Направление тока и линий его магнитного поля. Правило буравчика
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.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Направление тока и линий его магнитного поля. Правило буравчика»
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 180 0 . 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.
Физика
Урок 2: Направление тока и направление линий его магнитного поля
- Видео
- Тренажер
- Теория
Опыт Эрстеда
Продолжительное время электрические и магнитные поля изучались раздельно. Но в 1820 году датский учёный Ханс Кристиан Эрстед во время лекции по физике обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается возле проводника с током (см. рис. 1). Это доказало магнитное действие тока. После проведения нескольких экспериментов Эрстед обнаружил, что поворот магнитной стрелки зависел от направления тока в проводнике.
Рис. 1. Опыт Эрстеда
Для того чтобы представить, по какому принципу происходит поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током, рассмотрим вид с торца проводника (см. рис. 2, ток 
направлен в рисунок, 
– из рисунка), возле которого установлены магнитные стрелки. После пропускания тока стрелки выстроятся определённым образом, противоположными полюсами друг к другу. Так как магнитные стрелки выстраиваются по касательным к магнитным линиям, то магнитные линии прямого проводника с током представляют собой окружности, а их направление зависит от направления тока в проводнике.
Рис. 2. Расположение магнитных стрелок возле прямого проводника с током
Для более наглядной демонстрации магнитных линий проводника с током можно провести следующий опыт. Если вокруг проводника с током высыпать железные опилки, то через некоторое время опилки, попав в магнитное поле проводника, намагнитятся и расположатся по окружностям, которые охватывают проводник (см. рис. 3).
Рис. 3. Расположение железных опилок вокруг проводника с током (Источник)
Правило буравчика. Правило правой руки
Для определения направления магнитных линий возле проводника с током существует правило буравчика (правило правого винта) – если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока (см. рис. 4).
Рис. 4. Правило буравчика (Источник)
Также можно использовать правило правой руки – если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока (см. рис. 5).
Рис. 5. Правило правой руки (Источник)
Оба указанных правила дают один и тот же результат и могут быть использованы для определения направления тока по направлению магнитных линий поля.
Взаимодействие проводников с током в опытах Ампера
После открытия явления возникновения магнитного поля вблизи проводника с током Эрстед разослал результаты своих исследований большинству ведущих учёных Европы. Получив эти данные, французский математик и физик Ампер приступил к своей серии экспериментов и через некоторое время продемонстрировал публике опыт по взаимодействию двух параллельных проводников с током. Ампер установил, что если по двум расположенным параллельно проводникам течёт электрический ток в одну сторону, то такие проводники притягиваются (см. рис. 6б) если ток течёт в противоположные стороны – проводники отталкиваются (см. рис. 6а).
Рис. 6. Опыт Ампера (Источник)
Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:
- Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле.
- Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле.
- Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник с током.
Задача на применение правила буравчика для прямого проводника с током
На рисунке 7 изображён проволочный прямоугольник, направление тока в котором показано стрелками. Используя правило буравчика, начертить возле сторон прямоугольника по одной магнитной линии, указав стрелкой её направление.
Рис. 7. Иллюстрация к задаче
Вдоль сторон прямоугольника (проводящей рамки) вкручиваем мнимый буравчик по направлению тока.
Вблизи правой боковой стороны рамки магнитные линии будут выходить из рисунка слева от проводника и входить в плоскость рисунка справа от него. Это обозначается с помощью правила стрелы в виде точки слева от проводника и крестика справа от него (см. рис. 8).
Аналогично определяем направление магнитных линий возле других сторон рамки.
Рис. 8. Иллюстрация к задаче
Образование магнитного поля вблизи катушки с током (соленоида)
Опыт Ампера, в котором вокруг катушки устанавливались магнитные стрелки, показал, что при протекании по катушке тока стрелки к торцам соленоида устанавливались разными полюсами вдоль мнимых линий (см. рис. 9). Это явление показало, что вблизи катушки с током есть магнитное поле, а также что у соленоида есть магнитные полюса. Если изменить направление тока в катушке, магнитные стрелки развернутся.
Рис. 9. Опыт Ампера. Образование магнитного поля вблизи катушки с током
Для определения магнитных полюсов катушки с током используется правило правой руки для соленоида (см. рис. 10) – если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида, то есть на его северный полюс. Это правило позволяет определять направление тока в витках катушки по расположению её магнитных полюсов.
Рис. 10. Правило правой руки для соленоида с током
Задача на применение правила правой руки для соленоида с током
Определите направление тока в катушке и полюсы у источника тока, если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке 11 магнитные полюсы.
Рис. 11. Иллюстрация к задаче
Согласно правилу правой руки для соленоида, обхватим катушку таким образом, чтобы большой палец показывал на её северный полюс. Четыре согнутых пальца укажут на направление тока вниз по проводнику, следовательно, правый полюс источника тока положительный (см. рис. 12).
Рис. 12. Иллюстрация к задаче
Итоги урока
На данном уроке мы рассмотрели явление возникновения магнитного поля вблизи прямого проводника с током и катушки с током (соленоида). Также были изучены правила нахождения магнитных линий данных полей.
Список литературы
- А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. Физика 9. – Дрофа, 2006.
- Г. Н. Степанова. Сборник задач по физике. – М.: Просвещение, 2001.
- А. Фадеева. Тесты физика (7 – 11 классы). – М., 2002.
- В. Григорьев, Г. Мякишев. Силы в природе. – М.: Наука, 1997.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «clck.ru» (Источник)
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
- Интернет-портал «festival.1september.ru» (Источник)
Домашнее задание
- А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. Физика 9: § 44, стр. 149, упр. 35 (1–5) (Источник)
- Что можно определить, используя правило буравчика?
- Что можно определить, используя правило правой руки?
- Определить направление тока по известному направлению магнитных линий (см. рис. 13).
Рис. 13. Иллюстрация к задаче
§43. Направление тока и направление линий его магнитного поля — cтраницы 150, 151
1. Как на опыте можно показать связь между направлением тока в проводнике и направлением линии его магнитного поля?
Если поменять направление тока в проводнике на противоположное все магнитные стрелки, расположенные в магнитном поле, созданном этим проводником, тоже повернутся на 180°.
2. Сформулируйте правило буравчика.
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля, созданного этим током.
3. Что можно определить, используя правило буравчика?
Используя правило буравчика можно определить направление линий магнитного поля, зная направление тока или наоборот.
4. Сформулируйте правило правой руки для соленоида.
Если представить, что правая рука это соляноид, и расположить её так, чтобы ток выходил из кончиков пальцев, то большой палец укажет направление линий магнитной индукции.
5. Что можно определить с помощью правила правой руки?
С помощью правила правой руки можно определить направление магнитных линий, зная направление тока и наоборот.
1. На рисунке 99 изображен проволочный прямоугольник, направление тока в нем показано стрелками. Перечертите рисунок в тетрадь и, пользуясь правилом буравчика, начертите вокруг каждой из его четырех сторон по одной магнитной линии, указав стрелкой ее направление.
2. На рисунке 100 показаны линии магнитного поля вокруг проводников с током. Проводники изображены кружочками. Перечертите рисунок в тетрадь и условными знаками обозначьте направления токов в проводниках, используя для этого правило буравчика.
3. Через катушку, внутри которой находится стальной стержень (рис. 101), пропускают ток указанного направления. Определите полюсы у полученного электромагнита. Как можно изменить положение полюсов у этого электромагнита?
По правилу правой руки получаем, что у изображенного на рисунке 101 электромагнита слева южный полюс S, а справа северный N. Чтобы изменить положение полюсов на противоположное нужно сделать так, чтобы ток шел в обратном направлении.
4. Определите направление тока в катушке и полюсы у источника тока (рис. 102), если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке магнитные полюсы.
В катушке ток идет справа налево, от плюса к минусу.
5. Направление тока в витках обмотки подковообразного электромагнита показано стрелками (рис. 103). Определите полюсы электромагнита.
Если подковообразный магнит расположен разрезом к нам, то слева будет S, справа N, если разрезом от нас, то наоборот.
6. Параллельные провода, по которым текут токи одного направления, притягиваются, а параллельные пучки электронов, движущихся в одном направлении, отталкиваются. В каком из этих случаев взаимодействие обусловлено электрическими силами, а в каком — магнитными? Почему вы так считаете?
Так как заряды одного знака всегда отталкиваются, то отталкивание пучков электронов обусловлено электрическими (кулоновскими) силами, а притяжение проводников обусловлено магнитными силами.
Силовые линии магнитного поля: определение направления
Каждому человеку, который изучал в школе физику, знакомо понятие – направление линий магнитной индукции. Как направлены магнитные линии рассчитывается разными способами, однако самым популярным является «правило буравчика». Подробнее, как определить направление индукции можно указанным способом и не только будет рассказано в этой статье.
Определение магнитных силовых линий
Если обратиться к физике, силовые линии магнитного поля (МП) представляют собой прямые, к которым проводят касательные, имеющие одинаковое значение с курсом ориентации магнитной индукции. Проводятся линий так, чтобы их частота была соразмерной показателям магнитной индукции.
Чем выше они в определенной точке, тем выше частота силовых прямых.
Это приводит к тому, что свойства силовых линий схожи с прямыми электростатики. Однако отличие может заключаться в некоторых особенностях.
Для начала нужно изучить поле магнитов, которое создается проводом прямого сообщения с током. Пусть волокно с проводящими способностями идет под прямым углом по отношению к основной плоскости. В различных точках, которые находятся на равной дистанции от проводника, показатели индукции будут идентичными. Прямая, касательная к которой по всей длине соответствует пути направляющего индукции магнитов, будет создавать собой круг или овал.
Согласно вышесказанному, рассматриваемые прямые прямоточного проводника – это круги или овалы, которые окутывают сам проводник. Именно в нем скапливаются все центры силовых прямых. Они полностью отличаются от электростатических силовых линий. Ведь вторые не замыкаются, а берут свое начало и заканчиваются в зарядах.
Рассматриваемые силовые линии не имеют конечных и начальных точек. Сегодня еще не установлены отдельно имеющиеся полюса магнитов с севера и юга, которые можно принять за источник поля определенной полярности. Также они не могут быть началом или концом силовых прямых. Однако все истоки поля магнитов характеризуются наличием северного и южного полюсов.
Как определить линейно-магнитную направленность
Чтобы определить куда направлены рассматриваемые линии, можно воспользоваться разными доступными способами. Подробнее, как определить направление магнитных линий будет рассказано далее.
Правило буравчика
Самый распространенный метод определения пути рассматриваемых прямых – правило буравчика. Впервые о нем заговорили еще в XIX столетии, когда ученые обнаружили магнитное поле вокруг проводника, подключенного к напряжению.
Силовые линии, которые образовались, имеют схожий характер поведения с естественным магнитом. Помимо этого, связь проводникового электрического поля с током МП стала первоисточником динамики электромагнитов.
Также при определении расположения можно найти такие осево-векторные показатели: