Совершенствование лекционного курса Электричество и магнетизм на основе применения компьютерных (стр. 12 из 14)

Покажите, что для расчета магнитных полей можно применять также теорему о циркуляции. Заметьте, что если замкнутый контур не охватывает ток, то циркуляция равна нулю.

На опыте покажите, что магнитные поля действуют с определенными силами на электрические токи. Для этого можно подвесить гибкий проводник в магнитном поле, которое может быть полем постоянного магнита или полем тока, который можно регулировать, и показать, что при прохождении тока в проводнике на него будут действовать силы, стремящиеся вытолкнуть его за пределы магнитного поля (см. рис. 4а и 4б).

Обратите внимание слушателей на то, что сила вполне ощутима при обычных полях и токах. Именно эти магнитные силы вращают электрические двигатели во всем мире. С помощью экспериментальной установки можно показать:

1. Сила перпендикулярна как к вектору магнитной индукции, так и к направлению тока. Поэтому ее направление легко определить по правилу левой руки.

2. Изменяя индукцию магнитного поля без изменения его направления, можно обнаружить, что сила, действующая на ток, пропорциональна индукции магнитного поля. Изменяя направление поля, можно показать, что сила пропорциональна составляющей магнитного поля

, перпендикулярной к току.

3. Сила F пропорциональна току I и длине проводника

, где - угол между вектором магнитной индукции и вектором , совпадающим по направлению с направлением тока.

Проведите анализ рассмотренного материала: токи создают магнитные поля, и на токи действуют силы магнитного поля. Токи взаимодействуют друг с другом через посредство магнитного поля. Здесь можно провести аналогию с электрическим полем, являющимся посредником при взаимодействии электрических зарядов. Токи отталкиваются и притягиваются подобно тому, как отталкиваются и притягиваются электрические заряды, с силами, зависящими от величины сил токов и от их взаимного расположения. Взаимодействие токов лежит в основе большинства механических применений электрической энергии (электродвигатели и генераторы любого типа).

Используя выражение для силы Ампера, получите выражение для силы, действующей на отдельные заряды - магнитной составляющей силы Лоренца. Проанализируйте ее зависимость от величины заряда, его скорости, от величины магнитной индукции. Поясните, что формула может быть проверена экспериментально, что и было сделано при наблюдении отклонения заряженных частиц в магнитном поле. Объясните, что поскольку сила Лоренца перпендикулярна к скорости, она не может совершать работу по ускорению заряженных частиц, пролетающих сквозь магнитное поле, поэтому они должны двигаться с постоянной скоростью по окружности радиуса r. Из равенства

можно определить радиус этой окружности.

Продолжая изучение действия магнитного поля на ток, следует рассмотреть вопрос о поведении замкнутого контура с током в однородном магнитном поле. Проще всего это сделать для случая, когда контур имеет прямоугольную форму (рис. 5). Когда линии магнитной индукции лежат в плоскости контура, на токи в верхней и нижней его сторонах никакие силы не действуют, поскольку эти токи параллельны или антипараллельны линиям магнитного поля. Действующие на левый и правый провод силы Ампера образуют пару сил, в результате чего создается вращающий момент сил: M=ISB. При повороте рамки отличные от нуля силы Ампера будут действовать на ее верхний и нижний провода. Эти силы направлены в противоположные стороны и стремятся деформировать, а не повернуть рамку. Вращающий момент зависит от угла между направлением вектора

и нормалью к рамке и равен нулю, когда этот угол равен нулю. Поэтому в магнитном поле контур с током поворачивается и в конце концов устанавливается так, что его плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции. Введите понятие магнитного момента . Это позволит сравнить поведение контура с током в магнитном поле с поведением электрического диполя в электрическом поле. При движении проводника или рамки с током в магнитном поле совершается работа и изменяется потенциальная энергия. Потенциальная энергия замкнутого тока в магнитном поле (заметим, что для электрического диполя ). Когда угол между направлением вектора положительной нормали к плоскости витка с током и равен нулю, потенциальная энергия отрицательна. Отрицательное значение потенциальной энергии означает, что для того, чтобы вывести рамку с током из этого положения, нужно совершить работу.

Вычисление работы при перемещении проводника с током в магнитном поле не может вызвать затруднений, так как производится по формулам, хорошо известным из механики. Новым является понятие потока вектора. Подчеркните, что формула для потока вектора магнитной индукции годится для вычисления потока любого вектора (напряженности электрического поля

, напряженности гравитационного поля , скорости и т.д.). Обратите внимание на то, что поток вектора является скалярной величиной, ее знак зависит от угла между направлением вектора поля и нормалью к поверхности, через которую определяется поток.

Магнитное поле в веществе

При изучении магнитного поля нельзя обойти вопрос о роли вещества. Можно на простых опытах показать, что некоторые вещества, например железо, могут сильно намагничиваться в магнитном поле. В то же время существуют вещества, которые слабо намагничиваются.

Очень хорошо, если есть возможность продемонстрировать поведение различных веществ, помещенных в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита (рис. 6). В таком магнитном поле кусок железа, подвешенный на нити, сильно отклонится в направлении более сильного поля. Такой эффект характерен для класса ферромагнетиков. Другие вещества, такие как хром, марганец, палладий, тоже втягиваются в область сильного поля, но гораздо слабее - это парамагнетики. А такие вещества как ртуть, мышьяк, серебро движутся в область более слабого поля - это диамагнетики.

Объяснить намагничивание различных материалов в школьном курсе физики весьма затруднительно. Однако, качественно это можно сделать на основе гипотезы Ампера о молекулярных токах и модели строения атома, предложенной Бором,. Поясните, что магнитные явления в веществах вызываются магнитными моментами электронов. Труднее всего объяснить намагничивание ферромагнетиков, так как для этого необходимо ввести понятие собственных магнитных моментов, между которыми действуют обменные силы, имеющие квантовую природу.

Если объяснение намагничивания Вам кажется затруднительным даже на качественном уровне, можно ограничиться рассказом о свойствах и особенностях магнетиков разных типов.

Электромагнитная индукция

При изучении явления электромагнитной индукции важно обратить внимание учащихся на то, что индукционный ток в замкнутом контуре возникает только в случае, когда магнитный поток через контур изменяется. Индукционный ток может быть вызван переменным электрическим током, движением катушки с током, движением постоянного магнита. Обязательно остановитесь на глубокой связи электрических и магнитных явлений. Напомните, что возникновение электрического тока (направленного движения электрических зарядов) происходит под действием электрического поля. Это позволило Максвеллу на основании опытов Фарадея сделать вывод о том, что переменное магнитное поле порождает электрическое поле. Линии этого поля замкнуты. Такое поле называется вихревым.

Применяя для определения направления индукционного тока правило Ленца, покажите, что это правило является следствием закона сохранения энергии.

Для лучшего усвоения материала необходимо воспользоваться демонстрацией опытов, которые когда-то были осуществлены Фарадеем. Это позволит изучить явление более глубоко. Обсудите применение явления электромагнитной индукции в технике.