Взаимодействие токов и магнитное поле – кратко формулы, определение (11 класс)

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 121.

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 121.

Практически все электрические механизмы, существующие в мире, работают благодаря способности электрических токов взаимодействовать друг с другом. Познакомимся кратко с этим явлением, отметим его основные особенности.

Магнитное поле

Из курса физики в 11 классе известно, что между неподвижными электрическими зарядами существуют силы взаимного притяжения или отталкивания, называемые кулоновскими, по имени открывшего их ученого.

Однако опыт показывает, что если заряды движутся, то между ними возникают дополнительные силы другой природы. Поскольку электрический ток — это движение зарядов, то эти же силы должны возникать и между двумя токами. И опыт это подтверждает.

Если взять два параллельных проводника токов, окажется, что проводники будут притягиваться друг к другу, если ток в них будет течь в одном направлении, и отталкиваться, если ток будет течь в противоположных направлениях:

Рис. 1. Взаимодействие двух проводников с током.

Этот опыт показывает, что подобно тому, как вокруг покоящегося заряда возникает электрическое поле, вокруг проводника с током также возникает силовое поле, которое называется магнитным. Взаимодействие электрических токов — это проявление магнитного поля.

Свойства магнитного поля

Свойства магнитного поля изучались в первой половине XIX в. Х. Эрстедом и А. Ампером. Было установлено, что магнитное поле порождается проводниками с током, и это то самое поле, которое заставляет отклоняться стрелку компаса.

В качестве направления линий магнитной индукции было выбрано направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Опыт показывает, что линии магнитной индукции проводника с током представляют собой окружности, охватывающие проводник, лежащие тем гуще, чем они ближе к проводнику (то есть магнитное поле слабеет с расстоянием).

Классическим правилом для определения направления линий магнитной индукции является правило буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

В современном мире буравчик используется редко, поэтому гораздо удобнее эквивалентное ему правило обхвата правой рукой: если большой палец правой руки при обхвате проводника указывает направление тока, то остальные пальцы укажут направление линий индукции.

Рис. 2. Правило обхвата правой руки.

В отличие от электрического поля, линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца. Магнитное поле, таким образом, является вихревым. Теория не запрещает существование источников линий магнитной индукции — магнитных зарядов, однако в реальности такие заряды пока не обнаружены.

Впоследствии в работах Дж. Максвелла было показано, что магнитное поле, как и электрическое, — это различные проявления более фундаментального электромагнитного поля.

Закон Ампера

Закон, определяющий силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, был открыт А. Ампером в 1820 г.

На проводник с током в магнитном поле действует сила (названная впоследствии силой Ампера), равная произведению тока в проводнике, модуля магнитной индукции, длины проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции.

Формула закона Ампера:

$$F= I |\overrightarrow B| Δl sin \alpha$$

Для определения направления силы Ампера используется правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца указывали бы направление тока, то большой палец укажет направление силы Ампера.

Рис. 3. Правило левой руки.

Что мы узнали?

Проводники с током взаимодействуют друг с другом с помощью магнитного поля. Это поле порождается движущимися электрическими зарядами и любым проводником с током. Сила взаимодействия токов называется силой Ампера. Ее модуль определяется по закону Ампера, а направление — мнемоническим правилом левой руки.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 121.

---

А какая ваша оценка?

Магнитное взаимодействие токов

Магнитные явления известны людям еще с древнего мира. Компас появился свыше 4,5 тысяч лет назад. В Европе его изобрели примерно в XII веке н.э. Но только в XIX веке ученые обнаружили связь между электричеством и магнетизмом, благодаря чему появились первые представления о магнитном поле.

Датский физик Х. Эрстед в 1820-м году в своих первых экспериментах выявил глубокую связь между электрическими и магнитными явлениями. Опыты ученого показали: на магнитную стрелку, которая находится рядом с электрическим проводником, действуют силы, стремящиеся ее повернуть. В это же время французский физик А. Ампер проводил наблюдения над силовым взаимодействием 2-х проводников с токами и открыл закон взаимодействия токов.

С точки зрения современной науки, проводники с током взаимодействуют друг с другом не непосредственно, а при помощи окружающих их магнитных полей.

Определение 1

Электрические заряды или токи – это источники магнитного поля. Магнитные поля возникают в пространстве, окружающем проводники с током, так же, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникают электрические поля. Магнитные поля постоянных магнитов тоже создаются электрическими микротоками, которые циркулируют внутри молекул вещества (согласно гипотезе Ампера).

Ученые в XIX веке пытались разработать теорию магнитного поля аналогично теории электростатики, вводя в наблюдения магнитные заряды 2-х знаков: северного N и южного S полюсов магнитной стрелки. Но эксперименты показали, что изолированные магнитные заряды не существуют.

Магнитные поля токов принципиально не такие, как электрические поля. Магнитные поля, в отличие от электрических, оказывают силовое действие лишь на движущиеся заряды (токи).

Определение 2

Для описания магнитных полей введем силовую характеристику поля, которая аналогична вектору напряженности E→ электрических полей. Данной характеристикой будет вектор магнитной индукции B→ он определяет силы, действующие на токи либо движущиеся заряды в магнитных полях.

Определение 3

Положительным направлением вектора B→ будет направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно ориентирующееся в магнитном поле. Так, при исследовании магнитных полей, создаваемых током или постоянным магнитом, при помощи маленькой магнитной стрелки, в каждой точке пространства определяется направление вектора B→. Данный опыт позволяет наглядно воспроизвести пространственную структуру магнитных полей.

Линии магнитной индукции

Определение 4

По аналогии построения силовых линий в электростатике строятся линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор B→ направляется по касательной.

Пример 1

Смотрите пример линий магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током на рисунке 1.16.1.

Рисунок 1.16.1. Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.

Обращаем внимание, что линии магнитной индукции все время замкнутые, и ни в каком месте не обрываются. Из этого следует, что у магнитных полей нет источников – магнитных зарядов.

Определение 5

Вихревые силовые поля – это поля, обладающие свойством магнитной индукции.

Пример 2

Мы можем наблюдать картину магнитной индукции при помощи мелких опилок железа, которые в магнитном поле намагничиваются и, наподобие маленьких магнитных стрелок, ориентируются вдоль линий индукции.

Чтобы дать количественную оценку магнитному полю, укажем способ определения направления вектора B→ а также его модуля. Для этого внесем в рассматриваемое магнитное поле проводник с током и измерим силу, оказывающую действие на отдельный прямолинейный участок данного проводника. Длина участка проводника Δl должна быть достаточно мала по сравнению с размерами областей неоднородности магнитного поля. Согласно опытам Ампера, действующая на участок проводника сила пропорциональна силе тока I, длине Δl данного участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции.

Закон Ампера

Определение 6

Сила Ампера равна F~IΔl sin α. Максимальное по модулю значение Fmax  сила Ампера достигает, когда проводник с током находится перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Определение 7

Модуль вектора магнитной индукции B→ равняется отношению максимального значения силы Ампера, которая действует на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и длине Δl: B=FmaxI∆l.

В общем случае сила Ампера вычисляется по формуле, которая является законом Ампера:

F=IBΔl sin α.

Определение 8

Тесла (Тл) — единица измерения магнитной индукции в СИ. Она показывает, что максимальная сила Ампера 1 Н действует на каждый метр длины проводника с силой тока 1 А:

1 Тл=1НА·м

Пример 3

Тл – крупная единица измерения. Например, магнитное поле нашей планеты приближенно равняется 0,5·10–4 Тл. Для сравнения, большой лабораторный магнит создает поле не более, чем  5 Тл.

Правило левой руки и правило Буравчика

Согласно закону Ампера, сила Ампера находится перпендикулярно вектору магнитной индукции B→ и направлению тока, проходящего по проводнику. Чтобы определить направление силы Ампера часто используют одно правило. Вот его пример.

Пример 4

Правило левой руки: расположите левую руку таким образом, чтобы линии индукции B→ входили в ладонь, а вытянутые пальцы направлялись вдоль тока, тогда отведенный большой палец покажет направление силы, которая действует на проводник (рисунок 1.16.2).

Рисунок 1.16.2. Правило левой руки и правило буравчика.

Если угол α между направлениями вектора B→ и тока в проводнике. Больше или меньше 90°, тогда для выяснения направления силы Ампера F→ удобнее использовать правило буравчика.

Пример 5

Воображаемый буравчик находится перпендикулярно плоскости с вектором B→ и проводником с током, потом его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора B→. Поступательное перемещение буравчика укажет направление силы Ампера F→ (рисунок 1.16.2). Данный способ определения направления силы Ампера также известен, как правило правого винта.

Магнитное взаимодействие параллельных токов

Пример 6

Важный пример магнитного взаимодействия – это взаимодействие параллельных токов. Закономерности данного явления экспериментально установил Ампер. Если по 2-м параллельным проводникам электрические токи протекают в одну сторону, то происходит взаимное притяжение проводников. Если электрические токи протекают в противоположных направлениях, то в таком случае проводники отталкиваются друг от друга.

Определение 9

Взаимодействие токов вызвано их магнитными полями: магнитное поле 1-го тока действует силой Ампера на 2-ой ток и наоборот.

Как демонстрируют опыты, модуль силы, которая действует на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силе тока I1 и I2 в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

F=kI1I2∆tR

Определение 10

В Международной системе единиц измерения коэффициент пропорциональности k записывают следующим образом:

k=μ02π,

где μ0 – это постоянная величина, которая называется магнитной постоянной.

Введение магнитной постоянной в систему измерения упрощает запись нескольких формул. Ее числовое значение равняется:

μ0=4π·10–7 HA2≈ 1,26·10–6 HA2.

Определение 11

Формула, которая выражает закон магнитного взаимодействия параллельных токов, имеет вид: F=μ0I1I2∆l2πR

Из нее легко вывести формулу для определения индукции магнитного поля каждого из прямолинейных проводников. Магнитное поле прямолинейного проводника с током обладает осевой симметрией и, значит, замкнутые линии магнитной индукции могут выступать лишь в качестве концентрических окружностей, располагающихся в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Данный факт означает, векторы B1→ и B2→ магнитной индукции параллельных токов I1 и I2 располагаются в плоскости, перпендикулярной 2-м токам. Потому при исчислении сил Ампера, действующих на проводники с током, в законе Ампера предполагаем sin α=1. По закону магнитного взаимодействия параллельных токов выходит, что модуль индукции B магнитного поля прямолинейного проводника с током I на расстоянии R равен соотношению

B=μ0I2πR

Чтобы добиться притяжения параллельных токов при магнитном взаимодействии и отталкивания антипараллельных токов, необходимо расположить линии магнитной индукции по направлению часовой стрелки, если смотреть вдоль проводника по направлению тока. Для выявления направления вектора B→ магнитного поля прямолинейного проводника тоже используется правило буравчика: направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора B→ если при поворотах буравчик перемещается в направлении тока (рисунок 1.16.3).

Рисунок 1.16.3. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

Рисунок 1.16.4. Магнитное взаимодействие параллельных и антипараллельных токов.

Рисунок 1.16.4 наглядно объясняет закономерность взаимодействия параллельных токов.

Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током применяется в СИ для вычисления единицы силы тока – ампера.

Определение 12

Ампер – это сила неизменяющегося тока, который при протекании по 2-м параллельным проводникам бесконечной длины и очень маленького кругового сечения, расположенным на одном метре друг от друга в вакууме, вызвал бы между данными проводниками силу магнитного взаимодействия величиной 2·10–7 Н на каждый метр длины.

Рисунок 1.16.5. Модель взаимодействия параллельных токов.

Рисунок 1.16.6. Модель рамки с током в магнитном поле.

Электрические токи — Магнитные поля

Взаимодействия между электрическими токами и магнитными полями создают силы. Магнитная сила, действующая на ток в магнитном поле = ток x смещение поперек магнитного поля . Эту силу можно предсказать, используя правило правой руки. Когда два тока направлены через магнитные поля в одном направлении, они притягиваются. Когда они направлены в противоположные стороны, они будут отталкиваться.

электрический ток магнитное поле

Хорошо, давайте поговорим о взаимодействии между токами и магнитными полями. Теперь есть два основных типа взаимодействия. У нас есть только ток, который находится в магнитном поле, он почувствует на себе силу, и это первое, о чем мы собираемся поговорить, а затем есть еще одно взаимодействие, связанное с магнитным полем, которое будет генерировать сам ток, и это отдельный мы поговорим об этом через минуту.

Итак, во-первых, если у меня есть ток в магнитном поле, ток состоит из множества движущихся зарядов, и каждый раз, когда у меня есть движущиеся заряды в магнитном поле, у меня есть сила, так что давайте посмотрим, можем ли мы связать эту силу, используя закон силы Лоренца, с током. Что ж, у нас будет пересечение скорости заряда с магнитным полем. Что мы собираемся сделать, так это представить скорость как смещение над изменением во времени, а затем мы собираемся подложить это изменение во времени под заряд. Что хорошо в этом, так это то, что заряд с течением времени представляет собой ток, а это говорит нам о том, что магнитная сила, действующая на ток в магнитном поле, равна просто произведению тока на смещение, пересекающее магнитное поле. Хорошо, давайте посмотрим на это в действии. Хорошо, магнитное поле направлено на доску, у нас есть ток, и я хочу знать, в каком направлении сила, хорошо, это дельта или смещение, которое представляет собой вектор, который просто идет вверх от того места, где он входит, туда, где он выходит из поля там так, что сила слева.

Хорошо, а теперь предположим, что у меня есть такая ситуация, когда провода изогнуты? Что ж, дельта r, пока магнитное поле постоянно, дельта r — это вектор от места, где ток входит в поле, до места, где он выходит, так что это будет дельта r, так что теперь все, что мне нужно сделать, это положить большой палец в направлении дельты. r, мои пальцы в направлении магнитного поля и моя ладонь указывает в направлении силы. Обратите внимание, что это своего рода комбинация между тем, что было бы, если бы у меня было просто прямо вверх, и тем, что было бы, если бы у меня было просто горизонтально, хорошо, это комбинация, это векторная сумма этих двух вещей.

Хорошо, давайте решим пример задачи, поэтому я хочу узнать силу, приложенную к 50-сантиметровому проводу, несущему ток 5 ампер вверх в магнитном поле 3 тесла за пределы доски. Хорошо, сначала давайте проложим направление, 3 Тесла вне доски, верно? У меня ток идет вверх и большой палец так и сделает, пальцы сила направлена ​​вправо все в порядке. Что это за сила? Хорошо, f равно ILB, I — ток, L — длина вектора смещения, теперь мы можем использовать это только в том случае, если смещение с током и магнитное поле перпендикулярны, иначе нам понадобилась бы часть того, что было перпендикулярно, но большинство этих задач уже перпендикулярны, поэтому мы будем делать ток. Что это было? 5 ампер длина 50 сантиметров, но, конечно, мы должны работать в единицах СИ, поэтому мы напишем пункт 5, хорошо? И тогда у нас есть магнитное поле 3 Тесла 5 раз точка 5 два с половиной, два с половиной раза 3 о боже, три четверти это 75 центов, так что это будет 7 с половиной ньютонов, и вот вы идете это так просто, единственное, о чем иногда вам, возможно, придется беспокоиться, это то, что, возможно, ток не перпендикулярен магнитному полю, и тогда вам просто нужно взять компонент, который перпендикулярен, это не должно быть легко найти не должно быть трудно .

Хорошо, давайте посмотрим на второй случай. Теперь это несколько отличается, поэтому сила между проводами. Хорошо, если у меня есть два провода, по которым течет ток в одном направлении, они будут воздействовать друг на друга, почему? Ну, потому что этот верхний провод создает магнитное поле только потому, что он несет ток, так что магнитное поле я получаю, используя правило правой руки, хватая этот верхний провод большим пальцем в направлении тока, а затем смотрю вниз под провод, магнитное поле направлен в плату, так что это означает, что этот ток, поскольку он находится в непосредственной близости от этого другого провода, находится в магнитном поле, которое направлено в плату, хорошо, бум, бум, посмотри на это! На этот нижний провод действует сила, действующая вверх, а это означает, что если два тока имеют одинаковое направление, магнитная сила между ними будет притягательной. Теперь мы можем понять это непосредственно из диаграммы магнитного поля, так что вот два тока, они оба выходят из платы, что означает, что они в одном направлении, верно? Поэтому я хочу знать, как выглядит магнитное поле для обоих этих парней. Итак, начнем. Я схвачу провод большим пальцем, указывающим в направлении тока, а мои пальцы будут магнитным полем, так что это магнитное поле будет вращаться вот так.

А здесь? То же самое, хорошо, есть следующая строка, следующая строка, и теперь, когда мы становимся больше, замечаем, что в середине это магнитное поле ослабевает, а то поднимается, так что это позволит им отменить, так что мы получаем эти странные очки, выглядящие как фигура. хорошо, а затем мы продолжим и посмотрим, как вы можете видеть притяжение на этой диаграмме, потому что магнитное поле может гаснуть в середине, и это означает, что оно не так сильно в середине, хорошо? И это будет хорошо притягивать два провода вместе. Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы изменим направление этого донного течения, так что теперь оно пойдет в другую сторону. Магнитное поле остается прежним, потому что я не изменил верхний ток, но теперь посмотрите, что происходит, когда я выполняю правило правой руки, я получаю отталкивающую силу, поэтому, когда два тока идут в противоположном направлении, я получаю отталкивание, так что это немного странно, потому что с зарядами противоположности притягиваются, но с токами противоположности отталкиваются, так что давайте посмотрим, как это происходит, у нас здесь есть отталкивание, и давайте посмотрим, что покажет нам линия магнитного поля, так что мы вышли из, хорошо давайте нарисуем эти. Теперь здесь я должен вставить большой палец, так что это означает, что я буду получать круги, но они будут идти в другую сторону, ну, в середине обратите внимание, что они больше не могут отменить, так что это означает, что, пока я продолжаю рисовать их они собираются распространить на другую сторону, но я больше не могу делать эту фигуру из очков, потому что теперь все эти силовые линии направлены одинаково, так что это отталкивание, так что, когда токи направлены в противоположных направлениях, они отталкиваются то же направление, в котором они притягиваются, именно это и привело к определению ампера.

Ампер — это сила тока, которая течет по двум идентичным очень длинным проводам, параллельно расположенным на расстоянии одного метра друг от друга, и ощущает силу в 2 раза по 10 минус 7 ньютонов, и это на самом деле определение ампера, немного странно, но это взаимодействие токов с магнитными полями.

Что происходит с проводом с током в магнитном поле? | Научный проект

Научный проект

Электрическая энергия переносится током , представляющим собой поток электронов. Электроны  являются отрицательно заряженными субчастицами атомов. Этот перенос электронов из одного места в другое питает наши фонари, телефоны, бытовые приборы и многие другие вещи, которыми мы пользуемся каждый день. Еще одно интересное явление протекающего тока заключается в том, что он создает собственное магнитное поле. Электричество и магнетизм очень тесно связаны в том, что все токи замкнутого контура создают свои собственные магнитные поля, а магнитные поля, действующие на замкнутые контуры, могут создавать ток или даже изменять его направление.

Как магнитное поле влияет на провод с током?

Скачать проект

• Сильный подковообразный магнит
• Длинный изолированный провод
• Инструмент для зачистки проводов
• D батарея
• Изолента

1. Зачистите 1 дюйм изоляции с каждой стороны провода.
2. Положите подковообразный магнит на бок на плоскую поверхность.
3. С помощью небольшого кусочка изоленты прикрепите металлическую часть одного конца провода к отрицательной клемме аккумулятора.
4. Пропустите провод между ножками подковообразного магнита.
5. Удерживая изолированную часть провода, прикоснитесь открытым концом провода к плюсовой клемме аккумулятора. В каком направлении течет электрический ток? Почему лучше держать изоляцию провода, а не металл? Запишите свои наблюдения.

6. Переверните магнит и повторите эксперимент. Какие изменения, если что? Запишите свои наблюдения.

Проволока будет отгибаться от полюсов магнита.

Электрические токи всегда создают свои собственные магнитные поля. Поведение и ток всегда можно описать правилом правой руки .  Сделайте рукой знак «большой палец вверх» следующим образом:

Ток будет течь в направлении, на которое указывает большой палец, а направление магнитного поля будет описываться направлением пальцев.

Это означает, что когда вы меняете направление тока, вы также меняете направление магнитного поля. Ток течет от отрицательного конца батареи по проводу к положительному концу батареи. Это может помочь вам определить направление магнитного поля.

Магниты, как и подковообразный магнит, используемый в этом упражнении, имеют два полюса , южный и северный. Фраза «противоположности притягиваются» применима к магнитам; поэтому взаимодействия север-юг слипаются, а взаимодействия север-север и юг-юг отталкивают или отталкивают друг друга. Поскольку магнитное поле, создаваемое электрическим током в проводе, меняет направление вокруг провода, оно будет отталкивать оба полюса магнита, отклоняясь от провода. В зависимости от того, какой полюс находится вверху (отметка на вашем магните может указать вам, где находится север или юг), провод будет изгибаться от магнита или дальше в букву «U».

Заявление об отказе от ответственности и меры предосторожности

Education. com предоставляет идеи проекта научной ярмарки для ознакомления только цели. Education.com не дает никаких гарантий или заявлений относительно идей проекта научной ярмарки и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких информация. Получая доступ к идеям проекта научной ярмарки, вы отказываетесь и отказаться от любых претензий к Education.com, возникающих в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и проектным идеям научной ярмарки покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, включая ограничения об ответственности Education.com.

Настоящим предупреждаем, что не все проектные идеи подходят для всех отдельных лиц или во всех обстоятельствах. Реализация любой идеи научного проекта следует проводить только в соответствующих условиях и с соответствующими родителями. или другой надзор. Чтение и соблюдение мер предосторожности всех материалы, используемые в проекте, является исключительной ответственностью каждого человека.