Действие магнитного поля на проводник с током. Л.р.№1

 «Только кухарка прибавляет соли на глаз,

а физики должны все рассчитывать»

П.Л. Капица

В данной теме разговор пойдёт о том, какое же действие оказывает магнитное поле на проводник с током. В конце урока, для закрепления полученных знаний, будет проведена лабораторная работа по наблюдению действия магнитного поля на ток.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Магнитное поле порождается электрическим током и обнаруживается по действию на электрический ток. Для количественного описания магнитного поля вводится физическая величина, называемая.

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.

Магнитное поле — это вихревое поле, т.е. линии индукции магнитного поля замкнуты. Замкнутость линий говорит нам о том, что магнитных зарядов в природе не существует, источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.

Опыты Ампера показали, что два проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Это объясняется тем, что сила, которую испытывает каждый из проводников, обусловлена магнитным полем, создаваемым током другого проводника.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

Действительно, расположим проводник с током так, чтобы только один его прямолинейный участок оказался в сильном магнитном поле (например, между полюсами подковообразного магнита), а остальные части цепи находились в областях пространства, где магнитное поле слабое и его действием на эти части цепи можно пренебречь.

Как показывают многочисленные опыты, проводник может двигаться влево или вправо, вверх или вниз, в зависимости от направления тока и от расположения полюсов магнита. Но если проводник расположить вдоль направления магнитного поля, то никакие силы на него действовать не будут.

Закон, определяющий силу, действующую на отдельный небольшой участок проводника с током в магнитном поле, был установлен в 1820 году французским физиком Андре-Мари Ампером, поэтому эту силу называют силой Ампера.

От чего зависит сила Ампера?

Возьмем свободно подвешенный горизонтальный проводник и поместим его в поле постоянного подковообразного магнита. Поле такого магнита в основном сосредоточено между его полюсами, поэтому магнитная сила действует только на часть проводника, расположенную непосредственно между полюсами.

Сила измеряется с помощью специальных весов, связанных с проводником двумя стержнями. Она будет направлена горизонтально, перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции.

Если увеличить силу тока в 2 раза, то можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличится в 2 раза. Если же добавить еще один такой же магнит, то в 2 раза увеличится размер области существующего магнитного поля,  и тем самым в 2 раза увеличится длина той части проводника, на которую это поле будет действовать. Сила при этом также увеличится в 2 раза.

Как и любая другая сила, сила Ампера будет зависеть от угла образованного вектором магнитной индукции с проводником.

Таким образом, максимальная сила, действующая на отрезок проводника с током, прямо пропорциональна произведению силы тока на длину участка проводника:

Этот опытный факт можно использовать для определения модуля вектора магнитной индукции. Действительно, поскольку сила прямо пропорциональна произведению силы тока и длины участка проводника, то их отношение не будет зависеть ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника, на которое действует магнитное поле. Именно поэтому это отношение можно принять за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен участок проводника, на который это магнитное поле действует. Именно, к такому выводу пришли, независимо друг от друга, Андре-Мари Ампер и Доминик Франсуа Жан Араго в начале 19 века.

Таким образом, модуль вектора магнитной индукции определяется отношением максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого отрезка.

Вектор магнитной индукции полностью характеризует магнитное поле. В каждой точке магнитного поля можно определить его направление и модуль.

Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.

Сила Ампера равна произведению модуля силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции и тока.

Это выражение еще называют законом Ампера. Им можно пользоваться только тогда, когда длина проводника такова, что индукция во всех точках проводника может считаться одинаковой, но если магнитное поле однородно, то длина проводника может быть любой, но при этом проводник целиком должен находиться в магнитном поле.

Направление силы Ампера можно определить, пользуясь правилом  левой руки: руку располагают так, чтобы нормальная составляющая магнитной индукции входила в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току; тогда отогнутый на 90⁰ большой палец укажет направление действующей на проводник силы Ампера.

Силы, действующие на проводник с током в магнитном поле, широко используются в технике. Электродвигатели и генераторы, телефоны и микрофоны — во всех этих и множестве других приборах используется взаимодействие токов, токов и магнитов и т.д.

Разберемся с принципом работы громкоговорителя, который является одним из самых знаменитых изобретений ХХ века. Именно его появление (наряду с микрофоном) обеспечило возможность развития систем звукозаписи и звуковоспроизведения. В настоящее время громкоговорители относятся к самым массовым видам звуковой аппаратуры (по приблизительным подсчетам их промышленный выпуск достигает 500 млн. штук в год). От качества звучания громкоговорителей в значительной степени зависит качество звука в системах звукоусиления, радиовещания, телевидения, звукозаписи и домашнего воспроизведения. Именно поэтому исследованием физических процессов преобразования звука в громкоговорителях, созданием их математических моделей и алгоритмов, программных продуктов для их расчета и проектирования занимаются десятки университетов и научных центров, а производством — сотни крупнейших фирм.

Громкоговоритель — это прибор, который служит для возбуждения звуковых волн под действием переменного электрического тока, меняющегося со звуковой частотой. Иными словами, громкоговоритель применяется для преобразования электрических колебаний в звуковые.

История устройства, преобразующего энергию электрического сигнала в энергию звукового поля, началась в конце 19 века, задолго до появления усилителей мощности. В 1849 году на Кубе изобретатель итальянского происхождения Антонио Меуччи сконструировал, как он говорил, «Говорящий телеграф». Однако данное устройство он не смог запатентовать из-за достаточной бедности.

26 октября 1861 года преподаватель физики Фридрихсдорфского института Иоганн Филипп Рейс продемонстрировал самодельный аппарат, который назвал «музыкальным телефоном». Но его изобретение было недостаточно чувствительным: хорошо передавались лишь громкие звуки музыкальных инструментов, а вот человеческую речь было слышно плохо. Изобретением Рейса заинтересовались и знаменитый Томас Эдисон, и тогда еще малоизвестный Александр Белл.

В 1874 году немецкий инженер Эрнст Вернер фон Сименс, основатель компании Siemens, описал магнитоэлектрический аппарат, в котором круглая катушка с намотанной проволокой располагается в радиальном магнитном поле со специальной поддержкой для обеспечения возможности вертикального смещения. Он указал тогда, что этот двигательный механизм может использоваться для получения звука, но не продемонстрировал это на практике.

В 1876 году американский ученый Александр Белл запатентовал телефон и продемонстрировал его звучание с использованием преобразователя очень похожего типа.

Когда, в 1876 г. американские газеты сообщили об изобретении телефона Александром Беллом, Меуччи заподозрил, что у него просто украли идею, и подал в суд на «Вестерн Юнион». После многолетней тяжбы он все-таки выиграл процесс. Но к тому времени патент на изобретение уже истек, и итальянец смог получить разве что моральное удовлетворение. Только 11 июня 2002 года Конгресс США вынес решение о том, что именно Меуччи, а не Белл, является изобретателем телефона.

В 1915-1918 гг. эти разработки продолжили инженеры фирмы Белла, и вскоре на улицах городов появились первые рупорные громкоговорители.

Но диапазон частот у этих устройств был очень узким. Выход нашли американцы Честер Рейс и Эдвард Келлог из компании «Дженерал электрик». В 1924 г. они сконструировали электродинамический излучатель, в котором диафрагма могла работать в диапазоне выше своей резонансной частоты. Уже через два года это устройство появилось в промышленных громкоговорителях Radiola Model 104, а также в радиоприемнике Radiola 28. В 1927 г. в конструкции головки громкоговорителя появился постоянный магнит, что способствовало улучшению качества звука.

Интересно отметить, что почти одновременно работы по созданию электродинамических громкоговорителей велись и в России. В 1923 году в Петрограде была создана Центральная радиолаборатория, позднее переименованная в Институт радиовещательного приема и акустики. С первых дней создания в ИРПА проводились разработки громкоговорителей. В 1926 году был создан электромагнитный громкоговоритель "Рекорд" и электромагнитный рупорный уличный громкоговоритель ТМ, которые начали выпускаться на заводе им. Кулакова. Уже в 1930-32 годах были созданы первые мощные громкоговорители для звукоусиления на Красной площади в Москве (мощностью 100 Ватт). С тех пор акустические системы претерпели массу изменений, но принцип их работы до сих пор остается все тем же.

Устройство громкоговорителя.  У громкоговорителя есть подвижная и неподвижная части, которые и образуют его функциональную систему.

Подвижную часть, закрытую пылезащитным колпачком, называют диффузором. Он создает механические колебания — вибрацию воздуха, который мы воспринимаем как звук, и чем больше площадь соприкосновения подвижной части с воздухом, тем сильнее будет излучаемый звуковой сигнал.

За диффузором располагается центрирующая шайба, в которой находится электромагнитная катушка. Она влияет на мощность звука и его качество. Каркас такой катушки изготавливают из плотной бумаги или медной, или алюминиевой фольги и прикрепляют к диффузору с тыльной стороны. Выводы катушки подключаются к выходному каскаду усилителя звуковой частоты.

Эта катушка (еще ее называют звуковой) имеет свободный ход на металлическом стержне, расположенном в магнитном поле мощного постоянного магнита, кольцевой формы, который крепится к корзине. При прохождении через обмотку звуковой катушки усиленного звукового сигнала, создается переменное электромагнитное поле, которое суммируется воедино витками намотанного на каркас провода и взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.

В зависимости от силы поступаемого на обмотку электрического сигнала, прочно прикрепленная к диффузору катушка приводит диффузор в колебательные движения, который возбуждает окружающий его воздух, образовывая направленную звуковую волну.

Высококачественные громкоговорители воспроизводят звуковые колебания в диапазоне от 20 до 20000 Герц. Но такие устройства довольно сложны. Чаще применяют системы из нескольких громкоговорителей с разделёнными диапазонами воспроизведения звука. Это улучшает слышимое качество звука и перераспределяет электрическую и механическую нагрузку между динамиками, увеличивая общую громкость воспроизведения. Для домашних условий вполне достаточной может быть мощность около 1–5 электрических ватт. Для вечеринки - около 20–100 ватт. Небольшой актовый зал или дискотека – 300–500 ватт. И далее по возрастающей. Общим недостатком всех громкоговорителей является малый КПД - 1-3 %. Но и этих процентов на практике хватает для слушания музыки, речи и других звуков окружающего нас мира.

Лабораторная работа №1. Наблюдение действия магнитного поля на ток.

Цель работы: наблюдение действия магнитного поля на проводник с током.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, реостат, ключ, источник постоянного тока, соединительные провода, дугообразный магнит и, конечно же, проволочный моток.

Ход работы:

1. Необходимо подвесить проволочный моток к штативу, предварительно присоединив его к источнику тока последовательно с реостатом и ключом. Предварительно ключ должен быть разомкнут, а движок реостата должен быть установлен на максимальное сопротивление. Начертите схему.

2 .Замкните цепь и расположите магнитную стрелку под мотком, определите полярность магнитного поля мотка.

3. Поднесите к висящему мотку магнит и, замыкая ключ, пронаблюдайте движение мотка. Сделайте рисунок.

4. Ответьте на вопросы:

Каково направление тока в мотке?

Каково направление магнитного поля мотка?

И каково направление магнитного поля магнита?

5. Поменяйте направление тока в мотке и опять пронаблюдайте за его движением. Сделайте соответствующий рисунок, и ответьте на вопросы из предыдущего пункта.

Сделайте самостоятельно выводы по данной теме.