Argomenti del codificatore USE: interazione dei magneti, campo magnetico di un conduttore con la corrente.
Le proprietà magnetiche della materia sono note alle persone da molto tempo. I magneti prendono il nome dall'antica città di Magnesia: nelle sue vicinanze era diffuso un minerale (in seguito chiamato minerale di ferro magnetico o magnetite), i cui pezzi attiravano oggetti di ferro.
Interazione dei magneti
Su due lati di ciascun magnete si trovano Polo Nord E Polo Sud. Due magneti sono attratti l'uno dall'altro da poli opposti e si respingono da poli simili. I magneti possono agire l'uno sull'altro anche attraverso il vuoto! Tutto ciò ricorda però l'interazione delle cariche elettriche l'interazione dei magneti non è elettrica. Ciò è evidenziato dai seguenti fatti sperimentali.
La forza magnetica si indebolisce quando il magnete viene riscaldato. La forza dell'interazione delle cariche puntiformi non dipende dalla loro temperatura.
La forza magnetica viene indebolita agitando il magnete. Niente di simile accade con i corpi elettricamente carichi.
Le cariche elettriche positive possono essere separate da quelle negative (ad esempio, quando si elettrizzano i corpi). Ma è impossibile separare i poli del magnete: se si taglia il magnete in due parti, nel punto tagliato compaiono dei poli e il magnete si divide in due magneti con poli opposti alle estremità (orientati esattamente nello stesso modo). come i poli del magnete originale).
Quindi i magneti Sempre bipolari, esistono solo nella forma dipoli. Poli magnetici isolati (cd monopoli magnetici- analoghi della carica elettrica) in natura non esistono (in ogni caso non sono stati ancora rilevati sperimentalmente). Questa è forse l’asimmetria più impressionante tra elettricità e magnetismo.
Come i corpi elettricamente carichi, i magneti agiscono sulle cariche elettriche. Tuttavia, il magnete agisce solo su in movimento carica; Se la carica è ferma rispetto al magnete, su di essa non agisce alcuna forza magnetica. Al contrario, un corpo elettrizzato agisce con qualsiasi carica, indipendentemente dal fatto che sia in riposo o in movimento.
Secondo i concetti moderni della teoria dell'azione a corto raggio, l'interazione dei magneti viene effettuata attraverso campo magnetico Vale a dire, un magnete crea un campo magnetico nello spazio circostante, che agisce su un altro magnete e provoca un'attrazione o repulsione visibile di questi magneti.
Un esempio di magnete è ago magnetico bussola. Con l'aiuto di un ago magnetico si può valutare la presenza di un campo magnetico in una data regione dello spazio, nonché la direzione del campo.
Il nostro pianeta Terra è un magnete gigante. Non lontano dal polo nord geografico della Terra si trova il polo sud magnetico. Pertanto, l'estremità nord dell'ago della bussola, rivolgendosi al polo sud magnetico della Terra, punta verso il nord geografico. Da qui, infatti, è nato il nome "polo nord" del magnete.
Linee del campo magnetico
Il campo elettrico, ricordiamo, viene studiato con l'aiuto di piccole cariche di prova, dall'azione sulla quale si può giudicare l'entità e la direzione del campo. Un analogo di una carica di prova nel caso di un campo magnetico è un piccolo ago magnetico.
Ad esempio, puoi avere un'idea geometrica del campo magnetico posizionando aghi di bussola molto piccoli in diversi punti dello spazio. L'esperienza mostra che le frecce si allineeranno lungo determinate linee, le cosiddette linee del campo magnetico. Definiamo questo concetto nella forma dei tre paragrafi seguenti.
1. Le linee del campo magnetico, o linee di forza magnetica, sono linee dirette nello spazio che hanno la seguente proprietà: un piccolo ago della bussola posto in ciascun punto di tale linea è orientato tangenzialmente a questa linea.
2. La direzione della linea del campo magnetico è la direzione delle estremità settentrionali degli aghi della bussola situati nei punti di questa linea.
3. Quanto più spesse sono le linee, tanto più forte è il campo magnetico in una data regione dello spazio..
Il ruolo degli aghi della bussola può essere svolto con successo dalla limatura di ferro: in un campo magnetico, la limatura di piccole dimensioni viene magnetizzata e si comporta esattamente come gli aghi magnetici.
Quindi, dopo aver versato la limatura di ferro attorno a un magnete permanente, vedremo approssimativamente la seguente immagine delle linee del campo magnetico (Fig. 1).
Riso. 1. Campo magnetico permanente
Il polo nord del magnete è indicato in blu e con la lettera ; il polo sud - in rosso e la lettera . Si noti che le linee di campo escono dal polo nord del magnete ed entrano nel polo sud, perché è al polo sud del magnete che punterà l'estremità nord dell'ago della bussola.
L'esperienza di Oersted
Nonostante il fatto che i fenomeni elettrici e magnetici siano noti alle persone fin dall'antichità, per molto tempo non è stata osservata alcuna relazione tra loro. Per diversi secoli le ricerche sull'elettricità e sul magnetismo procedettero parallelamente e indipendentemente l'una dall'altra.
Il fatto notevole che i fenomeni elettrici e magnetici siano effettivamente correlati tra loro fu scoperto per la prima volta nel 1820 nel famoso esperimento di Oersted.
Lo schema dell'esperimento di Oersted è mostrato in fig. 2 (immagine da rt.mipt.ru). Sopra l'ago magnetico (e - i poli nord e sud della freccia) c'è un conduttore metallico collegato a una sorgente di corrente. Se chiudi il circuito, la freccia gira perpendicolare al conduttore!
Questo semplice esperimento puntava direttamente alla relazione tra elettricità e magnetismo. Gli esperimenti che seguirono l'esperienza di Oersted stabilirono fermamente il seguente schema: il campo magnetico è generato da correnti elettriche e agisce sulle correnti.
Riso. 2. Esperimento di Oersted
L'immagine delle linee del campo magnetico generato da un conduttore con corrente dipende dalla forma del conduttore.
Campo magnetico di un filo rettilineo percorso da corrente
Le linee del campo magnetico di un filo rettilineo percorso da corrente sono cerchi concentrici. I centri di questi cerchi giacciono sul filo e i loro piani sono perpendicolari al filo (Fig. 3).
Riso. 3. Campo di un filo diretto con corrente
Esistono due regole alternative per determinare la direzione delle linee del campo magnetico in corrente continua.
regola della lancetta delle ore. Le linee di campo vanno in senso antiorario se viste in modo che la corrente scorra verso di noi..
regola della vite(O regola del succhiello, O regola del cavatappi- è più vicino a qualcuno ;-)). Le linee di campo vanno dove la vite (con filettatura destrorsa convenzionale) deve essere girata per spostarsi lungo la filettatura nella direzione della corrente.
Usa la regola che preferisci. È meglio abituarsi alla regola del senso orario: vedrai più tardi di persona che è più universale e più facile da usare (e poi ricordala con gratitudine nel tuo primo anno di studio della geometria analitica).
Nella fig. 3, è apparso anche qualcosa di nuovo: questo è un vettore, che si chiama induzione del campo magnetico, O induzione magnetica. Il vettore dell'induzione magnetica è un analogo del vettore dell'intensità del campo elettrico: serve caratteristica di potenza campo magnetico, che determina la forza con cui il campo magnetico agisce sulle cariche in movimento.
Parleremo più avanti delle forze in un campo magnetico, ma per ora noteremo solo che l'intensità e la direzione del campo magnetico sono determinate dal vettore di induzione magnetica. In ogni punto dello spazio, il vettore è diretto nella stessa direzione dell'estremità nord dell'ago della bussola posizionato in questo punto, cioè tangente alla linea del campo nella direzione di questa linea. L'induzione magnetica viene misurata teslach(Tl).
Come nel caso del campo elettrico, per l’induzione di un campo magnetico, principio di sovrapposizione. Sta nel fatto che L'induzione di campi magnetici creati in un dato punto da varie correnti si somma vettorialmente e dà il vettore risultante di induzione magnetica:.
Il campo magnetico di una bobina con corrente
Consideriamo una bobina circolare attraverso la quale circola una corrente continua. Non mostriamo la sorgente che crea la corrente nella figura.
L'immagine delle linee del campo del nostro turno avrà approssimativamente la seguente forma (Fig. 4).
Riso. 4. Campo della bobina con corrente
Sarà importante per noi poter determinare in quale semispazio (rispetto al piano della bobina) è diretto il campo magnetico. Ancora una volta abbiamo due regole alternative.
regola della lancetta delle ore. Le linee di campo vanno lì, guardando da dove la corrente sembra circolare in senso antiorario.
regola della vite. Le linee di campo vanno dove la vite (con la filettatura destrorsa convenzionale) si sposterebbe se ruotata nella direzione della corrente.
Come si può vedere, i ruoli della corrente e del campo sono invertiti rispetto alla formulazione di queste regole per il caso della corrente continua.
Il campo magnetico di una bobina con corrente
Bobina risulterà, se stretto, da una bobina all'altra, avvolgere il filo in una spirale sufficientemente lunga (Fig. 5 - immagine dal sito en.wikipedia.org). La bobina può avere diverse decine, centinaia o addirittura migliaia di giri. Viene anche chiamata la bobina solenoide.
Riso. 5. Bobina (solenoide)
Il campo magnetico di un giro, come sappiamo, non sembra molto semplice. Campi? le singole spire della bobina si sovrappongono l'una all'altra e sembrerebbe che il risultato dovrebbe essere un'immagine molto confusa. Tuttavia non è così: il campo di una lunga bobina ha una struttura inaspettatamente semplice (Fig. 6).
Riso. 6. campo della bobina con corrente
In questa figura, la corrente nella bobina va in senso antiorario se vista da sinistra (questo accadrà se, in Fig. 5, l'estremità destra della bobina è collegata al "più" della sorgente di corrente e l'estremità sinistra a il “meno”). Vediamo che il campo magnetico della bobina ha due proprietà caratteristiche.
1. All'interno della bobina, lontano dai suoi bordi, si trova il campo magnetico omogeneo: in ogni punto, il vettore di induzione magnetica è lo stesso in grandezza e direzione. Le linee di campo sono rette parallele; si piegano solo in prossimità dei bordi della bobina quando escono.
2. All'esterno della bobina il campo è prossimo allo zero. Più sono le spire della bobina, più debole è il campo esterno.
Si noti che una bobina infinitamente lunga non emette alcun campo: non c'è campo magnetico all'esterno della bobina. All'interno di una tale bobina il campo è uniforme ovunque.
Non ti ricorda niente? Una bobina è la controparte "magnetica" di un condensatore. Ricordi che il condensatore crea al suo interno un campo elettrico uniforme, le cui linee sono curve solo vicino ai bordi delle piastre, e all'esterno del condensatore il campo è vicino allo zero; un condensatore con armature infinite non rilascia affatto il campo, e il campo è uniforme ovunque al suo interno.
E ora l'osservazione principale. Confrontare, per favore, l'immagine delle linee del campo magnetico all'esterno della bobina (Fig. 6) con le linee del campo del magnete in Fig. 1 . È la stessa cosa, no? E ora arriviamo alla domanda che probabilmente hai avuto molto tempo fa: se il campo magnetico è generato da correnti e agisce sulle correnti, qual è la ragione della comparsa di un campo magnetico vicino a un magnete permanente? Dopotutto, questo magnete non sembra essere un conduttore di corrente!
L'ipotesi di Ampère. Correnti elementari
Inizialmente si pensava che l'interazione dei magneti fosse dovuta a speciali cariche magnetiche concentrate ai poli. Ma, a differenza dell’elettricità, nessuno poteva isolare la carica magnetica; del resto, come abbiamo già detto, non era possibile ricavare separatamente i poli nord e sud del magnete: i poli sono sempre presenti nel magnete a coppie.
I dubbi sulle cariche magnetiche furono aggravati dall'esperienza di Oersted, quando si scoprì che il campo magnetico è generato da una corrente elettrica. Inoltre, si è scoperto che per qualsiasi magnete è possibile scegliere un conduttore con una corrente di configurazione appropriata, in modo tale che il campo di questo conduttore coincida con il campo del magnete.
Ampere ha avanzato un'ipotesi audace. Non ci sono cariche magnetiche. L'azione di un magnete è spiegata da correnti elettriche chiuse al suo interno..
Quali sono queste correnti? Questi correnti elementari circolare all'interno di atomi e molecole; sono associati al movimento degli elettroni nelle orbite atomiche. Il campo magnetico di qualsiasi corpo è costituito dai campi magnetici di queste correnti elementari.
Le correnti elementari possono essere posizionate casualmente l'una rispetto all'altra. Quindi i loro campi si annullano a vicenda e il corpo non mostra proprietà magnetiche.
Ma se le correnti elementari sono coordinate, allora i loro campi, sommandosi, si rafforzano a vicenda. Il corpo diventa un magnete (Fig. 7; il campo magnetico sarà diretto verso di noi; anche il polo nord del magnete sarà diretto verso di noi).
Riso. 7. Correnti magnetiche elementari
L'ipotesi di Ampere sulle correnti elementari ha chiarito le proprietà dei magneti: riscaldare e scuotere un magnete distrugge la disposizione delle sue correnti elementari e le proprietà magnetiche si indeboliscono. L'inseparabilità dei poli del magnete è diventata evidente: nel punto in cui è stato tagliato il magnete, alle estremità si ottengono le stesse correnti elementari. La capacità di un corpo di magnetizzarsi in un campo magnetico è spiegata dall'allineamento coordinato di correnti elementari che “ruotano” correttamente (leggi sulla rotazione di una corrente circolare in un campo magnetico nella scheda successiva).
L'ipotesi di Ampere si è rivelata corretta: l'ulteriore sviluppo della fisica lo ha dimostrato. Il concetto di correnti elementari è divenuto parte integrante della teoria dell'atomo, sviluppata già nel XX secolo – quasi cento anni dopo la brillante congettura di Ampère.
Directory di lavoro.
Compiti D13. Un campo magnetico. Induzione elettromagnetica
Fai il test per questi compiti
Torna al catalogo lavori
Versione per la stampa e la copia in MS Word
Una corrente elettrica veniva fatta passare attraverso un telaio conduttore di luce situato tra i poli di un magnete a ferro di cavallo, la cui direzione è indicata dalle frecce nella figura.
Soluzione.
Il campo magnetico sarà diretto dal polo nord del magnete verso sud (perpendicolare al lato AB del telaio). La forza dell'Ampere agisce sui lati del telaio con la corrente, la cui direzione è determinata dalla regola della mano sinistra e il valore è . Pertanto, sul lato AB del telaio e sul lato parallelo ad esso agiranno forze uguali in grandezza ma opposte in direzione: sul lato sinistro “da noi”, e sul lato destro “su di noi”. Le forze non agiranno sugli altri lati, poiché la corrente in esse scorre parallela alle linee di forza del campo. Pertanto, il telaio inizierà a ruotare in senso orario se visto dall'alto.
Mentre ruota, la direzione della forza cambierà e nel momento in cui il telaio ruota di 90°, la coppia cambierà direzione, quindi il telaio non ruoterà ulteriormente. Per qualche tempo il telaio oscillerà in questa posizione, quindi si troverà nella posizione indicata nella Figura 4.
Risposta: 4
Fonte: GIA in Fisica. onda principale. Opzione 1313.
Attraverso la bobina scorre una corrente elettrica, la cui direzione è mostrata in figura. Allo stesso tempo, alle estremità del nucleo di ferro della bobina
1) si formano i poli magnetici: all'estremità 1 - il polo nord; alla fine 2 - sud
2) si formano i poli magnetici: all'estremità 1 - il polo sud; alla fine 2 - settentrionale
3) si accumulano cariche elettriche: alla fine 1 - una carica negativa; fine 2 - positivo
4) si accumulano cariche elettriche: alla fine 1 - una carica positiva; alla fine di 2 - negativo
Soluzione.
Quando le particelle cariche si muovono, si forma sempre un campo magnetico. Usiamo la regola della mano destra per determinare la direzione del vettore di induzione magnetica: dirigiamo le dita lungo la linea corrente, quindi il pollice piegato indicherà la direzione del vettore di induzione magnetica. Pertanto, le linee di induzione magnetica sono dirette dall'estremità 1 all'estremità 2. Le linee del campo magnetico entrano nel polo magnetico sud ed escono dal nord.
La risposta corretta è numerata 2.
Nota.
All'interno del magnete (bobina), le linee del campo magnetico vanno dal polo sud al nord.
Risposta: 2
Fonte: GIA in Fisica. onda principale. Opzione 1326., OGE-2019. onda principale. Opzione 54416
La figura mostra uno schema delle linee del campo magnetico di due barre magnetiche, ottenute utilizzando limatura di ferro. Quali poli delle barre magnetiche, a giudicare dalla posizione dell'ago magnetico, corrispondono alle aree 1 e 2?
1) 1 - il polo nord; 2 - sud
2) 1 - sud; 2 - polo nord
3) sia 1 che 2 - al polo nord
4) sia 1 che 2 - al polo sud
Soluzione.
Poiché le linee magnetiche sono chiuse, i poli non possono essere contemporaneamente sud e nord. La lettera N (Nord) indica il polo nord, S (Sud) - il sud. Il polo nord è attratto dal sud. Pertanto l'area 1 è il polo sud, l'area 2 è il polo nord.
Argomento di questa lezione sarà il campo magnetico e la sua rappresentazione grafica. Discuteremo del campo magnetico disomogeneo e uniforme. Per cominciare, daremo una definizione di campo magnetico, ti diremo a cosa è collegato e quali proprietà ha. Impariamo come rappresentarlo sui grafici. Impareremo anche come si determina un campo magnetico disomogeneo e uniforme.
Oggi ripeteremo innanzitutto cos'è un campo magnetico. Un campo magnetico - campo di forza che si forma attorno ad un conduttore attraverso il quale scorre una corrente elettrica. Ha a che fare con lo spostamento delle cariche..
Ora è necessario notare proprietà del campo magnetico. Sai che ci sono diversi campi associati a un addebito. In particolare, il campo elettrico. Ma discuteremo esattamente del campo magnetico creato dalle cariche in movimento. Il campo magnetico ha diverse proprietà. Primo: il campo magnetico è creato dallo spostamento di cariche elettriche. In altre parole, attorno a un conduttore attraverso il quale scorre una corrente elettrica si forma un campo magnetico. La proprietà successiva che dice come viene definito il campo magnetico. È determinato dall'azione su un'altra carica elettrica in movimento. Oppure, dicono, a un'altra corrente elettrica. Possiamo determinare la presenza di un campo magnetico mediante l'azione sull'ago della bussola, sul cosiddetto. ago magnetico.
Un'altra proprietà: il campo magnetico esercita una forza. Pertanto, dicono che il campo magnetico è materiale.
Queste tre proprietà sono le caratteristiche di un campo magnetico. Dopo aver deciso cos'è un campo magnetico e aver determinato le proprietà di tale campo, è necessario dire come viene studiato il campo magnetico. Innanzitutto, viene studiato il campo magnetico utilizzando un circuito con corrente. Se prendiamo un conduttore, creiamo una cornice rotonda o quadrata da questo conduttore e facciamo passare una corrente elettrica attraverso questa cornice, in un campo magnetico questa cornice ruoterà in un certo modo.
Riso. 1. Il telaio con corrente ruota in un campo magnetico esterno
Possiamo giudicare dal modo in cui gira questa cornice campo magnetico. Solo qui c'è una condizione importante: il fotogramma deve essere molto piccolo oppure deve essere molto piccolo rispetto alle distanze alle quali studiamo il campo magnetico. Un frame di questo tipo è chiamato anello di corrente.
Possiamo anche esplorare il campo magnetico con l'aiuto di aghi magnetici, ponendoli in un campo magnetico e osservandone il comportamento.
Riso. 2. Azione di un campo magnetico sugli aghi magnetici
La prossima cosa di cui parleremo è come può essere rappresentato un campo magnetico. In seguito alle ricerche condotte nel corso del tempo, è diventato chiaro che il campo magnetico può essere rappresentato convenientemente utilizzando linee magnetiche. Osservare linee magnetiche Facciamo un esperimento. Per il nostro esperimento avremo bisogno di un magnete permanente, limatura di ferro, vetro e un pezzo di carta bianca.
Riso. 3. La limatura di ferro si allinea lungo le linee del campo magnetico
Copriamo il magnete con una lastra di vetro e mettiamo sopra un foglio di carta, un foglio di carta bianco. Cospargere la limatura di ferro sopra un foglio di carta. Di conseguenza, si vedrà come appaiono le linee del campo magnetico. Ciò che vedremo sono le linee del campo magnetico di un magnete permanente. A volte vengono anche chiamati spettro delle linee magnetiche. Nota che le linee esistono in tutte e tre le direzioni, non solo nel piano.
linea magnetica- una linea immaginaria lungo la quale si allineerebbero gli assi delle frecce magnetiche.
Riso. 4. Rappresentazione schematica della linea magnetica
Guarda, la figura mostra quanto segue: la linea è curva, la direzione della linea magnetica è determinata dalla direzione dell'ago magnetico. La direzione indica il polo nord dell'ago magnetico. È molto conveniente rappresentare le linee con l'aiuto delle frecce.
Riso. 5. Come viene indicata la direzione delle linee di forza
Parliamo ora delle proprietà delle linee magnetiche. Innanzitutto, le linee magnetiche non hanno né inizio né fine. Queste sono linee chiuse. Poiché le linee magnetiche sono chiuse, non ci sono cariche magnetiche.
Secondo: sono linee che non si intersecano, non si spezzano, non si torcono in ogni modo. Con l'aiuto delle linee magnetiche possiamo caratterizzare il campo magnetico, immaginare non solo la sua forma, ma anche parlare dell'effetto della forza. Se rappresentiamo una maggiore densità di tali linee, allora in questo luogo, in questo punto dello spazio, avremo un'azione di forza maggiore.
Se le linee sono parallele tra loro, la loro densità è la stessa, in questo caso si dice così il campo magnetico è uniforme. Se invece così non fosse, ad es. la densità è diversa, le linee sono curve, quindi verrà chiamato un campo del genere eterogeneo. Alla fine della lezione, vorrei attirare la vostra attenzione sulle seguenti figure.
Riso. 6. Campo magnetico disomogeneo
Innanzitutto, ora lo sappiamo linee magnetiche possono essere rappresentati da frecce. E la figura rappresenta proprio il campo magnetico disomogeneo. La densità è diversa in luoghi diversi, il che significa che l'effetto della forza di questo campo sull'ago magnetico sarà diverso.
La figura seguente mostra un campo già omogeneo. Le linee sono dirette nella stessa direzione e la loro densità è la stessa.
Riso. 7. Campo magnetico uniforme
Un campo magnetico uniforme è un campo che si forma all'interno di una bobina con un gran numero di spire o all'interno di una barra magnetica rettilinea. Il campo magnetico esterno al nastro magnetico, o quello che abbiamo osservato oggi nella lezione, è disomogeneo. Per comprendere appieno tutto ciò, diamo un'occhiata alla tabella.
Elenco della letteratura aggiuntiva:
Belkin I.K. Campi elettrici e magnetici // Kvant. - 1984. - N. 3. - S. 28-31. Kikoin A.K. Da dove viene il magnetismo? // Quantistico. - 1992. - N. 3. - P. 37-39,42 Leenson I. Enigmi dell'ago magnetico // Kvant. - 2009. - N. 3. - S. 39-40. Libro di testo elementare di fisica. Ed. G.S. Landsberg. T. 2. -M., 1974
- In contatto con 0
- Google+ 0
- OK 0
- Facebook 0
