Направление магнитного поля прямого тока. Действие магнитного поля на ток. Правило левой руки. На этом уроке мы узнаем о магнитном действии тока на примере опыта Эрстеда и опыта Ампера. Рассмотрим правило буравчика и правило правой руки для прямого провод

На рисунке 94 показано расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током, расположенного перпендикулярно плоскости чертежа. Из рисунка видно, что изменение направления тока приводит к повороту всех магнитных стрелок на 180°. Причём в обоих случаях оси стрелок располагаются по касательным к магнитным линиям.

Рис. 94. Направление линий магнитного поля, созданного проводником с током, зависит от направления тока в проводнике

Мы знаем, что движущийся заряд испытывает силу из-за магнитного поля. Магнитное поле создает силу в проводящий через него ток. Заряды проводника испытывают силу для магнитного поля. Теперь мы определяем силу на токопроводящем проводнике в магнитном поле.

Рисунок: Сила на токовом несущем проводнике в магнитном поле. Направление магнитного поля перпендикулярно экрану, который показан на перекрестном знаке на рисунке. Токовый поток слева направо, что означает, что направление движения электрона направо налево. Когда проводник помещается в магнитное поле, весь электрон проводника будет испытывать индивидуальную силу. Направление магнитного поля и направление тока направлены перпендикулярно, что под углом 90 градусов между ними.

Следовательно, направление линий магнитного поля тока зависит от направления тока в проводнике.

Эта связь может быть выражена правилом буравчика (или правилом правого винта), которое заключается в следующем: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока (рис. 95, 96).

Сила на одном электроне в проводнике из-за магнитного поля. Общее усилие на проводнике для магнитного поля. Если токопроводящий проводник не помещен перпендикулярно магнитному полю, он помещается под другим углом Ѳ, затем накладывается на один электрон.

Общее усилие на весь проводник. Векторная форма этого уравнения указывает, что направление силы и величины также. Общая сила может быть увеличена за счет увеличения величины магнитного поля или потока тока или увеличения числа оборотов или увеличения длины проводника.

Направление силы, созданное на токопроводящий проводник из-за магнитного поля

Направление силы на токопроводящий проводник, созданный магнитным полем, описанным Правилом Флемингса слева. Случай 1: Если направление потока тока перпендикулярно направлению магнитного поля, то созданное направление силы может быть объяснено правилом левой руки Флемминга. Флемминг объяснил направление магнитного поля, направление тока и создал направление усилия тремя пальцами левой руки. Этими пальцами левой руки являются указательный палец, средний палец и большой палец.

Рис. 95. Применение правила буравчика: проводник с током расположен перпендикулярно плоскости чертежа

Рис. 96. Применение правила буравчика: проводник с током расположен в плоскости чертежа

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.

На этом уроке мы узнаем о магнитном действии тока на примере опыта Эрстеда и опыта Ампера. Рассмотрим правило буравчика и правило правой руки для прямого проводника с током и для соленоида с током

Чтобы понять направление, возьмите свою левую руку и укажите на нее, когда стреляете что-то с пистолетом, как показано ниже. Теперь отпустите средний палец, как показано ниже. Флемминг показал свою руку точно так же, как и выше фигуры. Чтобы найти направление создания указательного пальца, укажите направление магнитного поля и средний палец для направления тока. Затем большой палец показывает направление создания силы.

Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться другим правилом, которое иногда называют правилом правой руки. Это правило формулируется так: 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 (рис. 97).

Случай 2: Если направление тока и магнитного поля параллельны друг другу, это означает, что между ними нет угла, такого Ѳ = 0 ° или Ѳ = 180 °. Так что текущий проводящий проводник не будет испытывать никакой силы. Пример: токопроводящий проводник длиной 50 см 2 А помещается в магнитное поле 10-2 Тесла и угол между проводником и магнитным полем 60 градусов. Найдите силу, которую испытал текущий проводящий проводник.

Сила, создаваемая из-за потока тока в магнитном. Открытие взаимосвязи между магнетизмом и электричеством, как и многие другие научные открытия, наткнулось почти случайно. Пропустив электрический ток через металлическую проволоку, подвешенную над магнитным компасом, Эрстед смог произвести определенное движение стрелки компаса в ответ на ток. То, что начиналось как гипотеза в начале классной сессии, было подтверждено как факт в конце. Излишне говорить, что Эрстеду пришлось пересмотреть свои лекционные заметки для будущих занятий!

Рис. 97. Определение направления линий магнитного поля внутри соленоида

Вы уже знаете, что магнитное поле соленоида (см. рис. 90) подобно полю постоянного полосового магнита (см. рис. 88). Соленоид, как и магнит, имеет полюсы: тот конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, является северным полюсом, а тот, в который входят, - южным.

Его последовательное открытие проложило путь для совершенно новой отрасли науки: электромагнетизма. Подробные эксперименты показали, что магнитное поле, создаваемое электрическим током, всегда ориентировано перпендикулярно направлению потока. Простой способ показать это соотношение называется левым правилом. Проще говоря, в левом правиле говорится, что линии магнитного потока, создаваемые токопроводящей проволокой, будут ориентированы в том же направлении, что и свернутые пальцы левой руки человека, большим пальцем, направленным в направлении потока электронов.

Зная направление тока в соленоиде, по правилу правой руки можно определить направление магнитных линий поля внутри него, а значит, и его магнитные полюсы.

И наоборот, по направлению магнитных линий поля внутри соленоида или расположению его полюсов можно определить направление тока в витках соленоида.

Правило правой руки можно применять и для определения направления линий магнитного поля в центре витка с током.

Магнитное поле окружает эту прямую часть токопроводящей проволоки, линии магнитного потока не имеют определенных «северных» или «южных» полюсов. В то время как магнитное поле, окружающее токопроводящую проволоку, действительно интересно, оно довольно слабое для обычных количеств тока, способное отклонять стрелку компаса и не намного больше. Чтобы создать сильную силу магнитного поля с таким же количеством электрического тока, мы можем обернуть провод в форму катушки, где кружится магнитное поле вокруг провода, чтобы создать большее поле с определенной магнитной полярностью.

Вопросы

Опишите опыт, подтверждающий связь между направлением тока в проводнике и направлением линий магнитного поля, созданного проводником.
Сформулируйте правило буравчика.
Что можно определить, используя правило буравчика?
Сформулируйте правило правой руки.
Что можно определить с помощью правила правой руки?

Направление тока и направление линий его магнитного поля (Зарицкий А.Н.)
Электромагнитные явления

Величина силы магнитного поля, генерируемой спиральным проводом, пропорциональна току через провод, умноженному на количество «поворотов» или «обертывания» провода в катушке. Эта полевая сила называется магнитодвижущей силой и очень похожа на электродвижущую силу в электрической цепи.

Электромагнит - это провод, предназначенный для создания магнитного поля с прохождением через него электрического тока. Хотя все токопроводящие проводники создают магнитные поля, электромагнит обычно строится таким образом, чтобы максимизировать силу магнитного поля, создаваемого им для специального назначения. Электромагниты находят широкое применение в исследовательских, промышленных, медицинских и потребительских продуктах.

На этом уроке мы узнаем о магнитном действии тока на примере опыта Эрстеда и опыта Ампера. Рассмотрим правило буравчика и правило правой руки для прямого проводника с током и для соленоида с током

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.

В качестве электромагнитно управляемого магнита электромагниты находят применение в самых разнообразных «электромеханических» устройствах: машинах, которые влияют на механическую силу или движение через электричество. Возможно, наиболее очевидным примером такой машины является электродвигатель.

Другим примером является реле, электрически управляемый переключатель. Если механизм контакта переключателя сконструирован таким образом, что он может приводиться в действие приложением магнитного поля, а электромагнитная катушка размещается в непосредственной близости для создания необходимого поля, можно будет открыть и закрыть переключатель приложением тока через катушку. По сути, это дает нам устройство, которое позволяет электричеству контролировать электричество.

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.

Реле могут быть сконструированы так, чтобы приводить в действие несколько контактов переключателя или использовать их в режиме «обратного». При намотке в форме катушки магнитное поле будет ориентировано вдоль оси длины катушки. Сила магнитного поля, создаваемая электромагнитом, пропорциональна произведению тока через электромагнит и число полных «поворотов» катушки, образованный проволокой. Если бремя двух систем измерения для общих количеств бросает ваш разум в замешательство, это не место для вас! Из-за раннего отсутствия стандартизации в науке о магнетизме нас страдают не менее трех полных систем измерения магнитных величин. Во-первых, нам нужно познакомиться с различными величинами, связанными с магнетизмом.

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).

В магнитных системах имеется немало количеств, чем для электрических систем. С электричеством основными величинами являются напряжение, ток, сопротивление и мощность. С магнетизмом мы имеем дело с следующими величинами. Магнитомоторная сила. Количество силы магнитного поля или «толчок». Аналогично электрическому напряжению.

Полевой поток - количество общего эффекта поля, или «вещество» поля. Аналогично электрическому току. Интенсивность поля - величина силы поля, распределенная по длине электромагнита. Иногда упоминается как сила намагничивания. Плотность потока - количество магнитного потока магнитного поля, сосредоточенного в данной области.

Рис. 3. Расположение железных опилок вокруг проводника с током ()

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).

Нежелание - противодействие потоку магнитного поля через заданный объем пространства или материала. Аналогично электрическому сопротивлению. Проницаемость. Специфическая мера принятия материала магнитным потоком, аналогичная удельному сопротивлению проводящего материала, кроме инверсного.

Мало того, что мы имеем больше количества, чтобы отслеживать с магнетизмом, чем с электричеством, но у нас есть несколько различных систем измерения единицы для каждой из этих величин. Как и в случае с обычными величинами длины, веса, объема и температуры, мы имеем как английские, так и метрические системы. Однако на самом деле существует более чем одна метрическая система единиц, а в измерениях магнитного поля используются несколько метрических систем!

Рис. 4. Правило буравчика ()

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).

И да, символ μ действительно такой же, как метрический префикс «микро». Как вы уже могли догадаться, связь между полевой силой, полевым потоком и нежеланием почти такая же, как между электрическими величинами электродвижущей силы, тока и сопротивления. Это обеспечивает нечто похожее на Закон Ома для магнитных цепей.

И, учитывая, что проницаемость обратно пропорциональна удельному сопротивлению, уравнение для нахождения сопротивления магнитному материалу очень похоже на уравнение для нахождения сопротивления проводника. В любом случае более длинный кусок материала обеспечивает большую оппозицию, при прочих равных условиях. Кроме того, большая площадь поперечного сечения уменьшает сопротивление, при прочих равных условиях.

Рис. 5. Правило правой руки ()

Оба указанных правила дают один и тот же результат и могут быть использованы для определения направления тока по направлению магнитных линий поля.

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. 6 б) если ток течёт в противоположные стороны - проводники отталкиваются (см. Рис. 6 а).

Основная оговорка здесь заключается в том, что нежелание материала к магнитному потоку действительно изменяется с концентрацией потока, проходящего через него. Это делает закон «Ома» для магнитных цепей нелинейными и гораздо более трудными для работы, чем электрическая версия Закона Ома. Это было бы аналогично наличию резистора, который изменял сопротивление, поскольку ток через него менялся.

Нелинейность проницаемости материала может быть отображена для лучшего понимания. На горизонтальной оси графика мы разместим величину напряженности поля, равную силе поля, деленной на длину материала. На вертикальной оси мы поместим количество плотности потока, равное суммарному потоку, деленному на площадь поперечного сечения материала. Мы будем использовать величины напряженности поля и плотности потока вместо силы поля и полного потока, чтобы форма нашего графика оставалась независимой от физических размеров нашего тестового материала. Обратите внимание, как плотность потока для любого из вышеуказанных материалов выравнивается с увеличением интенсивности поля.

Рис. 6. Опыт Ампера ()

Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:

1. Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле.

2. Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле.

3. Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник 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

Решение

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

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

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

Решение

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

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