§ 11. МАГНІТНЕ ПОЛЕ СТРУМУ. ПРАВИЛО СВЕРДЛИКА

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Сформулюйте декілька ідей щодо зазначеного питання та обґрунтуйте їх.

Напрямок ліній магнітної індукції навколо провідника зі струмом можна визначити за допомогою магнітних стрілок, оскільки їхній північний полюс завжди вказує напрямок вектора магнітної індукції в даній точці. Також для цього застосовують правило свердлика або правило правої руки, які встановлюють математичну відповідність між напрямком струму та орієнтацією магнітного поля. Величина магнітної індукції залежить від сили струму в провіднику та відстані до нього: чим більша сила струму і чим менша відстань, тим сильнішою є магнітна дія.

1. Що визначають за допомогою правила свердлика?

За допомогою правила свердлика визначають напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного провідником із електричним струмом.

ЗАВДАННЯ

Переконайтесь у справедливості правила свердлика для випадків на рис. 11.1.

На рисунку 11.1, а струм спрямований вгору, тому при вкручуванні свердлика за напрямком струму його ручка обертається проти годинникової стрілки (якщо дивитися зверху), що відповідає орієнтації північних полюсів магнітних стрілок. На рисунку 11.1, б струм спрямований вниз, що змушує ручку свердлика обертатися за годинниковою стрілкою; це повністю збігається зі зміненим напрямком магнітних стрілок.

2. Від чого залежить індукція магнітного поля провідника зі струмом?

Індукція магнітного поля провідника зі струмом залежить від сили струму в провіднику та від відстані від провідника до точки, у якій визначається індукція.

Розгляньте рис. 11.3. Чому зі збільшенням відстані від провідника щільність ліній магнітної індукції зменшується? Чи однаковими є модулі векторів B1, B2 і B3?

Щільність ліній магнітної індукції зменшується зі збільшенням відстані, оскільки магнітна індукція поля прямого провідника зі струмом слабшає при віддаленні від нього. Модулі векторів $B_1$, $B_2$ і $B_3$ не є однаковими: модуль вектора $B_1$ є найбільшим, оскільки точка 1 розташована найближче до провідника, а модуль $B_3$ — найменшим, бо точка 3 найбільш віддалена.

А ЯК НАСПРАВДІ?

Чи є сенс у таких діях із погляду фізики?

З погляду фізики такі дії мають сенс, оскільки робота електромагнітних замків базується на створенні магнітного поля електричним струмом. У разі відключення живлення в усьому кварталі струм перестає текти через обмотку електромагніту, магнітне поле зникає, ригель замка перестає притискатися до корпусу і замок автоматично відкривається.

3. Як визначити полюси котушки зі струмом?

Полюси котушки зі струмом визначають за допомогою правої руки: якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком струму в котушці, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок на північний полюс котушки. Також полюси можна визначити експериментально за допомогою магнітної стрілки або компаса, враховуючи, що однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні — притягуються.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Виберіть напрямок електричного струму, який ви пропускатимете дротом. Визначте за допомогою правила правої руки полюси котушки зі струмом. Спрогнозуйте поведінку магнітної стрілки компаса, коли ви розташуєте його навпроти кожного з торців котушки.

Напрямок струму в котушці оберемо від позитивного полюса батарейки до негативного (за годинниковою стрілкою, якщо дивитися з торця). Згідно з правилом правої руки, якщо обхопити котушку так, щоб пальці вказували напрямок струму, великий палець вкаже на лівий торець котушки, отже, там буде північний полюс (N), а на протилежному торці — південний (S). Магнітна стрілка компаса біля північного полюса котушки повернеться південним полюсом до неї, а біля південного полюса котушки — північним полюсом.

Експериментально перевірте своє припущення, під’єднавши дріт до контактів батарейки. Виконайте пояснювальний рисунок. Сформулюйте висновок щодо результатів дослідження.

Під час замикання кола спостерігається поворот стрілки компаса відповідно до теоретичного прогнозу: північний кінець стрілки притягується до південного полюса саморобної котушки.

[Пояснювальний рисунок: Зображено залізний цвях із намотаним дротом, під’єднаним до батарейки; стрілками вказано напрямок струму $I$ по витках; біля головоки цвяха позначено літеру $N$, біля вістря — $S$; поруч зображено компас, орієнтований південним полюсом до головоки цвяха].

Висновок: котушка зі струмом утворює магнітне поле і має два полюси, розташування яких залежить від напрямку електричного струму в провіднику, що підтверджується правилом правої руки та взаємодією з магнітною стрілкою.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як визначити напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом?

Напрямок ліній магнітної індукції прямого провідника зі струмом визначають за допомогою правила свердлика або правила правої руки. Відповідно до правила правої руки, якщо спрямувати великий палець правої руки за напрямком струму в провіднику, то чотири зігнуті пальці вкажуть напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля струму.

2. Сформулюйте правило свердлика.

Якщо вкручувати свердлик за напрямком струму в провіднику, то напрямок обертання ручки свердлика вкаже напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля струму.

3. Як магнітна індукція магнітного поля провідника зі струмом залежить від відстані до провідника? від сили струму в провіднику?

Магнітна індукція створеного провідником магнітного поля значно зменшується зі збільшенням відстані від нього та збільшується зі збільшенням сили струму в провіднику.

4. Який вигляд мають лінії магнітної індукції магнітного поля прямого провідника зі струмом? котушки зі струмом?

Лінії магнітної індукції прямого провідника зі струмом мають вигляд концентричних кіл, що охоплюють провідник. Лінії магнітної індукції котушки зі струмом є замкненими лініями, які всередині котушки спрямовані паралельно її осі, а зовні подібні до ліній магнітної індукції штабового магніту.

5. Як визначити магнітні полюси котушки зі струмом?

Магнітні полюси котушки зі струмом визначають за допомогою правої руки: якщо чотири зігнуті пальці спрямувати за напрямком струму в котушці, то відігнутий на $90^\circ$ великий палець укаже напрямок на її північний полюс.

ВПРАВА № 11

1. На рис. 1 зображено лінію магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом. Яким є напрямок струму?

Згідно з правилом правої руки, якщо обхопити провідник так, щоб зігнуті пальці вказували напрямок ліній магнітної індукції, то відігнутий великий палець вкаже на напрямок струму від точки А до точки С.

2. На рис. 2 зображено лінії магнітної індукції магнітних полів двох провідників зі струмом. 1) Як напрямлене магнітне поле провідника на рис. 2, а? 2) Яким є напрямок струму в провіднику на рис. 2, б? 3) У якій точці — А чи В — магнітне поле є сильнішим (рис. 2, а, б)?

1. Магнітне поле провідника на рис. 2, а напрямлене проти годинникової стрілки. 2) Струм у провіднику на рис. 2, б напрямлений від спостерігача (у площину рисунка). 3) Магнітне поле є сильнішим у точці А, оскільки вона розташована ближче до провідника, де щільність ліній магнітної індукції вища.

3. Яким полюсом має повернутися до нас магнітна стрілка (рис. 3)? Чи зміниться відповідь, якщо стрілку розташувати над провідником?

Згідно з правилом правої руки, під провідником лінії магнітної індукції напрямлені до спостерігача, тому магнітна стрілка повернеться до нас північним полюсом (N). Якщо розташувати стрілку над провідником, лінії магнітної індукції будуть напрямлені від спостерігача, тому стрілка повернеться до нас південним полюсом (S).

4. Над котушкою підвішено магніт (рис. 4). Що відбудеться, якщо замкнути коло?

Після замикання кола котушка стане електромагнітом. За правилом правої руки визначається полярність котушки: якщо верхній торць котушки стане північним полюсом (N), він притягне південний полюс (S) підвішеного магніту; якщо ж верхній торць стане південним полюсом (S), він відштовхне підвішений магніт.

5. Визначте полюси джерела струму на рис. 5.

Північний полюс (N) магнітної стрілки притягується до лівого торця котушки, отже, лівий торць є південним полюсом (S), а правий — північним (N). За правилом правої руки, щоб великий палець вказував праворуч (на північний полюс), чотири зігнуті пальці мають бути спрямовані вниз по передній частині витків. Це означає, що струм тече від правого виводу до лівого, тому правий вивід джерела є позитивним (+), а лівий — негативним (–).

6. У деяких випадках магнітне поле струму не є бажаним. У такому разі використовують біфілярну намотку: провід скручують удвоє так, щоб обидва його кінці опинилися поряд. У чому сенс такої намотки?

Сенс біфілярної намотки полягає в тому, що струми у двох паралельних частинах провідника течуть у протилежних напрямках. Створювані ними магнітні поля мають однакову індукцію, але протилежний напрямок, через що вони компенсують (гасять) одне одного, і сумарне магнітне поле навколо такої намотки відсутнє.