Ders: Oersted'in deneyimi. Akım taşıyan bir iletkenin manyetik alanı. Uzun düz bir iletkenin ve kapalı halka iletkenin, akımlı bir bobinin alan çizgilerinin resmi

Oersted'in deneyimi

Bazı maddelerin manyetik özellikleri insanlar tarafından uzun zamandır bilinmektedir. Ancak daha yeni bir keşif, maddelerin manyetik ve elektriksel doğalarının birbirine bağlı olduğuydu. Bu bağlantı gösterildi Oersted elektrik akımıyla ilgili deneyler yapan kişi. Şans eseri akımın geçtiği iletkenin yanında bir mıknatıs vardır. Tellerden akım geçerken oldukça keskin bir şekilde yön değiştirdi ve devre anahtarı açıldığında orijinal konumuna geri döndü.

Bu deneyden, içinden akımın geçtiği iletkenin çevresinde manyetik bir alanın oluştuğu sonucuna varılmıştır. Yani şunları yapabilirsiniz çözüm: Elektrik alanı tüm yüklerden kaynaklanır, manyetik alan ise yalnızca yön hareketi olan yüklerin etrafında oluşur.

Bir iletkenin manyetik alanı

Akım taşıyan bir iletkenin kesitini düşünürsek, manyetik çizgileri iletkenin etrafında farklı çaplarda dairelere sahip olacaktır.

Bir iletken etrafındaki akım veya manyetik alan çizgilerinin yönünü belirlemek için şu kuralı kullanmalısınız: sağ vida:

Eğer sağ el kondüktörü tut ve yönlendir baş parmak akım yönünde, bükülmüş parmaklar manyetik alan çizgilerinin yönünü gösterecektir.

Manyetik alanın kuvvet özelliği manyetik indüksiyondur. Bazen manyetik alan çizgilerine indüksiyon çizgileri denir.

İndüksiyon aşağıdaki gibi belirlenir ve ölçülür: [V] = 1 T.

Hatırlayacağınız gibi süperpozisyon ilkesi elektrik alanın kuvvet karakteristiği için geçerliydi, aynı şeyi manyetik alan için de söyleyebiliriz. Yani, sonuçta ortaya çıkan alan indüksiyonu, her noktadaki indüksiyon vektörlerinin toplamına eşittir.

Akım bobini

Bildiğiniz gibi iletkenler, birkaç dönüş de dahil olmak üzere farklı şekillere sahip olabilir. Böyle bir iletkenin etrafında da bir manyetik alan oluşur. Bunu belirlemek için kullanmanız gerekir Gimlet kuralı:

Bobinleri elinizle 4 bükülmüş parmakla kavrayacak şekilde sıkarsanız, başparmağınız manyetik alanın yönünü gösterecektir.

Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısının konuları: Mıknatısların etkileşimi, bir iletkenin akımla manyetik alanı.

Maddenin manyetik özellikleri insanlar tarafından uzun zamandır bilinmektedir. Mıknatıslar isimlerini antik Magnesia kentinden almıştır: Yakınlarında, parçaları demir nesneleri çeken ortak bir mineral (daha sonra manyetik demir cevheri veya manyetit olarak adlandırılmıştır) vardı.

Mıknatıs etkileşimi

Her mıknatısın iki tarafında Kuzey Kutbu Ve Güney Kutbu. İki mıknatıs birbirine zıt kutuplar tarafından çekilir ve benzer kutuplar tarafından itilir. Mıknatıslar boşlukta bile birbirlerine etki edebilirler! Ancak tüm bunlar elektrik yüklerinin etkileşimine benziyor mıknatısların etkileşimi elektriksel değildir. Bu, aşağıdaki deneysel gerçeklerle kanıtlanmıştır.

Mıknatıs ısındıkça manyetik kuvvet zayıflar. Nokta yüklerin etkileşiminin gücü sıcaklıklarına bağlı değildir.

Mıknatıs sallanırsa manyetik kuvvet zayıflar. Elektrik yüklü cisimlerde böyle bir şey olmaz.

Pozitif elektrik yükleri negatif olanlardan ayrılabilir (örneğin, cisimlere elektrik verilirken). Ancak bir mıknatısın kutuplarını ayırmak imkansızdır: Bir mıknatısı iki parçaya bölerseniz, kesilen yerde kutuplar da görünür ve mıknatıs, uçlarında zıt kutuplara sahip (tamamen aynı yönde yönlendirilmiş) iki mıknatısa bölünür. orijinal mıknatısın kutupları gibi).

Yani mıknatıslar Her zaman bipolar, sadece formda varlar dipoller. İzole edilmiş manyetik kutuplar manyetik tek kutuplar- elektrik yükünün analogları) doğada mevcut değildir (her durumda, henüz deneysel olarak keşfedilmemiştir). Bu belki de elektrik ve manyetizma arasındaki en çarpıcı asimetridir.

Elektrik yüklü cisimler gibi mıknatıslar da elektrik yüklerine etki eder. Ancak mıknatıs yalnızca hareketlişarj; yük mıknatısa göre hareketsizse, manyetik kuvvetin yük üzerindeki etkisi gözlenmez. Aksine, elektrikli bir cisim, hareketsiz veya hareket halinde olmasına bakılmaksızın, herhangi bir yüke göre hareket eder.

Kısa menzilli teorinin modern kavramlarına göre, mıknatısların etkileşimi şu şekilde gerçekleştirilir: manyetik alan Yani bir mıknatıs, çevredeki alanda, başka bir mıknatısa etki eden ve bu mıknatısların görünür bir şekilde çekilmesine veya itilmesine neden olan bir manyetik alan oluşturur.

Bir mıknatıs örneği manyetik iğne pusula. Manyetik bir iğne kullanarak, alanın belirli bir bölgesinde manyetik alanın varlığının yanı sıra alanın yönünü de değerlendirebilirsiniz.

Gezegenimiz Dünya dev bir mıknatıstır. Dünyanın kuzey coğrafi kutbundan çok da uzak olmayan güney manyetik kutbudur. Bu nedenle pusula iğnesinin Dünya'nın güney manyetik kutbuna doğru dönen kuzey ucu coğrafi kuzeyi gösterir. Mıknatısın “kuzey kutbu” adı buradan gelmektedir.

Manyetik alan çizgileri

Elektrik alanı Hatırlayacağımız gibi, küçük test yükleri kullanılarak, alanın büyüklüğünü ve yönünü yargılayabilen etkiye göre incelenir. Manyetik alan durumunda test yükünün analogu küçük bir manyetik iğnedir.

Örneğin, çok küçük pusula iğnelerini uzayın farklı noktalarına yerleştirerek manyetik alana dair bazı geometrik bilgiler elde edebilirsiniz. Deneyimler, okların belirli çizgiler boyunca sıralanacağını gösteriyor - sözde manyetik alan çizgileri. Bu kavramı aşağıdaki üç nokta şeklinde tanımlayalım.

1. Manyetik alan çizgileri veya manyetik kuvvet çizgileri, uzayda aşağıdaki özelliklere sahip yönlendirilmiş çizgilerdir: Böyle bir çizginin her noktasına yerleştirilen küçük bir pusula iğnesi, bu çizgiye teğet olarak yönlendirilir..

2. Manyetik alan çizgisinin yönü, bu çizgi üzerindeki noktalarda bulunan pusula iğnelerinin kuzey uçlarının yönü olarak kabul edilir..

3. Çizgiler ne kadar yoğun olursa, uzayın belirli bir bölgesindeki manyetik alan o kadar güçlü olur..

Demir talaşları başarılı bir şekilde pusula iğnesi görevi görebilir: manyetik bir alanda küçük talaşlar mıknatıslanır ve tam olarak manyetik iğneler gibi davranır.

Böylece, kalıcı bir mıknatısın etrafına demir talaşı döktüğümüzde, manyetik alan çizgilerinin yaklaşık olarak aşağıdaki resmini göreceğiz (Şekil 1).

Pirinç. 1. Kalıcı mıknatıs alanı

Bir mıknatısın kuzey kutbu mavi renk ve harfle gösterilir; güney kutbu - kırmızı ve harf. Alan çizgilerinin mıknatısın kuzey kutbundan çıkıp güney kutbuna girdiğini lütfen unutmayın: sonuçta pusula iğnesinin kuzey ucu mıknatısın güney kutbuna doğru yönlendirilecektir.

Oersted'in deneyimi

Elektrik ve manyetik olgular antik çağlardan beri insanlar tarafından bilinmesine rağmen uzun süre aralarında herhangi bir ilişki gözlemlenmemiştir. Birkaç yüzyıl boyunca elektrik ve manyetizma araştırmaları paralel ve birbirinden bağımsız olarak ilerledi.

Elektriksel ve manyetik olayların aslında birbiriyle ilişkili olduğu gerçeği ilk kez 1820'de Oersted'in ünlü deneyinde keşfedildi.

Oersted deneyinin diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 2 (rt.mipt.ru sitesinden resim). Manyetik iğnenin üstünde (iğnenin kuzey ve güney kutupları vardır) bir akım kaynağına bağlı metal bir iletken vardır. Devreyi kapatırsanız ok iletkene dik olarak döner!
Bu basit deney, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi doğrudan gösterdi. Oersted'in deneyini takip eden deneyler aşağıdaki modeli kesin olarak ortaya koydu: Manyetik alan elektrik akımları tarafından üretilir ve akımlara etki eder.

Pirinç. 2. Oersted'in deneyi

Akım taşıyan bir iletken tarafından oluşturulan manyetik alan çizgilerinin düzeni, iletkenin şekline bağlıdır.

Akım taşıyan düz telin manyetik alanı

Akım taşıyan düz bir telin manyetik alan çizgileri eşmerkezli dairelerdir. Bu dairelerin merkezleri tel üzerinde yer alır ve düzlemleri tele diktir (Şekil 3).

Pirinç. 3. Akım taşıyan düz bir telin alanı

İleri manyetik alan çizgilerinin yönünü belirlemek için iki alternatif kural vardır.

Saat yönü kuralı. Akım bize doğru akacak şekilde bakarsanız alan çizgileri saat yönünün tersine gider.

Vida kuralı(veya burgu kuralı, veya tirbuşon kuralı- bu birine daha yakın bir şey ;-)). Alan çizgileri, vidayı (normal bir sağ dişle) döndürmeniz gereken yere gider, böylece vida diş boyunca akım yönünde hareket eder.

Size en uygun kuralı kullanın. Saat yönü kuralına alışmak daha iyidir - daha sonra bunun daha evrensel ve kullanımının daha kolay olduğunu kendiniz göreceksiniz (ve ardından analitik geometri çalışırken ilk yılınızda bunu şükranla hatırlayın).

İncirde. 3 yeni bir şey ortaya çıktı: bu, adı verilen bir vektör manyetik alan indüksiyonu, veya manyetik indüksiyon. Manyetik indüksiyon vektörü, elektrik alan kuvveti vektörüne benzer: güç karakteristiği Manyetik alan, manyetik alanın hareketli yüklere etki ettiği kuvveti belirler.

Manyetik alandaki kuvvetlerden daha sonra bahsedeceğiz ancak şimdilik yalnızca manyetik alanın büyüklüğünün ve yönünün manyetik indüksiyon vektörü tarafından belirlendiğine dikkat edeceğiz. Uzaydaki her noktada vektör, pusula iğnesinin kuzey ucuyla aynı yöne yönlendirilir. bu nokta yani alan çizgisine bu doğru yönünde teğettir. Manyetik indüksiyon ölçülür Tesla'nın(TL).

Elektrik alanı durumunda olduğu gibi, manyetik alan indüksiyonu için de aşağıdakiler geçerlidir: Üstüste binme ilkesi. Gerçek şu ki Belirli bir noktada çeşitli akımlar tarafından oluşturulan manyetik alanların indüksiyonları vektörel olarak toplanır ve ortaya çıkan manyetik indüksiyon vektörünü verir:.

Akımlı bir bobinin manyetik alanı

İçinde doğru akımın dolaştığı dairesel bir bobin düşünün. Akımı oluşturan kaynağı şekilde göstermiyoruz.

Yörüngemizin alan çizgilerinin resmi yaklaşık olarak aşağıdaki gibi görünecektir (Şekil 4).

Pirinç. 4. Akımlı bir bobinin alanı

Manyetik alanın hangi yarı uzaya (bobin düzlemine göre) yönlendirildiğini tespit edebilmek bizim için önemli olacaktır. Yine iki alternatif kuralımız var.

Saat yönü kuralı. Alan çizgileri oraya gidiyor ve akımın saat yönünün tersine dolaştığı yerden bakıyor.

Vida kuralı. Alan çizgileri, vidanın (normal sağ dişli) akım yönünde döndürülmesi durumunda hareket edeceği yere gider.

Gördüğünüz gibi, bu kuralların doğru akım durumu için formülasyonuyla karşılaştırıldığında akım ve alanın rolleri değişmektedir.

Akım bobininin manyetik alanı

Bobin Teli sıkıca sararsanız, yeterince uzun bir spiral haline getirirseniz işe yarayacaktır (Şekil 5 - en.wikipedia.org'dan resim). Bobinin onlarca, yüzlerce ve hatta binlerce dönüşü olabilir. Bobin de denir solenoid.

Pirinç. 5. Bobin (solenoid)

Bildiğimiz gibi tek dönüşlü manyetik alan çok basit görünmüyor. Tarlalar mı? bobinin bireysel dönüşleri üst üste bindirilmiştir ve sonucun çok kafa karıştırıcı bir tablo olması gerektiği görülmektedir. Ancak durum böyle değildir: Uzun bir bobinin alanı beklenmedik derecede basit bir yapıya sahiptir (Şekil 6).

Pirinç. 6. akım bobini alanı

Bu şekilde, soldan bakıldığında bobindeki akım saat yönünün tersine akar (Şekil 5'te bobinin sağ ucu akım kaynağının “artı” ucuna, sol ucu ise “artı” ucuna bağlanırsa bu gerçekleşecektir). eksi"). Bobinin manyetik alanının iki karakteristik özelliğe sahip olduğunu görüyoruz.

1. Bobinin içinde, kenarlarından uzakta, manyetik alan vardır. homojen: Her noktada manyetik indüksiyon vektörü büyüklük ve yön bakımından aynıdır. Alan çizgileri paralel düz çizgilerdir; dışarı çıktıklarında yalnızca bobinin kenarlarına yakın bir yerde bükülürler.

2. Bobinin dışında alan sıfıra yakındır. Bobinde ne kadar çok dönüş olursa, dışındaki alan da o kadar zayıf olur.

Sonsuz uzunluktaki bir bobinin alanı dışarıya doğru hiç salıvermediğine dikkat edin: Bobinin dışında manyetik alan yoktur. Böyle bir bobinin içinde alan her yerde aynıdır.

Sana hiçbir şey hatırlatmıyor mu? Bobin, bir kapasitörün “manyetik” analogudur. Bir kapasitörün kendi içinde düzgün bir elektrik alanı yarattığını, çizgilerinin yalnızca plakaların kenarlarına yakın bir yerde büküldüğünü ve kapasitörün dışında alanın sıfıra yakın olduğunu hatırlıyorsunuz; sonsuz plakalı bir kapasitör, alanı dışarıya hiç salmaz ve alan, içindeki her yerde aynıdır.

Ve şimdi - ana gözlem. Lütfen bobinin dışındaki manyetik alan çizgilerinin resmini (Şekil 6) Şekil 2'deki mıknatıs alan çizgileriyle karşılaştırın. 1. Aynı şey değil mi? Ve şimdi muhtemelen uzun zamandır aklınızda olan bir soruya geliyoruz: Eğer manyetik bir alan akımlar tarafından üretiliyorsa ve akımlara etki ediyorsa, o zaman kalıcı bir mıknatısın yakınında manyetik bir alanın ortaya çıkmasının nedeni nedir? Sonuçta bu mıknatıs akımı olan bir iletken gibi görünmüyor!

Ampere'nin hipotezi. Temel akımlar

İlk başta mıknatısların etkileşiminin kutuplarda yoğunlaşan özel manyetik yüklerle açıklandığı düşünülüyordu. Ancak elektrikten farklı olarak hiç kimse manyetik yükü izole edemez; sonuçta, daha önce de söylediğimiz gibi, bir mıknatısın kuzey ve güney kutuplarını ayrı ayrı elde etmek mümkün değildi; kutuplar bir mıknatısta her zaman çiftler halinde bulunur.

Manyetik alanın elektrik akımı tarafından oluşturulduğu ortaya çıktığında, Oersted'in deneyinde manyetik yüklerle ilgili şüpheler daha da arttı. Ayrıca, herhangi bir mıknatıs için, bu iletkenin alanı mıknatısın alanıyla çakışacak şekilde uygun konfigürasyonda bir akıma sahip bir iletken seçmenin mümkün olduğu ortaya çıktı.

Ampere cesur bir hipotez öne sürdü. Manyetik yük yoktur. Mıknatısın hareketi, içindeki kapalı elektrik akımlarıyla açıklanır..

Nedir bu akımlar? Bunlar temel akımlar atomların ve moleküllerin içinde dolaşır; elektronların atomik yörüngeler boyunca hareketi ile ilişkilidirler. Herhangi bir cismin manyetik alanı bu temel akımların manyetik alanlarından oluşur.

Temel akımlar birbirlerine göre rastgele yerleştirilebilir. Daha sonra alanları karşılıklı olarak iptal edilir ve vücut manyetik özellikler göstermez.

Ancak temel akımlar koordineli bir şekilde düzenlenirse, alanları toplanarak birbirini güçlendirir. Vücut bir mıknatıs haline gelir (Şekil 7; manyetik alan bize doğru yönlendirilecektir; mıknatısın kuzey kutbu da bize doğru yönlendirilecektir).

Pirinç. 7. Temel mıknatıs akımları

Ampere'nin temel akımlarla ilgili hipotezi, mıknatısların özelliklerini açıklığa kavuşturdu.Bir mıknatısın ısıtılması ve sallanması, temel akımlarının sırasını bozar ve manyetik özellikler zayıflar. Mıknatısın kutuplarının ayrılmazlığı açıkça ortaya çıktı: Mıknatısın kesildiği noktada uçlarda aynı temel akımları alıyoruz. Bir cismin manyetik alanda mıknatıslanma yeteneği, düzgün bir şekilde "dönen" temel akımların koordineli hizalanmasıyla açıklanır (bir sonraki sayfada manyetik alandaki dairesel bir akımın dönüşü hakkında bilgi edinin).

Ampere'nin hipotezinin doğru olduğu ortaya çıktı - bu, fiziğin daha da gelişmesiyle gösterildi. Temel akımlarla ilgili fikirler, yirminci yüzyılda geliştirilen atom teorisinin ayrılmaz bir parçası haline geldi - Ampere'nin parlak tahmininden neredeyse yüz yıl sonra.

Konusu “Doğru elektrik akımının manyetik alanı” olan bu dersimizde mıknatısın ne olduğunu, diğer mıknatıslarla nasıl etkileşime girdiğini öğrenecek, manyetik alan ve manyetik indüksiyon vektörünün tanımlarını yazacak, ayrıca manyetik indüksiyon vektörünü kullanacağız. manyetik indüksiyon vektörünün yönünü belirlemek için gimlet kuralı.

Her biriniz ellerinizde bir mıknatıs tuttunuz ve onun şaşırtıcı özelliğini biliyorsunuz: uzaktan başka bir mıknatısla veya bir demir parçasıyla etkileşime giriyor. Bir mıknatısa bu şaşırtıcı özellikleri veren şey nedir? Kendiniz bir mıknatıs yapmak mümkün mü? Mümkün ve bunun için neyin gerekli olduğunu dersimizden öğreneceksiniz. Hadi önümüze geçelim: Basit bir demir çivi alırsak manyetik özelliklere sahip olmayacaktır, ancak onu tel ile sararak bir pile bağlarsak bir mıknatıs elde ederiz (bkz. Şekil 1).

Pirinç. 1. Tel ile sarılı ve aküye bağlı çivi

Bir mıknatıs elde etmek için bir elektrik akımına - bir elektrik yükünün hareketine - ihtiyacınız olduğu ortaya çıktı. Buzdolabı mıknatısları gibi kalıcı mıknatısların özellikleri de elektrik yükünün hareketi ile ilişkilidir. Doğada elektrik gibi belirli bir manyetik yük yoktur. Buna gerek yok, hareketli elektrik yükleri yeterli.

Doğru elektrik akımının manyetik alanını keşfetmeden önce, manyetik alanın niceliksel olarak nasıl tanımlanacağı konusunda anlaşmaya varmamız gerekir. Manyetik olayları niceliksel olarak tanımlamak için, manyetik alanın kuvvet karakteristiğini tanıtmak gerekir. Bir manyetik alanı niceliksel olarak karakterize eden vektör miktarına manyetik indüksiyon denir. Genellikle büyük Latin harfi B ile gösterilir ve Tesla cinsinden ölçülür.

Manyetik indüksiyon, uzayda belirli bir noktada manyetik alanın kuvvet karakteristiği olan vektör bir niceliktir. Manyetik alanın yönü, alanın hareketsiz bir test yükü üzerindeki etkisi ile karakterize edildiği elektrostatik modele benzetilerek belirlenir. Sadece burada “test elemanı” olarak manyetik bir iğne (dikdörtgen bir kalıcı mıknatıs) kullanılır. Pusulada böyle bir ok gördünüz. Herhangi bir noktadaki manyetik alanın yönü, manyetik iğnenin kuzey kutbunun (N) yeniden yönlendirme sonrasında göstereceği yön olarak alınır (bkz. Şekil 2).

Manyetik alanın tam ve net bir resmi, manyetik alan çizgileri olarak adlandırılan çizgilerin oluşturulmasıyla elde edilebilir (bkz. Şekil 3).

Pirinç. 3. Kalıcı bir mıknatısın manyetik alan çizgileri

Bunlar uzaydaki her noktada manyetik indüksiyon vektörünün yönünü (yani manyetik iğnenin N kutbunun yönünü) gösteren çizgilerdir. Manyetik bir iğne kullanarak çeşitli manyetik alanların kuvvet çizgilerinin bir resmini elde edebilirsiniz. Burada örneğin kalıcı bir mıknatısın manyetik alan çizgilerinin bir resmi bulunmaktadır (bkz. Şekil 4).

Pirinç. 4. Kalıcı bir mıknatısın manyetik alan çizgileri

Her noktada bir manyetik alan vardır, ancak çizgileri birbirinden belli bir mesafede çizeriz. Bu sadece manyetik alanı tasvir etmenin bir yoludur; biz de aynısını elektrik alan gücü için yaptık (bkz. Şekil 5).

Pirinç. 5. Elektrik alan kuvveti çizgileri

Çizgiler ne kadar yoğun çizilirse, uzayın belirli bir bölgesindeki manyetik indüksiyon modülü o kadar büyük olur. Gördüğünüz gibi (bkz. Şekil 4), kuvvet çizgileri mıknatısın kuzey kutbundan çıkıp güney kutbuna giriyor. Mıknatısın içinde alan çizgileri de devam etmektedir. Pozitif yüklerle başlayıp negatif yüklerle biten elektrik alan çizgilerinin aksine, manyetik alan çizgileri kapalıdır (bkz. Şekil 6).

Pirinç. 6. Manyetik alan çizgileri kapalıdır

Alan çizgileri kapalı olan alana girdap vektör alanı denir. Elektrostatik alan bir girdap değil, potansiyeldir. Girdap ve potansiyel alanlar arasındaki temel fark, herhangi bir kapalı yol üzerindeki potansiyel alanın işinin sıfır olmasıdır; bir girdap alanı için durum böyle değildir. Dünya aynı zamanda çok büyük bir mıknatıstır, pusula iğnesi yardımıyla tespit ettiğimiz bir manyetik alana sahiptir. Dünyanın manyetik alanı hakkında daha fazla ayrıntı bu dalda açıklanmaktadır.

Dünya gezegenimiz, kutupları yüzeyin dönme ekseni ile kesişme noktasına yakın konumda bulunan büyük bir mıknatıstır. Coğrafi olarak bunlar Güney ve Kuzey Kutuplarıdır. Bu nedenle aynı zamanda bir mıknatıs olan pusulanın iğnesi Dünya ile etkileşime girer. Bir ucu Kuzey Kutbu'nu, diğeri Güney Kutbu'nu gösterecek şekilde yönlendirilmiştir (bkz. Şekil 7). Şekil 7. Pusula iğnesi Dünya ile etkileşime giriyor Dünyanın Kuzey Kutbu'nu işaret eden, İngilizce'den “Kuzey” olarak çevrilen Kuzey anlamına gelen N olarak adlandırıldı. Ve Dünya'nın Güney Kutbu'nu işaret eden S'dir, yani Güney anlamına gelir - İngilizce'den “Güney” olarak çevrilmiştir. Mıknatısların zıt kutupları birbirini çektiği için okun kuzey kutbu Dünyanın Güney Manyetik Kutbuna işaret eder (bkz. Şekil 8). Pirinç. 8. Pusula ile Dünyanın manyetik kutuplarının etkileşimi Güney Manyetik Kutbu'nun Kuzey Coğrafi Kutbu'nda yer aldığı ortaya çıktı. Tersine, Kuzey Manyetik Kutbu, Dünyanın Güney Coğrafi Kutbu'nda yer almaktadır.

Şimdi manyetik alan modelini öğrendikten sonra, doğru akımlı bir iletkenin alanını inceleyeceğiz. 19. yüzyılda Danimarkalı bilim adamı Oersted, manyetik bir iğnenin içinden elektrik akımının aktığı bir iletkenle etkileşime girdiğini keşfetti (bkz. Şekil 9).

Pirinç. 9. Manyetik iğnenin iletkenle etkileşimi

Uygulama, akım taşıyan düz bir iletkenin manyetik alanında, her noktadaki manyetik iğnenin belirli bir daireye teğet olarak ayarlanacağını göstermektedir. Bu dairenin düzlemi akım taşıyan iletkene diktir ve merkezi iletkenin ekseninde yer alır (bkz. Şekil 10).

Pirinç. 10. Manyetik iğnenin düz bir iletkenin manyetik alanındaki konumu

İletkenden geçen akımın yönünü değiştirirseniz, her noktadaki manyetik iğne ters yönde dönecektir (bkz. Şekil 11).

Pirinç. 11. Elektrik akımının akış yönünü değiştirirken

Yani manyetik alanın yönü iletkenden geçen akımın yönüne bağlıdır. Bu bağımlılık deneysel olarak oluşturulmuş basit bir yöntem kullanılarak açıklanabilir - gimlet kuralları:

jiletin öteleme hareketinin yönü iletkendeki akımın yönüyle çakışıyorsa, sapının dönme yönü bu iletken tarafından oluşturulan manyetik alanın yönüyle çakışır (bkz. Şekil 12).

Böylece, akım taşıyan bir iletkenin manyetik alanı, iletkene dik bir düzlemde uzanan bir daireye teğet olan her noktaya yönlendirilir. Çemberin merkezi iletkenin eksenine denk gelir. Manyetik alan vektörünün her noktadaki yönü, gimlet kuralına göre iletkendeki akımın yönü ile ilişkilidir. Ampirik olarak, akımın gücünü ve iletkene olan mesafeyi değiştirirken, manyetik indüksiyon vektörünün büyüklüğünün akımla orantılı olduğu ve iletkene olan mesafeyle ters orantılı olduğu tespit edilmiştir. Akımlı sonsuz bir iletken tarafından oluşturulan alanın manyetik indüksiyon vektörünün modülü şuna eşittir:

manyetizmada sıklıkla bulunan orantı katsayısı nerede. Buna vakumun manyetik geçirgenliği denir. Sayısal olarak eşittir:

Elektrik alanlarında olduğu gibi manyetik alanlar için de süperpozisyon ilkesi geçerlidir. Uzayın bir noktasında farklı kaynaklar tarafından oluşturulan manyetik alanlar toplanır (bkz. Şekil 13).

Pirinç. 13. Farklı kaynaklardan gelen manyetik alanlar toplanır

Böyle bir alanın toplam kuvvet karakteristiği, her bir kaynağın alanlarının kuvvet özelliklerinin vektör toplamı olacaktır. Belirli bir noktada bir akımın oluşturduğu manyetik indüksiyon alanının büyüklüğü, iletkenin daire şeklinde bükülmesiyle artırılabilir. Bu dönüşün içinde yer alan bir noktada böyle bir tel sarımının küçük bölümlerinin manyetik alanlarını dikkate alırsak bu açık olacaktır. Örneğin merkezde.

Gimlet kuralına göre işaretli bölüm, içinde yukarıya doğru yönlendirilmiş bir alan oluşturur (bkz. Şekil 14).

Pirinç. 14. Segmentlerin manyetik alanı

Segment benzer şekilde bu noktada oraya yönlendirilmiş bir manyetik alan yaratır. Diğer segmentler için de aynı şekilde. Daha sonra bu noktadaki toplam kuvvet karakteristiği (yani manyetik indüksiyon vektörü B), bu noktadaki tüm küçük bölümlerin manyetik alanlarının kuvvet özelliklerinin bir üst üste binmesi olacak ve yukarı doğru yönlendirilecektir (bkz. Şekil 15).

Pirinç. 15. Bobinin merkezindeki toplam kuvvet karakteristiği

İsteğe bağlı bir dönüş için, örneğin kare bir çerçeve için (bkz. Şekil 16) mutlaka daire şeklinde olması gerekmez, dönüş içindeki vektörün büyüklüğü doğal olarak dönüş şekline, boyutuna ve mevcut güce bağlı olacaktır. içinde, ancak manyetik indüksiyon vektörünün yönü her zaman aynı şekilde belirlenecektir (küçük bölümler tarafından oluşturulan alanların üst üste binmesi olarak).

Pirinç. 16. Kare çerçeve bölümlerinin manyetik alanı

Bir bobin içindeki alanın yönünün belirlenmesini ayrıntılı olarak anlattık, ancak genel durumda bu, biraz değiştirilmiş bir burgu kuralı kullanılarak çok daha basit bir şekilde bulunabilir:

jiletin sapını bobindeki akımın aktığı yönde döndürürseniz jiletin ucu bobin içindeki manyetik indüksiyon vektörünün yönünü gösterecektir (bkz. Şekil 17).

Yani artık sapın dönüşü akımın yönüne karşılık gelir ve jiletin hareketi alanın yönüne karşılık gelir. Doğrudan iletkende olduğu gibi bunun tersi de geçerli değildir. İçinden akımın aktığı uzun bir iletken bir yayın içine sarılırsa, bu cihaz birçok dönüşten oluşacaktır. Bobinin her dönüşünün manyetik alanları süperpozisyon ilkesine göre toplanacaktır. Böylece bobinin bir noktada yarattığı alan, o noktadaki her bir dönüşün yarattığı alanların toplamı olacaktır. Böyle bir bobinin alan çizgilerinin resmini Şekil 2'de görebilirsiniz. 18.

Pirinç. 18. Bobin enerji hatları

Böyle bir cihaza bobin, solenoid veya elektromıknatıs denir. Bobinin manyetik özelliklerinin kalıcı mıknatısınkiyle aynı olacağını görmek kolaydır (bkz. Şekil 19).

Pirinç. 19. Bobinin ve kalıcı mıknatısın manyetik özellikleri

Bobinin (yukarıdaki resimde görülen) bir tarafı mıknatısın kuzey kutbu, diğer tarafı ise güney kutbu görevi görür. Böyle bir cihaz, kontrol edilebildiği için teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır: yalnızca bobindeki akım açıldığında mıknatıs haline gelir. Bobin içindeki manyetik alan çizgilerinin neredeyse paralel olduğunu ve yoğunluklarının yüksek olduğunu unutmayın. Solenoidin içindeki alan çok güçlü ve tekdüzedir. Bobinin dışındaki alan düzgün değildir; içindeki alandan çok daha zayıftır ve ters yönde yönlendirilir. Bobin içindeki manyetik alanın yönü, bir tur içindeki alan için olduğu gibi burgu kuralıyla belirlenir. Sapın dönüş yönü için bobinden akan akımın yönünü alıyoruz ve burgunun hareketi içindeki manyetik alanın yönünü gösteriyor (bkz. Şekil 20).

Pirinç. 20. Makara gimlet kuralı

Akım taşıyan bir bobini manyetik bir alana yerleştirirseniz, manyetik bir iğne gibi kendini yeniden yönlendirecektir. Dönmeye neden olan kuvvetin momenti, belirli bir noktadaki manyetik indüksiyon vektörünün büyüklüğü, bobinin alanı ve içindeki akım gücü ile aşağıdaki şekilde ilişkilidir:

Artık kalıcı bir mıknatısın manyetik özelliklerinin nereden geldiği bizim için açık hale geliyor: bir atomda kapalı bir yol boyunca hareket eden bir elektron, akımlı bir bobin gibidir ve bobin gibi bir manyetik alana sahiptir. Ve bobin örneğinde de gördüğümüz gibi, belirli bir şekilde sıralanmış birçok akım sarımı güçlü bir manyetik alana sahiptir.

Kalıcı mıknatısların oluşturduğu alan, içlerindeki yüklerin hareketinin sonucudur. Ve bu yükler atomlardaki elektronlardır (bkz. Şekil 21). Pirinç. 21. Atomlardaki elektronların hareketi Oluşum mekanizmasını niteliksel düzeyde açıklayalım. Bildiğiniz gibi atomdaki elektronlar hareket halindedir. Böylece her atomdaki her elektron, kendi manyetik alanını oluşturarak atom büyüklüğünde çok sayıda mıknatıs oluşturur. Çoğu madde için bu mıknatıslar ve manyetik alanları rastgele yönlendirilmiştir. Bu nedenle vücudun yarattığı toplam manyetik alan sıfırdır. Ancak bireysel elektronların yarattığı manyetik alanların aynı şekilde yönlendirildiği maddeler de vardır (bkz. Şekil 22). Pirinç. 22. Manyetik alanlar aynı şekilde yönlendirilir Bu nedenle her elektronun yarattığı manyetik alanlar toplanır. Sonuç olarak, böyle bir maddeden yapılmış bir cisim manyetik bir alana sahiptir ve kalıcı bir mıknatıstır. Harici bir manyetik alanda, kendi manyetik alanına sahip olan bireysel atomlar veya atom grupları, pusula iğnesi gibi döner (bkz. Şekil 23). Pirinç. 23. Dış manyetik alanda atomların dönüşü Daha önce bir yöne yönlendirilmemişlerse ve güçlü bir toplam manyetik alan oluşturmamışlarsa, temel mıknatıslar sipariş edildikten sonra manyetik alanları artacaktır. Ve eğer bir dış alanın etkisinden sonra düzen korunursa, madde bir mıknatıs olarak kalacaktır. Açıklanan sürece mıknatıslanma denir.

Şekil 2'de gösterilen voltajda solenoidi besleyen akım kaynağının kutuplarını belirtin. 24 etkileşim. Şöyle düşünelim: İçinden doğru akımın aktığı bir solenoid mıknatıs gibi davranır.

Pirinç. 24. Güncel kaynak

Şek. Şekil 24'te manyetik iğnenin güney kutbuyla solenoide doğru yönlendirildiği görülmektedir. Mıknatısların benzer kutupları birbirini iter, zıt kutupları ise çeker. Bundan, solenoidin sol kutbunun kuzey olduğu sonucu çıkar (bkz. Şekil 25).

Pirinç. 25. Solenoidin sol kutbu kuzeydir

Manyetik indüksiyon hatları kuzey kutbundan çıkıp güney kutbuna girer. Bu, solenoidin içindeki alanın sola doğru yönlendirildiği anlamına gelir (bkz. Şekil 26).

Pirinç. 26. Solenoidin içindeki alan sola doğru yönlendirilmiştir

Solenoid içindeki alanın yönü gimlet kuralıyla belirlenir. Alanın sola yönlendirildiğini biliyoruz; o halde burgunun bu yönde vidalandığını hayal edelim. Daha sonra kolu, solenoiddeki akımın yönünü sağdan sola gösterecektir (bkz. Şekil 27).

Akımın yönü pozitif yükün hareket yönüne göre belirlenir. Ve pozitif yük şu noktadan itibaren hareket eder: harika potansiyel(kaynağın pozitif kutbu) daha küçük olan bir noktaya (kaynağın negatif kutbu) kadar. Sonuç olarak, sağda bulunan kaynak kutbu pozitif, solda ise negatiftir (bkz. Şekil 28).

Pirinç. 28. Kaynak kutuplarının belirlenmesi

Sorun 2

Alanı 400 olan bir çerçeve, çerçevenin normali indüksiyon çizgilerine dik olacak şekilde 0,1 T indüksiyonlu düzgün bir manyetik alan içerisine yerleştiriliyor. Tork 20 hangi akım gücünde çerçeveye etki edecektir (bkz. Şekil 29)?

Pirinç. 29. Problem 2 için çizim

Mantık yürütelim: Dönüşe neden olan kuvvetin momenti, belirli bir noktadaki manyetik indüksiyon vektörünün büyüklüğü, bobinin alanı ve içindeki akım gücü ile aşağıdaki ilişkiyle ilişkilidir:

Bizim durumumuzda gerekli tüm veriler mevcuttur. Gerekli akım gücünü ifade etmeye ve cevabı hesaplamaya devam ediyor:

Problem çözüldü.

Kaynakça

1. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizik: Problem çözme örnekleri içeren bir referans kitabı. - 2. baskının yeniden bölümlendirilmesi. - X .: Vesta: Ranok Yayınevi, 2005. - 464 s.
2. Myakishev G.Ya. Fizik: Ders Kitabı. 11. sınıf için Genel Eğitim kurumlar. - M.: Eğitim, 2010.

1. İnternet portalı "Bilgi Hipermarketi" ()
2. İnternet portalı “Birleşik TsOR koleksiyonu” ()

Ev ödevi

Tüm formüller tam olarak uygun olarak alınır. Federal Pedagojik Ölçümler Enstitüsü (FIPI)

3.3 MANYETİK BİR ALAN

3.3.1 Mıknatısların mekanik etkileşimi

Bir elektrik yükünün yakınında, tuhaf bir madde biçimi oluşur - bir elektrik alanı. Mıknatısın etrafında benzer bir madde biçimi vardır, ancak farklı bir kökene sahiptir (sonuçta cevher elektriksel olarak nötrdür), buna manyetik alan denir. Manyetik alanı incelemek için düz veya at nalı mıknatıslar kullanılır. Bir mıknatısın belirli yerleri en büyük çekici etkiye sahiptir; bunlara kutuplar (kuzey ve güney) denir. Zıt manyetik kutuplar birbirini çeker, aynı manyetik kutuplar da iter.

Bir manyetik alan. Manyetik indüksiyon vektörü

Manyetik alanın gücünü karakterize etmek için manyetik alan indüksiyon vektörü B'yi kullanın. Manyetik alan, kuvvet çizgileri (manyetik indüksiyon çizgileri) kullanılarak grafiksel olarak gösterilir. Satırlar kapalıdır, ne başı ne de sonu vardır. Manyetik çizgilerin çıktığı yer Kuzey Kutbu'dur; manyetik çizgiler Güney Kutbu'na girer.

Manyetik indüksiyon B [TL]- manyetik alanın kuvvet özelliği olan vektör fiziksel miktarı.

Manyetik alanların süperpozisyon prensibi - Uzayda belirli bir noktada bir manyetik alan birkaç alan kaynağı tarafından yaratılıyorsa, o zaman manyetik indüksiyon, her alanın indüksiyonlarının ayrı ayrı vektör toplamıdır. :

Manyetik alan çizgileri. Şerit ve at nalı kalıcı mıknatısların alan çizgilerinin deseni

3.3.2 Oersted'in deneyi. Akım taşıyan bir iletkenin manyetik alanı. Uzun düz bir iletkenin ve kapalı halka iletkenin, akımlı bir bobinin alan çizgilerinin resmi

Manyetik alan yalnızca mıknatısın çevresinde değil aynı zamanda akım taşıyan herhangi bir iletkenin çevresinde de mevcuttur. Oersted'in deneyi, elektrik akımının mıknatıs üzerindeki etkisini göstermektedir. Akım taşıyan düz bir iletken, üzerine küçük demir veya çelik talaşların dağıldığı bir karton levhadaki bir delikten geçirilirse, bunlar, merkezi iletkenin ekseninde bulunan eşmerkezli daireler oluşturur. Bu daireler, akım taşıyan bir iletkenin manyetik alan çizgilerini temsil eder.

3.3.3 Amper kuvveti, yönü ve büyüklüğü:

Amper gücü- manyetik alanda akım taşıyan bir iletkene etki eden kuvvet. Ampere kuvvetinin yönü sol el kuralına göre belirlenir: sol el Manyetik indüksiyon vektörü B'nin dikey bileşeni avuç içine girecek ve uzatılmış dört parmak akım yönünde yönlendirilecek şekilde konumlandırıldığında, 90 derece bükülmüş başparmak, iletkenin kesitine etki eden kuvvetin yönünü gösterecektir. akımla, yani Amper kuvvetiyle.

Nerede BEN- iletkendeki akım gücü;

B

L- manyetik alanda bulunan iletkenin uzunluğu;

α - manyetik alan vektörü ile iletkendeki akımın yönü arasındaki açı.

3.3.4 Lorentz kuvveti, yönü ve büyüklüğü:

Elektrik akımı yüklerin düzenli hareketini temsil ettiğinden, manyetik alanın akım taşıyan bir iletken üzerindeki etkisi, bireysel hareketli yükler üzerindeki etkisinin sonucudur. Manyetik alanın içinde hareket eden yüklere uyguladığı kuvvete Lorentz kuvveti denir. Lorentz kuvveti şu ilişkiyle belirlenir:

Nerede Q- Hareket eden yükün büyüklüğü;

V- hızının modülü;

B- manyetik alan indüksiyon vektörünün modülü;

α yük hızı vektörü ile manyetik indüksiyon vektörü arasındaki açıdır.

Lorentz kuvvetinin hıza dik olduğunu ve bu nedenle iş yapmadığını, yük hızının modülünü ve kinetik enerjisini değiştirmediğini lütfen unutmayın. Ancak hızın yönü sürekli değişmektedir.

Lorentz kuvveti vektörlere diktir İÇİNDE Ve v ve yönü Amper kuvvetinin yönüyle aynı sol kural kullanılarak belirlenir: sol el manyetik indüksiyon bileşenini sağlayacak şekilde konumlandırılırsa İÇİNDE, yükün hızına dik olarak avuç içine girdi ve dört parmak pozitif yükün hareketi boyunca (negatif yükün, örneğin bir elektronun hareketine karşı) yönlendirildi, ardından başparmak 90 derece büküldü yüke etki eden Lorentz kuvvetinin yönü fl.

Yüklü bir parçacığın düzgün bir manyetik alan içindeki hareketi

Yüklü bir parçacık manyetik alanda hareket ettiğinde Lorentz kuvveti iş yapmaz. Bu nedenle hız vektörünün büyüklüğü parçacık hareket ettiğinde değişmez. Yüklü bir parçacık Lorentz kuvvetinin etkisi altında düzgün bir manyetik alanda hareket ediyorsa ve hızı vektöre dik bir düzlemde bulunuyorsa, o zaman parçacık R yarıçaplı bir daire içinde hareket edecektir.

“Manyetik alanın belirlenmesi” - Deneyler sırasında elde edilen verileri kullanarak tabloyu doldurun. J. Vern. Bir mıknatısı manyetik bir iğneye getirdiğimizde döner. Manyetik alanların grafiksel gösterimi. Hans Christian Oersted. Elektrik alanı. Bir mıknatısın iki kutbu vardır: kuzey ve güney. Bilginin genelleştirilmesi ve sistemleştirilmesi aşaması.

“Manyetik alan ve grafiksel gösterimi” - Homojen olmayan manyetik alan. Akım bobinleri. Manyetik çizgiler. Ampere'nin hipotezi. Bir şerit mıknatısın içinde. Karşıt manyetik kutuplar. Kutup ışıkları. Kalıcı bir mıknatısın manyetik alanı. Bir manyetik alan. Dünyanın manyetik alanı. Manyetik kutuplar. Biyometroloji. Eşmerkezli daireler. Düzgün manyetik alan.

“Manyetik alan enerjisi” skaler bir miktardır. Endüktansın hesaplanması. Sabit manyetik alanlar. Rahatlama vakti. Endüktansın tanımı. Bobin enerjisi. Endüktanslı bir devrede ekstra akımlar. Geçici süreçler. Enerji yoğunluğu. Elektrodinamik. Salınım devresi. Darbeli manyetik alan. Kendi kendine indüksiyon. Manyetik alan enerji yoğunluğu.

“Manyetik alanın özellikleri” - Manyetik indüksiyon hatları. Gimlet kuralı. Kuvvet çizgileri boyunca döndürün. Bilgisayar modeli Dünyanın manyetik alanı. Manyetik sabit. Manyetik indüksiyon. Şarj taşıyıcılarının sayısı. Manyetik indüksiyon vektörünü ayarlamanın üç yolu. Elektrik akımının manyetik alanı. Fizikçi William Gilbert.

“Manyetik alanın özellikleri” - Madde türü. Manyetik alanın manyetik indüksiyonu. Manyetik indüksiyon. Kalıcı mıknatıs. Manyetik indüksiyonun bazı değerleri. Manyetik iğne. Konuşmacı. Manyetik indüksiyon vektör modülü. Manyetik indüksiyon hatları her zaman kapalıdır. Akımların etkileşimi. Tork. Maddenin manyetik özellikleri.

“Manyetik alanda parçacıkların hareketi” - Spektrograf. Lorentz kuvvetinin tezahürü. Lorentz kuvveti. Siklotron. Lorentz kuvvetinin büyüklüğünün belirlenmesi. Kontrol soruları. Lorentz kuvvetinin yönleri. Yıldızlararası madde. Deneyin görevi. Ayarları değiştir. Bir manyetik alan. Kütle spektrografı. Parçacıkların manyetik alanda hareketi. Katot ışın tüpü.

Toplamda 20 sunum var