличить число витков в ней; б) увеличить силу тока в ней; в) вставить в катушку стальной сердечник?