“Изготовление экспериментальной установки для демонстрации взаимодействия параллельных токов”

Конференция НОУ «Интеллект»

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя школа №12

проект по физике на тему

“Изготовление экспериментальной установки

для демонстрации взаимодействия параллельных токов”

Выполнил: Никитин Арсений

ученик 8 “Б” класса

Научный руководитель:

Сиднева Вера Александровна,

учитель физики

г.Бор

2026 г

Содержание

Введение

Физика – это не только научные книги и сложные законы, огромные лаборатории, но еще интересные эксперименты и занимательные опыты, забавные игрушки-самоделки.

Физика — естественная наука. Источником знаний для неё является практическая деятельность: наблюдения, экспериментальное исследование явлений природы.

Правильность физических знаний проверяется экспериментом. В основе физических исследований лежит установление фактов путём наблюдения и эксперимента. Чтобы поставить физический опыт, необходимо иметь приборы и измерительные инструменты. Но не всегда в кабинете физики имеется необходимое оборудование. Исследовательские установки можно изготовить и самому. Считается, что талантливее тот исследователь, который может поставить опыт и получить хорошие результаты не только на сложных, а и на более простых приборах. Сложное оборудование обоснованно применять только в тех случаях, когда без него нельзя обойтись. Мне кажется, что не надо пренебрегать самодельными приборами - гораздо полезнее сделать их самим, чем пользоваться покупными.

Актуальность работы связана с тем, что в нашем кабинете нет прибора для демонстрации силы Ампера, чрезвычайно важной темы в курсе физики средней школы, а для более полного понимания темы электромагнетизм, необходимо детально рассмотреть раздел взаимодействия двух параллельных проводников с током. Физика наука экспериментальная и создание приборов своими руками способствует лучшему усвоению законов и явлений.

При изучении физических явлений возникает огромное количество различных вопросов. На многие вопросы дать ответ может учитель, но насколько интереснее добыть ответы путём собственного самостоятельного исследования.

На основе магнитных явлениях построено действие электротехнических устройств. Все современные электромоторы, генераторы и множество других электромеханических приборов работают по принципу взаимодействия электрического тока с окружающими его магнитными полями. Эти взаимодействия описывает знаменитый закон Ампера, названный так в честь своего первооткрывателя.

На каждом уроке физики должны быть опыты, причем не в качестве иллюстрации изучаемой теории, а как основные этапы урока. Самый ценный эксперимент тот, что учащийся подготовил самостоятельно, опираясь на помощь учителя. Поэтому изготовление демонстрационных установок по физике является актуальным.

Гипотеза: силами учащихся можно сконструировать для кабинета физики достаточно простые и наглядные приборы, например, как этот, для демонстрации силы Ампера. То есть при отсутствии данного прибора в физической лаборатории, самодельный прибор сможет заменить недостающую установку при демонстрации и объяснении темы.

Цель работы – создать экспериментальную установку, которая позволит наглядно показать действие силы Ампера на проводник с током.

Проблема: как в простом и доступном опыте доказать существование силы Ампера и убедиться, что направление этой силы определяется правилом левой руки?

Задачи:

1. Изучить теоретический материал и статью В.В. Майера и Е.И. Вараксиной, в которой предложена простая установка для демонстрации силы Ампера.

2. Изготовить прибор и провести ряд опытов по наблюдению действия магнитного поля на проводник с током.

Практическая значимость: установка может использоваться на уроках физики при изучении силы Ампера.

Теоретическая часть

Фундаментальным свойством магнитного поля является его действие на движущиеся заряды и проводники с током. Датским физиком Х. Эрстедом в 1820 году было впервые обнаружено действие электрического тока на магнитную стрелку, тем самым было доказано, что электрический ток является источником магнитного поля. Сразу же после открытия Эрстеда французский ученый А. Ампер провел экспериментальное исследование силового взаимодействие электрических токов. На основании этих экспериментов Ампером был сформулирован закон взаимодействия электрических токов.

По своей сути он подобен закону взаимодействия точечных зарядов (закону Кулона). Но вместо точечных зарядов в этом законе используется понятие небольших по размеру проводников с током.

Действие магнитного поля на проводник с током было обнаружено А.А. Ампером (1775— 1836) в 1820 году.

Оно заключался в том, что подвешенный горизонтально проводник находится в поле постоянного подковообразного магнита (рис.1).

Поле магнита сосредоточено в основном между его полюсами, поэтому магнитная сила действует практически только на часть проводника, расположенную непосредственно между полюсами магнита. На проводник действует сила F. Она направлена горизонтально, перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции. Это видно по отклонению проводника. Действие силы зависит от направления тока в проводнике и линий магнитного поля.

По правилу левой руки можно установить направление силы Ампера, действующей на проводники с токами (рис.2).

рис. 2

Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока, тогда отогнутый на большой палец укажет направление силы Ампера.

Сила Ампера равна нулю, если проводник с током расположен вдоль линий магнитной индукции, и максимальна, если проводник перпендикулярен этим линиям.

Опыты Ампера показали, что магнитные поля, создаваемые токами в параллельных проводниках, приводят к возникновению силы взаимодействия (силы Ампера). Его открытия стали первыми шагами в развитии электромагнетизма [5].

Проведем опыт, чтобы доказать наличие сил ампера в проводниках, по которым приходить электрический ток.

Есть 2 возможных варианта.

Вариант 1: Токи в одном направлении

1. Замкнуть цепь так, чтобы ток в обоих проводниках шёл в одну сторону.

2. Наблюдать притяжение проводников.

Вариант 2: Токи в противоположных направлениях

1. Изменить подключение одного из проводников, чтобы токи текли в противоположные стороны.

2. Наблюдать отталкивание проводников.

Объяснение явления:

По закону Ампера, два проводника с током создают вокруг себя магнитные поля.

Если токи идут в одну сторону, их магнитные поля складываются так, что между проводниками возникает сила притяжения.

Если токи направлены противоположно, магнитные поля взаимодействуют так, что проводники отталкиваются.

Формула силы Ампера для параллельных проводников:

μ₀ — магнитная постоянная,

I₁, I₂ — силы токов в проводниках,

d — расстояние между проводниками,

L — длина взаимодействующих участков.

Вывод: Эксперимент наглядно показывает, что электрические токи взаимодействуют через магнитное поле, подтверждая закон Ампера. Это явление лежит в основе работы электродвигателей, реле и других электромагнитных устройств.

Статья В.В. Майера и Е.И Вараксиной

Валерий Вильгельмович Майер  и Екатерина Ивановна Вараксина в журнале «Физика в школе» №8 за 2023год в статье  «Визуализация магнитного поля витка с током в ученическом проекте» представили ученический проект по учебному исследованию магнитного поля витка тонкой катушки с током.  

В работе описан метод построения линий индукции магнитного поля витка с током с помощью магнитной стрелки.

В статье представлено содержание и технология управления ученическим проектом по экспериментальному исследованию магнитного поля тонкой катушки. Описан метод построения линий индукции магнитного поля постоянных магнитов посредством магнитной стрелки.

Статья будет интересна студентам - будущим учителям физики для проведения физических экспериментов в школе, как на уроке физики, так и во внеурочной деятельности! (см Приложение №1)

Я прочитал статью В.В. Майера и Е.И. Вараксиной и мне захотелось сделать какой-нибудь прибор для нашего кабинета физики.

На основе магнитных явлениях построено действие многих электротехнических устройств. Все современные электромоторы, генераторы и множество других электромеханических приборов работают по принципу взаимодействия электрического тока с окружающими его магнитными полями. Эти взаимодействия описывает знаменитый закон Ампера, названный так в честь своего первооткрывателя. И я поставил перед собой цель – создать экспериментальную установку, которая позволит наглядно показать действие силы Ампера на проводник с током.

Основные особенности установки

1. Простота конструкции

2. Используются легкодоступные материалы:

• Два гвоздя.

• Проводник (медная проволока).

• Крокодильчики;

• Источник тока (батарейка или лабораторный блок питания).

• Основание (деревянная или пластиковая подставка).

Н аглядность эксперимента: По двум проводникам, расположенным параллельно друг другу, пропускают электрический ток. В зависимости от направления тока в  проводниках они либо притягиваются, либо отталкиваются.

При изменении силы тока в проводниках сила взаимодействия между ними также меняется: чем больше сила тока, тем сильнее они притягиваются или отталкиваются. Эту силу можно измерить.

Как было подтверждено экспериментально, сила взаимодействия проводников зависит не только от силы тока в них, но ещё от расстояния между проводниками, их длины и среды, в которой они находятся. Если взять гибкие, тонкие и очень длинные проводники, расположить их параллельно друг другу на расстоянии 1 м в вакууме, то при одинаковой силе тока в проводниках сила их взаимодействия будет иметь определённое значение.

За единицу силы тока приняли силу такого тока, протекание которого по двум тонким длинным параллельным проводникам, находящимся в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает их взаимодействие с силой 2·10^–7 Н, приходящейся на каждый метр длины проводников.

Единицу силы тока в СИ назвали ампером (А) в честь французского учёного Андре Ампера. В настоящее время точность определения ампера на основе взаимодействия проводников с током оказалась недостаточной.

В 2019  г. вступило в силу новое определение ампера, основанное на дискретности электрического заряда. Согласно этому определению, 1  A  — это сила тока, соответствующего потоку 1 / 1,602176634 10^-19 , – элементарных зарядов в  секунду. Благодаря развитию современных технологий оказалось возможным создать аппаратуру, позволяющую воспроизводить ампер в соответствии с новым определением.

Применение в учебном процессе:

Установка позволяет:

1. Показать зависимость силы Ампера от силы тока и магнитной индукции.

2. Иллюстрировать взаимодействие токов.

3. Объяснить принцип работы электродвигателей.

Преимущество предложенной установки:

1. Дешевизна и доступность материалов.

2. Быстрая сборка и настройка.

3. Возможность использования в школьных лабораториях.

Описание взаимодействия магнитных полей

вокруг проводников с током

Поговорим о взаимодействие магнитных полей вокруг проводников с током.

1. Магнитное поле вокруг прямого проводника с током

Ток создаёт круговое магнитное поле вокруг проводника. Направление поля определяется правилом правого винта (буравчика): Если ток течёт в направлении большого пальца, то линии магнитного поля закручиваются по направлению остальных пальцев.

1. Взаимодействие двух параллельных проводников с током

Если токи в проводниках направлены в одну сторону, они притягиваются.

Если токи направлены в противоположные стороны, проводники отталкиваются.

О бъяснение: магнитное поле первого проводника действует на второй проводник с током (и, наоборот) по закону Ампера:

где: B — магнитная индукция

I — сила тока,

L — длина проводника,

Если токи сонаправлены, их поля складываются так, что между проводниками возникает притяжение.

Е сли токи противоположны, поля усиливаются снаружи, создавая отталкивание.

3. Магнитное поле витка и соленоида

Одиночный виток с током создаёт поле, похожее на поле магнита (северный и южный полюсы).

Соленоид (катушка) ведёт себя как полосовой магнит:

Направление полюсов определяется правилом правой руки для соленоида:

Если обхватить катушку так, чтобы пальцы указывали направление тока, то большой палец укажет на северный полюс.

Вывод:

• Магнитные поля проводников с током взаимодействуют:

• Параллельные токи → притяжение или отталкивание.

• Витки и катушки → создают дипольные поля.

• Всё это основа работы электромагнитов, двигателей и трансформаторов.

Экспериментальная часть

Наш прибор предназначен для демонстрации воздействия силы Ампера, созданной магнитным полем двух проводников с током, в зависимости от направления тока.  Данный прибор может быть использован для обучения физике учащихся средних школ, технических колледжей и университетов.

Для того чтобы изготовить прибор я использовал:

1. 2 длинные тонкие палочки для опоры.

2. Соединитель для опоры конструкции.

3. Медную проволку (в качестве проводника)

4. 2 гвоздя.

5. Аккумулятор на батарейках.

6. Деревянная подставка.

7. Оргстекло.

Ход действий:

1. Из шпажек для приготовления люля-кебабе и частей Лего сделал основу конструкции.

2. Поместил ее на платформу.

3. Смотал медную проволку на гвоздь и соединил с деревянной конструкцией.

4. Разрезал оргстекло и сделал купол.

Объяснение происходящего явления

с притяжением и отталкиванием проводников

Почему же происходит явление с отталкиванием и притяжением проводников в данной установке?

Объясняется все просто.

Основная причина — магнитное взаимодействие токов

Электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле (по закону Био Савара-Лапласа или правилу буравчика).

Если два проводника с током расположены параллельно, их магнитные поля взаимодействуют, что приводит к возникновению силы.

Направление токов определяет притяжение или отталкивание

Т оки в одном направлении → притяжение

Магнитные поля складываются таким образом, что между проводниками возникает область с повышенной магнитной энергией. Система стремится уменьшить энергию, сближая проводники.

Т оки в противоположных направлениях → отталкивание

Магнитные поля направлены навстречу друг другу, создавая область с пониженным полем между проводниками. Проводники отталкиваются, чтобы уменьшить это взаимодействие.

Вывод: В ходе данной проектной работе, я создал экспериментальную установку, с помощью которой я смог провести опыт и узнать наличие сил Ампера в проводниках, по которым идет ток.

Заключение

Я понял, что проектная деятельность это очень интересная работа. Она для меня стала эффективных методов обучения, который позволил мне не только усвоить знания, но и развивать навыки самостоятельной работы, критического мышления и творческого подхода к решению проблем. 

У меня был творческий проект и это здорово.

Работая над проектом я более глубоко изучил тему «Магнитное поле».

У меня еще больше повысился интерес к физике. Я с каждым днем хочу изучать ее еще больше и больше.

Проектная деятельность сделала изучение физики более интересным и увлекательным, поскольку я сам выбрал данную тему и теперь могу применить свои знания на практике.

Цель моей работы достигнута - я создал экспериментальную установку, с помощью которой можно провести опыт, где наглядно можно посмотреть притяжение и отталкивание двух проводников, по которым идет ток.

Мой прибор работает.

Список литературы

1. Дягилев Ф. М. Из истории физиков и жизни её творцов. М.: Просвещение. 1986, с 79.

2. Карцев В. Л. Приключения великих уравнений. 3 - е изд. М.: Знание, 1986.7. Энциклопедический словарь юного физика. 2 - е изд. М.: Педагогика, 1991.

3. Майер В.В., Вараксина Е.И. Развиваем физическое мышление свое и своих одноклассников // Потенциал.- 2022.- № 2. – С.69-77.

4. Мансветова Г.П. Физический эксперимент в школе, учеб. пособие / Г.П. Мансветова, В.Ф. Гудкова; Москва, Издательство «Просвещение», 1981

5. Разумовский В. Г. Развитие творческих способностей учащихся в процессе обучения физике: пособ. для учителей. — М.: Просвещение, 1975. — 272 с.

6. Разумовский В. Г., Майер В. В. Физика в школе. Научный метод познания и обучение. — М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2004. — 463 с.

7. Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т. 2.-М.:Наука Гл. редакция физико - математической литературы, 1987.-384 с., ил.

8. Храмов Ю. А. Физики. Биографический справочник. 2 - е изд. М.: Наука, Гл. редакция физико - математической литературы, 1983.

Приложение 1.

Приложение 2.

Валерий Вильгельмович Майер (20 июня 1947 — 28 сентября 2025) — советский учёный-физик, доктор педагогических наук, профессор, Заслуженный деятель науки Удмуртской АССР, Почётный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, известный в России специалист в области дидактики физики.

Некоторые факты из биографии:

• В 1967 году окончил физико-математический факультет Удмуртского государственного педагогического института.

• С 1970 года работал в Глазовском государственном педагогическом институте имени В. Г. Короленко, где прошёл путь от ассистента до профессора и декана физического факультета.

• В 1988 году ему присвоено звание доцента.

• В 1998 году защитил кандидатскую диссертацию.

• В 2002 году избран профессором.

• Написал около 400 научных статей и 6 книг по учебной физике.

• Впервые обосновал необходимость эффективной организации процесса научного познания в современной системе естественнонаучного образования путём такого взаимодействия учителя и ученика.

• Руководил школьными физическими кружками, учительским и студенческим научными семинарами, студенческим конструкторским бюро, учебно-исследовательской лабораторией.

• Б ыл научным руководителем инновационного предприятия «Аргон», которое за несколько лет снабдило сотни школ и десятки высших учебных заведений России современным учебным физическим оборудованием и описаниями новых экспериментов.

• Работал главным редактором журнала «Учебная физика», был ответственным редактором сборников научных трудов «Проблемы учебного физического эксперимента».

• Входил в редакционные советы газеты «Физика» и журнала «Физика в школе».

• Стал инициатором проведения ежегодных всероссийских конференций «Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения».

Умер 28 сентября 2025 года в возрасте 78 лет.

Приложение 3.

Вараксина Екатерина Ивановна — доцент кафедры физики и дидактики физики, ей присуждена учёная степень доктора педагогических наук. 

Защита докторской диссертации состоялась в диссертационном совете Южно-Уральского государственного гуманитарно-педагогического университета.

В работе Вараксина рассматривает ресурсы экспериментальной деятельности субъектов физического образования по трём направлениям: создание новых учебных приборов и опытов, подготовка учителей физики в педагогическом вузе и проектная деятельность школьников. 

Вараксина Е. И.  — один из создателей журнала «Учебная физика», обеспечивает издание сборников «Проблемы учебного физического эксперимента» и проведение Глазовских научных конференций по учебному эксперименту.