Онлайн

Наглядная физика. Электромагнитные явления


Поле постоянных магнитов

16 model fieldOfMagnetic

Модель наглядно демонстрирует линии магнитного поля, создаваемое двумя постоянными магнитами. Взаимное положение магнитов можно изменять.

 

 

Подробнее 

В простейших опытах с магнитами взаимодействие между ними проявляется как непосредственное действие магнитов (или их полюсов) друг на друга на расстоянии.
Но для понимания более сложных явлений необходимо использовать понятие магнитного поля.

Ранее в курсе физики уже были рассмотрены поле тяготения( гравитационное поле),создаваемое массами, и электрическое поле, создаваемое электрическими зарядами.
Так, взаимодействие между электрическими зарядами объясняется тем, что каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое действует на другие заряды.
Аналогично, каждый магнит создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на другие магниты. Поле тяготения проявляется своим действием на массы, электрическое поле - действием на электрические заряды.

Магнитное поле  обнаруживается с помощью маленького магнитика (стрелки), который может свободно поворачиваться в пространстве. Все эти три поля в каждой точке пространства характеризуются величиной и направлением.

В магнитном поле магнитная стрелка ориентируется определенным образом. Поскольку она сама является маленьким магнитом, то один из ее полюсов всегда притягивается к ближайшему полюсу большого магнита, а другой от него отталкивается. Поскольку магнитная стрелка мала в сравнении с большим магнитом, то силы действующие на ее полюсы по величине приблизительно равны, но направлены в противоположные стороны. Поэтому они всегда поворачивают стрелку вдоль магнитного поля. Таким образом, мы видим, что магнитное поле в каждой точке пространства характеризуется определенным направлением. В этом направлении указывает северный конец маленькой магнитной стрелки, помещенной в эту точку.


(1) Модель показывает магнитное поле двух одинаково направленных и последовательно расположенных стержневых магнитов. Магниты притягиваются друг к другу. При сближении магнитов внутренние полюсы противоположного типа частично компенсируют друг друга: линии магнитного поля идут из одного полюса в другой. У сдвинутых вплотную магнитов, магнитное поле такое же. как и у одного длинного стержневого магнита.

(2)  Модель показывает магнитное поле двух противоположно направленных и последовательно расположенных стержневых магнитов. Магниты отталкиваются друг от друга.
При сближении магнитов одноименные внутренние полюсы усиливают друг друга.

(3)  Модель показывает магнитное поле двух одинаково направленных и параллельно расположенных стержневых магнитов. Магниты отталкиваются друг от друга.
При сближении магнитов одноименные полюсы усиливают друг друга. Сдвинутые вплотную магниты образуют стержневой магнит.

(4)  Модель показывает магнитное поле двух противоположно направленных и параллельно расположенных стержневых магнитов. Магниты притягиваются друг к другу.
При сближении магнитов разноименные полюсы ослабляют друг друга. Сдвинутые вплотную магниты образуют магнит с четырьмя слабыми полюсами.

(5)  Модель показывает магнитное поле подковообразного магнита, когда вблизи находится железный стержень, притягивающийся к магниту. Железный стержень, приближаясь к магниту все больше и больше, намагничивается,втягивая в себя линии магнитного поля. Магнитное поле в зазорах между стержнем и магнитом усиливается, линии поля становятся гуще. Это используется в технических устройствах: для создания сильного магнитного поля магниты снабжают ферромагнитными наконечниками.
Соприкасаясь с концами магнита, стержень вбирает в себя почти все поле магнита, большая часть силовых линий идет внутри железного стержня. Так работают экраны, используемые для зашиты от магнитного поля.



Магнитное поле Земли

17 model Earth

Эта совсем простая модель наглядно демонстрирует магнитное поле Земли. Показаны также линии магнитного поля Земли.

   

  

Подробнее

Планета Земля обладает собственным магнитным полем.
Для описания этого магнитного поля можно считать, что внутри Земли находится гигантский постоянный магнит. На самом деле вопрос о происхождении магнитного поля Земли сложен и связан с ее внутренним строением и с вращением Земли вокруг своей оси. 

Магнитное поле Земли, на большей части земной поверхности направленное с юга на север,используется для ориентации в незнакомой местности. Компас - это магнитная стрелка (иголка), расположенная на острие так, что может легко поворачиваться в горизонтальной плоскости.Компас можно использовать для определения направлений, благодаря взаимодействию его магнитной стрелки с (очень слабым) магнитным полем Земли. Северный полюс магнитной стрелки направлен в сторону Северного полюса Земли. 

На рисунке источник магнитного поля Земли показан в виде постоянного стержневого магнита. Показаны линии магнитного поля. Точки пересечения оси этого магнита с поверхностью Земли называют магнитными полюсами Земли: N - северный магнитный полюс Земли, S - южный. (Реальные магнитные полюсы расположены на большой глубине.) Ось магнита не совпадает с осью вращения Земли, поэтому магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами.

Итак, Земля представляет собой гигантский магнит. Его южный полюс находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного географического полюса. Линии магнитного поля Земли идут с юга на север.


Опыт Эрстеда

18 model Ersted

Модель опыт демонстрирует появление магнитного поля вблизи проводника с током.

 

 

Подробнее

До 1819 года не было замечено никакой связи между магнитами и электричеством, и никто даже не предполагал, что они могут быть связаны. Чтобы заметить эту связь, достаточно было поместить магнитную стрелку вблизи провода с сильным током. Это сделал впервые в 1819 году профессор Копенгагенского университета Эрстед, читая лекцию об открытиях Гальвани и Вольта. На демонстрационном столе оказались вместе батарея, как у Вольта, и магнитная стрелка на острие. В конце лекции Эрстед, включив ток через провод вблизи стрелки, заметил, что стрелка отклонилась.

В опыте Эрстеда используется источник тока, выключатель, провода и реостат, который ограничивает ток в цепи. Магнитная стрелка направлена на север. Прямой участок провода расположен параллельно магнитной стрелке, над ней. При включении тока стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно проводу. Поворот стрелки означает, что появилось магнитное поле. Причиной его появления стал электрический ток в проводе. Изменим направление тока. Стрелка поворачивается в противоположную сторону. Значит, магнитное поле также изменило свое направление.

Для повторения опыта Эрстеда нужен источник тока, выключатель, провода и реостат (который ограничивает ток). Все эти устройства соединяются последовательно. Первоначально магнитная стрелка направлена на север. Расположим провод параллельно магнитной стрелке. При включении тока стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно проводу. Поворот стрелки означает, что появилось магнитное поле. Причиной его появления стал электрический ток. Изменим направление тока.  Стрелка поворачивается в противоположную сторону, т. е. магнитное поле изменило свое направление.

Опыт демонстрирует появление магнитного поля вблизи проводника с током. Ток или вообще любые движущиеся заряды создают магнитное поле.



Магнитное поле проводника с током

19 model FieldOfConductor

Магнитное поле проводника с током зависит от формы проводника. Модель демонстрирует магнитные поля, создаваемые прямым проводом и соленоидом.

  

 

Подробнее

Магнитное поле проводника с током зависит от формы проводника. В простейших случаях поле может быть описано. При изменении направления тока в проводнике на противоположное, магнитное поле проводника с током изменяет свое направление (в каждой точке) на противоположное. Используя магнитные стрелки, можно получить картину линий магнитного поля для проводников различной формы.

Прямой провод

Силовые линии магнитного поля прямого провода имеют форму концентрических окружностей, охватывающих провод. Величина поля наибольшая вблизи провода, но с удалением от провода убывает. Расположим несколько магнитных стрелок вокруг вертикального отрезка прямого провода. При отсутствии в проводе тока магнитные стрелки будут направлены на север.

Пустим по проводнику достаточно сильный ток. Магнитные стрелки ориентируются определенным образом: северный конец стрелки показывает направление линий магнитного поля прямолинейного проводника с током. Видно, что линии магнитного поля прямого провода являются окружностями, лежащими в перпендикулярных к проводу плоскостях, с центром в проводе. Заметим, что вблизи провода магнитное поле провода неоднородно.

Изменим направление тока.  Магнитное поле изменит направление на противоположное.

Соленоид
Если по катушке (соленоиду) пустить ток, то появится магнитное поле, аналогичное полю постоянного магнита. Внутри соленоида поле имеет наибольшую силу, в небольших областях пространства его можно считать постоянным. Сила магнитного поля соленоида пропорциональна силе тока и числу витков. При изменении направления тока меняется и направление магнитного поля.

Для определения направления магнитных линий соленоида используется правило правой руки. Если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы пальцы расположились вдоль витков в направлении тока, то отставленный в сторону большой палец укажет направление магнитного поля внутри катушки. Ферромагнитный сердечник в соленоиде усиливает возникающее магнитное поле. Ферромагнитный сердечник с намотанным на него проводом называют электромагнитом.



Электромагнит

20 model ElectrMagn

 Электромагниты используются для создания управляемых электрическим током магнитных полей в различных механизмах. Модель наглядно демонстрирует взаимодействие электромагнита и постоянного магнита. Можно изменять число витков в катушке и силу тока в ней. 

Подробнее

Электромагниты используются для создания управляемых электрическим током магнитных полей в различных механизмах (электродвигателях, генераторах, реле).
Например, они используются для крепления обрабатываемых деталей на станках.

Катушку, в форме полого цилиндра, принято называть соленоидом. Если по такой катушке пустить ток, то появится магнитное поле, аналогичное полю постоянного магнита. Внутри соленоида поле имеет наибольшую силу и в небольших областях пространства его можно считать постоянным (однородным).Величина магнитного поля в соленоиде пропорциональна силе тока и числу витков. Изменение направления тока меняет и направление магнитного поля.

Для определения направления магнитных линий соленоида используется правило правой руки. Если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы пальцы расположились вдоль витков в направлении тока, то отставленный в сторону большой палец укажет направление магнитных линий внутри катушки. Изменим направление тока в катушке.Линии магнитного поля соленоида тоже меняют свое направление.

Ферромагнитный сердечник в катушке усиливает возникающее магнитное поле. При пропускании тока через катушку сердечник намагничивается и создает поле, усиливающее поле катушки. Поэтому катушку с ферромагнитным сердечником называют электромагнитом.

Отталкивание

Сила отталкивания магнитов (направленных друг к другу одноименными полюсами) уменьшается с увеличением расстояния между ними. Магнит висит на высоте, на которой сила отталкивания равна его весу. При увеличении силы тока или числа витков в электромагните создаваемое им магнитное поле усиливается и поэтому расстояние между магнитами увеличивается.

Притяжение

На большом расстоянии сила притяжения меньше веса магнита. Если постоянный магнит приподнимать мышкой, то сила притяжения будет увеличиваться, и начиная с некоторой высоты, станет больше его веса. При увеличении силы тока или числа витков в электромагните магнитное поле усиливается.