Магнитное поле представляет собой особую форму материи, которая существует вокруг движущихся электрических зарядов, или электрических токов. Если внести магнитную стрелку в магнитное поле, то мы увидим, что она будет ориентироваться в нём.
В магнитном поле вокруг проводника с током магнитные стрелки и мелкие железные опилки расположатся по концентрическим окружностям вдоль линий магнитного поля. При этом если направление тока в проводнике изменить на противоположное, то все стрелки повернутся на (180°).
Рисунок (1). Действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку
Рисунок (2). Правило буравчика
С помощью правила буравчика (правого винта) по направлению тока можно определить направление линий магнитного поля, а по направлению линий магнитного поля — направление тока.
Рисунок (3). Направление тока и направление линий его магнитного поля
Для определения направления линий магнитного поля соленоида применяют правило правой руки.
Если направления четырех пальцев правой руки совпадают с направлением тока в витках соленоида, то направление большого пальца совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри соленоида.
Соленоид подобен магниту, когда по нему протекает электрический ток. Также как и магнит, соленоид имеет полюсы: северный и южный. Северным полюсом является тот конец соленоида, из которого выходят магнитные линии. В данном случае северным полюсом является левый конец. Значит, правый конец будет южным полюсом.
Таким образом, используя правило правой руки, можно определить магнитные полюсы соленоида, если известно направление тока в его витках. И наоборот, если известны полюсы, то можно определить направление тока.
Источники:
http://school-collection.edu.ru/, Единая коллекции цифровых образовательных ресурсов.
Изображения:
Рисунок 1. Действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку.
https://ds04.infourok.ru/uploads/ex/08fa/0018ad91-29af6560/hello_html_mec6ce57.gif
https://slide-share.ru/napravlenie-toka-i-linij-ego-magnitnogo-polya-pravilo-buravchikaissledovaniya-1638
В этой статье мы поговорим о том, как найти магнитное поле соленоида, направление магнитного поля и магнитное поле, создаваемое внутри и вокруг соленоида.
Компания соленоид используется для создания области однородного магнитного поля, которая является произведением тока через провод, обматывающий соленоид, числа витков катушки на единицу длины соленоида и проницаемости.
Формула магнитного поля соленоида
Магнитное поле, создаваемое внутри соленоида, является реакцией на ток, проходящий через провод, обматывающий соленоид. Чем больше число витков провода, тем сильнее создаваемое магнитное поле. Следовательно, магнитное поле соленоида прямо пропорционально току и числу витков катушки и определяется уравнением
B=μ0NI/л
Где мк0 это проницаемость свободного пространства
N — количество оборотов вокруг соленоида
I — ток по проводу
L — длина соленоида
Чем больше длина соленоида, магнитное поле, создаваемое внутри соленоида, уменьшается, а если длина соленоида короткая, то напряженность магнитного поля внутри соленоида будет высотой.
Вывод магнитного поля соленоида
Рассмотрим длинный соленоид длины ‘L’. Поскольку мы говорим о длинном соленоиде, это означает, что длина соленоида велика по сравнению с его радиусом «r». Это L>>r
Пусть «N» будет числом витков провода в виде спиральной круговой петли, расположенной близко к каждому витку последующего витка вокруг соленоида. Следовательно, общее число витков вокруг соленоида будет равно NL.
Пусть I будет током, прошедшим по этому проводу. Провод намотан таким образом, что при пропускании тока через провод подвижность электронов будет создавать магнитное поле, а суммарное магнитное поле представляет собой интеграл всех магнитных полей, возникающих при каждом витке провода вокруг соленоида.
Согласно закону Ампера интегральная величина всех магнитных полей по длине соленоида равна μ0 раз ток I, проходящий через соленоид.
Получаем, BL=μ0Ie
Где яe представляет собой приложенный ток и равен полному току, проходящему через все количество витков длины провода.
Ie=nLI
Где n — количество витков на единицу длины соленоида.
Ie=nLI
Где N — общее количество витков
L — длина соленоида.
Подставляя это в приведенное выше уравнение, мы получаем
БЛ=мк0
В=мк0In
Отсюда имеем уравнение для магнитного поля внутри соленоида:
В=мк0В/л
Соленоиды используются для создания области однородного магнитного поля и зависят исключительно от количества витков катушки вокруг соленоида. Это также зависит от расстояния между каждой катушкой и проницаемости свободного пространства.
Как найти магнитное поле внутри соленоида?
Компания магнитное поле внутри соленоида из-за количества витков вокруг него.
Магнитное поле в соленоиде является произведением тока, протекающего через соленоид, и числа витков провода на единицу длины соленоида.
Рассмотрим соленоид, по которому течет ток I, из-за которого внутри соленоида создается магнитное поле. Предположим, что через соленоид проходит прямоугольная петля abcd, чтобы определить магнитное поле соленоида.
Линии магнитного поля проходят параллельно петле ab, следовательно, магнитное поле вдоль петли ab равно B. Мы получили значение магнитного поля внутри соленоида как B=μ0В/л
Кроме того, направление тока в петле ad указывает внутрь соленоида, тогда как направление тока в петле bc направлено наружу соленоида. Обе эти петли поперечны и перпендикулярны магнитный поток производится внутри соленоида. Таким образом, компоненты магнитного поля вдоль ad и bc равны нулю.
Давайте поймем, как рассчитать магнитное поле, решив простую задачу, приведенную ниже.
Какое магнитное поле создается в соленоиде длиной 30 см, намотанный на него провод, делающий 280 витков вокруг соленоида, и ток, протекающий по проводу, равен 12 А? Проницаемость μ0= 1.26 * 10-6
Данный: L = 30 см
N = 280
я=12А
μ0= 1.26-6Т / м
Число витков на единицу длины равно
п=Н/Л
п=280/30
Соленоид имеет 9.3 витка провода на единицу длины.
Магнитное поле, создаваемое внутри соленоида, равно
В=мк0In
В = 1.26 * 10-6* 12 * 9.3
В = 140.6 * 10-6T
Магнитное поле внутри соленоида B=140.6*10-6T
Как найти магнитное поле на конце соленоида?
Магнитное поле самое сильное в центре и уменьшается по мере удаления от центра.
Магнитное поле можно найти на основе угла, образованного линией, соединяющей оба конца соленоида и ось соленоида.
На поверхности соленоида во внешней средней точке магнитное поле слабое и вдоль оси соленоида без перпендикулярных составляющих.
Магнитное поле на концах соленоида между θ1=π/2 и
В=мк0В/2*( θ1– θ2)
В=мк0IN/2*(Cosπ/r-Cosπ)
= μ0В/2(0-(-1))
= μ0В/2
Магнитное поле на конце соленоида становится половиной магнитного поля, создаваемого в центре соленоида.
Как рассчитать магнитное поле снаружи соленоида?
Магнитное поле снаружи соленоида равно нулю, т.е. B=0.
Линии магнитного потока проходят внутри соленоида, на его поверхности и по краям, ну нет линии магнитного потока, проникающей вне соленоида и, следовательно, магнитное поле всегда равно нулю вне соленоида.
Как найти направление магнитного поля в соленоиде?
Компания направление магнитного поля в соленоиде можно найти правой рукой.
Если вы обхватите правую руку, согнутые пальцы обозначают направление тока, а большой палец указывает направление магнитного поля в соленоиде.
Таким образом, если вы обхватите соленоид рукой, в зависимости от направления тока внутри катушек соленоида, направление тока, протекающего внутри провода, может быть по часовой стрелке или против часовой стрелки; большой палец правой руки будет обозначать направление магнитного поля внутри соленоида.
Как найти магнитное поле в центре соленоида?
В центре соленоида создается однородное сильное магнитное поле.
Линии магнитного потока вдоль оси соленоида составляют угол от 0 до π вдоль центра соленоида. Следовательно, магнитное поле в центре соленоида устанавливается между углами от 0 до π.
В=мк0В/2*( θ1– θ2)
В=мк0IN/2*(Cosθ-Cosπ)
= μ0В/2*(1-(-1)
= μ0В/2*2
= μ0IN
Это полное магнитное поле, создаваемое в центре соленоида, и оно в два раза превышает напряженность магнитного поля, чем на конце соленоида.
Что такое магнитное поле соленоида?
Магнитное поле длинного соленоида представляет собой однородное магнитное поле, создаваемое внутри соленоида.
Напряженность магнитного поля внутри соленоида не зависит ни от оси соленоида, ни от площади его поперечного сечения. Магнитное поле соленоида равно В=мк0
Компания магнитное поле соленоида зависит от тока, проходящего через намотанную проволоку на единицу длины соленоида. Чем выше плотность магнитный поток, тем сильнее магнитное поле производится соленоидом.
Как найти N соленоида?
«N» — числовая плотность витков провода, намотавшего длину соленоида.
Если «n» — это общее количество витков катушки вокруг соленоида, а «L» — это длина соленоида, то N соленоида можно рассчитать по формуле
Н=н/л
Пример: Общее количество витков катушки вокруг соленоида длиной 56 см равно 1800, тогда какова числовая плотность катушки?
Данный: п = 1800
L = 56cm
Тогда N=n/L
N=32.14 витков/см
Отсюда числовая плотность катушки вокруг соленоида составляет 32.14 витка/см соленоида.
Как соленоид создает магнитное поле?
Магнитное поле внутри соленоида создается за счет намотки провода вокруг соленоида.
Когда ток проходит через катушку, электроны, составляющие провод, становятся подвижными, а подвижность электронов создает магнитное поле. Количество витков катушки вокруг соленоида повышает магнитную силу соленоида.
Как найти магнитное поле в круговой петле?
Магнитное поле вне круговой петли равно нулю
Магнитное поле в круговой петле можно найти с помощью закона Био-Савара, согласно которому
«Величина поля пропорциональна длине петли и току, протекающему через нее, и обратно пропорциональна квадрату радиуса круглой петли».
Длина проволоки, образующей круговую петлю, равна окружности петли.
L=2πr
По закону Био-Савара.
Где мк0/4π – константа пропорциональности, равная 10-7Tm/A и мк0=4 — проницаемость свободного пространства.
Интегрируя приведенное выше уравнение, мы найдем магнитное поле в круговой петле.
Здесь θ=900
→sinθ=sin(900) = 1
L — общая длина провода, образующего круговую петлю, поэтому
Это уравнение для нахождения магнитного поля внутри круглой петли.
Часто задаваемые вопросы
Какова величина магнитного поля катушки, намотанной на соленоид радиусом 8 см, делающего 88 витков с током 1 А?
Данный: N = 88
г=8 см=0.08 м
я=1А
μ0=4π*10-7Тм/А
В=мк0Н/2р
=4π*10-7*88*1/2*0.08
= 6.9 * 10-4T
Величина магнитное поле катушки 6.9*10-4T
Какой ток протекает через соленоид длиной 40 см, имеющий общее число витков 400 и создающий магнитное поле 5×10?-4T?
Данный: В=5×10-4T
N = 400
Д=40см=0.4м
У нас есть
В=мк0Ни/2л
I=BL/мк0N
= 5 * 10-4*0.4/4π*10-7* 400
я=0.4А
Следовательно, ток через катушку равен 0.4A.
Исследования Ампера…
принадлежат к числу самых
блестящих работ, которые
проведены когда-либо в науке.
Джеймса Клерка Максвелла
Магнитное
поле
— это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды.
Для
наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями Магнитные
линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие
магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.
Замкнутость
линий магнитного поля представляет собой фундаментальное свойство магнитного
поля. Оно свидетельствует о том, что магнитных зарядов,
подобных электрическим, в природе нет.
За
направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают
направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в
эту точку.
Теперь
разберём, от чего зависит направление линий магнитного поля тока более
подробно.
Известно,
что для получения спектра магнитного поля прямого проводника с током, его можно
пропустить через лист картона, а на картон насыпать железные опилки. Под
действием магнитного поля железные опилки располагаются по концентрическим
окружностям. Поместим вдоль линий магнитного поля магнитные стрелки.
На
рисунке показано расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током,
перпендикулярного плоскости чертежа. Если изменить направление тока в
проводнике, то можно увидеть, что изменение направления тока приводит к
повороту всех магнитных стрелок на 1800. Причем оси стрелок
располагаются по касательной к магнитным линиям.
Т.о.
можно сделать вывод, что направление линий магнитного поля будет зависеть от
направления тока в проводнике.
Эта
связь может быть выражена простым правилом, которое называют правилом буравчика
(или правилом правого винта).
Правило
буравчика заключается в следующем: если поворачивать
головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль
тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий
магнитного поля тока.
С
помощью правила буравчика по направлению тока можно определить направление
линий магнитного поля, создаваемого этим током, а по направлению линий
магнитного поля — направление тока, создающего это поле.
Для
определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться
другим правилом, которое иногда называют правилом правой руки.
Соленоид
— это катушка цилиндрической формы из проволоки, витки которой
намотаны вплотную друг к другу в одном направлении, а длина катушки значительно
больше радиуса витка. Магнитное поле соленоида можно представить как
результат сложения полей, создаваемых несколькими круговыми токами, имеющими
общую ось.
На
рисунке видно, что внутри соленоида линии магнитного поля каждого отдельного
витка имеют одинаковое направление, тогда как между соседними витками они имеют
противоположное направление. Поэтому, при достаточно плотной намотке соленоида,
противоположно направленные участки линий магнитного поля соседних витков
взаимно уничтожаться, а одинаково направленные участки сольются в общую линию.
Изучение
этого поля с помощью железных опилок показало, что внутри соленоида
магнитные линии поля представляют собой прямые, параллельные оси соленоида,
которые расходятся на его концах и замыкаются вне соленоида.
Зная
направление тока в витке, полюсы соленоида можно определить с помощью правила
правой руки: 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.
Правило
правой руки можно применять и для определения направления линий магнитного поля
в центре одиночного витка с током.
Из
курса физики 8 класса известно, что на всякий проводник с током, помещенный в
магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с
некоторой силой.
Наличие
такой силы можно показать с помощью установки. Проволочная трехсторонняя рамка
ABCD подвешена на крюках так, что может свободно отклоняться от вертикали.
Сторона
ВС находится в области наиболее сильного поля дугообразного магнита,
располагаясь между его полюсами. Рамка присоединена к источнику тока
последовательно с реостатом и ключом. При замыкании ключа в цепи возникает
электрический ток, и сторона ВС втягивается в пространство между полюсами.
Если
убрать магнит, то при замыкании цепи проводник ВС двигаться не будет. Значит,
со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила,
отклоняющая его от первоначального положения.
Таким
образом, магнитное поле создается электрическим током и обнаруживается по
его действию на электрический ток.
Если
изменить направление тока в цепи, поменяв местами провода в гнездах
изолирующего штатива, то, при этом, изменится и направление движения
проводника, а значит, и направление действующей на него силы.
Направление
силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами
полюсы магнита (т. е. изменить направление линий магнитного поля).
Следовательно,
направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и
направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.
Направление
силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить,
пользуясь правилом левой руки, которое заключается в следующем: если
левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь
перпендикулярно к ней, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то
отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник
силы.
Пользуясь
правилом левой руки, следует помнить, что за направление тока во внешней
части электрической цепи (т. е. вне источника тока) принимается направление
от положительного полюса источника тока к отрицательному. Другими словами,
четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в
электрической цепи.
С
помощью правила левой руки можно определить направление силы, с
которой магнитное поле действует на отдельно взятую движущуюся в нем частицу,
как положительно, так и отрицательно заряженную. Для наиболее простого случая,
когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это правило
формулируется следующим образом: если левую руку расположить так, чтобы
линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца
были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против
движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет
направление действующей на частицу силы.
Следует
отметить, что сила действия магнитного поля на проводник с током или
движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или
скорость частицы совпадают с линией магнитной индукции или параллельны ей.
Основные
выводы:
– Направление линий магнитного поля будет зависеть
от направления тока в проводнике.
– Эта связь может быть выражена с помощью правила
буравчика (или правила правого винта): если поворачивать головку
винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в
проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий
магнитного поля тока.
– Для определения направления линий магнитного поля соленоида
удобнее пользоваться правилом правой руки: 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.
– Магнитное поле действует с некоторой силой на
любой проводник с током, находящийся в этом поле.
Направление этой силы можно определить с помощью правила левой руки: если левую
руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь
перпендикулярно к ней, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то
отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник
силы.
Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой вдоль её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рисунок). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.
📜Теория для решения:
Магнитное поле и его характеристики
Посмотреть решение
Алгоритм решения
- Определить направление тока в соленоиде.
- Определить полюса соленоида.
- Установить, как будет взаимодействовать соленоид с магнитом.
- Установить, как будет себя вести магнит после замыкания электрической цепи.
Решение
Чтобы определить направление тока в соленоиде, посмотрим на расположение полюсов источника тока. Ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. Следовательно, относительно рисунка ток в витках соленоида направлен по часовой стрелке.
Зная направление тока в соленоиде, можно определить его полюса. Северным будет тот полюс, из которого выходят линии магнитной индукции. Определить их направление поможет правило правой руки для соленоида. Мысленно обхватим соленоид так, чтобы направление четырех пальцев правой руки совпадало с направлением тока в витках соленоида. Теперь отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление вектора магнитной индукции. Проделав все манипуляции, получим, что вектор магнитной индукции направлен вниз. Следовательно, внизу соленоида расположен северный полюс, а вверху — южный.
Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Подвешенный полосовой магнит обращен к южному полюсу соленоида северным полюсом. А это значит, что при замыкании электрической цепи он будет растягивать пружину, притягиваясь к соленоиду (двигаться вниз).
Алиса Никитина | Просмотров: 977
- Подробности
- Обновлено 18.06.2019 17:00
- Просмотров: 371
1. Для чего проводился опыт магнита с кольцом?
Чтобы определить, как направлен индукционный ток в кольце.
а) При приближении к сплошному кольцу любого полюса магнита свободно вращающееся на игле кольцо отталкивается от него.
Почему?
При приближении к кольцу любого полюса магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток меняется (здесь увеличивается, т.е. увеличивается густота магнитных линий).
В сплошном кольце возникает индукционный ток, который создает вокруг собственное магнитное поле.
Кольцо становится магнитом.
Взаимодействуя с приближающимся полосовым магнитом, кольцо отталкивается от него.
б) При удалении магнита от сплошного кольца оно, притягиваясь, следует за магнитом.
Почему?
При удалении от кольца любого полюса магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток меняется (здесь уменьшается).
Возникающий в сплошном кольце индукционный ток создает вокруг собственное магнитное поле.
Кольцо становится магнитом.
Взаимодействуя с удаляющимся полосовым магнитом, кольцо притягивается к нему.
В обоих случаях мы наблюдаем взаимодействия двух магнитов: полосового магнита и магнита-кольца.
Очевидно, у кольца-магнита в этих опытах меняются магнитные полюсы.
2. Почему кольцо с разрезом не реагирует на приближение магнита?
Индукционный ток в кольце с разрезом возникнуть не может, так как эта электрическая цепь разомкнута.
3. Как объяснить явления, происходящие при приближении магнита к сплошному кольцу; при удалении магнита?
а) При приближении магнита к кольцу они отталкиваются.
Значит кольцо и магнит обращены друг к другу одноименными полюсами.
А векторы магнитной индукции их полей направлены противоположно друг другу.
Магнитное поле индукционного тока кольца будет противодействовать увеличению магнитного потока полосового магнита, проходящего сквозь кольцо.
Кольцо будет отталкиваться от магнита.
б)
При удалении магнита от кольца они притягиваются.
Значит кольцо и магнит обращены друг к другу разноименными полюсами.
Это возможно, когда вектора магнитной индукции их полей направлены одинаково.
Магнитное поле индукционного тока кольца будет противодействовать уменьшению внешнего магнитного потока полосового магнита.
Кольцо будет притягиваться к магниту.
4. Как определить направление индукционного тока в кольце?
Для определения направления индукционного тока прежде всего необходимо знать, как направлен вектор магнитной индукции (направление магнитных линий) созданного этим током магнитного поля (в центре кольца).
Направление индукционного тока в кольце можно определить с помощью правила правой руки:
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.
!!! Правило правой руки можно применять не только для катушки (соленоида), но и для определения направления линий магнитного поля в центре одиночного витка с током.
Можно использовать и обратную задачу, т.е. зная направление линий магнитного поля, можно опредилить направление тока в этом витке с током.
Если отставленный большой палец направить по известному уже направлению линий магнитного поля внутри витка (кольца), то четыре пальца, обхватывающие виток (кольцо), укажут направление индукционного тока в витке (кольце).
Правило правой руки применяем дважды:
—
для случая приближения магнита к кольцу,
— для случая удаления магнита от кольца.
5. Как сформулировать правило Ленца?
Правило Ленца:
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток.
Следующая страница — смотреть
Назад в «Оглавление» — смотреть