Тема 3.4. МАГНІТНЕ ПОЛЕ.

Основні питання, що вивчаються в даній темі:

1. Електрична і магнітна взаємодії. Взаємодія провідників зі струмом. Магнітне поле. Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера. Індукція магнітного поля. потік магнітної індукції.

2. Сила Лоренца. Рух зарядів в магнітному полі. Магнітний запис інформації. Вплив природних та штучних магнітних полів на живі організми.

Теоретичні відомості з теми: Земля – це величезний магніт, біля її північного географічного полюса знаходиться південний (S) магнітний полюс, а біля південного географічного – північний магнітний полюс (N). Однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні – притягуються.

Якщо розпиляти магніт, то отримуємо два менші магніти, знову з двома полюсами. Тобто магнітних зарядів в природі нема! Дослід Ерстеда: - магнітна стрілка намагається розташуватися перпендикулярно до провідника зі струмом. Дослід Ампера: - паралельні провідники зі струмом взаємодіють один з одним; якщо струми течуть в одному напрямі, то провідники притягуються, а якщо струми течуть у протилежних напрямах – то відштовхуються. Один ампер (1А) – це сила такого постійного струму, який при проходженні по двох паралельних прямолінійних нескінченно довгих провідниках дуже малої площі перерізу, розташованих у вакуумі на відстані 1 м один від одного, зумовлює між провідниками силу взаємодії, яка дорівнює 2·10^-7 Н на кожен метр довжини. Магнітними взаємодіями називають взаємодії між рухомими електричними зарядами (або провідниками зі струмом).

Загальний висновок: електростатичне поле – це вид матерії, яка оточує нерухомі заряди і виявляється в дії з певною силою як на нерухомі заряди так і на рухомі заряди. Магнітне поле – це вид матерії, яка оточує рухомі заряди (провідники зі струмом) і виявляється в дії з певною силою на інші рухомі заряди (провідники зі струмом).

Величину, яка характеризує магнітне поле (з точки зору його сили) в даній точці простору, називають магнітною індукцією та позначають В. За напрям вектора магнітної індукції беруть напрям, який указує північний полюс магнітної стрілки, що вільно обертається. Для графічного зображення магнітного поля використовують лінії магнітної індукції – уявні лінії, дотичні до яких показують напрям вектора магнітної індукції в кожній точці. Правило правого гвинта (буравчика): коли поступальний рух буравчика співпадає з напрямом струму в провіднику то напрям обертання ручки буравчика вказує на напрям ліній магнітної індукції навколо провідника; коли обертати ручку буравчика за напрямом струму в провіднику у формі кільця, квадрата, прямокутника і т.д., то напрям поступального руху буравчика вкаже на напрям ліній магнітної індукції.

Модуль магнітної індукції дорівнює відношенню сили, що діє на провідник зі струмом, розташований перпендикулярно до магнітної індукції, до добутку сили струму в провіднику і довжини провідника: В= . За одиницюмагнітної індукції приймають магнітну індукцію поля, що діє із силою 1 Н на провідник завдовжки 1 м: 1 Тл = .

Магнітним потоком (потоком магнітної індукції) Ф через замкнутий контур називають фізичну величину, що дорівнює добутку модуля В вектора магнітної індукції на площу контуру S і косинус кута між вектором магнітної індукції та перпендикуляром до площини контуру: Ф= B·S·cosα. Одиницю магнітного потоку в SI називають вебер (Вб): 1 Вб= 1 Тл·м².

Силу, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, називають силою Ампера і позначають F_A.

Закон Ампера: якщо провідник зі струмом розташований під кутом α до магнітної індукції В, модуль сили Ампера F_A=B·I· l ·sin α, де І – сила струму в провіднику (А), l – довжина провідника (м). Звідси випливає: якщо α=0° або α=180°, то sin α=0 і F_A=0, тобто магнітне поле не діє на провідникзі струмом, розташований паралельно вектору магнітної індукції. Якщо α=90°, то sin α=1 ісила Ампера максимальна: F_A=B·I· l.

Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, що вектор магнітної індукції входив в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрям струму в провіднику, то відігнутий на 90° у площині долоні великий палець укаже напрям сили, що діє на провідник з боку магнітного поля.

Силу,що діє на заряджену частинку, яка рухається в магнітному полі, називають силою Лоренца. Напрям сили Лоренца, яка діє на рухому заряджену частинку, визначають за допомогою правила лівої руки: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрям швидкості позитивно зарядженої частинки (але проти руху негативно зарядженої частинки), то відігнутий великий палець укаже напрям сили, що діє на частинку. Модуль сили Лоренца F_А = q·υ·B·sinα, де q – модуль заряду частинки (Кл), υ – модуль її швидкості (м/с), В – модуль магнітної індукції (Тл), α – кут між швидкістю частинки υ та вектором магнітної індукції В. Якщо частинка влітає в однорідне магнітне поле перпендикулярно до його ліній магнітної індукції, то сила Лоренца відіграє роль доцентрової сили, тому частинка рухається по колу радіусом: R= , де m – маса частинки (кг).

Магнітна проникність речовини μ дорівнює відношенню модуля магнітної індукції В у даній речовині до магнітної індукції В₀ зовнішнього (намагнічуючого) магнітного поля, тобто μ= . Діамагнетиками називають речовини, у яких магнітна проникність μ<1, тобто в діамагнетиках магнітна індукція зменшується (мідь, вісмут, сірка) і вони виштовхуються з магнітного поля. Парамагнетиками називають речовини, у яких магнітна проникність μ>1, тобто в парамагнетиках магнітна проникність трохи збільшується (алюміній, натрій, платина) і вони утягуються в магнітне поле. Феромагнетиками називають речовини, магнітна проникність яких дуже велика (μ>>1) – від декількох сотень до майже мільйона – залізо та його сплави, нікель, кобальт, гадоліній. Важливою особливістю феромагнетиків є залишковий магнетизм: феромагнетики зберігають магнітні властивості й після вимикання зовнішнього магнітного поля (постійні магніти, магнітні стрічки для магнітного запису інформації).

Питання теоретичного змісту:

3м1. Що ви знаєте про постійні магніти? Які основні властивості магніту? Як взаємодіють полюси магнітів? Опишіть дослід Ерстеда. Який висновок зробив Ерстед з цього досліду? Як взаємодіють паралельні провідники зі струмом? Як визначають одиницю сили струму в СІ – 1 А? Як визначають полюси в котушки зі струмом?

3м2. Що називають магнітним полем? Що називають лініями магнітної індукції? Як визначити напрям ліній магнітної індукції (правило буравчика)? Що називають модулем магнітної індукції? Яка одиниця магнітної індукції в СІ? Порівняйте електричну і магнітну взаємодії (поля). що в них спільного і чим вони відрізняються?

3м3. Що називають силою Ампера? Як її обчислити? Як знайти напрям сили Ампера (з допомогою малюнків навести приклади)? Як магнітне поле діє на рамку зі струмом? Як використовують силу Ампера в електродвигунах, електровимірювальних приладах, гучномовцях?

3м4. Що називають силою Лоренца? Як її обчислити? Як знайти напрям сили Лоренца (з допомогою малюнків навести приклади)? Як рухається заряджена частинка влетівши в магнітне поле? Як знаходиться радіус кривизни траєкторії руху частинки? Де використовують силу Лоренца?

3м5. Що таке магнітна проникність речовини? Які речовини називають: діамагнетиками; парамагнетиками; феромагнетиками? Який феромагнетик є найпоширенішим? Що називають точкою Кюрі? Що таке залишковий магнетизм? Наведіть приклади речовин, які мають властивості залишатися намагніченими. Як здійснюється магнітний запис інформації?

3м6. Що ви знаєте про магнітний потік? Як його обчислити? Якими одиницями він вимірюється? Намалюйте малюнок, як ілюстрацію до магнітного потоку.

Задачі рівня А:

3м7. Визначити індукцію магнітного поля В у якому на провідник довжиною l= 20 см із силою струму I=5 А діє максимальна сила F_А=30 мН.

3м8. Дротяне кільце площею S=100 см² знаходиться в магнітному полі з індукцією В=0,2 Тл. Який потік Ф магнітної індукції пронизує кільце, якщо кут між лініями магнітної індукції і перпендикуляром до площини кільця складає α=30°.

3м9. З якою силою F_А магнітне поле з магнітною індукцією В=10 мТл діє на провідник завдовжки l= 10 см, якщо сила струму у провіднику I=50 А? Лінії магнітної індукції перетинають провідник під кутом α=45°.

3м10. Яка сила F_л діє на протон, що рухається зі швидкістю υ=5 Мм/с у магнітному полі з індукцією B=0,1 Тл під кутом α=30° до ліній магнітної індукції. Заряд протона q=1,6·10^-19 Кл.

3м11. Визначити радіус кола R по якому у магнітному полі з індукцією В=0,4 Тл обертається частинка масою m=9,1·10^-31 кг і зарядом q=1,6·10^-19 Кл. Швидкість частинки υ=8·10⁶ м/с.

3м12. Магнітна індукція в даному бруску металу дорівнює В=0,75 Тл, а індукція зовнішнього поля В₀=37,5 мТл. Якою є магнітна проникність μ металу?

Задачі рівня А+:

3м13. Яка індукція магнітного поля B, у якому на провідник зі струмом I=50 А і завдовжки l= 5 см діє сила F_А=25 мН? Провідник розташований під кутом α=50° до ліній магнітної індукції поля.

3м14. На прямолінійний провідник зі струмом І=1,5 А в однорідному магнітному полі з індукцією В=40 мТл діє сила F_А=20 мН. Визначити довжину провідника l, якщо він розташований під кутом α=50° до ліній магнітної індукції.

3м15. На провідник довжиною l= 1,4 м зі струмом І=12 А, який знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією В=0,25 Тл діє сила F_А=2,1 Н. Знайти кут α між напрямом струму і вектором магнітної індукції.

3м16. У магнітному у полі з індукцією В=10 мТл рухається протон по колу радіусом R=10 см. Чому дорівнює модуль швидкості υ протона, якщо вектор швидкості перпендикулярний до ліній магнітної індукції?

3м17. Яку площу S має дротяна рамка, що знаходиться у магнітному полі з індукцією B=0,4 Тл, якщо кут між лініями магнітної індукції і перпендикуляром до площини рамки складає α=45°, а магнітний потік через рамку дорівнює Ф=8 мВб?

3м18. Знайти напрям сили Ампера F_А, що діє на провідник зі струмом I умагнітному полі В:

3м19. Знайти напрям сили Лоренца F_л, яка діє на заряджену частинку q, щорухається зі швидкістю υ у магнітному полі В:

Дата добавления: 2015-08-13