Магнитное поле 9 класс

Магнитное волшебство: исследование свойств магнитов

В настоящее время исследователи уделяют большое внимание магнитному волшебству. В этой статье мы изучим свойства магнитов и то, как они работают, используя правило буравчика и левой руки, чтобы окунуться в захватывающий мир магнитов. От притяжения до отталкивания мы раскроем тайны магнитной физики, рассматривая исключительные стороны этого явления.

План урока Магнитное поле для 9 класса

Основные понятия:

• Магнетизм
• Электромагнитное поле
• Явление электромагнитной индукции
• Сила Ампера (действие магнитного поля на проводник с током)

Учите школьников и получайте от 40 до 100 000 рублей в месяц!

Приглашаем учителей физики с высшим образованием (или студентов последнего курса) и опытом подготовки к выпускным экзаменам

Общая информация

Магнитная стрелка компаса может устанавливаться в магнитном поле Земли таким образом, что один из ее концов указывает на север, а другой на юг. Этот уникальный элемент является результатом движения электрических зарядов внутри атомов стрелки. На стрелке N — северный полюс, а S — южный полюс.

Разнообразная форма магнитов, будь то прямоугольная, ромбическая или круглая, является их отличительной чертой. Уникальность магнитов подчеркивается их разнообразной геометрией. Независимо от формы, каждый магнит обладает двумя магнитными полюсами, северным и южным, что позволяет им взаимодействовать с магнитным полем вокруг них и служит важным ориентиром.

Погрузив намагниченный стержень в железные опилки и вынув его, наибольшее количество опилок притянется к концам магнита. Опилок не будет в нейтральной линии, расположенной посередине стержня. Каждая из ниток намагниченного стержня становится отдельным магнитом с разноименными полюсами на концах, когда стержень разделяется на две части.

При дальнейшем дроблении стержня образуются отдельные магниты с северным и южным полюсами.

Таким образом, вывод заключается в том, что создание магнита с одним полюсом (либо N, либо S) невозможно. Каждый созданный магнит всегда имеет северный и южный полюс.

Сталь может притягивать железные предметы, если поместить его недалеко от северного (N) или южного (S) полюса магнита. В этом случае, ближайший к полюсу N магнита конец бруска будет иметь южный полюс (S), а противоположный конец (N) будет иметь южный полюс (S).

Сила взаимодействия возникает, когда два магнита находятся близко друг от друга по полюсам. Эта сила направлена таким образом, что одноименные (например, два северных или два южных) полюса отталкиваются друг от друга, а разноименные (например, северный и южный) полюса притягиваются друг к другу. Это явление демонстрирует основные принципы взаимодействия магнитов и определяет, как они действуют в пространстве.

Вокруг каждого магнитизированного объекта создается магнитное поле, представляющее собой физическую среду, в которой проявляется воздействие магнитных сил.

На вышеуказанном изображении магнитное поле изображено в виде магнитных линий, идущих от северного полюса к южному.

Поскольку северные и южные полюсы магнита неразделимы и всегда в паре, каждая магнитная линия образует замкнутую кривую.

Эта деталь подчеркивает тот факт, что магнитные линии не имеют четкого начала или конца. Они образуют замкнутые кривые из-за несовместимости южного и северного полюсов.

Это предупреждение напоминает нам о том, что магнитные свойства всегда существуют в парах, что создает уникальные и постоянные взаимодействия в магнитных полях.

При внесении какого-либо тела в магнитное поле, оно пронизывается магнитными линиями, оказывая определенное воздействие на поле.

Важно отметить, что различные материалы проявляют разное воздействие на магнитное поле.

В намагниченных телах магнитное поле формируется за счет движения электронов, вращающихся как вокруг ядра атома, так и вокруг своей собственной оси. Орбиты и оси вращения электронов в атомах могут находиться в различных положениях относительно друг друга. В результате, магнитные поля, порождаемые движущимися электронами, распределены по разным направлениям.

В зависимости от взаимного расположения этих магнитных полей они могут либо складываться, либо вычитаться. В первом случае атом обладает магнитным полем или магнитным моментом, во втором — не обладает.

Этот феномен позволяет понять, почему некоторые материалы обнаруживают магнитные свойства, в то время как другие остаются немагнитными.

Диамагнитные материалы

Материалы, атомы которых не имеют магнитного момента, и намагнитить которые невозможно, называются диамагнитными.

Большинство веществ, встречающихся в природе, а также некоторые металлы, такие как медь, свинец, цинк, серебро и другие, являются немагнитными.

Это означает, что атомы этих материалов не обладают значительным магнитным моментом и не проявляют легкости в намагничивании.

Материалы, у которых атомы обладают определенным магнитным моментом и могут поддаваться намагничиванию, называются парамагнитными.

Сюда входят алюминий, олово, марганец и другие вещества.

Ферромагнитные материалы представляют исключение. Атомы в этих материалах обладают сильным магнитным моментом и легко поддаются намагничиванию.

К ферромагнитным материалам относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и их сплавы. Эти материалы обладают уникальной способностью удерживать постоянный магнитный момент даже после удаления внешнего магнитного поля.

Правило буравчика

Правило буравчика используется для определения направления магнитных линий формируемого им магнитного поля в зависимости от направления тока в проводнике.

Это правило можно объяснить так: когда проводник зажимается таким образом, что ток направлен от наблюдателя, магнитные линии образуют вращающееся винтовое движение по направлению тока.

Определение правила буравчика

Явление электромагнитной индукции означает возникновение электрического тока в проводнике под воздействием изменяющегося магнитного поля. Например, если проводник двигается в магнитном поле или магнитное поле меняется во времени, то в проводнике возникает электрический ток.

Правило Ленца

Правило Ленца гласит, что направление индуцированного тока всегда таково, что создающее его магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего его появление. Это правило позволяет определить направление индуцированного тока в проводнике.

Если проводник движется по направлению магнитного поле и тем самым изменяет магнитный поток, то в нем возникнет электрический ток, направленный таким образом, чтобы создать магнитное поле, направленное в противоположную сторону от исходного магнитного поля.

Заключение

Магнитные явления широко применяются в науке и технике. Понимание основ магнетизма и электромагнетизма позволяет разрабатывать новые устройства, улучшать существующие и решать разнообразные задачи. От знания правил буравчика и закона Ленца зависит эффективность работы многих устройств, использующих магнитное поле и индукцию.

Магнитные поля могут стать основой для создания различных технических решений и устройств, таких как генераторы, трансформаторы, двигатели, магнитооптические системы и др. Все это делает знание магнетизма и электромагнетизма важным компонентом образования специалистов как в области физики, так и в технических науках.

Таблица: Сравнение магнитного и электрического поля

Выводы

Магнитные и электрические поля являются ключевыми концепциями в физике и технике. Их взаимодействие и свойства используются для создания различных устройств и технологий. Понимание принципов магнетизма и электромагнитной индукции позволяет разрабатывать новые технические решения и совершенствовать уже существующие устройства. Соответственно, важно иметь хорошее представление о магнитных явлениях и их применении в реальном мире.

Электромагнитная Индукция: Основные Принципы

Электромагнитная индукция – это важное явление, которое лежит в основе работы многих современных устройств. В этой статье мы рассмотрим основные принципы электромагнитной индукции и проведем несколько опытов, чтобы лучше понять этот процесс.

Основные Принципы

Электромагнитная индукция возникает при прохождении магнитного потока через замкнутый проводник. Изменение магнитного потока со временем приводит к возникновению электрического тока в проводнике.

Опыт № 1

Один из способов продемонстрировать электромагнитную индукцию – использовать соленоид (катушку индуктивности) и постоянный магнит. При движении магнита относительно катушки наблюдается отклонение стрелки гальванометра. При изменении скорости движения магнита относительно катушки изменяется и величина отклонения.

Опыт № 2

Другой способ продемонстрировать индукцию – использовать две катушки и ключ. При замыкании или размыкании ключа в первой катушке возникает индукционный ток во второй катушке. Также можно наблюдать индукционный ток при перемещении катушек относительно друг друга.

Заключение

Исследования Фарадея показали, что изменение потока магнитной индукции приводит к возникновению индукционного тока. Это открытие стало важным шагом в развитии теории электромагнетизма.

Магнитные свойства вещества также важны для понимания электромагнитной индукции. Все вещества намагничиваются при наличии магнитного поля, что важно для работы постоянных магнитов.

Итак, электромагнитная индукция играет ключевую роль в современной электротехнике и имеет широкий спектр применений в различных устройствах.

Магнитная проницаемость вещества μпоказывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе

больше, чем вектор магнитной индукции

0 в вакууме, то есть:

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами:

Магнитное поле — это одна из составляющих электромагнитного поля, которая создается движущимися зарядами (электрическими токами). Мало того, что магнитное поле создается только движущимися зарядами, оно и способно действовать только на движущиеся заряды или на токи, а на неподвижные заряды оно действовать не будет.

Основная характеристика магнитного поля — это вектор индукции магнитного поля. За направление вектора магнитной индукции принято брать направление от южного полюса к северному по стрелке компаса, располагающейся в магнитном поле. Внимание: снаружи стрелки поле направлено от северного полюса к южному.

Значение магнитной индукции определяется как отношение максимальной силы, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины (l=1 м) к силе тока I в проводнике:

В системе СИ единицей магнитной индукции является 1 Тесла (1 Тл):

Главное свойство этих правил — их обратимость. То есть направления вектора магнитной индукции и направление силы тока можно менять между собой, а правило останется.

Внимательно рассмотрите рисунки и сформулируйте упомянутые правила для каждого случая.

Правило буравчика 1

Правило буравчика 2

Правило правой руки 1

Правило правой руки 2

Способ из старого учебника

Как и в случае с электрическим полем, магнитное поле изображают с помощью силовых линий, а мы проведем эксперимент.

Сколько платят в Skyeng преподавателю физики?

Из чего складывается доход учителей, рассказываем в специальной статье.

Правило левой руки

Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.

Густота магнитных линий в результирующем поле различна с обеих сторон проводника. Справа от проводника магнитные поля, имея одинаковое направление, складываются, тогда как слева, будучи направленными встречно, частично уничтожают друг друга.

Таким образом, на проводник действует сила, большая справа и меньшая слева. Под воздействием этой неравномерной силы проводник будет перемещаться в направлении силы F. Изменение направления тока в проводнике приведет к изменению направления магнитных линий вокруг него, что в свою очередь изменит направление движения проводника.

Сила, оказывающая воздействие на проводник с током в магнитном поле, зависит от двух важных параметров: силы тока, текущего по проводнику, и интенсивности магнитного поля.

Магнитная индукция

Магнитная индукция (также называемая магнитной напряжённостью) — это векторная характеристика магнитного поля, которая описывает воздействие магнитного поля на магнитные материалы и токи. Магнитная индукция обозначается символом B и измеряется в теслах (T) в системе Международных единиц.

Магнитная индукция в точке пространства может быть определена как отношение магнитной силы (Fm​), действующей на магнитный момент или ток, к величине этого магнитного момента или тока. Математически, магнитная индукция (B) выражается следующим образом:

Это определение основывается на втором законе Лапласа для магнитных полей.

О магнитной индукции можно судить, анализируя воздействие магнитного поля на проводник с током, помещенный в него. Если в равномерном магнитном поле проводник длиной 1 м и с током 1 А, ориентированный перпендикулярно магнитным линиям, поддается силе в 1 Н (ньютон), то магнитная индукция этого поля составляет 1 Тл (тесла).

Магнитная индукция является векторной величиной, ее направление совпадает с направлением магнитных линий, причем в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитной линии.

Сила ( F ), воздействующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна магнитной индукции ( B ), току в проводнике ( I ), и его длине ( l ), выражаясь формулой:

Эта зависимость верна только в случае, когда проводник с током ориентирован перпендикулярно линиям равномерного магнитного поля.

Если же проводник с током расположен под углом ( α ) относительно магнитных линий, формула изменится на:

При этом сила будет зависеть от синуса угла ( α ) между проводником и магнитными линиями.

Когда проводник выравнивается вдоль магнитных линий ( α = 0 ), сила ( F ) становится равной нулю, поскольку синус угла ( α ) при ( α = 0 ) равен нулю.

Определение магнетизма

Магнетизм — это взаимодействие, которое происходит между движущимися электрическими зарядами через магнитное поле. Это явление, вместе с электричеством, представляет собой одну из форм электромагнитного взаимодействия. Согласно квантовой теории поля, электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством бозона, известного как фотон (частица, которую можно рассматривать как квант электромагнитного поля).

Сила Лоренца

Понимание магнитного поля строится на двух положениях: движущиеся заряды создают магнитное поле, и магнитное поле действует на движущиеся заряды. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называется силой Лоренца.

Сила Лоренца— это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу.

Для определения направления силы Лоренца применяют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направления скорости движения положительно заряженной частицы, тогда отогнутый на большой палец в плоскости ладони укажет направление силы Лоренца. Для отрицательной частицы четыре вытянутых пальца направляют против скорости движения частицы.

Магнитное поле Земли

Обойти вниманием самый большой магнит на планете, на которой мы живем было бы непростительно.

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса, около северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса, около берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют).

Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени (так называемые вековые вариации). Кроме того, через достаточно большие интервалы времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии).

Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения — северные сияния. В магнитном поле Земли в условиях разреженного воздуха так светятся обычно атомы кислорода и молекулы азота. Магнитное поле Земли защищает ее жителей от солнечного ветра.

Магнитные бури — это значительные изменения магнитного поля Земли под действием усиленного солнечного ветра в результате вспышек на Солнце и сопровождающих их выбросов потоков заряженных частиц.

Магнитные бури продолжаются обычно от 6 до 12 часов, а затем характеристики земного поля снова возвращаются к норме. Но за столь короткое время магнитная буря сильно влияет на радиосвязь, линии электросвязи, людей.

Кстати, человечество начало использовать магнитное поле Земли уже в начале XVII–XVIII вв. Тогда получает широкое распространение в мореходстве компас (магнитная стрелка).

Магнитное поле Земли служит многим живым организмам для ориентации в пространстве.

Напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле

С помощью силы Лоренца можно объяснить явление поляризации и возникновения ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике.

Если поместить проводник на рельсы, с которыми у него будет электрический контакт, а магнитное поле направить вертикально к плоскости, в которой находится проводник на рельсах, то, если замкнуть рельсы со стороны, противоположной от проводника и перемещать проводник с постоянной скоростью, — в проводнике появится электрический ток. Причина этого тока — сила Лоренца, действующая на свободные электроны в проводнике, которые движутся вместе с проводником в магнитном поле.

Этот эксперимент можно провести в домашних условиях

Сила Ампера

Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.

Модуль силы Ампера FА равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится проводник с током, длины этого проводника l, силы тока в нем I и синуса угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля sinα: FА=B∙I∙l∙sinα

Этой формулой можно пользоваться:

Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки

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.

Ампер и параллельные проводники

Одним из важных примеров магнитного взаимодействия является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Андре Мари Ампером.

Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток, и наоборот.

Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в международной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока — ампера.

Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2∙10-7 Н на каждый метр длины.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

При изменении полного магнитного потока Ф, пронизывающего контур, в этом контуре возникает ЭДС индукции:

— скорость изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этот контур.

Знак «-» в законе показывает то, как ориентирована возникающая ЭДС в контуре. Это так называемое правило Ленца.

По формуле Ф=B*S*cosα для магнитного потока отчетливо видно, что поток меняется:

Во всех этих случаях по закону Фарадея в контуре будет индуцироваться ЭДС индукции.

Правило Ленца: «ЭДС индукции, возникающая в контуре, ориентирована так, что индукционный ток, который она создает, направлен так, чтобы ослабить действие причины, возбуждающей эту ЭДС, а стало быть, и индукционный ток».

Рисунок иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

В этом примере

Магнитное поле электрического тока

Магнитное поле образуется в результате протекания электрического тока вокруг проводника. В результате магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, стремится изменить свое положение таким образом, чтобы оно было перпендикулярно плоскости, проходящей вдоль проводника. Простая практика демонстрирует этот эффект.

Для этого необходимы проводник с электрическим током и свободно вращающаяся магнитная стрелка. Когда магнитная стрелка приближается к проводнику, она стремится выстроить свое положение перпендикулярно направлению тока. Этот опыт демонстрирует наглядно воздействие электрического тока на магнитное поле и подчеркивает важные принципы электромагнетизма, которые необходимы для понимания работы различных устройств, таких как электромагниты и электродвигатели.

Магнитное поле без прохождения тока

Вставив проводник через отверстие в горизонтальном листе картона и пропустив через него ток, можно наблюдать, как железные опилки располагаются в концентрических окружностях с общим центром в точке пересечения проводника и листа картона.

Магнитное поле при прохождении тока в одном направлении

Магнитная стрелка, подвешенная на нити вблизи этого проводника, займет положение, указанное на рисунке выше, выстраиваясь так, чтобы её направление было перпендикулярным к направлению тока в проводнике.

Магнитное поле при прохождении тока в обратном направлении

При изменении направления тока в проводнике, магнитная стрелка изменит свое положение, повернувшись на 180 градусов. Тем не менее, она сохранит свою ориентацию, оставаясь перпендикулярной плоскости, проходящей вдоль проводника.

Действие магнитного поля на рамку с током

Рассмотрим проволочную проводящую рамку, находящуюся во внешнем магнитном поле

. Если в этой рамке создать электрический ток I, то на рамку со стороны магнитного поля начнут действовать силы Ампера

Если внешнее магнитное поле является однородным, то равнодействующая всех сил Ампера будет равна нулю, однако момент всех сил Ампера в нуль обращаться не будет, что означает то, что рамка начнет вращаться (создается вращающий момент, и рамка поворачивается в положение, в котором вектор

На данном факте основано действие электродвигателя постоянного тока (электромотора).

Если внешнее магнитное поле является неоднородным, то равнодействующая всех сил Ампера и момент всех сил не будут равны нулю, то есть свободная рамка начнет поступательно двигаться плюс вращаться (неоднородное магнитное поле ориентирует, а также притягивает или отталкивает рамку с током).

Магнитный поток

Магнитный поток (поток вектора магнитной индукции) — это скалярная величина, которая количественно описывает прохождение магнитного поля через некоторую поверхность. Обозначается буквой Ф.

Магнитный поток Ф, пронизывающий площадь контура, зависит от:

Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура α=0о, то магнитный поток максимален и равен Фmax=B∙S

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура α=90о, то магнитный поток равен нулю Ф=0.

Проводник с током в магнитном поле. Магнитная индукция

Когда проводник, по которому текущий электрический ток, вводится в магнитное поле, возникает взаимодействие между магнитным полем и проводником с током, что приводит к перемещению проводника в ту или иную сторону.

Когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует магнитная сила. Это явление объясняется законом Ампера. Магнитная сила, действующая на проводник, можно выразить через магнитную индукцию (B), ток в проводнике (I) и длину проводника (l). Математически это выглядит следующим образом:

Это уравнение показывает, как магнитная сила зависит от взаимного расположения проводника, тока и магнитного поля. В случае перпендикулярного расположения тока и магнитного поля (θ=90∘), сила достигает максимума. В случае параллельного (θ=0∘), магнитная сила становится равной нулю.

Перемещение проводника зависит от направления тока, проходящего через него, и направления магнитных силовых линий поля. В результате этого взаимодействия можно определить направление движения проводника в магнитном поле. Следовательно, изменение направления перемещения проводника может быть вызвано изменением направления тока или ориентации магнитных линий.

В магнитном поле магнита (NS) перпендикулярно проводнику протекает ток от нас за плоскость. В результате этого взаимодействия возникает сила Лоренца, создающая момент и стремящаяся поворачивать проводник вокруг своей оси.

Ток, идущий от плоскости рисунка к наблюдателю, обозначается условно точкой, а ток, направляющийся за плоскость рисунка от наблюдателя,— крестом. Всегда все уходящее на изображениях обозначается крестом, а направленное на «смотрящего» — точкой.

В результате тока вокруг проводника образуется магнитное поле. При использовании правила буравчика легко определить, что в этом конкретном случае направление магнитных линий поля совпадает с направлением движения часовой стрелки.

В результате взаимодействия магнитного поля магнита и поля, созданного током в проводнике, формируется результирующее магнитное поле, как показано на приведенном ниже рисунке.

Эксперимент

Сформулируем свойства силовых линий магнитного поля:

Магнитное поле трех проводников с током

Итоги: доказали наличие магнитного поля вокруг движущихся электрических зарядов, получили картины различных магнитных полей, сформулировали свойства силовых линий магнитного поля.

Итоги

Выполнили все цели урока, провели несколько познавательных эксперимента, узнали новые физические величины и явления.

Эксперты Skyeng и Skysmart подготовили для вас методические подарки.

Выбирайте те, что нужны, или заберите все!