Фізика. Повторне видання. 9 клас. Сиротюк

§ 2. Дослід Ерстеда. Індукція магнітного поля

Довгий час електричні та магнітні явища розглядалися як не пов’язані між собою. Уперше зв’язок між ними встановив датський фізик Ганс Крістіан Ерстед. Виконуючи дослід у 1820 р., він помітив, що магнітна стрілка, розміщена над або під провідником (мал. 19, а), під час замикання кола повертається й розміщується майже перпендикулярно до провідника (мал. 19, б).

Мал. 19

Якщо електричне коло розімкнути, то стрілка повернеться в попереднє положення. Цей дослід свідчить про те, що електричний струм якимось чином діє на магнітну стрілку. Отже, між електричними та магнітними явищами існує певний зв’язок.

У досліді Ерстеда вперше було виявлено магнітне поле струму. Насправді, якщо провідник з електричним струмом діє на магнітну стрілку, то слід вважати, що навколо цього провідника існує магнітне поле.

Навколо будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле.

Оскільки електричний струм - це напрямлений рух електрично заряджених частинок, то доходимо висновку, що навколо будь-якої рухомої зарядженої частинки існують разом магнітне поле й електричне поле. Навколо нерухомих зарядів є тільки електричне поле.

Для дослідження магнітного поля струму скористаємося методом спектрів, який ми застосовували для виявлення магнітного поля постійних магнітів.

Дослід 1. Крізь отвір у горизонтально розміщеному аркуші картону пропустимо вертикальний провідник зі струмом (мал. 20). Притрусимо картон залізними ошурками й замкнемо коло. У результаті досліду ми побачимо, що ошурки розмістилися навколо провідника концентричними колами. Якщо ошурки замінити магнітними стрілками, то вони розміщуються так, як показано на малюнку 20, а.

Мал. 20

Тут зображено вид зверху на картон з ланцюжками ошурків. Круг у центрі - поперечний переріз провідника зі струмом. У ньому хрестиком позначено струм у напрямку за картон (наче хвостове оперення стріли від лука, що летить від нас). Точкою у крузі позначено струм у напрямку із-за картону (наче накінечник стріли, що летить на нас).

З досліду бачимо, що властивості магнітного поля струму такі самі, як у магнітного поля постійного магніту. Тому можна повторити висновки щодо графічного зображення магнітного поля, пам’ятаючи, що його джерелом можуть бути і постійний магніт, і електричний струм.

Уявні лінії, уздовж яких у магнітному полі розміщуються поздовжні осі маленьких магнітних стрілок, називають лініями магнітного поля (магнітними силовими лініями).

Напрямок, який показує північний полюс магнітної стрілки в кожній точці поля, прийнято за напрямок лінії магнітного поля. У магнітному полі залізні або сталеві ошурки показують форму магнітних ліній цього поля.

Лінії магнітного поля струму — це замкнені лінії, які оточують провідник зі струмом.

Виконаємо попередній дослід, але змінимо напрямок струму в провіднику на протилежний. Виявиться, що всі магнітні стрілки повернуться на 180° (мал. 20, б). Напрямок ліній магнітного поля струму пов’язаний з напрямком струму в провіднику, на практиці його можна встановити за правилом свердлика (мал. 20, в).

Якщо напрямок поступального руху свердлика збігається з напрямком струму, то напрямок обертання ручки свердлика збігається з напрямком магнітних силових ліній.

Дослід 2. Довгий прямий ізольований провід намотаємо на дерев’яну або пластмасову котушку. Приєднаємо її до джерела струму. У котушці проходитиме електричний струм, і до її кінців притягуватимуться залізні предмети, наприклад гвинт (мал. 21).

Мал. 21

Дослід 3. Підвісимо котушку зі струмом на довгих тонких та гнучких провідниках. Якщо поблизу немає магнітних матеріалів або інших магнітних полів, то котушка встановиться у просторі так, як магнітна стрілка компаса: один бік котушки буде повернутий на північ, другий - на південь (мал. 22).

Мал. 22

Котушка зі струмом має два магнітні полюси: північний N і південний S.

Дослід 4. На пластинку з оргскла (мал. 23, а) покладемо залізні ошурки й по котушці пропустимо електричний струм. Ошурки зорієнтуються в певному порядку. Лінії магнітного поля котушки зі струмом є також замкненими кривими. Вважають, що поза котушкою вони напрямлені від північного полюса котушки до південного (мал. 23, б). Магнітне поле котушки зі струмом дуже подібне до магнітного поля штабового магніту (мал. 23, в).

Мал. 23

На малюнку 22, б показано, як відштовхуються постійний магніт і котушка зі струмом, оскільки вони розміщені однойменними полюсами одне до одного.

З’ясуємо тепер, від чого залежить сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

Дослід 5. Прикріпимо котушку 1 (мал. 24) до чутливого динамометра З, розмістивши її всередині нерухомої котушки 2 із сильним постійним магнітним полем. Пропустимо по обох котушках струми однакового напрямку. Котушка 1 буде втягуватися всередину котушки 2, пружина динамометра розтягуватиметься, вимірюючи силу взаємодії струмів.

Мал. 24

Будемо пропускати через котушку 1 струми І, 2I, 3І ... . Тоді сила, з якою діє на неї магнітне поле котушки 2, дорівнює відповідно F, 2F, 3F ... . Отже, сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, прямо пропорційна силі струму у провіднику: F ~ І.

Змінюючи довжину провідника, намотаного на котушку 1, аналогічно можна переконатися, що F ~ l, де l - довжина провідника, який розміщений у магнітному полі.

Крім того, сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, залежить від властивостей самого поля. Різні магнітні поля на один і той самий провідник діють неоднаково. Ця залежність характеризується величиною, яка отримала назву індукції магнітного поля (позначають літерою В). Що більша індукція магнітного поля, то з більшою силою воно діє на перпендикулярний провідник зі струмом: F ~ В. Об’єднуючи результати дослідів, отримуємо: F = ВIl.

Таким чином, індукція магнітного поля визначається силою, з якою магнітне поле діє на провідник завдовжки 1 м, по якому проходить струм 1 А. Тоді одиницею індукції магнітного поля в СІ є:

1 Н/1 А • 1 м = 1 Н/А • м = 1 Тл.

За одиницю індукції магнітного поля 1 тесла (1 Тл) приймається індукція такого магнітного поля, яке на кожний 1 м довжини провідника зі струмом 1 А діє силою 1 Н.

Одиниця індукції магнітного поля названа на честь сербського фізика й електротехніка Ніколи Тесли (1856-1943).

Індукція магнітного поля є величиною векторною: вона має не тільки числове значення, але й напрямок. Визначення напрямку індукції магнітного поля ґрунтується на такому дослідному факті.

Як відомо, магнітна стрілка в магнітному полі повертається. Отже, з боку магнітного поля на неї діють сили. У стані спокою ці сили напрямлені по одній прямій, але в протилежні боки. Тому за напрямок індукції магнітного поля приймають напрямок сили, що діє з боку магнітного поля в напрямку північного полюса магнітної стрілки.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Які явища спостерігаються в колах під час проходження електричного струму?
• 2. Опишіть, у чому полягає дослід Ерстеда.
• 3. На вашу думку, що є єдиним джерелом магнітного поля?
• 4. Чому для вивчення магнітного поля можна використати залізні ошурки?
• 5. Як розміщуються ошурки в магнітному полі прямого струму?
• 6. У якому напрямку встановлюється котушка зі струмом, підвішена на довгих тонких провідниках? У чому вона подібна до магнітної стрілки?
• 7. Від чого залежить сила, з якою діє магнітне поле на провідник зі струмом?
• 8. Що таке індукція магнітного поля?
• 9. Яка одиниця індукції магнітного поля в СІ?