§ 12. ДОСЛІДЖУЄМО МАГНІТНІ ЯВИЩА

• Назад до змісту довідника

Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

Об’єднайтеся в пари. Повторіть історичний дослід Ерстеда (мал. 12.1). Розташуйте компас під одним із проводів, потім над ним. Те саме повторіть з іншим проводом, обома проводами одразу. І щоразу фіксуйте поведінку стрілки компаса при вмиканні джерела струму.

Під час замикання електричного кола стрілка компаса миттєво відхиляється від свого початкового положення та орієнтується перпендикулярно до дроту.

Якщо компас розташований під проводом, північний полюс стрілки повертається в один бік, а якщо перенести компас над проводом — стрілка розвертається в протилежний бік. Коли дослід повторюють з іншим проводом, де струм тече у зворотному напрямку, стрілка також повертається у зворотному напрямку.

Якщо розмістити компас між двома паралельними проводами зі струмами протилежних напрямків, магнітна дія подвоюється і стрілка відхиляється ще швидше. У разі розмикання кола струм зникає, і стрілка щоразу повертається у вихідне положення вздовж магнітного поля Землі (північ — південь).

ДІЗНАВАЙСЯ

Оскільки провід і компас знаходяться на відстані один від одного, то взаємодія відбувається через поле. Яке саме?

Ця взаємодія відбувається через магнітне поле, яке виникає навколо провідника під час руху електричних зарядів (проходження електричного струму).

ДУМАЙ

1. У чому полягає суть та історичне значення досліду Ерстеда?

Суть досліду Ерстеда полягає у виявленні дії електричного струму на магнітну стрілку: під час проходження струму по провіднику розташована поруч магнітна стрілка відхиляється від напрямку «північ — південь».

Історичне значення досліду полягає в тому, що він уперше довів взаємозв’язок між електричними та магнітними явищами, які до 1820 року вважали зовсім не пов’язаними, і започаткував розвиток науки про електромагнетизм.

2. Чим магнітне поле відрізняється від електричного?

Електричне поле існує навколо будь-яких заряджених частинок (як нерухомих, так і рухомих) і діє на будь-який електричний заряд.

Магнітне поле існує лише навколо рухомих заряджених частинок (навколо електричного струму) або постійних магнітів і чинить силову дію лише на рухомі електричні заряди та магнітні стрілки. Крім того, силові лінії електричного поля починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних, а лінії магнітної індукції завжди є замкненими.

3. У який спосіб можна дізнатися, чи є електричний струм у проводі, не користуючись гальванометром чи амперметром?

Дізнатися про наявність струму в проводі можна за його магнітною дією за допомогою звичайного компаса або магнітної стрілки. Для цього потрібно піднести компас близько до провідника: якщо стрілка відхилиться від початкового напрямку, то по проводу тече електричний струм.

4. Що характеризує індукція магнітного поля?

Індукція магнітного поля $\vec{B}$— це векторна фізична величина, яка є силовою характеристикою магнітного поля і визначає здатність поля діяти з певною силою на рухомі електричні заряди, провідники зі струмом або магнітні стрілки в даній точці простору. Одиницею магнітної індукції в СІ є тесла ($\text{Тл}$).

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Склади коротку розповідь (6–8 речень) від імені студента, який першим помітив відхилення магнітної стрілки під час досліду. У розповіді обов’язково відобрази: що саме здивувало студента; у який момент стрілка змінювала напрям; чому ця подія стала науково важливою.

Сьогодні на лекції професора Ерстеда ми вивчали нагрівання провідників електричним струмом. Біля досліджуваного дроту випадково лежав звичайний компас. Раптом я помітив дивну річ: щойно професор замкнув електричне коло, стрілка компаса здригнулася і повернулася вбік. У момент розмикання кола вона одразу повернулася у вихідне положення вздовж меридіана. Мене вразило, що магнітна стрілка реагує на провідник, який навіть не торкається її. Я попросив професора повторити дослід і звернути увагу на компас. Ця мить відкрила світові єдність електрики та магнетизму і дала початок новій епосі у фізиці.

2. Установи напрям ліній індукції або напрям електричного струму на малюнках (12.3, а–в). Хрестик на малюнку 12.3, а позначає, що струм у проводі, поперечний переріз якого зображено малим колом, напрямлений від нас.

Для визначення взаємного напрямку струму і ліній магнітної індукції застосовуємо правило правої руки: якщо спрямувати великий палець правої руки за напрямком струму в провіднику, то зігнуті чотири пальці вкажуть напрямок ліній магнітної індукції.

• Малюнок 12.3, а: Струм тече від нас у площину рисунка (позначено хрестиком). За правилом правої руки спрямовуємо великий палець від себе, тоді чотири зігнуті пальці показують обертання за стрілкою годинника. Отже, лінії магнітної індукції напрямлені за годинниковою стрілкою.
• Малюнок 12.3, б: На малюнку вказано клеми: зверху «$+$», знизу «$-»$. Струм усередині провідника тече від плюса до мінуса, тобто вниз. За правилом правої руки спрямовуємо великий палець вниз, тоді зігнуті пальці показують орієнтацію ліній індукції навколо дроту за годинниковою стрілкою (якщо дивитися на провідник зверху).
• Малюнок 12.3, в: Навколо провідника показано лінії магнітної індукції, які орієнтовані проти годинникової стрілки (якщо дивитися зверху). Охоплюємо провідник зігнутими пальцями правої руки у напрямку цих ліній, при цьому відігнутий великий палець вказує вгору. Отже, електричний струм у провіднику напрямлений вгору.

3. Поясни своїми словами, чому електричним полем неможливо пояснити поворот магнітної стрілки в досліді Ерстеда. Скористайся логічним ланцюжком: «Електричне поле існує … → стрілка поводиться … → отже, причина полягає в …»

Електричне поле існує навколо провідника постійно (як до замикання кола, так і після), проте стрілка поводиться абсолютно спокійно в розімкненому колі і повертається лише тоді, коли по дроту починають рухатися електричні заряди, отже, причина полягає в появі якісно нового поля — магнітного, джерелом якого є саме електричний струм.

4. Склади таблицю з порівнянням магнітного та електричного полів за такими показниками: джерело, індикатор, коли проявляється, графічне зображення.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Закріпи лист картону в штативі і проведи провід крізь отвір у ньому. Насип на картон тонкий шар залізних ошурок. Пропускай по проводу електричний струм і легко струшуй ошурки. Укажи, як розташувались ошурки. Постав на картон магнітні стрілки. Змінюючи напрям струму в проводі на протилежний, спостерігай за розташуванням стрілок.

Під дією магнітного поля струму дрібні залізні ошурки намагнічуються, перетворюються на крихітні магнітні стрілочки і після легкого струшування утворюють чітку картину концентричних замкнених кіл навколо отвору з проводом.

Установлені на картоні магнітні стрілки шикуються по дотичних до цих концентричних кіл, вказуючи своїми північними полюсами напрямок ліній магнітної індукції поля.

Коли напрямок струму в проводі змінюють на протилежний, магнітні стрілки розвертаються рівно на $180^\circ$ і вказують у протилежний бік. Це доводить, що орієнтація магнітних ліній прямо залежить від напрямку електричного струму.

2. Виконай віртуальну лабораторну роботу 12.3.

Тема: Дослідження магнітного поля прямолінійного провідника зі струмом.

Мета: Дослідити форму та напрямок ліній магнітної індукції навколо прямого провідника зі струмом і перевірити застосовність правила правої руки.

Обладнання: Комп’ютер або планшет, віртуальна модель (симуляція PhET або цифровий додаток підручника) з джерелом струму, прямим дротом, компасами та реостатом.

Хід роботи:

1. Спостереження виникнення поля: У симуляторі замикаємо ключ електричного кола. Стрілки компасів, розміщені навколо провідника, миттєво відхиляються від початкового орієнтування за географічними полюсами і вишиковуються навколо дроту. Під час розмикання кола стрілки повертаються у вихідне положення.
2. Форма магнітних ліній: Розставляємо віртуальні компаси на різній відстані від провідника на перпендикулярній до нього площині. Стрілки утворюють замкнені концентричні кола, центром яких є переріз провідника зі струмом.
3. Визначення напрямку ліній магнітної індукції:
   • Коли струм тече вгору, стрілки розташовуються вздовж кіл проти годинникової стрілки (вид зверху).
   • Змінюємо полярність джерела так, щоб струм потік вниз. Стрілки розвертаються за годинниковою стрілкою.
   • Отримані результати підтверджують правило правої руки.
4. Залежність індукції від відстані та сили струму: Збільшуємо силу струму повзунком реостата — магнітна стрілка реагує активніше й стійкіше утримує напрямок. Віддаляючи компас від дроту, спостерігаємо слабшання відхилення стрілки, що демонструє зменшення магнітної індукції з відстанню.

Висновок: Навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле, лінії індукції якого є замкненими концентричними колами. Напрямок магнітних ліній залежить від напрямку струму і точно визначається за правилом правої руки. Сила магнітної дії збільшується при зростанні струму та зменшується з віддаленням від провідника.