Взаимодействие токов краткий конспект

Обновлено: 04.07.2024

Вложение	Размер
urok_fiziki_v_11_klasse.doc	65.5 КБ

Предварительный просмотр:

Харченко Наталья Ивановна

Взаимодействие токов. Магнитное поле, его характеристики.

(урок физики в 11 классе)

Цель урока: 1. дать учащимся представление о магнитном поле;

2. сформировать представления учащихся о магнитном поле и его свойствах.

Демонстрации: 1. Опыт Эрстеда, движения проводника с током в магнитном поле;

2. Силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного поля прямого тока.

Оборудование: 1. источник питания;

3. переменный резистор;

5. катушка на подставке;

7. соединительные провода.

Знакомство с учениками, с классом.
Знакомство с учебником, правилами и требованиями учителя.
Запись учениками школьных принадлежностей для урока физики.

в) тетрадь для лабораторных и практических работ – 12 - 18 л.;

г) тетрадь для контрольных работ – 12 - 18 л.;

е) линейка, карандаш, ластик, треугольник, транспортир, ручка (синяя и чёрная).

II. Правила техники безопасности в кабинете физики и на уроках физики, при выполнении демонстраций, практических и лабораторных работ.

г) журнал по технике безопасности на уроках физики (роспись учащихся об ознакомлении с правилами по ТБ).

III. Изучение нового материала.

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают магнитное поле.

Вокруг любого магнита существует магнитное поле.

В 1820 году Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током (демонстрация опыта Эрстеда).

Харченко Наталья Ивановна

Свойства магнитного поля.

Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.
В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).
Магнитное поле материально, т.к. оно действует на тело, следовательно обладает энергией.
Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Пропускаем ток по параллельным проводникам. Гибкие проводники укрепляются вертикально, затем присоединяем их к источнику тока. Ничего не наблюдаем. Но если замкнуть концы проводников проволокой, в проводниках возникнут токи противоположного направления. Проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитным . Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами .

В 12 веке в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление частей света.

Применение (12 в.) в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.

Магнит имеет два полюса: северный и южный, одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

Расположим перед катушкой компас. Замкнём цепь и будем наблюдать за поведением компаса.

Вывод: вокруг проводника с током существует (возникает) магнитное поле.

Расположим перед катушкой компас так, чтобы расстояние между ними было около 12 см. замкнём электрическую цепь. В данном случае отклонения стрелки не наблюдается. При приближении катушки к компасу на расстоянии 8 см, наблюдается отклонение стрелки (30 0 ). Уменьшая расстояние, видим увеличение угла отклонения стрелки. Чем дальше от проводника с током, тем слабее магнитное поле.

Магнитное поле можно изобразить графически при помощи линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направление вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции не пересекаются. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся так, чтобы их густота в любом месте поля была пропорциональна значению модуля магнитной индукции.

Характерной особенностью линий магнитной индукции является их замкнутость. Магнитное поле вихревое.

Правило правого винта: Если вы когда-нибудь закручивали винт или шуруп, то вы наверняка знаете, в какую сторону он закручивается, а в какую выкручивается. Люди унифицировали направление закручивая винтов и шурупов. Это значит, что все шурупы и винты во всем мире

Харченко Наталья Ивановна

закручиваются в одну сторону. То есть, если вы купите некий прибор в другой стране, то в случае его ремонта или сборки вам не потребуются винты с нарезкой в иную сторону, такие, каких не купишь в вашей стране. Нарезка всех винтов в мире совпадает. Это правило нарушают лишь в некоторых особых случаях, когда от нарезки зависит вращение некой части устройства. Но для таких случаев делают специальные детали. Это простое, но гениальное решение избавило от множества потенциальных проблем.

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Буравчик это винт или шуруп, который мы ввинчиваем. Направление ручки буравчика это направление вращения нашей руки. Если ток движется от нас , то и шуруп движется от нас, то есть мы его ввинчиваем, так как мы условились считать их направления совпадающими.

Тогда направление вращения нашей руки в процессе ввинчивания это направление магнитных линий. Они будут направлены по часовой стрелке.

В случае противоположного направления электрического тока , линии магнитного поля будут направлены, соответственно, против часовой стрелки. Таким же было бы направление руки в процессе выкручивая винта или направление ручки буравчика в случае его движения к нам.

А как определить направление тока, если мы знаем направление магнитных линий? Очень просто. По тому же правилу. Только изначально бы берем за известный факт не направление движения буравчика, а направление вращения его ручки.

Правило правой руки

В случае, когда мы имеем дело с магнитным полем катушки с током или соленоида, картина будет более сложной. Поэтому для простого нахождения направления линий магнитного поля в таком случае существует правило правой руки. Оно гласит:

Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.

Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Интересна история этого открытия. Идею о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой.

Харченко Наталья Ивановна

Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.

После того как было введено понятие силы тока и напряженности магнитного поля, этот закон стали записывать так:

где ∆ H – напряженность магнитного поля, I – сила тока, а k – коэффициент, зависящий от выбора единиц, в которых измеряются эти величины. В международной системе единиц СИ этот коэффициент равен 1/4π.

Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером в 1820г.

Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.

Какие взаимодействия называются магнитными.
Основные свойства магнитного поля.
Опишите опыт Эрстеда, что доказывает опыт Эрстеда?
Правило правого винта.
От чего зависит магнитная индукция поля внутри вытянутой катушки?

§ 1,2 учебника Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика – 11 (базовый и профильный уровни),- М.: Просвещение, 2010 г.

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле.
Движущиеся заряды создают вокруг себя электрическое поле и магнитное поле.

Взаимодействие токов

Между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, которые можно определить по закону Кулона.
Каждый из зарядов создает свое электрическое поле, которое действует на другой заряд.

Взаимодействия между направленно движущимися электрическими зарядами (например, в проводниках с электрическим током) называют магнитными.
А силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами

Если параллельно расположенные проводники соединить так, чтобы в них:

- возникли токи одинакового направления, то проводники начнут притягиваться друг к другу;
- возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга.

Магнитное поле

В пространстве, окружающем движущиеся заряды (или электрические токи) возникает поле, называемое магнитным.

Электрический ток в проводнике создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток в другом проводнике. А поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.

Магнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Свойства магнитного поля:

1. магнитное поле порождается электрическим током (направленно движущимися зарядами).
2. магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (на движущиеся заряды).

Замкнутый контур с током в магнитном поле

1. Однородное магнитное поле оказывает на рамку ориентирующее действие.
Если подвесить на гибких проводах плоскую рамку с током между полюсами магнита (т.е. в однородном магнитном поле), то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее плоскость не установится перпендикулярно линии, соединяющей полюсы магнита.

2. В неоднородном магнитном поле рамка, кроме поворачивания, будет двигаться поступательно, притягиваясь к проводнику с током или отталкиваясь от него.
Если подвесить рамку с током рядом с проводником тока, то рамка тоже поворачивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки, а кроме того, в зависимости от направления токов в проводнике и рамке, притягиваться или отталкиваться от него.
При изменении направления тока в проводе рамка повернется на 180°.

Движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле.
Вокруг любых направленно движущихся зарядов возникает магнитное поле.
Оно также появляется, если в пространстве существует электрическое поле, изменяющееся со временем.

Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток.

Магнитное поле. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Практически все электрические механизмы, существующие в мире, работают благодаря способности электрических токов взаимодействовать друг с другом. Познакомимся кратко с этим явлением, отметим его основные особенности.

Магнитное поле

Из курса физики в 11 классе известно, что между неподвижными электрическими зарядами существуют силы взаимного притяжения или отталкивания, называемые кулоновскими, по имени открывшего их ученого.

Однако опыт показывает, что если заряды движутся, то между ними возникают дополнительные силы другой природы. Поскольку электрический ток — это движение зарядов, то эти же силы должны возникать и между двумя токами. И опыт это подтверждает.

Если взять два параллельных проводника токов, окажется, что проводники будут притягиваться друг к другу, если ток в них будет течь в одном направлении, и отталкиваться, если ток будет течь в противоположных направлениях:

Рис. 1. Взаимодействие двух проводников с током.

Этот опыт показывает, что подобно тому, как вокруг покоящегося заряда возникает электрическое поле, вокруг проводника с током также возникает силовое поле, которое называется магнитным. Взаимодействие электрических токов — это проявление магнитного поля.

Свойства магнитного поля

Свойства магнитного поля изучались в первой половине XIX в. Х. Эрстедом и А. Ампером. Было установлено, что магнитное поле порождается проводниками с током, и это то самое поле, которое заставляет отклоняться стрелку компаса.

В качестве направления линий магнитной индукции было выбрано направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Опыт показывает, что линии магнитной индукции проводника с током представляют собой окружности, охватывающие проводник, лежащие тем гуще, чем они ближе к проводнику (то есть магнитное поле слабеет с расстоянием).

Классическим правилом для определения направления линий магнитной индукции является правило буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

В современном мире буравчик используется редко, поэтому гораздо удобнее эквивалентное ему правило обхвата правой рукой: если большой палец правой руки при обхвате проводника указывает направление тока, то остальные пальцы укажут направление линий индукции.

Рис. 2. Правило обхвата правой руки.

В отличие от электрического поля, линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца. Магнитное поле, таким образом, является вихревым. Теория не запрещает существование источников линий магнитной индукции — магнитных зарядов, однако в реальности такие заряды пока не обнаружены.

Впоследствии в работах Дж. Максвелла было показано, что магнитное поле, как и электрическое, — это различные проявления более фундаментального электромагнитного поля.

Закон Ампера

Закон, определяющий силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, был открыт А. Ампером в 1820 г.

На проводник с током в магнитном поле действует сила (названная впоследствии силой Ампера), равная произведению тока в проводнике, модуля магнитной индукции, длины проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции.

Формула закона Ампера:

$$F= I |\overrightarrow B| Δl sin \alpha$$

Для определения направления силы Ампера используется правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца указывали бы направление тока, то большой палец укажет направление силы Ампера.

Рис. 3. Правило левой руки.

Что мы узнали?

Проводники с током взаимодействуют друг с другом с помощью магнитного поля. Это поле порождается движущимися электрическими зарядами и любым проводником с током. Сила взаимодействия токов называется силой Ампера. Ее модуль определяется по закону Ампера, а направление — мнемоническим правилом левой руки.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

4. Взаимодействие токов. Магнитный поток. Закон Ампера.

Вектор магнитной индукции характеризует магнитное поле в каждой точке пространства.

Выясним экспериментально, от чего зависит сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Действие магнитного поля на проводник с током изображен на рис. 136.

Свободно подвешенный горизонтально проводник находится в поле постоянного подковообразного магнита. Поле магнита сосредоточено в основном между его полюсами, поэтому магнитная сила действует практически только на часть проводника длиной , расположенную непосредственно между полюсами. Сила измеряется с помощью специальных весов, которые соединяют с проводником двумя стерженьками. Она направлена горизонтально, перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции.

Увеличивая силу тока в 2 раза, можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличивается в 2 раза. Добавив еще один такой же магнит, мы в 2 раза увеличим размеры области, где существует магнитное поле, и тем самым в 2 раза увеличим длину части проводника, на которую действует магнитное поле. Сила при этом также увеличится в 2 раза. И наконец, сила Ампера зависит от угла, образованного вектором с проводником.

В этом можно убедиться, меняя наклон подставки, на которой находятся магниты, так, чтобы изменялся угол между проводником и линиями магнитной индукции. Сила достигает максимального значения _m, когда вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

Итак, максимальная сила, действующая на отрезок проводника длиной , по которому идет ток, прямо пропорциональна произведению силы тока I на длину участка

Этот опытный факт можно использовать для определения модуля вектора магнитной индукции. В самом деле, поскольку то отношение не будет зависеть ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника. Именно поэтому это отношение можно принять за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен участок проводника длиной .

Модуль вектора магнитной индукции определяется отношением максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого отрезка :

Ед. измерения Тл - Тесла

Магнитное поле полностью характеризуется вектором магнитной индукции . В каждой точке магнитного поля можно определить направление вектора магнитной индукции и его модуль, если измерить силу, действующую на отрезок проводника с током.

Другая физическая величина — магнитный поток — является характеристикой магнитного поля в определенной области пространства. Название этой величины и ее определение возникли из гидродинамической аналогии.

Поток жидкости — объем жидкости, протекающей сквозь поперечное сечение трубы за единицу времени. Найдем поток жидкости, движущейся со скоростью v вдоль цилиндрической трубы сечением. Косое сечение трубы образует угол а с сечением перпендикулярным оси цилиндра. Следовательно, поток жидкости (или поток вектора скорости). Часто вводится вектор площади контура S, равный по модулю площади S и направленный перпендикулярно плоскости контура. Направление вектора площади определяется по правилу буравчика для контурных токов. Необходимо лишь выбрать направление обхода контура, ограничивающего площадь. Тогда поток вектора скорости определяется как скалярное произведение векторов v и S:

Поток магнитной индукции. По аналогии с потоком жидкости вводится магнитный поток (или поток магнитной индукции).

Скалярное произведение двух векторов равно про изведению их модулей на косинус угла между ними.

· Магнитный поток (поток магнитной индукции – Ф – фи) через поверхность площадью S — физическая величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на вектор площади:

Единица магнитного потока — вебер (1 Вб).

1 Вб — магнитный поток, созданный однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции.

Работа силы Ампера при перемещении проводника с током в магнитном поле. Электрический ток, протекающий по проводнику, создает в окружающем его пространстве магнитное поле, обладающее определенной энергией. В том, что магнитное поле, например, витка с током, обладает энергией, легко убедиться экспериментально.

При пропускании тока через гибкий свободный проводник, согнутый в виде кругового витка, проводник распрямляется.

Это происходит в результате действия магнитных сил отталкивания между диаметрально противоположными отрезками проводника, по которым токи протекают в противоположных направлениях. Самопроизвольный переход проводника из начального состояния 1 в конечное 3 (через промежуточное 2) означает, что энергия такого проводника с током в начальном состоянии больше, чем в конечном,

Чтобы оценить энергию магнитного поля проводника с током, надо рассчитать работу, совершаемую силами магнитного поля (силами Ампера) при переходе проводника из начального состояния в конечное.

На отрезок проводника длиной l , с силой тока I , в котором в магнитном поле с индукцией В (направленной перпендикулярно плоскости) действует сила Ампера. Под действием силы Ампера покоящийся проводник смещается вправо на расстояние х. Тогда магнитный поток, пронизывающий виток с током, пропорционален магнитной индукции Ф - В. В то же время значение собственной индукции, создаваемой током, протекающим в витке, прямо пропорционально силе тока I , т. е. В ~ I. Следовательно

· Индуктивность контура (или коэффициент самоиндукции – L ) — физическая величина, равная коэффициенту пропорциональности между магнитным потоком через площадь, ограниченную контуром проводника, и силой тока в контуре.

Индуктивность подобно электроемкости зависит от размеров проводника, его формы, но не зависит от силы тока в проводнике. Индуктивность зависит также от магнитных свойств среды, в которой находится проводник. Единица индуктивности — генри (1 Гн). Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе тока 1 А его пронизывает магнитный поток 1 Вб.

Закон Ампера — один из важнейших и полезнейших законов в электротехнике, без которого немыслим научно-технический прогресс. Этот закон был впервые сформулирован в 1820 году Андре Мари Ампером. Из него следует, что два расположенные параллельно проводника, по которым проходит электрический ток, притягиваются, если направления токов совпадают, а если ток течёт в противоположных направлениях, то проводники отталкиваются. Взаимодействие здесь происходит посредством магнитного поля, которое перманентно возникает при движении заряженных частиц.

Закон Ампера:

Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.

Математически закон Ампера в простой форме выглядит так:

F = B I L sinα,

где F — это сила Ампера (сила, с которой проводники отталкиваются или притягиваются), где B — магнитная индукция; I — сила тока; L — длина проводника; α — угол между направлением тока и направлением магнитной индукции.

Любые узлы в электротехнике, где под действием электромагнитного поля происходит движение каких-либо элементов, используют закон Ампера. Самый широко распространённый и используемый чуть ли не во всех технических конструкциях агрегат, в основе своей работы использующий закон Ампера — это электродвигатель, либо, что конструктивно почти то же самое, генератор.

Направление силы Ампера: направление можно определить по правилу левой руки:

если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы, действующей на отрезок проводника.

В громкоговорителе или динамике для возбуждения мембраны, которая формирует звуковые колебания используется постоянный магнит. На него под действием электромагнитного поля, создаваемого расположенным рядом проводником с током, действует сила Ампера, которая изменяется в соответствии с нужной звуковой частотой.

Определить силу, с которой однородное магнитное поле действует на проводник длиной 20 см, если сила тока в нем 300 мА, расположенной под углом 45º к вектору магнитной индукции. Магнитная индукция составляет 0,5 Тл.

Проводник с током 5 А находится в магнитном поле с индукцией 10 Тл. Определить длину проводника, если магнитное поле действует на него с силой 20 Н и перпендикулярно проводнику.

Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 0,48 Н.

Проводник длиной 20 см с силой тока 50 А находится в однородном магнитном поле с индукцией 40 мТл. Какую работу совершит источник тока, если проводник переместится на 10 см перпендикулярно вектору магнитной индукции (вектор магнитной индукции перпендикулярен направлению тока в проводнике).

Проводник длиной 0,15 м перпендикулярен вектору магнитной индукции однородного магнитного поля, модуль вектора которого В=0,4 Тл перпендикулярно. Сила тока в проводнике 8 А. Найдите работу, которая была совершена при перемещении проводника на 0,025 метра по направлению действия силы Ампера.

Определить силу, действующую на заряд 0,005 Кл, движущегося в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл со скоростью 200 м/с под углом 45º к вектору магнитной индукции.

Какова скорость заряженного тела, перемещающегося в магнитном поле с индукцией 2 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 32 Н. Скорость и магнитное поле взаимно перпендикулярны. Заряд тела равен 0,5 мКл.

Взаимодействие токов — приходящая на единицу длины каждого из параллельных проводников, пропорциональна величинам токов и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия токов является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Если по двум параллельным проводникам электрические токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается взаимное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.

Обозначения в формуле:

F — сила взаимодействия токов;

— магнитная постоянная;

l₁ и l₂ — длинна проводника;

b — Расстояние между двумя проводниками, (r — радиус соответственно).

Читайте также: