Магнитное поле проводника и катушки с током кратко

Обновлено: 30.06.2024

Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля. Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.

Учение об электромагнетизме основано на двух положениях:

магнитное поле действует на движущиеся заряды и токи;
магнитное поле возникает вокруг токов и движущихся зарядов.

Взаимодействие магнитов

Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который указывает на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец — южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются ( рис. 1 ).

Если разделить полюса, разрезав постоянный магнит на две части, то мы обнаружим, что каждая из них тоже будет иметь два полюса, т. е. будет постоянным магнитом ( рис. 2 ). Оба полюса — северный и южный, — неотделимые друг от друга, равноправны.

Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-либо магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются — у каждой из них появляется северный и южный полюсы. Противоположные полюсы стремятся сблизиться друг с другом, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие линии магнитного поля.

На рис. 3 показано расположение в поле прямого магнита опилок и маленьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.

В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты. Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему ( рис. 4 ). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.

Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток ( рис. 5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:

Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид — катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , аналогична таковой для плоского магнита ( рис. 3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления — к наблюдателю — обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа ( рис. 7 а, б).

Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:

Если смотреть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток создает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта ( рис. 8 )

Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным — левый.

Магнитное поле внутри соленоида является однородным — вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const). В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.

Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током

Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B.

Направление силы определяется правилом левой руки:

Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь — перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник ( рис. 9 ).

Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.

Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 1 ). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков.

Рассмотрим рисунок 2 . Мы видим цепь, состоящую из источника тока, реостата и катушки. Катушка содержит большое число витков провода. При протекании тока по цепи железные опилки притягиваются к торцу катушки. А если тока нет, то притяжение не наблюдается.

Если катушка в этом опыте будет подвешена на проводах, то при протекании тока в цепи, она установится в пространстве строго определённым образом. Точно так же, как и магнитная стрелка компаса (в направлении север — юг).

Логично предположить, что у катушки магнитное поле тоже имеется. Для доказательства можно воспользоваться железными опилками (рис. 4 ).

За направление линий магнитного поля принято направление от северного полюса катушки к южному (вне катушки с током).

Сила магнитного поля постоянного магнита невелика. Другое дело – электромагнит. Сила магнитного поля электромагнита может изменяться. Ее можно увеличивать или уменьшать. Основная часть любого электромагнита – катушка с намотанным на нее проводом. Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 2 . По виткам катушки протекает ток, и она притягивает к себе железные предметы (так проявляется магнитное действие тока). Если увеличить количество витков в катушке, не меняя силу тока в ней, то ее магнитное действие усилится, о чем свидетельствует увеличение количества притягиваемых предметов.

Физическая величина, характеризующая магнитные свойства катушки с током, связана линейной зависимостью с числом витков в ней.

На рисунке \(5\) показан электрический контур, позволяющий экспериментально выявить взаимосвязь между силой тока и действием магнитного поля катушки.

Определить направление линий магнитного поля катушки с током можно при помощи правила правой руки, или правила правого буравчика.

Принято считать, что та сторона катушки или витка с током, откуда линии магнитного поля выходят, — это и есть северный магнитный полюс (\(N\)), а сторона, куда линии входят, — это южный магнитный полюс (\(S\)) (рис. 7 ).

Рис. 6. Изображение цепи с реостатом, ключом, катушкой с железным сердечником и источником тока. © ЯКласс.

Большой практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. Вообще по своей форме катушка напоминает пружину. Но в то время, если пружина важна в каких-либо механических системах, то катушка используется в магнетизме. Все потому что мы пропускаем электрический ток через катушку и это позволяет получить магнитное поле, сосредоточенное в основном внутри катушки и на её концах.

Посмотрите, как проходят линии магнитного поля внутри и снаружи катушки (рис. 1).

Рис. 1. Силовые линии магнитного поля

На рис. 1. представлена фотография с изображением формы силовых линий магнитного поля, полученного с помощью железных опилок. Мы видим, что линии поля внутри практически параллельны друг другу и оси катушки. На концах катушки они расходятся.

С другой стороны, в области вне соленоида, вдали от его краёв, железные опилки практически никак не упорядочены, что доказывает, что магнитная индукция там мала — магнитное поле слабое. Напоминает ли вам что-нибудь такое расположение линий магнитного поля? Такое расположение линий магнитного поля обуславливает множество применений катушки в технике.

Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

На рис. 2 показаны силовые линии, источником которых является катушка, состоящая из пяти витков проводника с электрическим током, а на рис. 3 показаны силовые линии, возникающие из кругового тока. Здесь аналогичный характер линий. Мы предполагаем, что в случае с катушкой мы имеем дело с суммированием полей, исходящих от отдельных катушек, в результате чего внутри катушки образуется почти однородное поле.

Рис. 2. Линии поля, источником которых является катушка

Рис. 3. Линии поля кругового тока

Обратите внимание, что чем плотнее (ближе друг к другу) намотаны катушки, тем больше они напоминают круги (окружности), и тогда мы практически имеем дело с сильным и однородным полем внутри катушки. Такое поле показано на рисунке 4. А соответствующая этой фигуре реальная катушка с несколько иным числом витков показана на рис. 5.

Рис. 4. Сильное и однородное поле внутри катушки Рис. 5. Катушка

На практике мы используем катушки с еще более плотно намотанными витками (см. рисунок 6). Можно использовать даже несколько слоев катушек. Все это делается для того, чтобы получить максимально возможное значение магнитной индукции внутри катушки. Она прямо пропорциональна плотности намотки, т.е. количеству витков на единицу длины катушки.

Рис. 6. Плотно намотанная катушка

Для плотно намотанной катушки с малым диаметром по отношению к её длине зависимость магнитной индукции внутри неё выражается следующим образом: B = ( μ₀ * μ_r * I * N ) / L , где

где μ₀ — магнитная постоянная, μ_r — магнитная проницаемость среды внутри катушки, I — значение силы тока, протекающего в обмотке, N — число витков, L — длина катушки.

Из вышеприведенной формулы можно, например, сделать следующий выводы:

Если выполнить замену имеющейся катушки на другую катушку с бóльшим количеством витков проволоки, то она будет притягивать больше железных предметов при той же силе тока. Это говорит о том, что магнитное действие катушки с электрическим током тем сильнее, чем больше число витков в ней.
При увеличении силы электрического тока действие магнитного поля катушки с током становится сильнее, при уменьшении — слабее.
Магнитное действие катушки с током может быть значительно увеличено без изменения числа витков и силы тока протекающего в катушке. Это можно сделать, вставив железный стержень (сердечник) внутрь катушки. Железо, вставленное внутрь катушки, усиливает её магнитное действие. Этот момент в приведенной выше формуле отражает переменная μ_r.

Обратим внимание на еще один, очень важный аспект магнитного поля, создаваемого катушкой. А именно, сходство силовых линий этого поля с силовыми линиями постоянного магнита в форме стержня. Смотрите рисунки 7а. и 7б., где оба поля показаны символически.

Рис. 7. а, б. Сходство силовых линий полю стержневого постоянного магнита.

Электромагниты и их применение

Обратите внимание на направление электрического тока в катушке. Согласно правилу правой руки, электрический ток создает магнитное поле, силовые линии которого направлены так же, как у магнита. Таким образом, мы можем назначить магнитные полюса катушке с электрическим током, что и у магнита. Поэтому такую катушку с электрическим током можно назвать электромагнитом.

Важно! Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагниты находят бóльшее применение в технике, чем постоянные магниты. Это происходит в основном по двум причинам:

Они создают более сильное магнитное поле, потому что мы можем использовать в них ферромагнитный сердечник, который в 1000-чи раз усилит магнитное поле, создаваемое электрическим током, протекающим в катушке.
Вы можете управлять ими — увеличивать или уменьшать значение индукции, потому что она прямо пропорциональна электрическому току, протекающему в обмотке.

Отметим широкое применение электромагнитов, которые используются, например, в:

электрические машины (двигатели и генераторы);
громкоговорители, реле, контакторы и т.д.;
магнитные железные дороги;
устройства, использующие ядерный магнитный резонанс (МРТ). Основной частью МРТ является сверхпроводящий электромагнит, который генерирует очень сильное магнитное поле с индукцией = 3 Тесла. Внутрь этого электромагнита помещается пациент, подлежащий тестированию;
электромагнитные краны (сталелитейные заводы, верфи, цеха);
круговые ускорители (например, в ЦЕРНе, где работает сверхпроводящий электромагнит);
замки для ворот и дверей.

Конечно, не во всех случаях применения электромагнит похож на так называемый стержневой магнит, очень часто он напоминает подковообразный магнит. Например, электромагнит, используемый для подъема железного лома, модель которого показана на рис. 8. или электромагнит, который используется для электрического звонка (рис. 9.).

Рис. 8. Электромагнит для подъема металлолома Рис. 9. Электромагнит в схеме традиционного электрического звонка. Источник Wikipidia

Наконец, интересный факт. Можно пойти еще дальше и соединить оба конца катушки. Тогда мы получим так называемую тороидальную катушку (см. рис. 10). Это важный компонент электрических систем переменного тока; он служит для хранения энергии магнитного поля и может иметь высокую индуктивность (L).

Рис. 10. Тороидальная катушка. Источник: лицензия Freepik

В этом видеоуроке мы будем изучать магнитное поле катушки с током. Узнаем, какое сходство имеется у катушки с током и магнитной стрелки. Выясним, какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током. А также познакомимся с устройством электромагнита и узнаем, для каких целей он используется.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Магнитное поле катушки с током. Электромагниты"

На прошлом уроке мы говорили о том, что вокруг любого проводника с током существует магнитное поле.

Большой практический интерес представляет магнитное поле катушки с током — соленоида (так называют такую катушку в технике). Она представляет собой намотанную на цилиндрическую поверхность проволоку, причём длина обмотки во много раз больше её диаметра.

Если пропустить по такой катушке ток, то она приобретёт свойство притягивать к себе лёгкие металлические предметы.

Если подвесить катушку с током на тонких и гибких проводниках и дать ей возможность свободно вращаться, то она установится так, что один её конец будет обращён на север, а другой — на юг. Следовательно, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса — северный и южный. Если поменять направление тока в катушке, то она повернётся на 180 о . Это свидетельствует о том, что направление линий магнитного поля катушки связано с направлением тока в ней.

Применяя железные опилки, можно получить картину линий магнитного поля катушки с током.

Как видим, внутри катушки магнитные линии параллельны друг другу, а на концах расходятся и замыкаются вне катушки. Таким образом, линии магнитного поля катушки с током, также, как и прямого тока, являются замкнутыми кривыми.

Принято считать, что вне катушки они направлены от её северного полюса к южному.

Для определения направления линий магнитного поля можно использовать правило правой руки, но только для соленоида. Если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы четыре пальца расположились по направлению тока, то отставленный большой палец укажет направление линий магнитного поля внутри катушки.

Теперь выясним, можно ли как-нибудь увеличить силу магнитного поля катушки с током. Для этого проделаем такой опыт. Возьмём две катушки, в одной из которых число витков проволоки больше, чем во второй. И присоединим их к одинаковым источникам тока.

Замкнув цепь, мы увидим, что при одинаковой силе тока, катушка с большим числом витков, притянет к себе больше железных предметов. Значит, магнитное поле катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.

Теперь видоизменим наш опыт. Включим катушку в электрическую цепь, содержащую реостат и с его помощью будем изменять силу тока в цепи.

При увеличении силы тока, сила магнитного поля катушки с током увеличивается, а при уменьшении силы тока — уменьшается. Значит, сила магнитного поля катушки с током зависит от силы тока.

Но, кроме описанных нами двух способов усилить магнитное поле катушки, есть и ещё один. Этот способ впервые придумал Д. Араго, поместив внутрь катушки металлический стержень.

Араго заметил, что даже при постоянной силе тока и числе витков, магнитное поле катушки значительно увеличивается, если внутри катушки с током находится железный стержень.

Впоследствии железный стержень стали называть сердечником, а катушку с сердечником — электромагнитом. Назначение электромагнита понятно из названия: с помощью электрического тока создаётся мощный магнит.

Электромагнит, который представлен на рисунке, может удержать груз массой в десятки килограммов даже при небольшой силе тока в катушках, что недоступно никакому постоянному магниту.

Ещё одно применение магнита — использование его в электрическом звонке.

При нажатии кнопки цепь звонка замыкается, железная пластинка, называемая якорем, притягивается к электромагниту и молоточек ударяет по звонковой чаше. При этом контакт с винтом нарушается, ток в электромагните прекращается, и пружина возвращает якорь в прежнее положение. Затем всё повторяется снова.

Читайте также: