Для учащихся (для лучшего понимания физики).
Магнитные взаимодействия - это взаимодействия между намагниченными телами или между проводниками с током, или между постоянным магнитом и проводником с током.
Осуществляются магнитные взаимодействия через создаваемые намагниченными телами или проводниками с током магнитные поля.
Вспомним основные моменты по этой теме, рассмотренные в статьях "Магнетизм вещества. Как наука объясняет это явление?" и в последующих пяти статьях. Рассмотрим ещё решения нескольких задач на эту тему.
Взаимодействие намагниченных тел
Опыты показывают, что кусок железа или стали, находящийся вблизи магнита, намагничивается и притягивается к магниту, и тем сильнее (на кусок действует тем большая магнитная сила), чем ближе он расположен к магниту (см. статью "Как физика объясняет способность ферромагнетиков сильно намагничиваться").
На рисунке показан магнит, удерживающий на весу пять железных брусков.
Сильнее всего притягивается к магниту (намагничивается) брусок 1, вплотную касающийся поверхности магнита. Сила его притяжения к магниту больше силы тяжести всех брусков.
Железные бруски намагничиваются значительно сильнее стальных, но при рассыпании цепочки железные бруски и размагничиваются гораздо сильнее, чем бруски из стали. Поэтому постоянные магниты изготавливаются из особых сортов стали, способных сохранять магнитные свойства (остаточное намагничивание).
Остаточное намагничивание зависит не только от материала тела, но и от его формы.
Так, короткие и толстые бруски при удалении магнита размагничиваются сильнее, чем имеющие вид полоски. Последние сохраняют свою намагниченность гораздо лучше.
На следующем рисунке показана магнитная полоска, к концам которой притянуты железные опилки.
Такая полоска называется магнитной стрелкой, а её концы называются магнитными полюсами (северным N и южным S).
К середине магнитной стрелки железные опилки не притягиваются и эта часть стрелки называется нейтральной зоной. Часто магнитной стрелке придают вид вытянутого ромба.
Одноимённые магнитные полюсы стрелки или намагниченного тела отталкиваются друг от друга, а разноимённые притягиваются.
Во внешнем магнитном поле индукции В магнитная стрелка располагается по полю так, как показано на рисунке ниже.
На следующем рисунке показано направление магнитных силовых линий поля, создаваемого полосовым постоянным магнитом - магнитные силовые линии выходят из северного магнитного полюса и входят в южный. Вблизи полюсов магнита поле неоднородно, а внутри магнита магнитное поле однородно (силовые линии идут параллельно друг другу).
Опыты показывают, что магнитное поле, создаваемое постоянным током, текущим по соленоиду, аналогично полю, создаваемому постоянным полосовым магнитном:
Конец катушки, из которого выходят магнитные силовые линии, аналогичен северному полюсу N магнита. Расположение магнитных полюсов в катушке определяется с помощью правила правого буравчика:
если точка на рукоятке буравчика при его вращении по часовой стрелке совпадает с направлением тока в катушке, то поступательное движение буравчика покажет направление силовой линии, а касательная к силовой линии даст направление вектора магнитной индукции В.
Зададим себе такой вопрос:
Почему кусок железа или железные опилки всегда притягиваются к магниту?
Ответ: потому что конец куска железа, расположенный близко к магниту всегда намагничивается противоположно полюсу магнита. Удалённый конец куска железа намагничивается одинаково с полюсом магнита, но так как этот конец находится далеко, то на практике обнаруживается только притяжение железа к магниту.
Задача
Сильный магнит удерживает гирлянду, состоящую из нескольких цилиндров, сделанных из мягкого железа. Что будет происходить с цилиндрами, если к гирлянде снизу приблизить такой же магнит? Магниты обращены друг к другу одноимёнными полюсами.
Что будет происходить с цилиндрами, если магниты будут обращены друг к другу противоположными полюсами?
Ответ.
В первом случае, по мере приближения магнита, цилиндры будут один за другим отрываться от гирлянды и притягиваться к нижнему магниту. Во втором случае, при приближении полюса противоположного знака "прочность" гирлянды будет возрастать по мере приближения нижнего магнита. Когда второй магнит вплотную приблизится к нижнему цилиндру, то он притянется к гирлянде и останется висеть на ней.
Взаимодействие магнитных полей токов
(или действие магнитного поля на проводники с током и отдельные движущиеся заряды)
Задача
В однородном магнитном поле, индукция которого равна 2 Тл и направлена под углом 30 градусов к вертикали, вверх движется прямой проводник массой 2 кг, по которому течёт ток 4 А. Через 3 с после начала движения проводник имеет скорость 10 м/с. Определить длину проводника.
Решение. На проводник, движущийся в магнитном поле, действуют сила тяжести и сила Ампера, определяемая проекцией вектора магнитной индукции на ось х:
Так как проводник движется равноускоренно, то уравнение по второму закону Ньютона в проекции на ось примет вид:
Выразив ускорение через отношение скорости ко времени, получим следующее выражение для длины проводника:
Ответ: длина проводника равна 6,55 м.
Задача
Электрон, ускоренный разностью потенциалов U = 300 В, движется параллельно прямолинейному проводнику на расстоянии r = 4 мм от него. Какая сила будет действовать на электрон. если по проводнику пустить ток 5 А?
Решение. При пропускании по проводнику тока на электрон действует сила Лоренца, равная
Так как электрон был предварительно ускорен электрическим полем, то он приобрёл кинетическую энергию, равную совершённой полем работе
Индукция магнитного поля, создаваемого прямым длинным проводником с током в месте движения электрона, равна
Тогда выражение для силы, действующей на электрон, примет вид
Ответ: сила примерно равна 4 10 -16 Н.
Задача
Прямолинейный провод с током расположен над полюсами подковообразного магнита. Провод может свободно перемещаться во всех направлениях.
Что будет происходить с проводом под воздействием поля магнита, если ток проходит в направлении, указанном стрелкой?
Решение.
На рисунке ниже магнитное поле обозначено буквой Н (это напряжённость магнитного поля). Направления векторов напряжённости Н и магнитной индукции совпадают.
В точке А силовые линии магнитного поля проходят снизу вверх, под углом к направлению тока в проводе, а в точке В - сверху вниз, под углом к направлению тока.
Для нахождения направлений сил, действующих на точки провода, надо взять проекцию вектора Н на нормаль к проводу и применить правило левой руки.
Под действием этих сил провод будет поворачиваться против часовой стрелки (если смотреть сверху).
В точке О провода силовая линия магнитного поля направлена вдоль тока. По правилу левой руки магнитная сила в точке О направлена вниз.
Ответ. Провод вначале будет поворачиваться в горизонтальной плоскости против часовой стрелки, а затем будет опускаться вниз.
Задача
Около сильного длинного прямолинейного магнита расположен гибкий свободный проводник.
Как расположится проводник, если по нему пропустить ток сверху вниз?
Решение.
Для установления движения провода надо определить направление силовых линий на участках провода, прилегающих к точкам А и В, а затем для определения направления движения этих участков применить правило левой руки.
Ответ. Провод обовьётся около магнита, как показано на рисунке.
Задача
По двум свободным, скрещивающимся под прямым углом прямолинейным проводникам, пропускаются токи, как показано на рисунке.
Как за счёт взаимодействия магнитных полей токов будет изменяться расположение проводников друг относительно друга?
Решение.
На рисунке ниже показано направление силовых линий магнитного поля, создаваемого первым проводником с током в точках нахождения второго проводника с током.
Надо рассмотреть действие магнитного поля первого тока на участки второго провода с током, прилегающие к точкам А, О и В
Ответ: провода начнут поворачиваться, стремясь встать параллельно друг другу, а затем будут притягиваться друг к другу.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Для школьников предлагаются подборки материала по темам:
!. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.
2. Равнопеременное прямолинейное движение.
Предыдущая запись: Постоянный электрический ток. Методы расчёта сложных цепей постоянного тока.
Следующая запись: Явление электромагнитной индукции. Задачи.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .