Магнитное поле и его характеристики. Физика. 11 класс

Урок №2

Тема: «Магнитное поле и его характеристики».

Цель: сформировать представления учащихся о магнитной индукции.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Фронтальный опрос.

- какие взаимодействия называются магнитными?

- что такое магнитное поле?

- какими свойствами обладает магнитное поле?

- опишите опыт Эрстеда?

3. Актуализация опорных знаний.

Ребята, давайте вспомним об электрическом поле:

- чем характеризуется электрическое поле?

(Электростатическое поле характеризуется напряженностью электрического поля Е, которая является его силовой характеристикой)

- как определяется напряженность электрического поля?

(напряженность электрического поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду: , измеряется в )

Если электрическое поле характеризуется напряженностью, то чем же характеризуется магнитное поле?

1. Изучение нового материала.

Векторную характеристику магнитного поля называют вектором магнитной индукции .

Вектор магнитной индукции - векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле (измеряется в Тл). За направление вектора магнитной индукции принимается направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающийся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током (рис. 1.7, б). Положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик (с правой нарезкой), если вращать его по направлению тока в рамке (рис. 1.7, в).

Используя рамку с током или магнитную стрелку, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля.

На рисунках 1.8, 1.9 показаны опыты с магнитной стрелкой, повторяющие опыты с рамкой (см. рис. 1.5, 1.6).

В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности (см. рис. 1.9). Плоскость такой окружности перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода.

Направление вектора магнитной индукции можно найти, не используя магнитную стрелку. Для определения направления вектора магнитной индукции поля, созданного вокруг проводника с током, следует использовать одно из правил:

Правило буравчика Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то 6аправление вращения ручки буравчика указывает направление вектора магнитной индукции.

Правило правой руки Если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец по направлению тока, то кончики остальных пальцев в данной точке покажут направление вектора индукции в этой точке..

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с вектором магнитной индукции в данной точке поля. Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.

Для магнитного поля прямолинейного проводника с током из приведенных ранее опытов следует, что линии магнитной индукции — концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током (см. рис. 1.9). Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.

На рисунке 1.11 показана картина магнитного поля катушки с током (соленоида). Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны и находятся на равных расстояниях друг от друга.

Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками. С этим методом вы уже знакомы.

В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Большое количество таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, точнее выяснить расположение линий магнитной индукции. Примеры картин магнитного поля приведены на рисунках 1.13—1.16.

Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Вспомним, что с электростатическим полем дело обстоит иначе. Его силовые линии во всех случаях имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми. Магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Ж. Био и Ф. Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т.е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Благодаря их трудам удалось рассчитать магнитную индукцию поля прямого тока, поля в центре кругового проводника с током, поля соленоида и поля тороида.

1. Магнитная индукция поля прямого тока – тока, текущего по тонкому прямому проводу .

2. Магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током .

3. Магнитная индукция поля соленоида (катушки с током) , l-длина соленоида.

4. Магнитная индукция поля тороида (кольцевой катушки, витки которой намотаны

на сердечник, имеющий форму тора) .

Итак, мы рассмотрели вектором магнитной индукции. Давайте теперь вернемся к рамке с током. Так как рамка с током испытывает ориентирующее действие поля, то на нее в магнитном поле действует пара сил. Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки и определяется по формуле:

где -магнитный момент рамки с током. α – угол между перпендикуляром к плоскости контура и направлением магнитных силовых линий. S – площадь поверхности рамки.

Для плоского контура с током магнитный момент равен:

.

Магнитный момент рамки короткой катушки:

.

Для магнитного поля, как и для электрического, выполняется принцип суперпозиции.

Принцип суперпозиции:

Результирующий вектор магнитной индукции в данной точке складывается из векторов магнитной индукции, созданной различными токами в этой точке:

1. Решение задач.

Задача №1

Вычислите индукцию магнитного поля на расстоянии 10 м от длинного прямого проводника при силе тока в проводнике 20 А.

Дано: Решение:

R=10м

I=20A

В-?

Ответ: В= .

Задача №

Вычислите индукцию магнитного поля внутри цилиндрической катушки длиной 10м, содержащей 200 витков провода, при силе тока в катушке 5 А.

Дано: Решение:

N=200 Рассмотрим соленоид длиной l, имеющий N витков, по которому

l=0,1м. течет ток Длину соленоида считаем во много раз больше, чем

I=5A диаметр его витков, т. е. рассматриваемый соленоид бесконечно

B-? длинный. Экспериментальное изучение магнитного поля соленоида

показывает, что внутри соленоида поле является однородным, вне соленоида — неоднородным и очень слабым. Чем соленоид длиннее, тем меньше магнитная индукция вне его. Поэтому приближенно можно считать, что поле бесконечно длинного соленоида сосредоточено целиком внутри него, а полем вне соленоида можно пренебречь. Индукция в замкнутом контуре (соленоиде), охватывающего все N витков равна

Ответ: В=

Задача №3

Плоская прямоугольная катушка из 200 витков со сторонами 10 и 5 см находится в однородном магнитном поле индукцией 0,05 Тл. Какой максимальный вращающий момент может действовать на катушку в этом поле, если сила тока в катушке 2 А?

Дано: Решение:

N=200 вращающий момент будет максимальным, если

a=10см

b=5см магнитный момент катушки

B=0,05Тл

I=2А Ответ:

-?

Задача №4

Из проволоки длиной 8 см сделаны контуры: а) квадратный; б) круговой. Найти максимальный вращающий момент, действующий на каждый контур, помещенный в магнитное поле индукцией 0,2 Тл при силе тока в контуре 4 А.

Дано: Решение:

l=8см в первом случае контур квадратный, значит одна сторона его равна 2см и

B=0,2Тл площадь его равна

I=4А

M_max1-? Во втором случае контур круговой с длиной окружности l=8см

M_max2-?

.

:,.

1. Домашнее задание: §2. №833, 834

Используемые материалы:

• Универсальные поурочные разработки по физике 11 класс. – М.: Вако, 2009. – 464 с. – (В помощь школьному учителю), Волков В.А.

• Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 399 с.

• «Курс физики»_Трофимова Т.И_2006, 11-е изд., 560с, М.:ACADEMIA

• Физика. Задачник . 10-11 класс. : пособие для общеобразовательных учреждений/ А.П. Рымкевич. – 10-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2006. – 188, [4] с.: ил. – (Задачники «Дрофы»).