2.9. Опыт Эрстеда. Магнитное поле прямого проводника с током. Линии магнитной индукции. Электромагнит

Теоретическая справка

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов (токов).

Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов, проводников с током. Магнитное поле изучают по его действию на магнитную стрелку либо проводник с током или движущиеся заряженные частицы.

В 1820 году датский ученый Х. Эрстед обнаружил магнитное поле вокруг прямого проводника с током. Так было показано, что вокруг проводника с током существует магнитное поле. Опыт Эрстеда показал, что между электрическим и магнитным полем есть взаимосвязь.

Свойства магнитного поля:

  1. Магнитное поле – часть материи, оно существует независимо от нашего сознания;
  2. Источник магнитного поля – электрический ток, также магнитное поле можно обнаружить по его действию на ток;
  3. Магнитное поле – вихревое (т.е. его силовые линии замкнуты);
  4. Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитные линии (линии магнитного поля) — линии, вдоль которых располагаются оси маленьких магнитных стрелок, помещенных в магнитное поле.

Линии магнитного поля:

  1. Можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле;
  2. Являются замкнутыми линиями;
  3. Являются непрерывными.

За направление магнитной линии в какой-либо её точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс маленькой магнитной стрелки, помещённой в эту точку.

В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее.

Если магнитное поле неоднородно (т.е. сила, с которой поле действует на помещённую в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению), то линии магнитного поля искривлены, их густота меняется от точки к точке.

Если магнитное поле однородно (т.е. сила, с которой поле действует на помещённую в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля одинакова как по модулю, так и по направлению), то линии магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле. Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током (см. рисунок выше).

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу правой руки: если обхватить проводник правой рукой так, чтобы отставленный в сторону большой палец указывал направление тока, то остальные пальцы покажут направление огибающих проводник линий магнитного поля, создаваемого этим током.

Важно! При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, магнитное поле прямого проводника с током неоднородное. Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Магнитное поле катушки с током

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков, такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки исследовал М.А. Ампер. Он установил, что магнитное поле катушки с током полностью идентично магнитному полю полосового постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец, т.е. у катушки два полюса, как и у обычного магнита. Катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Для усиления магнитного поля в катушку вставляют стальной сердечник, такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током также находят по правилу правой руки: если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Катушка, длина которой превышает ее диаметр, называется соленоидом. Соленоид представляет интерес прежде всего, потому что внутри него магнитное поле – однородное.

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. Две проводящие спирали подключают к источникам постоянного тока (см. рисунок).

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При подключении к источникам постоянного тока обе катушки превращаются в электромагниты.
2) Точки А и В соответствуют одинаковым полюсам электромагнитов.
3) Между катушками 1 и 2 действуют силы магнитного отталкивания.
4) Между витками в каждой катушке действуют силы магнитного притяжения.
5) В пространстве вокруг катушек существует однородное магнитное поле.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. При подключении к источникам постоянного тока в катушках появляется электрический ток, который создает магнитное поле вокруг них, то есть они становятся электромагнитами.

Утверждение 2 — неверно. По правилу правой руки, линии магнитного поля катушек (токи по ним текут в одном направлении) будут направлены одинаково. Значит противоположные концы катушек будут являться разноименными полюсами. И внутренние концы катушек, также будут являться разноименными полюсами.

Утверждение 3 — неверно. Разноименные полюса притягиваются.

Утверждение 4 — верно. Токи по виткам катушек текут в одном направлении, значит витки притягиваются.

Утверждение 5 — неверно. В пространстве вокруг катушек магнитное поле неоднородно.

Ответ: 14

[свернуть]

2. При пропускании электрического тока через проводку, намотанную на железный болт, к болту притягиваются гвозди (см. рисунок).

Как меняется общее сопротивление электрической цепи и подъемная сила получившегося электромагнита при перемещении ползунка реостата влево? Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:  

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Общее сопротивление Подъемная сила электромагнита
   

Нажмите, чтобы увидеть решение

При перемещении реостата влево, его электрическое сопротивление уменьшается. Согласно закону Ома для участка цепи, сила тока в цепи, а значит и подъемная сила электромагнита, увеличатся.

Ответ: 21

[свернуть]

3. Проводящую спираль подключают к источнику постоянного тока (см. рисунок). В плоскости электрической схемы находятся две магнитные стрелки.

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При замыкании ключа в пространстве вокруг катушки возникает однородное магнитное поле.
2) При замыкании ключа между витками катушки возникает магнитное взаимодействие.
3) При замыкании ключа катушка превращается в электромагнит с южным полюсом в т. В.
4) При замыкании ключа положение магнитная стрелка 1 повернется на 90о в плоскости рисунка по часовой стрелке.
5) При замыкании ключа положение магнитной стрелки 2 не изменится.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. В пространстве вокруг катушек магнитное поле неоднородно.

Утверждение 2 — верно. По виткам катушки течет электрический ток. Проводники с током взаимодействуют друг с другом, благодаря наличию магнитного поля вокруг них

Утверждение 3 — неверно. При подключении к источнику постоянного тока в катушке появляется электрический ток, который создает магнитное поле вокруг нее, то есть она становится электромагнитом. По правилу правой руки, линии магнитного поля катушки будут направлены вниз, т.е. выходить из нижнего конца катушки и входить в верхний. Линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный. Значит нижний конец катушки будет являться ее северным полюсом.

Утверждение 4 — верно. Стрелка установится вдоль линии магнитного поля, т.е. повернется на 90о. Линии магнитного поля направлены вниз, значит стрелка повернется по часовой стрелке.

Утверждение 5 — неверно. Стрелка 2 также установится вдоль линии магнитного поля, которая в указанной области будет направлена вниз, т.е. стрелка повернется.

Ответ: 24

[свернуть]

4. Магнитная стрелка установлена перпендикулярно плоскости рисунка южным полюсом на читателя. Линейный проводник закрепили перпендикулярно магнитной стрелке и собрали электрическую цепь, представленную на рисунке.

При замыкании ключа магнитная стрелка

1) останется на месте
2) повернётся на 180о
3) повернётся на 90о и установится параллельно проводнику южным полюсом слева
4) повернётся на 90о и установится параллельно проводнику северным полюсом слева

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ток в проводнике над стрелкой будет течь справа налево, так как в электрической цепи ток течет от «+» к «−». По правилу правой руки магнитное поле будет образовывать кольца вокруг проводника и в месте положения магнитной стрелки поле будет направлено в направлении «к нам». Следовательно, стрелка своим северным концом также повернется к нам, т.е. повернётся на 180о.

Ответ: 2

[свернуть]

5. Каким физическим явлением объясняется тот факт, что магнитная стрелка компаса ориентируется вблизи электромагнита?

1) электризация тел
2) взаимодействие проводников с током
3) намагничивание вещества в магнитном поле
4) взаимодействие постоянного магнита и проводника с током

Нажмите, чтобы увидеть решение

Вокруг магнитной стрелки компаса есть магнитное поле и вокруг электромагнита также есть магнитное поле. Благодаря взаимодействию этих магнитных полей стрелка компаса ориентируется определенным образом около электромагнита.

Ответ: 4

[свернуть]

 

6. Чтобы намагнитить стальной стержень, на него намотали изолированную проволоку и подключили к постоянному источнику тока. В каком случае стержень намагнитится сильнее — когда в процессе намагничивания его нагревают или когда охлаждают? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: стержень намагнитится быстрее, если его нагревают.

Пояснение. Намагничивание стержня связано с ориентацией магнитных полей каждого атома вдоль магнитного поля, созданного током, проходящим по проволоке. Скорость ориентации зависит от скорости движения молекул. Чем выше температура стержня, тем больше скорость движения молекул, а значит намагничивание происходит быстрее.

[свернуть]

7. На рисунке показано направление электрического тока в проводниках (в первом проводнике ток направлен от нас, во втором – к нам). Как направлены линии магнитной индукции полей, созданных каждым проводником?

1) в обоих случаях – по часовой стрелке
2) в обоих случаях – против часовой стрелки
3) в первом случае – по часовой стрелке, во втором – против часовой стрелки
4) в первом случае – против часовой стрелки, во втором – по часовой стрелке

Нажмите, чтобы увидеть решение

По правилу правой руки в первом случае линии магнитного поля направлены по часовой стрелке, во втором – против часовой стрелки.

Ответ: 3

[свернуть]

8. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитные стрелки располагаются вдоль линий магнитного поля, стрелки 1 и 2 расположены неверно. По правилу правой руки, линии магнитного поля тока направлены по часовой стрелке. За направление магнитной линии принимают направление, которое указывает северный полюс маленькой магнитной стрелки, т.е. стрелка №3 расположена не верно, а стрелка №4 верно.

Ответ: 4

[свернуть]

9. При прохождении электрического тока по проводнику, намотанному на железный сердечник, сердечник приобретает свойства магнита. На каком из рисунков правильно показано положение магнитной стрелки у полюса электромагнита?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитные стрелки располагаются вдоль линий магнитного поля, стрелки 1 и 2 расположены неверно, т.к. в указанной области, линии магнитного поля располагаются вдоль оси катушки, а значит и стрелки должны быть расположен вдоль оси. По правилу правой руки, линии магнитного поля катушки направлены влево, значит и магнитная стрелка должна быть направлена своим северным концом влево. 

Ответ: 4

[свернуть]

10. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки

1) образуются магнитные полюса: на конце 1 – северный полюс; на конце 2 – южный
2) образуются магнитные полюса: на конце 1 – южный полюс; на конце 2 – северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 – отрицательный заряд; на конце 2 – положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 – положительный заряд; на конце 2 – отрицательный

Нажмите, чтобы увидеть решение

По правилу правой руки, линии магнитного поля катушки направлены вправо, т.е. выходят из правого конца катушки. Линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный. Значит на правом конце катушки будет располагаться северный магнитный полюс, а на левом — южный. 

Ответ: 1

[свернуть]

11. У ученика есть провод длиной 1 м, толстый железный гвоздь и батарейка. Он намотал 10 витков провода на гвоздь и подключил его к батарейке. Гвоздь стал притягивать мелкие железные предметы. Что может сделать ученик, чтобы увеличить силу, с которой эти предметы притягиваются к гвоздю? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ответ: ученик может намотать на гвоздь больше витков провода, подсоединить намотанный на гвоздь провод сразу к двум параллельно соединенным батарейкам, укоротить провод.

Пояснение. Гвоздь с витками провода, присоединённый к батарейке, становится электромагнитом. Сила, с которой электромагнит притягивает железные предметы, увеличивается с увеличением числа витков, с увеличением силы тока, которая протекает по проводу.

[свернуть]

12. По вертикальному проводнику течёт электрический ток в направлении, показанном на рисунке. Как направлен вектор магнитной индукции магнитного поля, создаваемого током, в точке А?

1) вертикально вверх ↑
2) вертикально вниз ↓
3) на нас из-за плоскости чертежа ⊙
4) от нас за плоскость чертежа ⊗

Нажмите, чтобы увидеть решение

По правилу правой руки, линии магнитного поля проводника будут направлены по часовой стрелке. Значит в точке А они будут направлены на нас из-за плоскости чертежа. 

Ответ: 3

[свернуть]

13. Какое утверждение является верным?

Магнитное поле создают

А. движущиеся электрические заряды.
Б. неподвижные электрические заряды.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами. 

Ответ: 1

[свернуть]

14. Сделанное из проводника кольцо расположили в горизонтальной плоскости и пустили по нему электрический ток. В ближней к нам части кольца ток течет в направлении, показанном на рисунке. Как направлен вектор магнитной индукции магнитного поля, создаваемого током, в центре кольца?

1) вертикально вверх ↑
2) вертикально вниз ↓
3) вправо →
4) влево ←

Нажмите, чтобы увидеть решение

По правилу правой руки, линии магнитного поля проводника будут направлены вертикально вверх. 

Ответ: 1

[свернуть]

15. По проводнику протекает электрический ток (график зависимости силы тока I от времени t представлен на рисунке). Магнитное поле вокруг проводника существует

1) только в интервале времени от 0 до t1
2) только в интервале времени от t1 до t2
3) только в интервале времени от t2 до t3
4) в интервале времени от 0 до tи от t2 до t3

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитное поле будет существовать пока по проводнику течет электрический ток, т.е. в интервалах времени от 0 до tи от t2 до t3

Ответ: 4

[свернуть]

16. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное стрелка

1) повернется на 90°
2) повернется на 180°
3) повернется на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение

Нажмите, чтобы увидеть решение

Ток в проводнике над стрелкой будет течь справа налево, так как в электрической цепи ток течет от «+» к «−». По правилу правой руки магнитное поле будет образовывать кольца вокруг проводника и в месте положения магнитной стрелки поле будет направлено в направлении «к нам». Следовательно, стрелка своим северным концом также повернется к нам, т.е. повернётся на 180о.

Ответ: 2

[свернуть]

17. Какой набор приборов и материалов можно использовать, чтобы продемонстрировать опыт Эрстеда по обнаружению магнитного поля тока?

1) два полосовых магнита, подвешенных на нитях
2) магнитная стрелка и прямолинейный проводник, подключённый к источнику постоянного тока
3) проволочная катушка, подключённая к миллиамперметру, полосовой магнит
4) полосовой магнит, лист бумаги и железные опилки

Нажмите, чтобы увидеть решение

Для проведения опыта Эрстеда понадобятся магнитная стрелка и прямолинейный проводник, подключённый к источнику постоянного тока.

Ответ: 2

[свернуть]

18. При прохождении электрического тока по проводнику, намотанному на железный сердечник (см. рисунок), сердечник приобретает свойства магнита.

Южный полюс электромагнита находится в области(-ях)

1) А
2) Б
3) В
4) А и Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

По правилу правой руки, линии магнитного поля катушки направлены вправо, т.е. выходят из левого конца катушки. Линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный. Значит на левом конце катушки будет располагаться северный магнитный полюс, а на правом — южный. 

Ответ: 2

[свернуть]

19. По катушке идет электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки

1) образуются магнитные полюса: на конце 1 – северный полюс, на конце 2 – южный
2) образуются магнитные полюса: на конце 1 – южный полюс, на конце 2 – северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 – отрицательный заряд, на конце 2 – положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 – положительный заряд, на конце 2 – отрицательный

Нажмите, чтобы увидеть решение

По правилу правой руки, линии магнитного поля катушки направлены вверх, т.е. выходят из верхнего конца катушки. Линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный. Значит на верхнем конце катушки будет располагаться северный магнитный полюс, а на нижнем — южный. 

Ответ: 1

[свернуть]

20. Сделанное из проводника кольцо расположили в вертикальной плоскости и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции магнитного поля, создаваемого током, в центре кольца?

1) вправо →
2) влево ←
3) на нас из-за плоскости чертежа ⊙
4) от нас за плоскость чертежа ⊕

Нажмите, чтобы увидеть решение

По правилу правой руки, линии магнитного поля катушки направлены на нас из-за плоскости чертежа. 

Ответ: 3

[свернуть]

21. Изучая магнитные свойства проводника с током, ученик собрал электрическую схему, содержащую неподвижно закреплённый прямой проводник, и установил рядом с проводником магнитную стрелку (рис. 1). При пропускании электрического тока через проводник магнитная стрелка поворачивается, как показано на рис. 2 и 3.

Рис. 1

Рис. 2  Рис. 3

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Вокруг проводника с током существует магнитное поле.
2) При увеличении электрического тока, протекающего через проводник, магнитное действие проводника усиливается.
3) При изменении направления электрического тока направление вектора индукции магнитного поля, создаваемого проводником с током, изменяется на противоположное.
4) Магнитные свойства проводника зависят от его размеров.
5) Магнитное действие проводника с током зависит от среды, в которую он помещён.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Утверждение 1 — верно. Отклонение стрелки после пропускания тока свидетельствует о том, что вокруг проводника с током существует магнитное поле.

Утверждение 2 — неверно. Ползунок реостата не перемещался, следовательно ила тока в проводнике не менялась.

Утверждение 3 — верно. При изменении полярности при подключении проводников меняется направление тока в проводнике и при этом меняется ориентация стрелки в пространстве на противоположное направление.

Утверждение 4 — неверно. Размеры проводника не менялись в проводимых опытах.

Утверждение 5 — неверно. Опыты проводились в одной и той же среде.

Ответ: 13

[свернуть]

22. В отсутствие тока в проводнике 1, расположенном перпендикулярно плоскости чертежа, магнитная стрелка располагалась в плоскости чертежа так, как показано на рисунке.

Если по проводнику пропустить ток, то магнитная стрелка, возможно:

А. повернётся на 90°
Б. повернётся на 180°

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я):

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Нажмите, чтобы увидеть решение

Стрелка расположена вдоль магнитной линии, поэтому она при пропускании электрического тока по проводнику либо останется на месте, либо повернется на 180° в зависимости от направления тока. 

Ответ: 2

[свернуть]

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Опыт Эрстеда. Магнитное поле прямого проводника с током. Линии магнитной индукции. Электромагнит (1740 Загрузок )