Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 3. Магнитное поле тока. Правило буравчика

Вы уже знаете, что около проводника с током существует магнитное поле. Исследуем магнитное поле прямого проводника с током. Для этого пропустим проводник через лист картона (перпендикулярно листу), насыплем на картон железные опилки и замкнем цепь. В магнитном поле проводника опилки намагнитятся и воссоздадут картину линий магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током — концентрические окружности, охватывающие проводник (см. рис. 3.1). А как определить направление магнитных линий?

1. Знакомимся с правилом буравчика

Расположим рядом с проводником несколько магнитных стрелок и пустим в проводнике ток — стрелки сориентируются в магнитном поле проводника (рис. 3.1, а). Северный полюс каждой стрелки укажет направление вектора индукции магнитного поля в данной точке, а значит, и направление магнитных линий этого поля.

Рис. 3.1. Определение направления линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током с помощью магнитных стрелок

С изменением направления тока в проводнике изменится и ориентация магнитных стрелок (рис. 3.1, б). Это означает, что направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.

Определять направление линий магнитной индукции с помощью магнитной стрелки не всегда удобно, поэтому используют правило буравчика:

Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, а);

или иначе:

Если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление магнитных линий магнитного поля тока (рис. 3.2, б).

Рис. 3.2. Определение направления линий магнитного поля проводника с током с помощью правила буравчика

• Убедитесь в справедливости правила буравчика для случаев, представленных на рис. 3.1.

2. Выясняем, от чего зависит модуль индукции магнитного поля проводника с током

Вспомните: магнитное действие проводника с током первым обнаружил X. Эрстед в 1820 г. А вот почему это открытие не было сделано раньше? Дело в том, что с увеличением расстояния от проводника магнитная индукция созданного им поля быстро уменьшается. Поэтому, если магнитная стрелка расположена не вблизи проводника с током, магнитное действие тока почти незаметно.

Рис. 3.3. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током. Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка; крестик (х) означает, что сила тока в проводнике направлена от нас

Магнитная индукция зависит также от силы тока: с увеличением силы тока в проводнике магнитная индукция созданного им магнитного поля увеличивается.

3. Изучаем магнитное поле катушки с током

Свернем изолированный провод в катушку и пустим по проводу ток. Если теперь вокруг катушки разместить магнитные стрелки, то к одному торцу катушки стрелки повернутся северным полюсом, а к другому — южным (рис. 3.4). Это означает, что около катушки с током существует магнитное поле.

Рис. 3.4. Исследование магнитного поля катушки с током с помощью магнитных стрелок

Как и полосовой магнит, катушка с током имеет два полюса — южный и северный. Полюсы катушки расположены на ее торцах, и их легко определить с помощью правой руки:

Если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на северный полюс катушки, то есть направление вектора магнитной индукции внутри катушки (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Определение полюсов катушки с током с помощью правой руки

Сравнив магнитные линии постоянного полосового магнита и катушки с током, увидим, что они очень похожи (рис. 3.6). Заметим: магнитная стрелка, подвешенная катушка с током и подвешенный полосовой магнит ориентируются в магнитном поле Земли одинаково.

Рис. 3.6. Линии магнитной индукции магнитного поля полосового магнита (а) и катушки с током (б)

Подводим итоги

Около проводника с током существует магнитное поле. Магнитная индукция поля, созданного током, уменьшается с увеличением расстояния от проводника и увеличивается с увеличением силы тока в проводнике.

Направление линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током можно определить с помощью магнитных стрелок или правила буравчика.

Катушка с током, как и постоянный магнит, имеет два полюса. Их можно определить с помощью правой руки: если четыре согнутых пальца правой руки направить по направлению тока в катушке, то отогнутый на 90° большой палец укажет направление на ее северный полюс.

Контрольные вопросы

1. Как определить направление линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током? 2. Сформулируйте правило буравчика. 3. Как магнитная индукция магнитного поля проводника с током зависит от расстояния до проводника? от силы тока в проводнике? 4. Какой вид имеют линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током? катушки с током? 5. Как определить магнитные полюсы катушки с током?

Упражнение № 3

1. На рис. 1 изображена линия магнитной индукции магнитного поля проводника с током. Определите направление тока в проводнике.

2. На рис. 2 изображены линии магнитной индукции магнитных полей двух проводников с током. Определите: 1) направление магнитного поля проводника на рис. 2, а; 2) направление тока в проводнике на рис. 2, б; 3) в какой точке — А или В — магнитное поле сильнее (рис. 2, а, б).

Рис. 2

3. Каким полюсом должна повернуться к нам магнитная стрелка (рис. 3)? Изменится ли ответ, если стрелку расположить над проводником?

Рис. 3

4. Над катушкой подвешен магнит (рис. 4). Как будет вести себя магнит, если замкнуть цепь?

Рис. 4

5. Определите полюсы источника тока на рис. 5.

Рис. 5

6. В некоторых приборах проявления магнитного поля тока нежелательны. В таких приборах используется бифилярная намотка: провод скручивают вдвое так, чтобы оба его конца оказались рядом. В чем смысл такой намотки?

Экспериментальное задание

«Электромагнитный компас». Склейте бумажный цилиндр диаметром 7-10 мм и длиной 4-5 см. На полученный каркас намотайте 20-30 витков тонкого изолированного провода. Полученную катушку закрепите горизонтально на небольшой дощечке (или пробке), концы провода соедините с батареей гальванических элементов. Определите полюсы катушки, отметьте их. Опустите дощечку в широкий сосуд с водой. Электромагнитный компас готов. Как он будет действовать? Вставьте в катушку железный гвоздь. Будет ли теперь компас работать правильно?

Физика и техника в Украине

Александр Ильич Ахиезер (1911-2000) — выдающийся украинский физик-теоретик, академик НАНУ, основатель научной школы теоретической физики. Среди его учеников — академики В. Г. Барьяхтар, Д. В. Волков, С. В. Пелетминский, А. Г. Ситенко и более 30 членов-корреспондентов и докторов наук.

Исследуя взаимодействие ультразвука с кристаллами, А. И. Ахиезер разработал механизм поглощения, обусловленный модуляцией энергии квазичастицы внешним полем, который получил название «механизм Ахиезера». Ученый является автором теории резонансных ядерных реакций, получил фундаментальные результаты при исследованиях физики плазмы, вместе с учениками сформулировал основы электродинамики плазмы. Совместно с В. Г. Барьяхтаром и С. В. Пелетминским ученый открыл новое явление — магнитоакустический резонанс.

Имя А. И. Ахиезера носит Институт теоретической физики — структурное подразделение Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт».