Физика 11. Магнитное поле проводника с током. Опыт Эрстеда. Взаимодействие проводников с током

Главная мысль урока

Электрический ток создаёт магнитное поле. Это поле действует на другие токи и магниты, поэтому два проводника с током могут притягиваться или отталкиваться.

Опыт Эрстеда

В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед заметил, что магнитная стрелка отклоняется рядом с проводником, по которому течёт ток. При размыкании цепи стрелка возвращается примерно в исходное положение, а при изменении направления тока отклоняется в другую сторону.

Опыт показывает, что магнитное поле создаётся не просто металлическим проводником, а направленным движением электрических зарядов — электрическим током.

Магнитное поле прямого проводника

Вокруг длинного прямого проводника с током линии магнитной индукции имеют форму концентрических окружностей, лежащих в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Центр окружностей находится на оси проводника.

Направление линий определяют правилом правой руки: если большой палец правой руки направить по току, согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля вокруг проводника.

Модуль магнитной индукции длинного прямого проводника в однородной среде определяется выражением:

\[B=\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\]

где \(I\) — сила тока, \(r\) — расстояние от проводника, \(\mu_0\) — магнитная постоянная. Из формулы видно: поле усиливается при увеличении тока и ослабевает при удалении от проводника.

Сила взаимодействия параллельных проводников

Параллельные проводники с током создают магнитные поля и действуют друг на друга. Если токи текут в одном направлении, проводники притягиваются. Если токи направлены противоположно, проводники отталкиваются.

Для двух длинных параллельных проводников сила, действующая на участок длиной \(l\), равна:

\[F=\frac{\mu_0 I_1I_2l}{2\pi r}\]

Здесь \(I_1\) и \(I_2\) — силы токов, \(r\) — расстояние между проводниками. Сила увеличивается с ростом токов и длины участка, а при увеличении расстояния уменьшается.

Силу взаимодействия на единицу длины можно записать так:

\[\frac{F}{l}=\frac{\mu_0 I_1I_2}{2\pi r}\]

Как определить направление силы

Сначала определяют направление магнитного поля одного проводника по правилу правой руки. Затем рассматривают действие этого поля на ток в другом проводнике. Для этого применяют правило левой руки: если линии магнитного поля входят в ладонь, а четыре пальца направлены по току, отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера.

На практике направление проще проверить по общему правилу: одинаковые направления параллельных токов дают притяжение, противоположные — отталкивание.

Пример

Два параллельных проводника находятся на расстоянии \(r=0{,}1\ м\). По каждому течёт ток \(I=5\ А\). Для участка длиной \(l=1\ м\):

\[F=\frac{4\pi\cdot10^{-7}\cdot5\cdot5\cdot1}{2\pi\cdot0{,}1}=5\cdot10^{-5}\ Н\]

Если токи направлены одинаково, эта сила является силой притяжения; если противоположно — силой отталкивания.

Безопасность опыта

Опыт с током выполняют только на учебном оборудовании под руководством учителя. Нельзя замыкать провод напрямую на бытовую розетку, касаться оголённых проводов или долго пропускать большой ток через тонкий провод: он может нагреться.

Главное

Магнитное поле создаётся электрическим током.
Опыт Эрстеда показывает отклонение магнитной стрелки возле проводника с током.
Вокруг прямого проводника линии магнитной индукции являются концентрическими окружностями.
Направление поля определяют правилом правой руки.
Параллельные токи одного направления притягиваются, противоположных направлений — отталкиваются.

Вопросы и задания

Что наблюдал Эрстед в опыте с проводником и магнитной стрелкой?
Как изменится направление магнитного поля при изменении направления тока?
Как направлены линии магнитной индукции вокруг прямого проводника?
Во сколько раз изменится \(B\) около проводника, если силу тока увеличить в 3 раза, а расстояние оставить прежним?
Два параллельных проводника имеют токи одного направления. Они притягиваются или отталкиваются? Что изменится при смене направления одного тока?
Как изменится сила взаимодействия проводников, если расстояние между ними увеличить в 2 раза?

Ответы для самопроверки

1. Магнитная стрелка отклонялась возле проводника с током; значит, ток создаёт магнитное поле.

Направление магнитного поля изменится на противоположное.
По концентрическим окружностям в плоскостях, перпендикулярных проводнику; направление задаётся правилом правой руки.
В 3 раза увеличится, поскольку \(B\) прямо пропорциональна \(I\).
Притягиваются; при изменении направления одного тока начнут отталкиваться.
Уменьшится в 2 раза, поскольку \(F\) обратно пропорциональна \(r\).