Взаимодействие движущихся зарядов. Действие движущихся зарядов (электрических токов) друг на друга отличается от кулоновского взаимодействия неподвижных зарядов.
Взаимодействие движущихся зарядов называется магнитным.

Примеры проявления магнитного взаимодействия:

* притяжение или отталкивание двух параллельных проводников с током;
* магнетизм некоторых веществ, например, магнитный железняк, из которых изготавливаются постоянные магниты; поворот легкой стрелки, сделанной из магнитного материала, вблизи проводника с током
* вращение рамки с током в магнитном поле.
*

Магнитное взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля.
Магнитное поле - особая форма существования материи.
Свойства магнитного поля:

* порождается движущимися зарядами (электрическим током) или переменным электрическим полем;
* обнаруживается по действию на электрический ток или магнитную стрелку.

Вектор магнитной индукции. Опыты показывают, что магнитное поле производит на контур с током и магнитную стрелку ориентирующее действие, вынуждая их устанавливаться в определенном направлении. Поэтому для характеристики магнитного поля должна быть использована величина, направление которой связано с ориентацией контура с током или магнитной стрелки в магнитном поле. Эта величина называется вектором магнитной индукции В.
За направление вектора магнитной индукции принимается:

* направление положительной нормали к плоскости контура с током,
* направление северного полюса магнитной стрелки, помещенной в магнитное поле.

Модуль вектора В равен отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с током в данной точке поля, к произведению силы тока I и площади контура S.
В = Мmах/(I·S). (1)

Вращающий момент М зависит от свойств поля и определяется произведением I·S.

Значение вектора магнитной индукции, определяемое по формуле (1), зависит только от свойств поля.
Единица измерения В - 1 Тесла.

Графическое изображение магнитных полей. Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля). Линией магнитной индукции называют линию, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Линии магнитной индукции - замкнутые линии.

Примеры магнитных полей:
1. Прямолинейный проводник с током
Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике.

2. Круговой ток
Направление вектора магнитной индукции связано с направлением ток в контуре правилом правого винта.

3. Соленоид с током
Внутри длинного соленоида с током магнитное поле является однородным и линии магнитной индукции параллельны между собой. Направление В и направление тока в витках соленоида связаны правилом правого винта

Принцип суперпозиции полей. Если в какой-либо области пространства происходит наложение нескольких магнитных полей, то вектор магнитной индукции результирующего поля, равен векторной сумме индукций отдельных полей:
B = SBi

Возьмем две одинаковые катушки, сделанные из металлических проводов, и подвесим так, чтобы их можно было включать в цепь, а их оси располагались на одной прямой (рисунок 1). Пропустив по катушкам токи одинакового направления, мы обнаружим, что катушки притягиваются (рисунок 1, а ). Если же создать в катушках токи противоположного направления, то они будут отталкиваться (рисунок 1, б ). Такое взаимодействие получается и между прямолинейными проводниками, расположенными параллельно.

Рисунок 1. а ) Проводники с токами одинакового направления притягиваются; б ) Проводники с токами противоположного направления отталкиваются

Итак, токи одинакового направления притягиваются, а противоположного – отталкиваются.

Следовательно, когда проводники с токами находятся на некотором расстоянии друг от друга, между ними существует взаимодействие, которое нельзя объяснить наличием электрического поля между ними, поскольку проводники при прохождении по ним тока остаются практически нейтральными. Это означает, что вокруг любого проводника с токами имеется какое-то другое поле, отличное от электрического, поскольку оно не действует на неподвижные заряды.

Условимся называть поле, посредством которого осуществляется взаимодействие , расположенных на расстоянии, .

Опыт показал, что магнитное поле создается либо движущимися электрическими зарядами, либо переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряды.

Итак, чтобы обнаружить магнитное поле в какой-либо области пространства, необходимо внести в эту область проводник с током или какие-либо другие движущиеся заряды. Впервые магнитное поле вокруг проводников с токами опытным путем обнаружил датский физик Ганс Эрстед в 1820 г.

Магнитные поля различных токов при наложении могут как усиливать, так и ослаблять друг друга. Покажем это на опыте. Если связать вместе две одинаковые катушки и создать в них токи противоположного направления (рисунок 2, а слева), то их общее поле становится настолько слабым, что не будет производить заметного действия на третью катушку с током. Это объясняет, почему нет магнитного поля вокруг шнура, сплетенного из двух проводов с токами противоположного направления. Если же в связанных катушках создать токи одинакового направления, то их действие на третью катушку заметно усиливается (рисунок 2, б ) по сравнению с опытом, описанным выше. Итак, усиление магнитного поля можно получить наложением магнитных полей токов одинакового направления, а ослабление поля – наложением полей токов противоположного направления.

Рисунок 2. а ) Магнитные поля токов противоположного направления ослабляют друг друга; б ) Магнитные поля токов одинакового направления усиливают друг друга

Если катушки перед началом опыта расположить так, чтобы их оси были не на одной прямой, то при включении в них тока катушки сами поворачиваются так, что токи в них текут в одинаковом направлении, и затем притягиваются друг к другу. В результате магнитное поле в окружающем пространстве усиливается.

Видео 1. Виток и катушка с током

Известные с древних времен явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита напоминают явления взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов. Однако многочисленные попытки ученых установить связь между электрическими и магнитными явлениями на протяжении многих столетий оставались безрезультатными. Об этой связи говорит также замеченный факт намагничивания железных предметов и перемагничивания компаса во время грозы.

Впервые эта связь была обнаружена X. Эрстедом и А. Ампером в 1820 г. А. Ампер показал, что два параллельных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них (рис. 1, а, б). Это взаимодействие не может быть вызвано электростатическим полем по следующим причинам. Во-первых, при размыкании цепи (на рисунке 1, в перемычка между верхним» клеммами отсоединена) взаимодействие проводников прекращается, хотя заряды на проводниках н их электростатические поля остаются. Во-вторых, одноименные заряды (электроны в проводнике) всегда только отталкиваются.

В опыте X. Эрстеда проводник располагают над магнитной стрелкой (или под ней) параллельно ее оси (рис. 2). При пропускании тока по проводнику стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое первоначальное положение. Этот опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие поворот магнитной стрелки, то есть силы, подобные тем, которые действуют на нее вблизи постоянных магнитов.

Действие магнитных сил обнаружено в пространстве вокруг отдельно движущихся заряженных частиц. Так, А.Ф.Иоффе в 1911 г. наблюдал отклонение магнитных стрелок, расположенных вблизи пучка движущихся электронов. Схема его опыта представлена на рисунке 3. Над и под трубкой находились две одинаковые, но противоположно направленные магнитные стрелки, укрепленные на общем кольце, подвешенном на упругой нити. При прохождении в трубке потока электронов магнитные стрелки поворачивались.

Если часть гибкого проводника, присоединенного к одному полюсу источника, а значит, заряженного, поместить вблизи дугообразного магнита (рис. 4, а), то действие поля магнита на проводник не наблюдается. Однако после замыкания цепи (рис. 4, б, в) проводники приходят в движение. Таким образом, магнитные силы действуют только на движущиеся заряды.

1. Вещества, которые притягивают железные предметы, называются …

2. Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки впервые обнаружил датский ученый …

3. Между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются…

4. Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют …

5. Линии магнитного поля представляют собой … кривые, охватывающие проводник.

6. Магнитное поле вокруг проводника с током можно обнаружить, например, …

7. Если магнит разломали пополам, то первый кусок и второй кусок магнита имеют полюса …

8. Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются …

9. Места магнита, где сильнее проявляются магнитные действия, называются …

1. Вокруг проводника с током существует …
2. Источником магнитного поля служит …
3. Одноименные полюса магнита …, а разноименные - …

Контрольная работа

По теме: Магнитное поле и электромагнитная индукция.

Вариант 1

1. Кто открыл явление электромагнитной индукции?

А) Эрстед; Б) Кулон; В) Вольта; Г) Ампер; Д) Фарадей; Е) Максвелл

2. Выводы катушки из медного провода присоединены к чувствительному гальванометру. В каком из перечисленных опытов гальванометр обнаружит возникновение ЭДС ЭМИ в катушке?

А) В катушку вставляется постоянный магнит;

Б) Из катушки вынимается постоянный магнит;

В) Постоянный магнит вращается вокруг своей продольной оси внутри катушки.

3. Как называется физическая величина, равная произведению модуля В индукции магнитного поля на площадь S поверхности, пронизываемой магнитным полем, и косинус угла α между вектором B индукции и нормалью n к этой поверхности?

А) Индуктивность; Б) Магнитный поток; В) Магнитная индукция;

Г) Самоиндукция; Д) Энергия магнитного поля.

4. Каким из приведенных ниже выражений определяется ЭДС индукции в замкнутом контуре?

А) Б) В) Г)

5. При вдвигании полосового магнита в металлическое кольцо и выдвигании его из него в кольце возникает индукционный ток. Этот ток создает магнитное поле. Каким полюсом обращено магнитное поле тока в кольце к: 1) вдвигаемому северному полюсу магнита; 2) выдвигаемому северному полюсу магнита.

А) 1-северным, 2 северным; Б) 1 – южным, 2 – южным;

В) 1 – южным, 2 – северным; Г) 1 – северным, 2 – южным.

6. Как называется единица измерения магнитного потока?

А) Тесла; Б) Вебер; В) Гаусс; Г) Фарад; Д) Генри.

7. Единицей измерения какой физической величины является 1 Генри?

А) Индукции магнитного поля; Б) Электроемкости; В) Самоиндукции;

Г) магнитного потока; Д) Индуктивности .

8. Каким выражением определяется связь самоиндукции с силой тока в катушке?

А) Б) В) Г)

9. Какая сила тока в контуре индуктивностью 5 мГн создает магнитный поток Ф=2*10 -2 Вб?

10. Каково значение энергии магнитного поля катушки индуктивностью 5 Гн. При силе тока в ней 400 мА.

11. Магнитный поток через контур за 5*10 -2 с равномерно уменьшился от 10 мВб до 0 мВб. Каково значение ЭДС индукции в контуре за это время?

А) 510 В; Б) 0,1В; В) 0,2 В; Г) 0,4 В; Д) 1 В; Е) 2 В.

12. Кабель, содержащий 150 жил по каждой из которых протекает ток 50 мН, помещен в магнитное поле с индукцией 1,7 Тл, перпендикулярной направлению тока. Активная длина кабеля 60 см. Определите силу, действующую на кабель.

Вариант 2

1. Как называется явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через контур?

А) Электростатическая индукция; Б) Явление намагничивания;

В) Сила Ампера; Г) Сила Лоренца; Д) Электролиз;

Электрические и магнитные явления известны человечеству с античных времен, ведь все же видели молнию, и многие древние знали о магнитах, притягивающих некоторые металлы. Багдадская батарейка, изобретенная 4000 лет назад - одно из свидетельств того, что задолго до наших дней человечество электричеством пользовалось, и судя по всему знало как оно работает. Тем не менее, считается, что до начала 19 века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга, принимались как несвязанные между собой явления, и относились к различным разделам физики.

Изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский учёный Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли.

Эрстед в своих экспериментах только в 1819 году обнаружил отклонение стрелки компаса, расположенного вблизи проводника с током, и тогда ученым был сделан вывод о том, что существует некая взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

Спустя 5 лет, в 1824 году, Ампер сумел математически описать взаимодействие токонесущего проводника с магнитом, а также взаимодействие проводников между собой, так появился : «сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником».

Относительно действия магнита на ток, Ампер предположил, что внутри постоянного магнита присутствуют микроскопические замкнутые токи, которые и создают магнитное поле магнита, взаимодействующее с магнитным полем токонесущего проводника.

Например двигая постоянный магнит возле проводника, можно получить в нем пульсирующий ток, а подавая пульсирующий ток в одну из катушек, на общем железном сердечнике с которой находится вторая катушка, во второй катушке также появится пульсирующий ток.

Через 33 года, в 1864 году, Максвелл сумел обобщить математически уже известные электрические и магнитные явления, - он создал теорию электромагнитного поля , согласно которой электромагнитное поле включает в себя взаимосвязанные электрическое и магнитное поля. Так, благодаря Максвеллу, стало возможным научное математическое объединение результатов предшествующих экспериментов в электродинамике.

Следствием этих важных выводов Максвелла явилось его предсказание о том, что в принципе любое изменение в электромагнитном поле должно порождать электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве и в диэлектрических средах с некоторой конечной скоростью, которая зависит от магнитной и диэлектрической проницаемостей среды распространения волн.

Для вакуума эта скорость оказалась равна скорости света, в связи с чем Максвелл предположил, что свет - это тоже электромагнитная волна, и данное предположение позже подтвердилось (хотя еще за долго до экспериментов Эрстеда на волновую природу света указывал Юнг).

Максвелл же создал математическую основу электромагнетизма, и в 1884 году появились знаменитые уравнения Максвелла в современной форме. В 1887 году Герц подтвердит теорию Максвелла относительно : приемник зафиксирует посланные передатчиком электромагнитные волны.

Изучением электромагнитных полей занимается классическая электродинамика. В рамках же квантовой электродинамики электромагнитное излучение рассматривается как поток фотонов, в котором электромагнитное взаимодействие переносится частицами-переносчиками - фотонами - безмассовыми векторными бозонами, которые можно представить как элементарные квантовые возбуждения электромагнитного поля. Таким образом, фотон - это квант электромагнитного поля с точки зрения квантовой электродинамики.

Электромагнитное взаимодействие представляется сегодня одним из фундаментальных взаимодействий в физике, а электромагнитное поле - одно из фундаментальных физических полей наряду с гравитационным и фермионным.

Физические свойства электромагнитного поля

О наличии электрического, или магнитного, или и того и другого поля в пространстве можно судить по силовому действию со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу или на ток.

Электрическое поле действует на электрические заряды, как на подвижные, так и на неподвижные, с определенной силой, зависящей от напряженности электрического поля в данной точке пространства в данный момент времени, и от величины пробного заряда q.

Зная силу (величину и направление), с которой электрическое поле действует на пробный заряд, и зная величину заряда, можно найти напряженность E электрического поля в данной точке пространства.

Электрическое поле создается электрическими зарядами, его силовые линии начинаются на положительных зарядах (условно проистекают от них), и заканчиваются на отрицательных зарядах (условно втекают в них). Таким образом, электрические заряды - это источники электрического поля. Еще одним источником электрического поля является изменяющееся магнитное поле, о чем математически свидетельствуют уравнения Максвелла .

Сила, действующая на электрический заряд со стороны электрического поля - это часть силы, действующей на данный заряд со стороны электромагнитного поля.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), либо изменяющимися во времени электрическими полями (об этом свидетельствуют уравнения Максвелла), и действует только на движущиеся электрические заряды.

Сила действия магнитного поля на движущийся заряд пропорциональна индукции магнитного поля, величине движущегося заряда, скорости его движения и синусу угла между вектором индукции магнитного поля B и направлением скорости движения заряда. Данная сила часто называется силой Лоренца , однако является лишь «магнитной» ее частью.

На самом деле сила Лоренца включает в себя электрическую и магнитную составляющие. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), его силовые линии всегда замкнуты и охватывают ток.