Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем

Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. В Европе он появился приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле .

Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда. Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся ее повернуть. В том же году французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов.

По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный и южный полюса магнитной стрелки). Однако опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.

Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции который определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно ориентирующийся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора Такое исследование позволяет наглядно представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции , в каждой точке которых вектор направлен по касательной. Пример линий магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током приведен на рис. 1.16.1.

Рисунок 1.16.1.

Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции

Электричество и магнетизм: какая между ними связь?

Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми . Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.

Для того, чтобы количественно описать магнитное поле, нужно указать способ определения не только направления вектора но и его модуля. Проще всего это сделать, внося в исследуемое магнитное поле проводник с током и измеряя силу, действующую на отдельный прямолинейный участок этого проводника. Этот участок проводника должен иметь длину Δ, достаточно малую по сравнению с размерами областей неоднородности магнитного поля. Как показали опыты Ампера, сила, действующая на участок проводника, пропорциональна силе тока , длине Δ этого участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции:

Эта сила называется силой Ампера . Она достигает максимального по модулю значения max, когда проводник с током ориентирован перпендикулярно линиям магнитной индукции. Модуль вектора определяется следующим образом:

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине Δ:

В общем случае сила Ампера выражается соотношением:

Это соотношение принято называть законом Ампера .

В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл).

Тесла – очень крупная единица. Магнитное поле Земли приблизительно равно . Большой лабораторный электромагнит может создать поле не более .

Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно используют правило левой руки : если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 1.16.2).

Рисунок 1.16.2.

Правило левой руки и правило буравчика

Если угол α между направлениями вектора и тока в проводнике отличен от , то для определения направления силы Ампера более удобно пользоваться правилом буравчика : воображаемый буравчик располагается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор и проводник с током, затем его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора Поступательное перемещение буравчика будет показывать направление силы Ампера (рис. 1.16.2). Правило буравчика часто называют правилом правого винта .

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия 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.

Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δ каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока 1 и 2 в проводниках, длине отрезка Δ и обратно пропорционален расстоянию между ними:

В Международной системе единиц СИ коэффициент пропорциональности принято записывать в виде:

где μ0 – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной . Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно

μ0 = 4π·10 –7 H/A 2 ≈ 1,26·10 –6 H/A 2 .

Формула, выражающая закон магнитного взаимодействия параллельных токов, принимает вид:

Отсюда нетрудно получить выражение для индукции магнитного поля каждого из прямолинейных проводников. Магнитное поле прямолинейного проводника с током должно обладать осевой симметрией и, следовательно, замкнутые линии магнитной индукции могут быть только концентрическими окружностями, располагающимися в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Это означает, что векторы и магнитной индукции параллельных токов 1 и 2 лежат в плоскости, перпендикулярной обоим токам. Поэтому при вычислении сил Ампера, действующих на проводники с током, в законе Ампера нужно положить . Из закона магнитного взаимодействия параллельных токов следует, что модуль индукции магнитного поля прямолинейного проводника с током на расстоянии от него выражается соотношением

Для того, чтобы при магнитном взаимодействии параллельные токи притягивались, а антипараллельные отталкивались, линии магнитной индукции поля прямолинейного проводника должны быть направлены по часовой стрелке, если смотреть вдоль проводника по направлению тока. Для определения направления вектора магнитного поля прямолинейного проводника также можно пользоваться правилом буравчика: направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора если при вращении буравчик перемещается в направлении тока (рис. 1.16.3).

Рисунок 1.16.3.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током

Рисунок 1.16.4.

Магнитное взаимодействие параллельных и антипараллельных токов

Рис. 1.16.4 поясняет закон взаимодействия параллельных токов.

Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в Международной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока – ампера:

Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную на каждый метр длины.

Основные уравнения электромагнитного поля

Основными уравнениями электромагнитного поля являются уравнения, содержащие вектора поля ,,,:

закон полного тока,

закон электромагнитной индукции,

принцип непрерывности магнитного потока,

постулат Максвелла.

Основные уравнения поля дополняются уравнениями связи:

Приведенные выше четыре интегральных уравнения являются аксиомами, полученными в результате обобщения большого количества опытных данных.

Энергия системы заряженных тел

Рассмотрим систему заряженных тел. Используя закон сохранения энергии, можно показать, что потенциальная энергиясистемы заряженных тел

)

где ,соответственно заряд и потенциалго тела (рис.2.8).

В качестве примера приведем соотношение для энергии системы, состоящей из двух разноименно заряженных тел (конденсатор). Имеем:

Известно, что , поэтому получим для конденсатора

Энергия системы заряженных тел распределена в электрическом поле, окружающем заряженные тела. Введем понятие объемной плотности энергииэлектрического поля([] = Дж/м 3 )

Для сред, в которых вектора исовпадают по направлению (так называемыеизотропныесреды) справедливы равенства

Полная энергия электрического поля в некотором объеме определится соотношением

(**)

При практическом определении величины выражения (*) и (**) равноценны, но последнее в большей степени отвечает физической сущности явления.

§ 57. Магнитное поле

В § 35 были описаны различные действия электрического тока, в том числе и магнитное, которое наблюдается всегда, когда существует электрический ток. Проявляется магнитное действие, например, в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами. Чтобы изучить магнитное действие тока, воспользуемся магнитной стрелкой. (Она, как известно, является главной частью компаса.) Напомним, что у магнитной стрелки имеется два полюса — северный и южный. Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют её осью.

Магнитную стрелку ставят на остриё, чтобы она могла свободно поворачиваться.

Рассмотрим теперь опыт, показывающий взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки. Такое взаимодействие впервые обнаружил в 1820 г. датский учёный Ханс Кристиан Эрстед. Его опыт имел большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.

Эрстед Ханс Кристиан

Эрстед Ханс Кристиан (1777—1851)
Датский физик. Обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что при вело к возникновению новой области физики — электромагнетизма.

Опыт Эрстеда

Опыт Эрстеда

Расположим проводник, включённый в цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно её оси (рис. 93). При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения (на рисунке показано пунктиром). При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в своё начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.

Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки

Рис. 93. Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки

Выполненный опыт наводит на мысль о существовании вокруг проводника с электрическим током магнитного поля. Оно и действует на магнитную стрелку, отклоняя её.

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Таким образом, вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, вокруг движущихся зарядов, т. е. электрического тока, существует и электрическое, и магнитное поле. Магнитное поле появляется вокруг проводника, когда в последнем возникает ток, поэтому ток следует рассматривать как источник магнитного поля. В этом смысле надо понимать выражения «магнитное поле тока» или «магнитное поле, созданное током».

Вопросы

  1. Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует электрический ток?
  2. Какие магнитные явления вам известны?
  3. В чём состоит опыт Эрстеда?
  4. Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
  1. Магнитная стрелка, помещённая около провода, отклонилась при пропускании по нему электрического тока. За счёт какой энергии совершена работа, необходимая для поворота стрелки?
  2. У зажимов аккумулятора не оказалось маркировки полюсов — где плюс, а где минус. Можно ли их определить, имея в наличии компас?

Магнитное поле

Одним из свойств электрического тока является магнитное поле, оно возникает при протекании тока по проводнику.

магнит с гвоздями.png

Рис. (1). Магнитное поле проводника

при прохождении тока по двум параллельно расположенным проводникам между проводниками возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами. Действие этих сил может привести к деформации проводников (см. рисунок).

Рис. (2). Магнитные силы
Для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку.
Рис. (3). Магнитная стрелка
Обрати внимание!

У магнитной стрелки есть два полюса — северный (обозначается буквой (N), окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой (S), окрашен в красный цвет).

Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют её осью.

Магнитную стрелку ставят на заострённый конец иглы или булавки, чтобы она могла свободно поворачиваться вокруг своей оси (в горизонтальной плоскости).

стрелки.png

Рис. (4). Устройство для демонстрации
Проведём опыт, который первым реализовал Эрстед в (1820) году.

Для опыта понадобятся источник тока, реостат, ключ, провода и магнитная стрелка на подставке. В начальный момент магнитная стрелка располагается под проводом параллельно ему. На рисунке видно изменение положения магнитной стрелки в разомкнутом и замкнутом контурах.

31.10.23.png

Рис. (5). Опыт Эрстеда

Данный опыт демонстрирует факт наличия магнитного поля в пространстве направленного движения электрических зарядов.

Опыт Эрстеда устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями. О существовании такой связи догадывались ещё первые исследователи, которых поражала аналогия электрических и магнитных явлений, например притягивание и отталкивание: в электричестве — разноимённых и одноимённых зарядов, а в магнетизме — разноимённых и одноимённых полюсов.

Вычисление значения магнитного поля.

Простые случаи позволяют вычислить значения магнитного поля проводника с током по закону Био-Савара-Лапласа, либо при помощи теоремы о циркуляции. Таким же образом может быть найдено значение магнитного поля и для тока, произвольно распределённого в объёме или пространстве. Очевидно, эти законы применимы для постоянных либо относительно медленно изменяющихся магнитных и электрических полей. То есть, в случаях наличия магнитостатики. Более сложные случаи требуют вычисления значения магнитного поля тока согласно уравнений Максвелла.

Основным проявлением магнитного поля является влияние на магнитные моменты частиц и тел, на заряженные частицы находящиеся в движении. Силой Лоренца называется сила, которая воздействует на электрически заряженную частицу, которая движется в магнитном поле. Эта сила имеет постоянно выраженную перпендикулярную направленность к векторам v и B. Она также имеет пропорциональное значение заряду частицы q, составляющей скорости v, осуществляющейся перпендикулярно направлению вектора магнитного поля B, и величине, которая выражает индукцию магнитного поля B. Сила Лоренца согласно Международной системе единиц имеет такое выражение: F = q [v, B], в системе единиц СГС: F = q / c [v, B]

Векторное произведение отображено квадратными скобками.

В результате влияния силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы, магнитное поле и может осуществлять воздействие на проводник с током. Силой Ампера является сила, действующая на проводник с током. Составляющими этой силы считаются силы, воздействующие на отдельные заряды, которые движутся внутри проводника.

Явление взаимодействия двух магнитов.

Явление магнитного поля, которое мы можем встретить в повседневной жизни, получило название взаимодействие двух магнитов. Оно выражается в отталкивании друг от друга одинаковых полюсов и притяжении противоположных полюсов. С формальной точки зрения описать взаимодействия между двумя магнитами как взаимодействие двух монополей, является достаточно полезной, реализуемой и удобной идеей. В то же время, детальный анализ свидетельствует, что в действительности это не совсем верное описание явления. Основным вопросом, остающимся без ответа в рамках такой модели, является, почему монополя не могут быть разделены. Собственно, экспериментально доказано, что любое изолированное тело не имеет магнитный заряд. Также эту модель невозможно применить к магнитному полю, созданному макроскопическим током.

С нашей точки зрения, правильно считать, что сила, действующая на магнитный диполь, находящийся в неоднородном поле, стремится развернуть его таким образом, чтобы магнитный момент диполя имел одинаковое с магнитным полем направление. Однако нет магнитов, которые подвержены воздействию суммарной силы со стороны однородного магнитного поля тока. Сила, которая действует на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается следующей формулой:

Магнитное поле тока, магнитный ток.

.

Действующая на магнит сила со стороны неоднородного магнитного поля, выражается суммой всех сил, которые определяются данной формулой, и воздействующих на элементарные диполи, которые составляют магнит.

Магнитная стрелка

Зачастую для изучения магнитного действия тока используют магнитную стрелку (рисунок 2).

  • Она имеет два полюса: северный (обозначается буквой $N$, окрашен в синий цвет) и южный (обозначается буквой $S$, окрашен в красный цвет)
  • Также у нее имеется ось — линия, соединяющая полюсы

Такая стрелка является основной частью любого компаса. Его функционирование возможно, так как наша планета обладает собственным магнитным полем.

В ходе опытов магнитную стрелку обычно помещают на острие (конец иглы или булавки). Так она сможет свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости (рисунок 3).

Магнитное действие электрического тока, опыт Эрстеда

В 1820 году ученый Ханс Кристиан Эрстед (рисунок 4) установил, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.

Давайте повторим этот известный опыт (рисунок 5) и узнаем, в чем состоит опыт Эрстеда.

Соберем электрическую цепь, состоящую из проводов, источника тока и ключа. Провода расположим таким образом, чтобы параллельно под ними поместить магнитную стрелку на подставке. На рисунке 5 ее изначальное положение показано пунктирной линией.

Замыкаем цепь с помощью ключа. Теперь по проводам течет ток.

Магнитная стрелка отклонится. Она повернется на $90 degree$ и будет перпендикулярна проводнику.

  • Если разомкнуть цепь, то стрелка вернется в начальное положение
  • Если поменять направление тока на противоположное, то стрелка повернется в другую сторону

Этот опыт показал нам, что магнитная стрелка и проводник с током как-то взаимодействуют друг с другом. Это наглядная связь между электрическими и магнитными явлениями.

Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?

Получи верный ответ на вопрос «Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем? . » по предмету Физика, используя встроенную систему поиска. Наша обширная база готовых ответов поможет тебе получить необходимые сведения!

Похожие вопросы физике

Несколько проводников с током поместили в магнитное поле. на какой из них будет действовать поле с некоторой силой? ни на какой только на проводник с малым током только на проводник с большим током на любой проводник с током

Магнитная стрелка компаса устанавливается: 1. под углом 30 градусов к магнитным линиям магнитного поля Земли 2. произвольно 3. перпендикулярно магнитным линиям магнитного поля Земли 4. вдоль магнитных линий магнитного поля Земли

Какие из перечисленных ниже явлений можно отнести к механическим, электрическим, магнитным, тепловым, звуковым, световым: а) со стола падает чашка и разбивается; б) Машина скорой помощи подаёт сигнал; в) весной на улице тает снег;

Почему полярные сияния наблюдаются в приполярных областях? А. Заряженные частицы так отклоняются магнитным полем Земли, что могут попадать только в приполярные области Земли. Б.

Проволочный виток радиусом 1 см, имеющий сопротивление 1 мОм, пронизывается однородным магнитным полем, линии индукции которого перпендикулярны плоскости витка. Индукция магнитного поля плавно изменяется со скоростью 0,01 Тл / с.

Нужен ответ

Составьте предложения с данными глаголами в неопределенной форме так, чтобы они выполняли роль определений. учиться, путешествовать, улыбаться, мечтать, отдохнуть

Нет ответа
А) 3 х (х-6) + (2 х²+14) б) (а-3) с+3 (с-с²) в) (3 а+b (а-b) — (2 а²-b²
Нет ответа

Найдите координаты точки, через которую проходят графики функций y=kx — 2k-3 при любых значениях параметра k

Нет ответа

Расстояние между двумя пунктами 40 км. Из одного из них в другой одновременно въезжают автобус и велосипедист. Скорость автобуса 50 км в час, велосипедиста 10 км в час.

Нет ответа

запишите цифры, которые можно поставить вместо *, чтобы получилось верное неравенство: а) 5,3827,*1 б) 31,*

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий