Закон Ампера. Электроизмерительные приборы

Физика

Урок № 30

«Магнитное поле»

Тема: «Закон Ампера. Электроизмерительные приборы»

1. Действие магнитного поля на проводник с током.

2. Сила Ампера. Правило левой руки.

3. Рамка с током в магнитном поле.

4. Устройство электродвигателя постоянного тока.

5. Применение электродвигателей.

1. Впервые термин «магнитное поле» ввел в 1845 году М. Фарадей, классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах XX века.

Определение

Магнитное поле (МП) это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.

Основные свойства магнитного поля, полученные из экспериментов:

• магнитное поле материально, т. е. существует независимо от наших знаний о нем; 

• порождается только движущимся электрическим зарядом: вокруг любого движущегося заряженного тела существует магнитное поле. Магнитное поле может быть создано и магнитом, но и там причиной появления поля является движение электронов. Магнитное поле может быть создано и переменным электрическим полем;

• обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;

• магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Источниками магнитного поля являются электрические движущиеся заряды (токи) и изменяющееся во времени электрическое поле.

Магнитное поле, в отличие от электрического, не оказывает действия на покоящийся заряд. Сила возникает лишь тогда, когда заряд движется.

Важнейшее проявление магнитного поля – это, действие его на дви­жущиеся заряды. Для демонстрации этого явления собираем установку из дугообразного постоянного магнита и длинного гибкого провода, присое­диненного последовательно с реостатом к аккумулятору. Горизонтальный участок провода располагают в магнитном поле магнита.

При замыкании цепи наблюдается отклонение провода, при размыкании -возвращение его к положению равновесия. Делается вывод; магнитное поле действует с некоторой силой на провод с током.

При изменении направления электрического тока в проводнике изменяется и направление движения проводника, а значит и действующей на него силы.

2. Сила Ампера. Направление действующей на проводник с током силы в магнитном поле (силы Ампера) можно определить, пользуясь правилом левой руки: Левую руку надо расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца должны быть направлены по направлению тока, а большой палец отогнутый на 90 градусов укажет направление силы Ампера.

Сила Ампера тем больше, чем сильнее магнитное поле магнита, чем больше сила тока в проводнике, а также зависит от длины проводника и его расположения в магнитном поле. Под действием силы Ампера, проводники с током притягиваются, либо отталкиваются. Это зависит от направления токов в проводниках.

3. В практике часто используют действие магнитного поля на рамку с током. Поворот рамки учитель объясняет, применяя правило левой руки к каждому вертикальному участку рамки. При изменении направления тока в рамке она будет поворачиваться в обратном направлении. То же самое мы наблюдаем, поменяв местами полюсы магнита.

Пользуясь правилом левой руки, мы уже выяснили, что магнитное поле, действуя на вертикальные стороны рамки, вынуждает ее поворачиваться так, что ее плоскость располагается перпендикулярно силовым линиям поля. При этом по инерции рамка каждый раз проходит несколько дальше положения равновесия. Если в момент прохождения рамкой положения равновесия каждый раз изменять направление тока в ней, то она будет непрерывно вращаться.

Наблюдая опыт, учащиеся должны отчетливо представлять, что враще­ние рамки происходит в результате действия магнитного поля на проводники с током, и что в этом процессе происходит превращение электрической энергии в механическую. На рассмотренном явлении основано устройство электродвигателей.

4. В электродвигателях обмотка состоит из большого числа витков про­волоки. Магнитное поле, в котором вращается якорь такого двигателя, соз­дается сильным электромагнитом. Электромагнит питается током от того же источника, что и обмотка якоря.

Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение в транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы).

Полезно будет рассказать о первом электродвигателе и его изобретателе -русском ученом Б. С. Якоби.

IV. Закрепление изученного

С целью закрепления материала в конце урока можно обсудить решения следующих качественных задач:

В троллейбусах установлены электродвигатели постоянного тока. Притягиваются или отталкиваются провода троллейбусной линии?

2. Два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются. Почему же два параллельных электронных пучка отталкиваются? Можно ли поставить опыт так, чтобы параллельные проводники, по которым текут токи в одном направлении, тоже отталкивались?

Силовой характеристикой магнитного поля в каждой его точке является векторная величина , называемая вектором магнитной индукции поля.

За направление вектора магнитной индукции принимается то, в котором устанавливается свободная (воображаемая) магнитная стрелка, или нормаль к витку с током.

Вектор индукции магнитного поля направлен от южного полюса стрелки (свободно вращающейся в магнитном поле) к северному.

Модуль магнитной индукции определяется как отношение максимальной силы, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины м, к силе тока в проводнике:

В СИ единицей индукции магнитного поля является 1 Тесла (Тл): ТлНАм.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами). Для определения направления вектора индукции магнитного поля в проводнике с током применяют правило буравчика, или правило правой руки:

• для прямого проводника с током правило правой руки имеет следующий вид: большой палец правой руки, отставленный на, направляем по току, тогда четыре согнутых пальца, обхватывающих проводник, укажут направление вектора индукции магнитного поля;

• для витка (катушки) с током правило правой руки имеет следующий вид: четыре согнутых пальца правой руки, обхватывающих виток (катушку), направляем по току, тогда большой палец, отставленный на, укажет направление вектора индукции магнитного поля в центре витка.

Задача№1

Горизонтальные рельсы находятся в вертикальном однородном магнитном поле на расстоянии l = 0,3 м друг от друга. На рельсах лежит стержень, перпендикулярный им. Какой должна быть индукция магнитного поля, для того чтобы стержень начал равномерно двигаться вдоль рельсов, если по нему пропускать ток силой I = 50А? Коэффициент трения стержня о рельсы μ = 0,2, масса стержня m = 0,5 кг.

Дано: Решение:

l = 0,3м при пропускании тока по стержню (сделать подр. чертеж)

μ = 0,2 на него действует сила Ампера,

I = 50А модуль которой   и сила трения

m = 0,5 кг 

B-? стержень будет двигаться равномерно,

если модули этих сил равны:

Отсюда, 

Ответ:  .

Задача№2

Рамка площадью s=25 см², содержащая n=100 витков провода, помещена в однородное магнитное поле так что индукция B параллельна плоскости рамки. При величине тока в каждом витке I=1А на рамку со стороны магнитного поля действует момент силы M=5*10^-3 Н*м. Определите величину B вектора индукции магнитного поля.

Д ано: Решение:

S=25 см²=25*10^-4м² Механический момент, действующий на рамку с током в N=100 магнитном поле

I=1A  ,

α=90⁰ (угол м/у нормалью к поверхности рамки и направлением магнитного поля)

M=5*10^-3Н*м Магнитный момент рамки с током (короткой катушки)

B -?  ,

получаем,   , значит

 =

Ответ: В= .

Задача№3

Прямолинейный проводник с током помещен в однородное магнитное поле с индукцией B=0,2 Тл. Найдите величину силы, действующую на проводник, если его длина l=10 см, величина тока I = 3 А, а направление тока составляет с направлением вектора индукции магнитного поля α = 45⁰.

Д ано: Решение:

В=0,2Тл 

l=0,1м 

I=3A

α = 45⁰

F_A-?

Ответ: .