В чем состоит опыт эрстеда

4 вариант

1. Вокруг каких зарядов образуется магнитное поле?

1) Любых электрических зарядов
2) Вокруг всех однонаправленно движущихся зарядов
3) Только вокруг упорядоченно перемещающихся электронов
4) Вокруг неподвижных электрических зарядов

2. О чем свидетельствует опыт Эрстеда?

1) О нагревании проводника электрическим током
2) Об отклонении магнитной стрелки, находящейся около проводника с током, в определенную сторону
3) О существовании вокруг проводника с током магнитного поля.

3. Правильно ли обозначено на рисунке направление линий магнитного поля проводника с током?

1) Да
2) Нет
3) Определить нельзя, так как неизвестно направление тока в проводнике

4. Чем катушка с током похожа на магнитную стрелку?

1) Наличием полюсов
2) Формой
3) Тем, что тоже имеет два полюса и при возможности свободно поворачиваться устанавливается в направлении «север — юг»

5. Каким образом можно изменить направление магнитного поля катушки на противоположное?

1) Изменив направление тока и перевернув ее полюсы
2) Изменив направление тока или поменяв местами ее полюсы
3) Повысив напряжение или силу тока в катушке

6. Какой из названных ниже приборов применяется для регулирования силы притяжения магнитом железных предметов?

1) Магнитная стрелка
2) Амперметр
3) Вольтметр
4) Реостат

7. Притягивается к магниту

1) резина
2) шерсть
3) сталь
4) шелк

8. Как называют явление существования необычно сильного магнитного поля в какой-либо местности Земли?

1) Магнитное поле Земли
2) Магнитная буря
3) Магнитное взаимодействие
4) Магнитная аномалия

9. Укажите, какая из картин магнитного поля, изображенных на рисунках, соответствует магнитному полю катушки с током.

1) №1
2) №2
3) №3

10. Какой полюс магнита — северный или южный — расположен слева?

1) На обоих рисунках — северный
2) На обоих рисунках — южный
3) На рис. №1 — северный, на рис. №2 — южный
4) На рис. №1 — южный, на рис. №2 — северный

11. Что представляет собой электромагнит?

1) Навитый на каркас провод
2) Катушку с проволочной обмоткой и сердечником из железа :
3) Катушку с проволочной обмоткой и сердечником из намагниченного материала
4) Катушку с любым сердечником

12. Как изменится направление движения проводника с током под действием магнитного поля, если переключить полюсы источника тока и поменять местами полюсы магнитов?

1) Не изменится
2) Изменится на обратное
3) Проводник не придет в движение
4) Среди ответов нет правильного

13. При каком условии магнитное поле действует на проводник?

1) Если он заряжен
2) Если по нему течет ток
3) Если в нем большая сила тока

14. Почему электродвигатели не применяются так широко, как двигатели внутреннего сгорания, в автомобилях?

1) Потому что их КПД ниже
2) Из-за того, что на трассах везде есть бензоколонки, а не станции зарядки аккумуляторов
3) Потому что современные аккумуляторы не обеспечивают электродвигатели энергией длительное время

15. Какой из названных здесь двигателей обладает наибольшим КПД?

1) Реактивный двигатель
2) Газовая турбина
3) Двигатель внутреннего сгорания
4) Электродвигатель

Ответы на тест по физике Электромагнитные явления1 вариант
1-2
2-1
3-2
4-3
5-4
6-2
7-3
8-1
9-3
10-2
11-4
12-4
13-1
14-2
15-32 вариант
1-3
2-4
3-4
4-2
5-1
6-1
7-2
8-3
9-3
10-1
11-2
12-2
13-2
14-3
15-13 вариант
1-3
2-4
3-3
4-3
5-3
6-2
7-4
8-1
9-4
10-2
11-1
12-2
13-3
14-4
15-24 вариант
1-2
2-3
3-3
4-3
5-2
6-4
7-3
8-4
9-2
10-1
11-2
12-1
13-2
14-3
15-4

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где \( q \) – заряд частицы, \( v \) – скорость частицы, \( B \) – модуль вектора магнитной индукции, \( \alpha \) – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции \( B_\perp \) входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где \( m \) – масса частицы, \( v \) – скорость частицы, \( B \) – модуль вектора магнитной индукции, \( q \) – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы

Если вектор скорости направлен под углом \( \alpha \) (0° < \( \alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, \( \vec{v}_2 \), параллелен вектору \( \vec{B} \), а другой, \( \vec{v}_1 \), – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec{v}_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec{v}_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec{v}_1 \). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – \( T \).

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \( \vec{B} \). Частица движется по винтовой линии с шагом \( h=v_2T \).

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
определить вид траектории частицы;
разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
выразить силы через величины, от которых они зависят;
решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
решение проверить.

Открытие электромагнитной индукции

Однако обратная задача — создать электрический ток с помощью магнитного поля — долго не поддавалась решению. Она была решена лишь 29 августа 1831 г. М. Фарадеем (редкий случай, когда известна точная дата открытия).

Для опытов использовалась катушка, на которую было намотано две обмотки с медным проводом. Первая обмотка подключалась к мощной гальванической батарее. Вторая обмотка была подключена к гальванометру. Магнитное поле, порождаемое одной катушкой, пронизывало и другую. А значит, если магнитное поле порождает электричество, то гальванометр должен отмечать наличие тока.

Многочисленные опыты тем не менее показывали, что постоянное магнитное поле, порождаемое первой катушкой, не создает электрического тока во второй катушке. Однако было замечено слабое колебание стрелки гальванометра в момент включения и выключения батареи. Такое колебание, видимо, отмечали многие исследователи, но М. Фарадей первым понял его неслучайность и первым связал слабое движение стрелки гальванометра с включением или выключением тока через первую катушку.

После дополнительных исследований было твердо установлено, что магнетизм всегда порождает электричество. Однако статическое магнитное поле для этого не годится. Только изменение магнитного потока через рамку создает в ней постоянный электрический ток. При этом источник магнитного поля и причина его изменения могут быть любыми.

Можно использовать магнитное поле, порождаемое катушкой, можно использовать постоянный магнит. Можно изменять ток в катушке, можно двигать катушку или магнит — всегда любое изменение магнитного поля вызывало появление во второй катушке электрического тока.

Рис. 3. Опыт Фарадея по электромагнитной индукции.

Что мы узнали?

Электромагнитная индукция — это порождение электрического тока в контуре изменяющимся магнитным полем, пронизывающим этот контур. Открытие электромагнитной индукции сделало возможным появление электрических генераторов и имеет огромное значение в современном мире. Оно было сделано М. Фарадеем в 1831 г.

/10

Вопрос 1 из 10

Открытие магнитного поля

Первые научные сведения о магнитных явлениях появились благодаря опытам датского физика Ганса Христиана Эрстеда в 1820 году. Он обнаружил, что проводник с током воздействует на магнитную стрелку. Эрстед провёл простой, но гениальный по своей сути эксперимент — подвесил магнитную стрелку рядом с проводником и замкнул цепь. К удивлению учёного, стрелка резко отклонилась от проводника.

Это наблюдение положило начало современному представлению о том, что электрический ток порождает вокруг себя магнитное поле. Затем французский физик Андре-Мари Ампер вывел математическую зависимость между силой взаимодействия токов и расстоянием между проводниками.

Огромный вклад в понимание природы магнетизма внёс английский учёный Майкл Фарадей. В 1831 году он открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля. Это был первый шаг на пути практического использования магнитных явлений.

Великий Джеймс Кларк Максвелл в 1860-х годах сумел математически описать все электромагнитные явления с помощью системы уравнений. Он показал, что свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью 300 000 км/с.

Лишь за какие-то полвека учёные с нуля открыли явление магнетизма, изучили его свойства и даже научились практически применять. Сегодня это фундаментальное физическое явление лежит в основе современной цивилизации.

Открытия Лоренца

Выделим основные открытия Лоренца.

Лоренц установил, что магнитное поле действует на движущуюся в нём частицу, заставляя её двигаться по дуге окружности:

(1.3.)

Поскольку сила Лоренца – центростремительная сила, перпендикулярная направлению скорости. Прежде всего, открытый Лоренцем закон, позволяет определять такую важнейшую характеристику как отношение заряда к массе – удельный заряд.

(1.4.)

Значение удельного заряда – величина уникальная для каждой заряженной частицы, что позволяет их идентифицировать, будь-то электрон, протон или любая другая частица. Таким образом, учёные получили мощный инструмент для исследования. Например, Резерфорд сумел провести анализ радиоактивного излучения и выявил его компоненты, среди которых присутствуют альфа-частицы – ядра атома гелия и бета-частицы – электроны. В ХХ веке появились ускорители, работа которых основана на том, что заряженные частицы ускоряются в магнитном поле. На этом принципе разработан Большой адронный коллайдер. Благодаря открытиям Лоренца наука получила принципиально новый инструмент для физических исследований, открывая дорогу в мир элементарных частиц.

Для того чтобы охарактеризовать влияние учёного на технический прогресс вспомним о том, что из выражения для силы Лоренца вытекает возможность рассчитать радиус кривизны траектории частицы, которая движется в постоянном магнитном поле. При неизменных внешних условиях этот радиус зависит от массы частицы, её скорости и заряда. Таким образом, получаем возможность классифицировать заряжённые частицы по этим параметрам и, следовательно, можем проводить анализ какой-либо смеси. Если смесь веществ в газообразном состоянии ионизировать, разогнать и направить в магнитное поле, то частицы начнут двигаться по дугам окружностей с различными радиусами – частицы будут покидать поле в разных точках и остаётся только зафиксировать эти точки вылета, что реализуется при помощи экрана, покрытого люминофором, который светится при попадании на него заряжённых частиц. Именно по такой схеме работает масс-анализатор. Масс-анализаторы широко применяют в физике и химии для анализа состава смесей.

Это ещё не все технические устройства, которые работают на основе разработок и открытий Ампера и Лоренца, ведь научное знание рано или поздно перестает быть исключительной собственностью учёных и становится достоянием цивилизации, при этом оно воплощается в различных технических устройствах, которые делают нашу жизнь более комфортной.

Домашняя работа.

Задание 1. Ответь на вопросы.

Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует электрический ток?
Какие магнитные явления вам известны?
В чём состоит опыт Эрстеда?
Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?
Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
Что называют магнитной линией магнитного поля?
Для чего вводят понятие магнитной линии поля?
Как на опыте показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока

Задание 2. Проведите опыт.

ОПЫТЫ
С ЖЕЛЕЗНЫМИ ОПИЛКАМИ

Возьмите магнит любой формы, накройте его куском тонкого картона,
посыпьте сверху железными опилками и разровняйте их.
Так интересно наблюдать магнитные поля!
Ведь каждая «опилочка», словно магнитная стрелка, располагается вдоль магнитных линий.
Таким образом становятся «видимыми» магнитные линии магнитного поля вашего магнита.
При передвижении картона над магнитом (или наоборот магнита под картоном)
опилки начинают шевелиться, меняя узоры магнитного поля.

https://www.kursoteka.ru/catalog/school/5
http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
http://class-fizika.narod.ru
https://www.youtube.com/watch?v=aGIWuE1iL28
https://www.youtube.com/watch?v=Tt7hXaukl9U

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

Магнитные линии не поддаются гравитации.
Никогда не пересекаются между собой.
Всегда образуют замкнутые петли.
Имеют определенное направление с севера на юг.
Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

Первые телеграфные аппараты

В процессе своего существования люди пытались передавать друг другу разнообразную информацию. С помощью звуков, жестов, письма это делалось при непосредственном контакте людей, или происходило все очень долго, если дело касалось больших расстояний. Например, написав послание на куске бересты, нужно было отправить к адресату гонца и месяцами ждать его возвращения с ответом. Много веков прошло до той поры, когда связь между людьми стала осуществляться на расстоянии. Помогли этому знания человека в области электромагнетизма.

1753 год. Шотландия. Неизвестный изобретатель предложил для соединения двух переговорных пунктов большое количество проводов, соответствующее количеству букв имеющегося тогда алфавита. На каждый отдельный провод прикреплялся шарик, перед ним на близком расстоянии подвешивалась карточка с буквой.

Один из первых электростатических телеграфов.

Чтобы послать какое-то слово сообщения, нужно было по проводу, соответствующему определенной букве отправить электрический заряд. Он электризовал шарик в пункте приема и этот шарик притягивал к себе нужную бумажку с буквой. Это был один из первых электростатических телеграфов. В работе с ним нужно было отслеживать прилипающие к шарикам буквы, что было очень непросто. Такой телеграф был неудобен и распространения в технических разработках не получил.

Пригодный для практики телеграф был сконструирован русским ученым – физиком Павлом Львовичем Шиллингом. Он составил специальный код передачи сигналов, который позволял уменьшить количество стрелок до шести. К тому времени электризующиеся шарики уже заменили магнитными стрелками. Чтобы отправить сигнал, нужно было нажать на клавишу, соответствующую сочетаниям букв. Устройство напоминало клавишный музыкальный инструмент. Людей, которые работали на нем, иногда называли пианистами.

Электромагнитный телеграфный аппарат П. Л. Шиллинга. Источник

Известный всему миру сигнал бедствия SOS был зашифрован Самуэлем Морзе, автором самого известного телеграфного аппарата. Для работы в своей системе передачи информации Морзе придумал несложную кодированную азбуку. Каждой букве в ней соответствовал набор из тире и точек. Сигнал SOS в азбуке Морзе представлен последовательно идущими тремя точками, тремя тире и опять тремя точками.

В 1844 году на расстоянии около 63 километров между городами Балтимор и Вашингтон была осуществлена первая телеграфная передача новыми аппаратами Морзе. Простые в изготовлении и надежные в работе эти устройства довольно быстро стали применяться не только в Америке, но и были освоены в Европе.

Телеграф Морзе.

Схема работы телеграфа упрощенно выглядит так:

Буквой A обозначено место, откуда передаются сигналы. Прием информации выполняется в пункте В.

Основные детали простого телеграфа:

1 – ключ. При нажатии на него (указано красной стрелкой) цепь, соединяющая проводами пункты A и В, замыкается, и по ней идет ток.
2 – электромагнит, усиленный сердечником.
3 – якорь, который притягивается к электромагниту в момент замыкания цепи.
4 – пружина. Ее растягивает якорь, когда притягивается к магниту.
5 – пишущее колесо, которое касается бумажной ленты, натянутой между двумя бабинами.
6 – бумажная лента.

Если нажать на ключ кратковременно, то и цепь замыкается на короткий миг. Но за этот миг якорь успевает притянуться к электромагниту, поднять пишущее колесо к бумажной ленте. На колесо нанесена краска, и поэтому на ленте остается след в виде точки.

Если держать ключ нажатым чуть дольше, то на ленте вырисовывается тире.

Для работы с таким устройством необходимо было хорошо знать азбуку Морзе и иметь очень хорошие навыки правильной ручной работы с ключом.

В 1850 году в России был создан первый буквопечатающий аппарат. Его изобретателем был Борис Семенович Якоби. Но устройство это было очень сложным и поэтому не нашло применения.

Позднее (в 1914-1918 годах) уже в США изготовили телеграфный аппарат, напоминающий печатную машинку – телетайп.

Буквопечатающий телеграф (телетайп).

Получается, благодаря изучению электромагнетизма, человечество получило возможность быстрой связи по всему миру еще в девятнадцатом веке.

Линии магнитного поля и свойства

Полезно вспомнить общие сведения о магнитном поле. Оно образуется вокруг проводника, по которому двигаются электрические заряды или протекает электрический ток. В этом случае образуется сразу два вида поля — электрическое и магнитное поля. Таким образом, вокруг проводника/провода с током будет наблюдаться и электрическое и одновременно магнитное поле, т.к. они оба возникают при условии протекания электрического тока. Появившись, магнитное поле имеет свойство воздействовать на другие движущиеся электрические заряды, а точнее на сторонний электрический ток, например, протекающий в другом проводнике поблизости от первого. Такое воздействие магнитного поля материально и определяется степенью — оно может быть сильнее или слабее. В автомобиле, для примера, такое взаимодействие можно наблюдать на примере проводки, которая способна оказывать ощутимое влияние друг на друга и создавать наводки/помехи, отчётливо слышимые в динамиках.

Магнитное поле с его сферической формой образуется линиями, которые можно представить вокруг объекта под напряжением и даже увидеть при помощи мелкой металлической крошки. Таких магнитных линий вокруг объекта будет большое количество, вместе они образуют целый спектр. Направление магнитных линий определяется магнитной стрелкой. Магнитные линии всегда замкнуты, поэтому у них нет понятия «начало линии» или «конец линии». Эти линии никогда не пересекаются, не завиваются и не взаимодействуют друг с другом. Магнитные линии в совокупности формируют форму магнитного поля и по их «кучности» в какой-то точке пространства можно судить о силе магнитного воздействия в этом месте.
Если линии располагаются параллельно друг относительно друга и в целом упорядоченно, если их плотность более менее равномерна, то такие линии образуют однородное магнитное поле. Наоборот, если линии искривляются в пространстве и разрежены друг относительно друга, то они своей совокупностью образуют неоднородное магнитное поле. Эти два вида магнитного поля отличаются друг от друга во многом:

Магнитная сила воздействия неоднородного поля различна в той или иной точке пространства, тогда как эта сила одинакова по модулю и направлению у однородного поля.

По взаиморасположению линий в пространстве: у однородного поля линии параллельны друг другу и кучность их одинакова; у неоднородного поля линии искривляются и кучность их различна.

Неоднородное поле находится вне магнита или проводника с электрическим током, тогда как однородное поле образуется внутри магнита.

Однородные магнитные поля чаще всего наблюдаются внутри катушки с большим количеством витков (например в катушке динамика) или внутри обычного полосового магнита, тогда как неоднородное магнитное поле чаще всего располагается вне магнита, например вокруг силового кабеля питания.