Фізика. 9 клас. Головко

§ 4. Магнітне поле прямого провідника зі струмом

• Дослід Ерстеда

• Магнітне поле прямого струму. Індукція магнітного поля

ДОСЛІД ЕРСТЕДА. ІНДУКЦІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ. Незважаючи на те, що до початку XIX ст. природнича наука накопичила значні знання про магніти та їх взаємодію, природа магнетизму залишалася невідомою. Тривалий час магнітні та електричні взаємодії вважали різними сутностями, не пов’язаними між собою. Вперше взаємозв’язок між електричними та магнітними явищами виявив експериментально в 1820 р. данський вчений Ганс Крістіан Ерстед.

Ганс Крістіан Ерстед (1777—1851), данський фізик, дослідник електричних та магнітних явищ

Учений за допомогою магнітної стрілки виявив магнітне поле провідника зі струмом. Розглянемо дослід Г. Ерстеда. Зберемо електричне коло, що складається з джерела струму, провідника, реостата та вимикача. Розташуємо провідник над магнітною стрілкою паралельно її осі (рис. 4.1, а).

Рис. 4.1. Дослід Ерстеда: а) якщо електричне коло розімкнене, то магнітна стрілка розташована паралельно провіднику; б) коли по провіднику проходить електричний струм магнітна стрілка відхиляється

Під час замикання електричного кола магнітна стрілка відхиляється від початкового положення (рис. 4.1, б). Під час розмикання кола магнітна стрілка повертається у початкове положення.

Отже, магнітна стрілка взаємодіє з провідником, по якому проходить електричний струм. Оскільки магнітна стрілка є найпростішим індикатором магнітного поля, це означає, що під час замикання електричного кола виникає магнітне поле, з яким взаємодіє магнітна стрілка (магніт). Цей дослід доводить, що навколо провідника зі струмом існує магнітне поле.

Магнітне поле існує навколо будь-якого провідника зі струмом, тобто навколо рухомих електричних зарядів. Електричний струм і магнітне поле невіддільні одне від одного.

Магнітне поле виникає навколо провідника, коли в ньому проходить електричний струм. Тому струм слід розглядати як джерело магнітного поля.

Якщо навколо нерухомих електричних зарядів існує тільки електричне поле, то навколо зарядів, що рухаються (електричного струму), існує водночас і електричне, і магнітне поле.

Отже, магнітне поле є окремим проявом електромагнітного поля.

МАГНІТНЕ ПОЛЕ ПРЯМОГО СТРУМУ. У попередніх параграфах ви дізналися, що магнітне поле постійного магніту можна виявити як за допомогою магнітної стрілки, так і за допомогою залізних ошурок. У магнітному полі ошурки намагнічуються і поводяться як маленькі магнітні стрілочки, тобто, орієнтуються вздовж його силових ліній.

Аналогічно виявляють магнітне поле прямого провідника зі струмом. Розташуємо навколо нього маленькі магнітні стрілки, як показано на рис. 4.2, а.

Рис. 4.2. Магнітне поле прямого провідника зі струмом: а) магнітні стрілки розташовуються таким чином, що їх осі напрямлені вздовж силових ліній магнітного поля; б) навколо прямого провідника зі струмом залізні ошурки орієнтуються вздовж силових ліній його магнітного поля

Пропустимо через провідник електричний струм. Магнітні стрілки встановлюються таким чином, що їх осі розміщені вздовж силових ліній магнітного поля.

Щоб спостерігати особливості розташування залізних ошурок у магнітному полі прямого провідника зі струмом, можна виконати такий дослід. Потрібно взяти прямий провідник і пропустити його через лист картону. Навколо провідника насипати тонкий шар залізних ошурок, увімкнути струм в електричному колі та легенько струсити ошурки. У магнітному полі провідника зі струмом залізні ошурки розміщуються не хаотично, а концентричними колами (рис. 4.2, б). Осі маленьких магнітів, якими стали залізні ошурки внаслідок дії магнітного поля провідника зі струмом, орієнтовані вздовж силових ліній магнітного поля. Як бачимо, силові лінії магнітного поля струму, так само, як і постійного магніту, є замкненими.

У разі зміни напряму електричного струму в провіднику всі магнітні стрілочки повертаються на 180°. Таким чином, напрям ліній магнітного поля струму пов’язаний з напрямом струму в провіднику. Тобто, дія магнітного поля характеризується напрямом.

За напрям магнітного поля взято напрям, який показує північний полюс магнітної стрілки в кожній точці магнітного поля (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Магнітні стрілки в магнітному полі прямого провідника зі струмом, якщо на неї дивитися згори: а) струм спрямований від нас, у площину малюнка, що умовно позначено знаком «плюс» у кружечку; б) струм у провіднику спрямований до нас, що умовно позначено кружечком із крапкою всередині

Якщо збільшити силу струму в провіднику, то можна спостерігати, що сила взаємодії магнітної стрілки і провідника зі струмом зросте. Отже, при збільшенні струму в провіднику зростає сила дії його магнітного поля. Сила дії магнітного поля струму також залежить від відстані до нього. Відповідно, магнітні поля різних струмів будуть відрізнятися силою своєї дії, а сила дії магнітного поля одного й того самого струму залежить від відстані до нього.

Магнітна індукція визначає силу, з якою магнітне поле діє на рухомий заряд чи провідник зі струмом.

Рис. 4.4. Визначення напряму силових ліній магнітного поля а) за правилом свердлика; б) за правилом правої руки

Для визначення напряму силових ліній магнітного поля струму користуються спеціальними правилами: свердлика (правого гвинта) та правої руки:

Правило свердлика. Якщо свердлик закручувати у напрямі проходження струму, то напрямок обертання його ручки вказує напрям індукції магнітного поля (рис. 4.4, а).

Правило правої руки. Якщо прямий провідник умовно охопити чотирма пальцями правої руки так, щоб великий палець, розміщений вздовж провідника, вказував напрям струму, то напрям загину чотирьох пальців відповідатиме напряму силових ліній магнітного поля (рис. 4.4, б).

Знаючи напрям силових ліній магнітного поля, за правилом свердлика можна визначити напрям електричного струму в провіднику та полярність джерела струму: якщо ручку свердлика обертати в напрямку силових ліній магнітного поля (напрямку його північного полюса), то напрям поступального руху його вістря вказуватиме напрям струму в провіднику.

Знаючи напрям струму в провіднику, легко визначити полюси джерела. Із курсу фізики 8-го класу ви знаєте, що за напрям електричного струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок, тобто від позитивно зарядженого полюса джерела струму до негативно зарядженого.

За будь-яких інших форм провідників (коло, крива лінія) силові лінії магнітного поля не будуть обов’язково коловими, але будуть обов’язково замкненими.

! Головне в цьому параграфі

Навколо зарядів, що рухаються (електричного струму), існують водночас і електричне, і магнітне поля, тоді, як навколо нерухомих електричних зарядів існує тільки електричне поле.

Магнітне поле, так само, як і електричне, є окремим проявом електромагнітного поля.

Напрям силових ліній магнітного поля визначають за правилом свердлика (правового гвинта): якщо свердлик закручувати в напрямі проходження струму, то напрям обертання його ручки вказує напрям силових ліній магнітного поля.

? Запитання для самоперевірки

1. Які дії електричного струму спостерігаються під час його протікання в провіднику?
2. У чому полягає зміст досліду Ерстеда? Чому його називають історичним дослідом?
3. Який зв’язок наявний між магнітним полем та електричним струмом?
4. Як залежить дія магнітного поля провідника зі струмом від сили струму в провіднику та відстані до нього?
5. Що прийнято за напрям магнітного поля?
6. Що називають індукцією магнітного поля?
7. За яким правилом визначають напрям силових ліній магнітного поля?

Вправа до § 4

1 (п). Чи буде існувати магнітне поле навколо провідника, через який не проходить електричний струм?

2 (п). Чи буде існувати магнітне поле навколо ізольованого провідника зі струмом?

3 (с). Магнітну стрілку по черзі підносять до двох однакових провідників зі струмом. Порівняйте дію їхніх магнітних полів якщо: а) магнітну стрілку підносять на однакову відстань від кожного з провідників, а сила струму в першому провідника вдвічі більша, ніж у другому; б) сила струму в провідниках однакова, а відстань від магнітної стрілки до першого провідника вдвічі більша, ніж до другого.

4 (с). Порівняйте дію магнітних полів двох однакових провідників зі струмом на магнітну стрілку, якщо сила струму в першому провіднику вдвічі більша, ніж у другому, а відстань від магнітної стрілки до другого провідника була вдвічі меншою, ніж до першого.

5 (д). Визначте напрями ліній індукції магнітних полів, що створюються струмами (рис. 4.5).

Рис. 4.5. До завдання 5 (д)

6 (д). Визначте напрям струму в провідниках, силові лінії магнітних полів яких зображені на рис. 4.6.

Рис. 4.6. До завдання 6 (д)

7 (в). Визначте полярність джерела струму, до якого під’єднано прямий провідник, зображений на рис. 4.7.

Рис. 4.7. До завдання 7 (в)

8 (в). Визначте кут між векторами індукції магнітних полів, що створюються взаємно перпендикулярними прямими провідниками зі струмами в точці А (рис. 4.8).

Рис. 4.8. До завдання 8 (в)

Зміст