Експериментально встановлено що провідники, по яких течуть струми в однаковому напрямку притягуються, а в протилежних - відштовхуються. Для опису взаємодії проводів, по яких течуть струми, було використано магнітне поле - особливої форми матерія, породжувана електричними струмами або змінним електричним струмом і що виявляється за дією на електричні струми знаходяться в цьому полі. Відкрив магнітне поле в 1820 р датський фізик Х. К. Ерстед. Магнітне поле описує магнітні взаємодії, що виникають: а) між двома струмами; б) між струмом і рухомими зарядами; в) між двома рухомими зарядами.
Магнітне поле має спрямований характер і має характеризуватися векторної величиною. Основну силову характеристику магнітного поля назвали магнітною індукцією Цю величину прийнято позначати буквою В.
Поспостерігаємо магнітне дію струму ще раз. У штативі закріпимо дріт, кінці якого можна підключати до джерела струму. Поруч з проводом розмістимо магнітну стрілку від компаса, надіти на голку. Поки струм не включений, розмістимо прилади так, щоб стрілка вказувала на дріт. При підключенні кінців дроту до джерела постійного струму стрілка "відвернеться" від проводу. Візьмемо кілька магнітних стрілок і розставимо їх навколо дроти. Ми виявимо, що при включенні струму стрілки розгорнуться певним чином.
Якщо магнітні стрілки відхиляються від первісного напрямку, значить, в цих точках простору діють якісь сили. Іншими словами, в просторі навколо дроти з струмом існує силове поле. Оскільки ми розглядали саме магнітне дію струму, то скажемо, що в просторі навколо провідника зі струмом існує магнітне поле.
Метод силових ліній. можна застосувати як для опису електричних полів, так і для опису полів магнітних. Домовимося називати силовими лініями магнітного поля такі уявні лінії, уздовж яких розташовуються магнітні стрілки, поміщені в це поле. Наприклад, на малюнку "г" ви бачите, що магнітні стрілки, поміщені на однаковій відстані від прямого провідника зі струмом, розташувалися у вигляді кола. Можна припустити, що і на іншій відстані від провідника силові лінії магнітного поля теж будуть колами.
Перевіримо це на досвіді.
Продовжимо досліди з магнітним полем прямого провідника. Припустимо його через отвір в аркуші картону і закріпимо в штативі. Пустимо по дроту струм силою 5-10 А. Зверху на картон будемо акуратно сипати дрібні залізні ошурки. Ми побачимо, що вони розташуються у вигляді кіл, "оперізують" провідник. Отже, наше припущення підтвердилося: силові лінії магнітного поля прямого провідника зі струмом є концентричними колами, що оперізують провідник.
Такі лінії утворюються тому, що тирса намагнічуються і поводяться подібно маленьким магнітним стрелочкам. Притягаючи різнойменними кінцями, вони розгортаються, утворюючи "ланцюжка" у вигляді кільцеподібних ліній.
Силовим лініям магнітного поля прийнято приписувати певний напрям - в бік, куди вказує північний кінець магнітної стрілки. Наприклад, на малюнку "г" розташування північних кінців вказує нам, що силові лінії спрямовані проти годинникової стрілки. Якщо ж змінити полярність підключення джерела струму, то стрілки розгорнуться на 180 °, і силові лінії поля будуть спрямовані по ходу годинникової стрілки (малюнок внизу). Іншими словами, напрямок силових ліній магнітного поля провідника залежить від напрямку струму в цьому провіднику.
Так склалося історично, що току в провіднику приписують напрямок: від "+" клеми джерела струму до його "-" клеми. Наприклад, на малюнку "г" ток йде крізь площину листа книги до нас, що умовно позначено крапкою всередині кола, що символізує розріз провідника. На цьому ж малюнку ток йде в зворотному напрямку: крізь лист вниз (це позначено хрестиком). Тому напрямок стрілок змінилося.
Магнітні поля, так само як і електричні, можна зображувати графічно за допомогою ліній магнітної індукції. Лініями індукції (або лініями вектора В) називають лінії, дотичні до яких спрямовані так само, як і вектор В в даній точці поля. Очевидно, що через кожну точку магнітного поля можна провести лінію індукції. Так як індукція поля в будь-якій точці має певний напрям, то і напрямок лінії індукції в кожній точці даного поля може бути тільки єдиним, а значить, лінії магнітного поля, так само як і електричного поля, лінії індукції магнітного поля прокреслюють з такою густотою, щоб число ліній, які перетинають одиницю поверхні, перпендикулярної до них, було одно (або пропорційно) індукції магнітного поля в даному місці. Тому, зображуючи лінії індукції, можна наочно уявити, як змінюється в просторі індукція, а отже, і напруженість магнітного поля по модулю і напрямку.
1.3. Вихровий характер магнітного поля.
Лінії магнітної індукції неперервні. вони не мають ні початку, ні кінця. Це має місце для будь-якого магнітного поля, викликаного якими завгодно контурами зі струмом. Векторні поля, що володіють безперервними лініями, отримали назву вихрових полів. Ми бачимо, що магнітне поле є вихровий поле. У цьому полягає істотна відмінність магнітного поля від електростатичного.
Розглянемо лінії індукції поля прямого струму. Напруженість Н (а отже, і В) завжди перпендикулярна до площини, що містить провідник і розглянуту точку поля. Тому лінії індукції в даному випадки суть концентричні кола, центр яких розташований на осі струму.
Подання про вигляді лінії індукції можна отримати на досвіді. Для цього користуються тією обставиною, що рухома магнітна стрілка завжди встановлюється своєю віссю в напрямку ліній магнітного поля, тобто ліній індукції.
Ще зручніше користуватися залізними тирсою. Крупинки заліза в магнітному полі намагнічуються і стають подібними магнітним стрільцям. При практичному здійсненні цих дослідів досліджуваний провід зі струмом пропускають крізь горизонтальну скляну пластину (або листок картону), на яку насипають невелику кількість залізних тирси. При легкому струшуванні пластинки (постукуванні) частки тирси утворюють ланцюжки, форма яких близько відповідає лініях досліджуваного магнітного поля.
Магнітне поле кругового струму представляє з себе замкнуті безперервні лінії такого вигляду:
Для магнітного поля, як і для електричного поля, справедливий принцип суперпозиції:
п ОЛЕВ, породжене кількома рухомими зарядами (струмами), так само векторної сумі полейBI, породжуваних кожним зарядом (струмом) окремо:
тобто щоб знайти силу, що діє на точку в просторі, потрібно скласти сили, що діють на неї, як показано на малюнку.
Магнітне поле кругового струму являє собою якусь вісімку з поділом кілець в центрі кільця, по якому тече струм. Його схема показана на малюнку нижче:
Порівняння електричного і магнітного полів.
II. Загальна характеристика магнітного поля Землі.
Земля в цілому являє собою величезний кульовий магніт. Людство почало ис-користувати магнітне поле Землі давно. Вже на початку XII-XIII ст. набуває широкого поширення в мореплавстві компас. Однак в ті часи вважалося, що стрілку компаса орієнтує Полярна зірка і її магнетизм. Припущення про існування магнітного поля Землі вперше висловив в 1600 р англійський натураліст Гільберт.
У будь-якій точці простору, що оточує Землю, і на її поверхні об-наружівается дію магнітних сил. Іншими словами, в просторі, окру-лишнього Землю, створюється магнітне поле, силові лінії якого зображені дружини на рис.1.
Магнітні та географічні полюси Землі не збігаються один з одним. Се-вірний магнітний полюс N лежить в південній півкулі, поблизу берегів Ан-тарктіди, а південний магнітний полюс S знаходиться в Північній півкулі, поблизу північного берега острова Вікторія (Канада). Обидва полюси безперервно переміщуються (дрейфують) на земній поверхні зі швидкістю близько 5 за рік через змінності породжують магнітне поле процесів. Крім того, вісь магнітного поля не проходить через центр Землі, а відстає від нього на 430 км. Магнітне поле Землі не симетрично. Завдяки тому, що вісь магнітного поля проходить за все під кутом в 11,5 градусів до осі обертання планети, ми можемо користуватися компасом.
Основна частина магнітного поля Землі, за сучасними поглядами, має внутриземное походження. Магнітне поле Землі створюється її ядром. Зовнішнє ядро Землі рідке і металеве. Метал - що проводить струм речовина, і якщо б існували в рідкому ядрі постійні течії, то відповідний електричний струм створював би магнітне поле. Завдяки обертанню Землі, такі течії в ядрі існують, тому що Земля в деякому наближенні є магнітним диполем, тобто своєрідним магнітом з двома полюсами: південним і північним.
Незначна частина магнітного поля (близько 1%) має позаземне від-ходіння. Виникнення цієї частини приписують електричних струмів, ті-кущім в провідних шарах іоносфери і поверхні Землі. Ця частина магнітного поля Землі схильна слабкому зміни з време-ньому, яке називається вікової варіацією. Причини існування електричних струмів у віковій варіації невідомі.
В ідеальному і гіпотетичному припущенні, в якому Земля була б самотня в космічному просторі, силові лінії магнітного поля планети розташовувалися таким же чином, як і силові лінії звичайного магніту зі шкільного підручника фізики, тобто у вигляді симетричних дуг, що простягаються від південного полюса до північного. Щільність ліній (напруженість магнітного поля) падала б з видаленням від планети. На ділі, магнітне поле Землі знаходиться у взаємодії з магнітними полями Сонця, планет і потоків заряджених часток, що випускаються в достатку Сонцем. Якщо впливом самого Сонця і тим більше планет через віддаленість можна знехтувати, то з потоками частинок, інакше - сонячним вітром, так не зробиш. Сонячний вітер є потоки мчаться зі швидкістю близько 500 км / с частинок, що випускаються сонячною атмосферою. У моменти сонячних спалахів, а також в періоди освіти на Сонце групи великих плям, різко зростає число вільних електронів, які бомбардують атмосферу Землі. Це призводить до обурення струмів поточних в іоносфері Землі і, завдяки цьому, відбувається зміна магнітного поля Землі. Виникають магнітні бурі. Такі потоки породжують сильне магнітне поле, яке і взаємодіє з полем Землі, сильно деформуючи його. Завдяки своєму магнітному полю, Земля утримує в так званих радіаційних поясах захоплені частинки сонячного вітру, не дозволяючи їм проходити в атмосферу Землі і тим більше до поверхні. Частинки сонячного вітру були б дуже шкідливі для всього живого. При взаємодії згадуваних полів утворюється межа, по один бік якої знаходиться обурене (піддалося змінам через зовнішні впливів) магнітне поле часток сонячного вітру, по іншу - обурений поле Землі. Цю кордон варто розглядати як межа навколоземного простору, кордон магнітосфери і атмосфери. Поза цією кордону переважає вплив зовнішніх магнітних полів. У напрямку до Сонця магнітосфера Землі сплюснута під натиском сонячного вітру і простягається всього до 10 радіусів планети. У протилежному напрямку має місце витягнутість до 1000 радіусів Землі.
Основна частина магнітного поля Землі виявляє аномалії в різних районах земної поверхні. Ці аномалії, мабуть, слід приписати присутності в земній корі феромагнітних мас або відмінності магнітних властивостей гірських порід. Тому вивчення магнітних аномалій має практи-чеський значення при дослідженні корисних копалин.
Існування магнітного поля в будь-якій точці Землі можна встановити за допомогою магнітної стрілки. Якщо підвісити магнітну стрілку NS на нитки l (рис.2) так, щоб точка підвісу співпадала з центром ваги стрілки, то стрілка встановиться у напрямку дотичної до силової лінії магнітного поля Землі.
У північній півкулі - південний кінець буде нахилений до Землі і стрілка з-ставить з го-горизонтів кут нахилу # 61521; (На магнітному екваторі нахил # 61521; дорівнює нулю). Вертикальна площина, в якій розташується стрілка, називаються ється площиною магнітного меридіана. Всі площини магнітних меридиа-нів перетинаються по прямій NS. а сліди магнітних меридіанів на земній по-поверхні сходяться в магнітних полюсах N іS. Так як магнітні полюси не збігаються з географічними полюсами, то стрілка буде відхилена від гео-графічного меридіана. Кут, який утворює вертикальна площина, що проходить через стрілку (тобто магнітний меридіан), з географічним мери-Діану, називається магнітним відміною # 61537; # 61472; (Рис. 2). Вектор полів на-пряжёності магнітного поля Землі можна розкласти на дві складові: горизонтальну і вертикальну (рис. 3). Значення кутів нахилу-ня і відміни, а також горизонтальної складової дають можли-ність визначити величину і напрямок повною напруженості магнітного поля Землі в даній точці. Якщо магнітна стрілка може вільно обертатися лише навколо вертикальної осі, то вона буде встановлюватися під дією горизонтальної складової магнітного поля Землі в площині магнітного меридіана. Горизонтальна складова, магнітне схилення # 61537; і на-лень # 61521; називаються елементами земного магнетизму. Всі елементи зем-ного магнетизму змінюються з плином часу.
Розглянемо кругової провідник з n витків, прилеглих досить щільно один до одного, розташованих вертикально в площині магнітного меридіана. У центрі провідника помістимо магнітну стрілку, що обертається навколо вер-тікальной осі. Якщо по котушці пропустити струм I. то виникає магнітне поле з напруженістю H. спрямоване перпендикулярно до площини котушки. Т.ч. на стрілку будуть діяти два взаємно перпендикулярних поля: магнітне поле Землі і магнітне поле струму. Напруженості обох полів вза-імно перпендикулярні. На рис. 4. зображено переріз котушки горизонталь-ної площиною. Тут - вектор напруженості поля, створеного круговим струмом, - горизонтальна складова магнітного поля Землі. Стрілка встановиться у напрямку рівнодіючої, тобто по діагоналі па-раллелограмма, сторонами якого будуть вектор напруженості магнітного поля кругового струму і Розглядаючи рис.4 отримаємо:
з іншого боку. Напруженість магнітного поля в центрі котушки тангенс-гальванометра дорівнює:
де r - радіус витка. тоді:
Для даного місця Землі і для даного приладу величина
є-ється постійної тангенс - гальванометра, тоді: _
Формулу (1) можна переписати у вигляді
Таким чином, круговий провідник з магнітною стрілкою може бути використаний для вимірюв-ренію сили струму, поточного по ланцюгу. Прилад, заснований на вищеописаному принципі, носить назву тангенс-гальванометра.
Тангенс-гальванометр, який використовується в даній роботі, складається з котушки, в центрі якої на вертикальній осі розташовується магнітна стрілка. Стрілка може вільно обертатися всередині круглої коробки з прозорою кришкою (компас). За контору дна коробки намічена кругова шкала, проградуирован-ва в кутових градусах.
Зібрати електричне коло лабораторної установки за схемою. Дже-ником напруги служить випрямляч ВС-24 М.С. За допомогою пере-вимикачів До змінюють напрямок струму, поточного через тангенс-гальванометр tg # 61553; .
Встановити tg # 61553; так, щоб площина витків котушки збігалася з пло-кісткою магнітного меридіана, тобто щоб магнітна стрілка розташуй-лась в площині витків котушки, вказуючи при цьому на С і Ю.
Регулятор напруги R на панелі випрямляча вивести в крайнє ле-ше становище. Включити випрямляч і поставити перемикач К в ліве або праве положення. Регулятором напруги R встановити струм в ланцюзі, зазначений викладачем (наприклад: I = 0,5A). Зафіксувати кут відхилення магнітної стрілки. Пе-рекінуть ключ До в протилежне становище і також зафіксувати кут відхилення стрілки. Це необхідно для площині знаходження среднеаріф-метичних значення кута відхилення магнітної стрілки, тому що завжди є неточність у встановленні витків tg # шістьдесят одна тисяча п'ятсот п'ятьдесят-три; # 61472; в площині магнітного меридіана.
Виконати пункт 3 при значеннях струму, зазначених викладачем.
Результати вимірювань занести в таблицю: