По
физике
за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №32
к главе «Магнетизм. Магнитное поле. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
».
Вектор магнитной индукции
Электрический ток оказывает магнитное действие Таким образом, магнитное поле порождается движущимися зарядами.
Вектор магнитной индукции - векторная физическая величина, направление которой в данной точке совпадает с направлением, указываемым в этой точке северным полюсом свободной магнитной стрелки.
Модуль вектора магнитной индукции - физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины отрезка проводника:
Единица магнитной индукции - тесла (1 Тл).
Правило буравчика для прямого тока: если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.
Правило правой руки для прямого тока: если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец вдоль тока, то кончики остальных пальцев в данной точке покажут направление вектора индукции в этой точке.
Принцип суперпозиции магнитных полей: результирующая магнитная индукция в данной точке складывается из векторов магнитной индукции, созданной различными токами в этой точке:
Правило буравчика для витка с током (контурного тока): если вращать рукоятку буравчика по направлению тока в витке, то поступательное перемещение буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции, созданной током в витке на своей оси.
Линии магнитной индукции - линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты: они не имеют начала и конца. Магнитное поле - вихревое поле, т.е поле с замкнутыми линиями магнитной индукции
Магнитный поток (поток магнитной индукции) через поверхность определенной площади - физическая величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на вектор площади:
Единица магнитного потока - вебер (1 Вб) 1 Вб= 1 Тл.м 2 .
Закон Ампера: сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, равна произведению силы тока, магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями тока и вектором магнитной индукции:
В однородном магнитном поле замкнутый контур стремится установиться так, чтобы направление его собственной индукции совпало с направлением внешней индукции.
Сила Лоренца - сила, действующая на движущуюся со скоростью v заряженную частицу со стороны магнитного поля В:
где q - заряд частицы, а - угол между скоростью частицы и индукцией магнитного поля.
Направление силы Лоренца определяет правило левой руки: если кисть левой руки расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительного заряда (или противоположное скорости отрицательного заряда), а вектор магнитной индукции входил в ладонь, то отогнутый (в плоскости ладони) на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на данный заряд.
Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции, движется равномерно вдоль этих линий. Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, движется в этой плоскости по окружности. Параллельно расположенные проводники, по которым протекают токи в одном направлении, притягиваются, а в противоположных - отталкиваются. Магнитные поля, создаваемые токами I 1 ,I 2 , протекающими по бесконечно длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии r друг от друга, приводят к возникновению на каждом отрезке проводников длиной Δl силы взаимодействия
где k m - коэффициент пропорциональности, k m = 2 10 -7 Н/А 2
Единица силы тока - ампер (1 А) Сила постоянного тока равна 1 А, если ток, протекая по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на отрезке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10 -7 Н
Индукция магнитного поля убывает при увеличении расстояния до проводника с током Взаимодействие проводников с током является следствием магнитного взаимодействия движущихся зарядов в проводниках Под действием магнитной силы движущиеся параллельно в противоположных направлениях разноименные заряды притягиваются, а одноименные - отталкиваются
Индуктивность контура (или коэффициент самоиндукции) - физическая величина, равная коэффициенту пропорциональности между магнитным потоком через площадь, ограниченную контуром проводника, и силой тока в контуре. Единица индуктивности - генри (1 Гн)
Энергия магнитного поля, созданного при протекании силы тока I по проводнику с индуктивностью L, равна
Магнитная проницаемость среды - физическая величина, показывающая во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается от магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля в вакууме.
Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики
- основные классы веществ с резко отличающимися магнитными свойствами
Диамагнетик- вещество, в котором внешнее магнитное поле незначительно ослабляется(μ <= 1)
Парамагнетик- вещество, в котором внешнее магнитное поле незначительно усиливается(μ >= 1)
Ферромагнетик - вещество, в котором внешнее магнитное поле значительно усиливается (μ >> 1)
Кривая намагничивания - зависимость собственной магнитной индукции от индукции внешнего магнитного поля
Коэрцитивная сила - магнитная индукция внешнего поля, необходимая для размагничивания образца
Магнито-жесткие ферромагнетики - ферромагнетики с большой остаточной намагниченностью Магнито-мягкие ферромагнетики - ферромагнетики с малой остаточной намагниченностью Петля гистерезиса - замкнутая кривая намагничивания и размагничивания ферромагнетика Температура Кюри - критическая температура, выше которой происходит переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное
Тем, кому в школе плохо давалась физика, правило буравчика и сегодня - самая настоящая «терра инкогнита». Особенно если попытаться найти определение известного закона в Сети: поисковые системы тут же выдадут множество мудрёных научных объяснений со сложными схемами. Однако вполне возможно кратко и понятно объяснить, в чём же оно состоит.
В чём состоит правило буравчика
Буравчик - инструмента для сверления отверстий
Оно звучит так: в случаях, когда направление буравчика совпадает с направлением тока в проводнике во время поступательных движений, то одновременно идентичным ему будет и направление вращения ручки буравчика.
В поисках направления
Чтобы разобраться, придётся всё-таки вспомнить школьные уроки. На них учителя физики рассказывали нам о том, что электроток - это движение элементарных частиц, которые при этом несут свой заряд по проводящему материалу. Благодаря источнику движение частиц в проводнике - направленное. Движение, как известно, жизнь, а потому вокруг проводника возникает не что иное, как магнитное поле, и оно тоже вращается. Но как?
Ответ даёт именно это правило (без использования каких-либо специальных инструментов), и результат оказывается весьма ценным, ведь в зависимости от направления магнитного поля парочка проводников начинает действовать по совершенно разным сценариям: либо отталкиваться друг от друга, либо, напротив, устремляться навстречу.
Использование
Самый простой способ определения пути движений линий магнитного поля - применение правила буравчика
Представить это можно и так - на примере собственной правой руки и самого обычного провода. Провод кладём в руку. Четыре пальца крепко сжимаем в кулак. Большой палец указывает вверх - наподобие жеста, которым мы демонстрируем, что нам что-то нравится. В данной «раскладке» большой палец чётко укажет направление движения тока, тогда как остальные четыре - путь движений линий магнитного поля.
Правило вполне применимо в жизни. Физикам оно необходимо для того, чтобы определить направление магнитного поля тока, рассчитать механическое вращение скорости, вектор магнитной индукции и момент сил.
Кстати, о том, что правило применимо к самым разным ситуациям говорит и то, что существует сразу несколько его толкований - в зависимости от рассматриваемого каждого конкретного случая.
Инструкция
Прочитайте в учебнике по восьмого класса то, как звучит правила правого винта. Данное правило иначе еще называют правилом буравчика или правилом правой руки, что говорит о его смысловом характере. Итак, одна из формулировок правила правого винта гласит, что для того чтобы понять, как направлено магнитное поле, расположенное вокруг проводника с током, необходимо представить, что поступательного движение некоторого вращающегося винта совпадает с направлением тока в проводнике. Направление вращения головки винта в этом случае должно указать на направление магнитного поля прямого проводника с током.
Обратите внимание, что формулировка и понимание данного правила становятся более понятны, если представить вместо винта буравчик. Тогда за направление магнитного поля принимается направление вращения рукоятки буравчика.
Вспомните, соленоид. Как известно, он представляет собой катушку индуктивности, намотанную на магнитный сердечник. Катушка подключается к источнику тока, в результате чего внутри нее образуется равномерное магнитное поле определенного направления.
Нарисуйте на листе бумаги схематично соленоид со стороны его торца. Фактически, вы получите изображение окружности. Укажите на окружности, представляющей витки катушки, направление тока в проводнике в виде стрелки (по часовой стрелке). Теперь остается понять по направлению тока, куда направлены линии магнитного поля. В данном случае они могут быть направлены либо от вас, либо к вам.
Представьте, что вы закручиваете некий шуруп или винт, вращая его в направлении движения тока в соленоиде. Поступательное движение шурупа показывает направление магнитного поля внутри соленоида. Если направление тока по часовой стрелке, то вектор индукции магнитного поля направлен от вас.
Если вам неудобно в каждой задаче применять абстрактные правила, использующие рукоятку буравчика или винт, применяйте правило правого винта в формулировке правила правой руки. Действие этого правила то же самое, отличается лишь способ определения направления индукции магнитного поля или тока в катушке.
Нарисуйте еще раз торец соленоида. Покажите направление тока в катушке (против часовой стрелки). Приложите правый край правой руки к нарисованной окружности так, чтобы мизинец соприкасался с окружностью и четыре пальца указывали на направление тока в проводниках. Отставьте на 90 градусов большой палец, его направление в вашу сторону и совпадает с направлением магнитного поля в соленоиде.
С помощью правила буравчика определяют направления магнитных линий (по-другому их еще называют линии магнитной индукции) вокруг проводника с током.
Правило буравчика: определение
Само правило звучит так: когда направление буравчика, двигающегося поступательно, совпадает с направлением тока в исследуемом проводнике, направление вращения ручки этого буравчика такое же, как и направление магнитного поля тока.
Его же называют - правило правой руки и в этом контексте определение куда понятней. Если обхватить провод правой рукой так, чтобы четыре пальца были сжаты в кулак, а большой указывал вверх (то есть так, как мы обычно показываем рукой «класс!»), то большой палец укажет, по какому направлению движется ток, а другие четыре пальца – направление линий магнитного поля
Под буравчком подразумевают винт с правой резьбой. Они в технике являются стандартом, потому как представляют совершенное большинство. К слову, это же правило можно было бы сформулировать и на примере движения часовой стрелки, потому как винт с правой резьбой закручивается именно в этом направлении.
Применение правила буравчика
В физике правило буравчика применяют не только для определения направления магнитного поля тока. Так, например, оно относится и к вычислению направления аксиальных векторов, вектора угловой скорости, вектора магнитной индукции B, направления индукционного тока при известном векторе магнитной индукции и многих других вариантах. Но для каждого такого случая правило имеет свою формулировку.
Так, например, для вычисления вектора произведения оно гласит: если изобразить векторы так, чтобы они совпадали в начале, и двигать первый вектор-сомножитель ко второму вектору-сомножителю, то буравчик, двигающийся таким же образом, завинтится в сторону вектора-произведения.
Или вот так будет звучать правило буравчика для механического вращения скорости: если вращать винт в том же направлении, в каком вращается тело, он завинтится в сторону направления угловой скорости.
Так выглядит правило буравчика для момента сил: при вращении винта в том же направлении, в каком силы поворачивают тело, буравчик завинтится в сторону направления этих сил.
Для того, чтобы узнать траекторию вращения магнитного поля, находящегося у прямого проводника с током, используется правило буравчика (штопора). В литературе также оно известно, как правило правой руки. В научной среде выделяют и правило левой руки.
Вконтакте
Применение правила буравчика
Данное правило гласит : если при движении вперед этого устройства траектория движения тока в проводнике совпадает с ним, то траектория вращения основания прибора комплементарна траектории движения магнитного контура.
Чтобы определить траекторию вращения магнитного контура на представленном графическом изображении нужно знать несколько особенностей.
Часто в задачах по физике нужно, наоборот, определить траекторию движения тока. Чтобы это сделать, дается направление вращения кругов магнитного поля. Ручка буравчика начинается вращаться в сторону, указанную в условиях. Если буравчик движется в поступательном направлении, значит, ток направлен в сторону движения, если же он направлен в обратную, то и ток движется соответственно.
Для определения траектории движения тока в случае, представленном на втором рисунке, тоже можно воспользоваться правилом штопора . Для этого необходимо вращать ручку буравчика в сторону, указанную на изображении контура магнитного поля. Если он будет двигаться поступательно, то будет двигаться в сторону от наблюдателя, если же, наоборот, только к наблюдателю.
Важно! Если указана траектория движения потока, то определить траекторию вращения линии магнитного контура можно по вращению ручки буравчика.
Оно обозначается при помощи точки или крестика. Точка означает в сторону наблюдателя, крестик означает обратное. Легко запомнить этот случай, используя так называемое правило «стрелы», если острие «смотрит», а в лицо, то траектория движения тока в сторону наблюдателя, если же в лицо «смотрит хвост стрелы», то она двигается от наблюдателя.
Как правило буравчика, так и правило правой руки, достаточно легко применить на практике. Для этого нужно расположить кисть соответствующей руки таким образом, чтобы в лицевую сторону направлялся силовой контур магнитного поля, после чего большой палец, отведенный перпендикулярно, необходимо направить сторону движения тока, соответственно, остальные выпрямленные пальцы укажут на траекторию магнитного контура.
Различают исключительные случаи использования правила правой руки для вычисления:
- уравнения Максвелла;
- момента силы;
- угловой скорости;
- момента импульса;
- магнитной индукции;
- тока в проводе, движущегося через магнитное поле.
Правило левой руки
Правилом этой руки возможно вычислить направленность силы воздействия магнитного контура на заряженные элементарные составляющие атома плюсовой и минусовой
полярности.
Возможно определить и направление тока, если доступна информация о траекториях вращения магнитного контура и действующей на проводник . Определяется и направление магнитного контура в случае известности траектории движения силы и тока. Ну и можно выяснить знак заряда нестатичной частицы.
Это правило звучит следующим образом: расположив лицевую часть кисти соответствующей руки, чтобы воображаемый контур магнитного поля направлялись в нее под прямым углом, а пальцы, за исключением большого, направив в сторону движения тока, можно определить траекторию силы, воздействующая на этот провод при помощи перпендикулярно отодвинутого большого пальца. Сила, оказывающая воздействие на проводник, носит имя Мари Ампера, обнаружившего ее в 1820 году.
Сила Ампера: варианты расчета
Прежде чем сформулировать данную величину, необходимо разобраться, что такое понятие «сила» в физике. Ей называется величина в физике, которая является мерой воздействия всех окружающих тел на рассматриваемый объект. Обычно любую силу обозначают английской буквой F, от латинского fortis, что означает сильный.
Рассчитывается элементарная сила Ампера по формуле :
где, dl – часть длины проводника, B – магнитного контура, I – сила тока.
Рассчитывается также сила Ампера по :
где, J – направление плотности тока, dv– элемент объема проводника.
Формулировка расчета модуля силы Ампера, согласно литературе, звучит так: данный показатель напрямую зависит от силы тока, протяженности проводника, синуса, образуемого между этим вектором и самим проводником угла, и величины значения вектора магнитного контура в модуле. Она и носит название модуля силы Ампера. Формула данного закона математически строится так:
где, B – модуль индукции магнитного контура, I – сила тока, l – длина проводника, α – образуемый угол. Максимальное значение будет при перпендикулярном их пересечении.
Показатель измеряется в ньютона х (условное обозначение – Н) или
Он является векторной величиной и зависит от вектора индукции и тока.
Существуют и другие формулы для расчета силы Ампера. Но на практике они достаточно редко востребованы и тяжелы для понимания.
Сила тока
- закон Ома для полного участка цепи и ее части;
- отношение напряжения и суммы сопротивлений;
- отношение мощности и напряжения.
Самым популярным является отношение количество заряда прошедшего за единицу времени через определенную поверхность к размеру этого интервала. Графически формула выглядит следующим образом:
Чтобы найти этот показатель можно пользоваться законом Ома для участка цепи. Он гласит следующее: величина этого показателя равна отношению приложенного напряжения к сопротивлению на измеряемым участке цепи. Записывается формула этого закона следующим образом:
Определить ее также можно, применив формулу закон Ома для полной цепи. Звучит он так: эта величина является отношением приложенного напряжения в цепи и суммы внутреннего сопротивления источника питания и всего сопротивления в цепи. Формула выглядит так:
Важно! Применение каждой конкретной формулы зависит от имеющихся в распоряжении данных.
Согласно утвержденной МСЕ, измеряется сила тока в амперах, и обозначается А (в честь ученого, открывшего ее). Но это не единственный способ обозначения данной величины. Дополнительно измеряется сила тока в Кл/с.
Изучая в общеобразовательных учреждениях данный материал, ученики быстро забывают, как применять правила левой и правой руки, и для чего они вообще нужны. Также часто они не помнят в чём измеряют указанные величины. Ознакомившись с рассмотренным выше материалом, не должно возникнуть трудностей с применением рассмотренных правил и законов на практике.
Правило буравчика
Правило правой руки
