м. Дніпро, вул. Рогальова, 8

1. Лабораторна робота № № 2 (Б), 4 (К), 5 (Т)

2. Теоретичні відомості
Магнітне поле ― особливий вид матерії, що виникає навколо провідників із струмом, або навколо електричних зарядів, що рухаються. Кожна точка магнітного поля має силову характеристику – вектор індукції В магнітного поля. Силові лінії магнітного поля ― це лінії, дотична до яких в кожній точці співпадає з напрямом вектора індукції В. Силові лінії магнітного поля (на відміну від електростатичного поля) завжди замкнені і тому магнітне поле вважається вихровим.
На провідник довжиною l із струмом І в магнітному полі з індукцією В діє, так звана, сила Ампера FA, напрям якої та величина визначаються векторним добутком:	Електричний струм (I), що проходе по провіднику, утворює магнітне поле (B) навколо провідника.
або Δ F = B ∙ I ∙Δ l ∙sin α
На електричний заряд q, що рухається з швидкістю v у магнітному полі зіндукцією В діє сила Лоренца FL, напрям якої та величина визначаються векторним добутком:
або FL = FA / N, Þ FL = q∙B∙v∙ sin α
де q ‑ заряд однієї частинки;
α ‑ кут між напрямками швидкості і магнітної індукції : ;
v = Δ l/ Δ t ‑ модуль швидкості зарядженої вільної частинки;
Ця сила фактично грає роль доцентрової сили, і заряджена частинка під її дією рухається по колу.
Майкл Фарадей у 1831 році відкрив явище електромагнітної індукції.
Явище електромагнітної індукції полягає в тому, що у всякому провіднику, що знаходиться у змінному магнітному полі або переміщується чи деформується в магнітному полі, виникає електрорушійна сила (е.р.с) індукції εі
За законом Фарадея величина е.р.с. індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, взятого зі знаком мінус:
εі = -dФ/dt.
де εі ‑ електрорушійна сила (ЕРС), яка виникає в котушці, що перебуває у змінному магнітному полі, В; dФ ‑ змінення магнітного потоку у веберах,(Ве́бер (Вб, Wb) — одиниця виміру магнітного потоку та потокозчеплення в СІ. 1 Вб = 1 В·с = 1 Кл·Ом = 1 Тл·м² = м²·кг·с−2·А−1. Одиниця названа на честь німецького фізика Вільгельма Вебера.); dt ‑ t — час, за який струм проходить у провіднику. Знак «мінус» у формулі відображає правило Ленца, назване так на ім'я російського фізика Е. Х. Ленца: Індукційний струм, що виникає в замкнутому провідному контурі, має такий напрямок, що створюване їм магнітне поле протидіє тому зміни магнітного потоку, яким був викликаний даний струм.
Якщо при цьому провідник замкнений, то по ньому потече так званий індукційний струм Іі:
Іі = εі /R.

1. Ганс Крістіан Ерстед поміщав над магнітною стрілкою прямолінійний металевий провідник, який спрямовував точно паралельно магнітній стрілці. 2. При пропусканні через провідник електричного струму (I) магнітна стрілка намагалася повернутися майже перпендикулярно до провідника. 3. При пропусканні через провідник електричного струму (I) змінного напрямку магнітна стрілка розгорталася на 180 0. 4. Аналогічне розгортання магнітної стрілки спостерігалося, якщо провідник розташовувався точно під стрілкою.

Рис.1. Схема 1 до досліду Ерстеда Х. Г.

2. Розмістити магнітну стрілку (S-N) точно під прямолінійним провідником рис.2. Електричне коло не замикати ключем К (I = 0 А). 3. Спостерігати за переміщенням магнітної стрілки (S-N).
I = 0 N S	Напруга в провіднику відсутня.

Напруга в провіднику надана та змінена на протилежну за полярністю, ключ К замкнено.

Рис. 1 б. Схема досліду Х. Г. Ерстеда (ІІ частина)
7. Записати спостереження.
8. Зробити та записати висновок.
Спостереження.
Магнітна стрілка намагається встановитися перпендикулярно до напряму протікання току (I) та коливається від положення «північ-південь» у положення «схід-захід».
Висновок.
ІІІ частина
9. Змінити напрям струму (I) на протилежний рис.2 б.
I – +	Напруга в провіднику надана та змінена на протилежну за полярністю, ключ К замкнено.
Рис. 1 в. Схема досліду Х. Г. Ерстеда (ІІІ частина)
10. Записати спостереження.
11. Зробити та записати висновок.
Спостереження
Магнітна стрілка встановлюється в напряму протікання току (I) та рухається (коливається) від положення «північ-південь»).
Висновок
Загальний висновок за дослідом.
Відповідно до сучасних уявлень, при протіканні через прямолінійний провідник електричного струму в просторі навколо нього виникає магнітне поле, силові лінії якого є кола з центром на осі провідника. При цьому величина магнітного поля пропорційна силі струму, що тече в провіднику, і обернено пропорційна відстані до провідника [3] : В = 2•I / c•r де B - модуль вектора індукції магнітного поля, I - сила струму, r - відстань від точки спостереження до провідника, c - швидкість світла (тут використана запис в гаусовій системі одиниць). Якщо помістити в магнітне поле речовину, що має ненульовий магнітний момент (магніту), на нього починає діяти момент сили Лоренца, пропорційний індукції магнітного поля і величиною магнітного моменту, а також синусу кута між їх векторами [4] : M = В•pm •sin α де M - модуль вектора моменту сил, що діють на магнітний момент, pm - величина магнітного моменту, α - кут між векторами . Момент сил прагне встановити магнітну стрілку паралельно напрямку вектора магнітної індукції, тобто перпендикулярно провіднику зі струмом. Цей ефект тим сильніше, чим вище сила струму в провіднику і чим більше сила магніту. На практиці дії магнітної сили протистоять сили тертя в точці кріплення магнітної стрілки, тому ефект може бути слабо виражений.

Рис.2.а. Магнітосфера Землі простягається більш ніж на десять радіусів нашої планети. Вона служить природним щитом, що захищає населення від згубних космічних променів	Рис.2.б. Схема магнітного поля Землі, що демонструє різницю між магнітними та географічними полюсами Землі.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2b/Geomagnetisme.svg/220px-Geomagnetisme.svg.png
Рис.2.в. Магнітне поле Землі, 2014 рік.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/97/June_2014_magnetic_field.jpg/200px-June_2014_magnetic_field.jpg
Дослід 3. Дослід щодо визначення (FА) сили Ампера Андре Марі (1820р.).
І частина.
1. Зібрати електричне коло (рис.3), що складається з джерела постійного струму, прямолінійного провідника та однополюсного вмикача К.
	Між полюсами постійного магніту розміщено провідник зі струмом.
Рис.3. Схема до досліду щодо визначення сили Ампера (FА)
2. Розташувати прямолінійний провідник між полюсами підковоподібного магніту. Спостерігати рух провідника.
	Напруга в провіднику надана, ключ К замкнено.
Рис.3.1. Схема до досліду щодо визначення сили Ампера (FА)
Описати спостереження.
Спостереження.
Коли по провіднику проходить струм провідник виштовхується з проміжку між полюсами магніту.
	Напрям струму змінено на протилежний.
Рис.3.2. Схема до досліду щодо визначення сили Ампера (FА)
Описати спостереження.
Спостереження.
Коли по провіднику проходить протилежний за напрямком струм провідник втягується в проміжок між полюсами магніту.
Висновок
1. На провідник зі струмом діє сила. 2. Напрям сили, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, залежить від: Ø напряму струму в провіднику та Ø напряму магнітних ліній поля 3. Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називається силою Ампера. 4. Напрям сили Ампера можна визначити за правилом лівої руки.
	Напрям вектора сили Ампера () визначається правилом лівої руки: Якщо розташувати ліву руку так, щоб чотири пальці вказували напрям струму () в провіднику, а вектор магнітної індукції () входив би в долоню перпендикулярно, тоді великий палець, відігнутий під прямим кутом в площині долоні, вказуватиме напрям вектору сили Ампера ().
Рис.3.3.Визначення напрямку сили Ампера (FА) за правилом лівої руки
http://gdz4you.com/prezentacii/prezentacii-fizika/5574-prezentaciya-na-temu-diya-magnitnogo-polya-na-providnyk-zi-strumom-syla-ampera.html
Застосування сили Ампера в техніці:
Ø електричні двигуни, Ø електровимірювальні прилади, Ø гучномовець і т. д.
В електричних двигунах для перетворення електричної енергії в механічну використовується дію сили Ампера.
	Основними частинами електродвигуна постійного струму (рис. 3.3) є: Ø індуктор 4, за допомогою якого створюється постійне магнітне поле, Ø якір 3, через обмотки якого пропускається струм, і Ø колектор 1 з електричними щітками 2, за допомогою яких здійснюється з'єднання обмоток якоря з джерелом струму.
Рис.3.3. Електричний двигун постійного струму.
Дослід 4. Дослід щодо визначення сили Лоренца Гендрика (FЛ) (1895р.).
1. Отримати від викладача фотографію траєкторії руху електрона в магнітному полі.
2. Уважно роздивитись, визначити напрямок індукції магнітного поля та сили Лоренца.
Рис. 4. Дослідна бульбашкова вакуумна камера з рідким воднем. Біла лінія — слід електрону в рідкому водні.
.
Описати спостереження.
Зробити та записати висновок.
Спостереження.
Слід викривлюється під дією однорідного магнітного поля, яке направлене до площини рисунку. Радіус кривизни зменшується за рахунок гальмування електрону у рідкому водні.
Висновок.
Електричне поле діє на заряд із силою, направленою вздовж силових ліній поля. Магнітне поле діє лише на рухомі заряди. Сила дії магнітного поля перпендикулярна до силових ліній поля й до швидкості руху заряду. В однорідному магнітному полі заряджена частинка рухається по гвинтовій лінії, яку в фізиці дещо нестрого часто називають спіраллю. Радіус гвинтової лінії (циклотронний радіус) визначається перпендикулярною до поля складовою початкової швидкості частинки. Крок гвинтової лінії — паралельною до поля складовою початкової швидкості частинки. Гвинтова лінія закручена за чи проти годинникової стрілки, в залежності від знаку заряду частинки.

	Напрямок сили Лоренца визначають по правилу лівої руки: долоню лівої руки розташовують так, щоб перпендикулярна до швидкості зарядженої частинки складова магнітної індукції входила в неї, чотири витягнутих пальці були спрямовані уздовж швидкості руху позитивно зарядженої (проти швидкості руху негативно зарядженої частинки), тоді відігнутий на 90 ° великий палець вкаже напрям сили Лоренца (рис. 1)
	У провіднику, який розміщений в магнітному полі, на носії заряду діє сила Лоренца, напрямок якої можна визначити, використовуючи інше правило ― правило лівої руки (рис. 4.2). З правила лівої руки слідує: що зміна напрямку струму (І) в провіднику або напряму магнітного поля ( ) призводить до зміни напрямку сили Лоренца (FЛ) на зворотне. Якщо змінювати напрямок струму (І), напряму магнітного поля ( ), то напрямок сили Лоренца не змінюється.
Рис. 4.2. Правило лівої руки для визначення сили Лоренца, що діє на носії заряду в магнітному полі.
Застосування сили Лоренца.
1. Основним застосуванням сили Лоренца (точніше, її окремого випадку - сили Ампера) є електричні машини (електродвигуни та генератори). Сила Лоренца широко використовується в електронних приладах для впливу на заряджені частинки (електрони і іноді іони), наприклад, в телевізійних електронно-променевих трубках, а також в мас-спектрометрії і МГД-генераторах. 2. Сила Лоренца також використовується в прискорювачах заряджених частинок, задаючи орбіту, по якій рухаються ці частинки. 3. Сила Лоренца використовується в рельсотрони 4. Велосіметрія силою Лоренца полягає в безконтактному вимірюванні швидкості руху провідної рідини.
	Рух заряджених частинок по колу в магнітному полі і незалежність періоду такого руху від швидкості частинки використовують в циклічних прискорювачах заряджених частинок - циклотронах. Дія сили Лоренца використовують і в приладах, званих мас-спектрографами, які призначені для поділу заряджених частинок по їх питомою зарядам.
У камері 1, з якої відкачано повітря, знаходиться джерело іонів 3. Камера поміщена в однорідне магнітне поле, в кожній точці якого індукція В⃗ перпендикулярна площині креслення і спрямована до нас (на малюнку 1 це поле позначено кружечками). Між електродами А ч В докладено прискорює напруга, під дією якого іони, що вилітають з джерела, розганяються і з деякою швидкістю потрапляють в магнітне поле перпендикулярно лініям індукції. Рухаючись в магнітному полі по дузі кола, іони потрапляють на фотопластинку 2, що дозволяє визначити радіус R цієї дуги. Знаючи індукцію магнітного поля В і швидкість υ іонів, за формулою Qm= vR B можна визначити питомий заряд іонів. А якщо заряд іона відомий, можна обчислити його масу. Дія магнітного поля на рухомі заряди застосовується, наприклад, в мас-спектрографах, що дозволяють розділяти заряджені частинки по їх питомою зарядам, т. Е. По відношенню заряду частинки до її маси, і за отриманими результатами точно визначати маси частинок. Вакуумна камера приладу поміщена в поле (вектор індукції перпендикулярний малюнку). Прискорені електричним полем заряджені частинки (електрони або іони), описавши дугу, потрапляють на фотопластину, де залишають слід, що дозволяє з великою точністю виміряти радіус траєкторії r. З цього радіусу визначається питома заряд іона. Знаючи заряд іона, легко обчисліть його масу.
Рис. 4.3. Схема найпростішого мас-спектрографа
Сила Лоренца, навчальний фільм http://www.youtube.com/watch?v=UpC2WndKKGk

Дослід 5. Дослід Майкла Фарадея. (1831р.)
1. Зібрати електричне коло, яке складається з котушки індуктивності і гальванометра, єднальні дроти (рис.5).
	Взаємодія магніту і котушки з струмом провокує появу індукційного струму. Фарадей пояснив це явище так: при внесенні магніту в котушку в ланцюзі виникає електричний струм, при винесенні також виникає струм, але іншого напряму. Напруга, що з'являється, залежить від швидкості руху магніту і від того, яким полюсом він занурюється в котушку. Це явище електромагнітної індукції, яке полягає в тому, що змінне магнітне поле супроводжується виникненням у навколишньому просторі індукційного електричного поля, яке в свою чергу збуджує в замкнутому провіднику індукційний струм.
Рис.5. Схема до дослід Фарадея.
	Якщо магніт нерухомий, струм не виникає
Рис.5.1 Схема до дослід Фарадея (магніт нерухомий).
2. Ввести магніт у котушку та спостерігати за положенням стрілки гальванометра.
	Якщо виводити магніт із котушки, стрілка відхиляється ліворуч
Рис.5.2 Схема до дослід Фарадея (магніт виведений з котушки).
	Якщо магніт вводити в котушку, стрілка відхиляється праворуч.
Рис.5.3 Схема до дослід Фарадея (магніт введений в котушку).
3. Вивести магніт з котушки. та спостерігати за положенням стрілки гальванометра.
4. Записати спостереження.
5. Зробити та записати висновок.
Спостереження.
Висновок.
Взаємодія магніту і котушки з струмом провокує появу індукційного струму. Фарадей пояснив це явище так: при внесенні магніту в котушку в ланцюзі виникає електричний струм, при винесенні також виникає струм, але іншого напряму. З'являється напруга, яка залежить від швидкості руху магніту і від того, яким полюсом він занурюється в котушку. Оскільки магнітне поле не діє на нерухомі заряди в провіднику, то можна припустити, що під час зміни індукції магнітного поля, яке пронизує контур замкнутого провідника, навколо цього змінного поля виникає індукційне електричне поле, яке й діє на нерухомі електричні заряди і викликає індукційний струм в замкнутому провіднику. Важливо зрозуміти, що виникнення індукційного електричного поля навколо змінного магнітного зовсім не пов’язано з наявністю в цій точці простору провідника. Наявність провідника лише дає змогу виявити це поле за збудженим ним електричним струмом. Таким чином можна узагальнити: явище електромагнітної індукції полягає в тому, що змінне магнітне поле супроводжується виникненням у навколишньому просторі індукційного електричного поля, яке в свою чергу збуджує в замкнутому провіднику індукційний струм. Причиною виникнення електрорушійної сили в замкнутому контурі може стати зміна потоку магнітного поля, що пронизує поверхню, обмежену цим контуром. Це явище називається електромагнітною індукцією. Величина ЕРС індукції в контурі визначається виразом εі = - dФ/dt, де Ф ‑ потік магнітного поля через замкнуту поверхню, обмежену контуром. Знак «-» перед виразом показує, що індукційний струм, створений ЕРС індукції, перешкоджає зміні магнітного потоку в контурі (див. Правило Ленца). У свою чергу причиною зміни магнітного потоку може бути як зміна магнітного поля, так і рух контуру в цілому або його окремих частин.

Література

6.1. Базова.

1. Лопатинський І.Є., Зачек І.Р., Кравчук І.М., Романишин Б.М., Габа В.М., Гончар Ф.М. Курс фізики (для інженерів).Підручник.- Львів: Афіша, 2003.- 376с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов.- 5-е изд. стер. М.:Высш.шк.,1998.-542с.: ил.

6.2. Допоміжна.

3. Зисман Г.А., Тодос О.М. Курс общей физики. ‑ М.: Наука, 1972, т. II, §§1.4-1.8.

4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. ‑ М: Высшая школа, 1989. §§ 13.1-13.5

6.3. Електронний ресурс.

1. http://www.phys.nsu.ru/electricity/Labworks.html

2. https://www.calc.ru/Sila-Lorentsa.html

3. http://studopedia.info/1-113038.html

4. Фізика 6.3. Електромагнетизм. Електромагнітна індукція - Енергетика: історія, сучасність і майбутнє Презентація на тему "Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Сила Ампера" Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть А Магнетизм Магнітне поле різних провідників зі струмом. Вектор магнітної індукції Фізика навколо нас: Магнітне поле струму § 1 підручника К.Ю. Богданова

5. Інновації в техніці: ідеальність і ресурсний підхід Сила Лоренца.

7. ДОДАТКИ.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: