- Как взаимодействуют между собой постоянные магниты? Сделайте рисунок.
Постоянные магниты (их часто называют просто магниты) притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Это проиллюстрировано на рис. 107.
Рис. 107. Взаимодействие постоянных магнитов.
Прямоугольники — постоянные магниты.
Буква \mathrm{N} указывает на северный полюс магнита,
\mathrm{S}~- на южный.
а) Магниты ориентированы друг к другу разноимёнными полюсами — поэтому они притягиваются друг к другу, это изображено на рисунке стрелочками.
б) Магниты ориентированы друг к другу одноимёнными полюсами (северными) — поэтому они отталкиваются друг от друга, это изображено на рисунке стрелочками.
в) Магниты ориентированы друг к другу одноимёнными полюсами (южными) — поэтому они отталкиваются друг от друга.
(Как видно из рисунка не важно, какими именно одноимёнными полюсами ориентированы друг к другу магниты, в любом случае, если магниты ориентированы друг к другу одноимёнными полюсами, то они отталкиваются), это изображено на рисунке стрелочками. - Действует ли магнитное поле, создаваемое неким зарядом или постоянным магнитом сам этот заряд или этот постоянный магнит?
Нет, магнитное поле, создаваемое каким-нибудь зарядом или постоянным магнитом, не действует на сам этот заряд или постоянный магнит. - Какой величиной характеризуется магнитное поле?
Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции \vec{B}. - Что берётся за направление вектора магнитной индукции? Сделайте рисунок.
За направление вектора магнитной индукции принимается направление, которое показывает северный полюс (N) магнитной стрелки (стрелки компаса), свободно (под действием только магнитных сил, то есть сил, действующих со стороны магнитного поля) устанавливающейся в магнитном поле. (Так как магнитное поле связано с движением, то наличие, магнитного поля в какой-либо точке пространства, а также величина и направление вектора магнитной индукции \vec{B} зависят от выбора системы отсчёта).
Посмотрите на рис. 109.
Рис. 109. Направление вектора магнитной индукции.
\mathrm{A}~- некоторая точка пространства, ручкой изображена северная часть магнитной стрелки (северная часть магнитов часто обозначается синим цветом), карандашом изображена южная часть магнитной стрелки (южная часть магнитов часто обозначается красным цветом);
буква \mathrm{N} обозначает северное направление магнитной стрелки,
а буква \mathrm{S}~- южное направление магнитной стрелки.
\vec{B}~- вектор магнитной индукции в точке \mathrm{A}.
На рис. 109 магнитная стрелка, свободно устанавливающаяся (то есть не закреплённая, способная свободно поворачиваться под действием магнитного поля). С помощью неё определяется направление вектора \vec{B}, он направлен, так же как эта стрелка. (Про определение модуля вектора магнитной индукции будет в пункте про силу Ампера). - Запишите формулу, иллюстрирующую принцип суперпозиции магнитных полей.
\vec{B}=\vec{B}_1+\vec{B}_2+⋯+\vec{B}_N;
где \vec{B}~- магнитная индукция результирующего (результирующего это значит созданного всеми N движущимися зарядами или постоянными магнитами вместе) магнитного поля в данной точке,
\vec{B}_i~- магнитная индукция, которую бы создавал в этой точке i-ый движущийся заряд или постоянный магнит, если бы он только один создавал магнитное поле в этой точке,
N~- число движущихся зарядов или постоянных магнитов, создающих магнитное поле в этой точке. - Изобразите картину линий магнитного поля, создаваемого постоянным полосовым магнитом.
Примерная картина линий магнитного поля, создаваемого постоянным полосовым магнитом, изображена на рис. 110.
Посмотрите на рис. 110.
Рис. 110. Картина линий магнитного поля полосового магнита.
Стрелочки на линиях указывают их направление.
Пунктиром отмечено, что изображение линии на рисунке заканчивается, хотя она продолжается дальше.
\mathrm{A}~- точка, в которой показан вектор магнитной индукции \vec{B}, магнитного поля, создаваемого этим магнитом.
\mathrm{k}~- касательная к линии магнитного поля, проведённая в точке \mathrm{A} (на рисунке изображена пунктиром). - Поясните по рисунку, что такое силовые линии магнитного поля.
Посмотрите на рис. 110. Видно, что вектор магнитной индукции \vec{B} поля в точке \mathrm{A} лежит на касательной к силовой линии, проведённой в этой точке \mathrm{A} и направлен так же, как и линия магнитного поля в точке \mathrm{A}. В то же время чем ближе мы находимся к торцам магнита, тем больше модуль магнитной индукции поля и тем больше силовых линий приходится на единицу площади. - Изобразите картину линий длинного прямого проводника с током для двух различных направлений тока в этом проводнике.
Картина линий магнитного поля длинного прямого проводника с током изображена на рис. 113.
Посмотрите на рис. 113.
Рис. 113. Картина линий магнитного поля длинного (чем длиннее проводник, тем ближе изображённая картина к реальной) прямого проводника с током.
Вид вдоль проводника, то есть перпендикулярно его поперечному сечению.
Ручкой изображён проводник с током. Карандашом изображены линии магнитного поля, создаваемого проводником с током вблизи от этого проводника (на самом деле их бесконечно много, а изображена только часть ближайших). Эти линии лежат в плоскости перпендикулярной этому проводнику.
Чем дальше мы отходим от проводника с током, тем реже становятся эти линии.
а) Кружочек с точкой означает стрелочку направленную перпендикулярно плоскости чертежа на нас (такое обозначение стрелочки направленной перпендикулярно плоскости чертежа на нас используется не только для указания направления тока, но и для других направлений, например, для направления вектора магнитной индукции или направления силы). На данном рисунке кружочек с точкой, нарисованные ручкой означают проводник с током, направленным (за направление тока, при рассмотрении его магнитных свойств мы будем принимать такое направление тока, при котором сила тока положительная, то есть направление движения положительных зарядов) перпендикулярно плоскости чертежа на нас. По правилу правой руки линии магнитного поля, создаваемого проводником с током, направленным таким образом, направлены против часовой стрелки.
б) Кружочек с крестиком означает стрелочку направленную перпендикулярно плоскости чертежа от нас (такое обозначение стрелочки направленной перпендикулярно плоскости чертежа от нас используется не только для указания направления тока, но и для других направлений, например, для направления вектора магнитной индукции или направления силы). На данном рисунке кружочек с крестиком, нарисованные ручкой означают проводник с током, направленным перпендикулярно плоскости чертежа от нас. По правилу правой руки линии магнитного поля, создаваемого проводником с током, направленным таким образом, направлены по часовой стрелке. - Что позволяет определить правило правой руки?
Правило правой руки позволяет определить направление линий магнитного поля, создаваемого током. - Опишите, как использовать правило правой руки и приведите примеры его использования для рисунка 113.
Чтобы определить направление линий магнитного поля, создаваемого прямым проводником с током, надо оттопыренный большой палец правой руки сжатой в кулак (при этом кисть руки показывает жест, означающий хорошо, отлично, здорово) направить так же, как направлен ток в данном проводнике, тогда остальные четыре пальца укажут направление линий магнитного поля. Например, на рис. 113-а ток направлен перпендикулярно плоскости чертежа на нас. Расположим правую руку, сложенную указанным образом (в жест, означающий хорошо, отлично, здорово), так, чтобы большой палец правой руки был направлен перпендикулярно плоскости чертежа на нас (то есть, так же, как и ток). Тогда остальные четыре пальца будут направлены против часовой стрелки – значит, и линии магнитного поля будут направлены против часовой стрелки, что и изображено на этом рисунке. А на рис. 113-а ток направлен перпендикулярно плоскости чертежа от нас. Расположим правую руку, сложенную указанным образом (в жест, означающий хорошо, отлично, здорово), так, чтобы большой палец правой руки был направлен перпендикулярно плоскости чертежа от нас (то есть, так же, как и ток). Тогда остальные четыре пальца будут направлены по часовой стрелке — значит, и линии магнитного поля будут направлены по часовой стрелке, что и изображено на рисунке. - Что такое соленоид?
Соленоидом мы будем называть катушку из проводника. - В каком случае магнитное поле, создаваемое соленоидом с током внутри этого соленоида, можно считать однородным?
Магнитное поле, создаваемое соленоидом с током, можно считать однородным внутри этого соленоида, если длина соленоида много больше его диаметра. (Если из условий задач ЕГЭ не следует обратного, то можно считать, что фигурирующие в них соленоиды, удовлетворяют этому условию). - Что такое однородное магнитное поле?
Однородное магнитное поле в некоторой части пространства, это магнитное поле, магнитная индукция которого во всех точках этой части пространства одинаковая. - Изобразите картину линий однородного магнитного поля.
Картина линий однородного магнитного поля изображена на рис. 116.
Рис. 116. Картина линий однородного магнитного поля.
Видно, что все линии параллельны прямые и сонаправлены; и расстояние между всеми линиями одинаковое. - Запишите формулу для определения модуля силы Ампера. Сделайте рисунок.
F_А=I\cdot B\cdot l\cdot \sin{α};
где F_А~- модуль силы Ампера (силы, с которой однородное магнитное поле действует на прямолинейный проводник с током, находящийся в нём (магнитное поле для применения этой формулы должно быть однородно в той часть пространства, где находится этот проводник с током)),
I~- сила тока, текущего в этом проводнике,
B~- модуль магнитной индукции этого магнитного поля,
α~- угол между направлением тока в проводнике и вектором \vec{B} магнитной индукции этого магнитного поля.
Посмотрите на рис. 117.
Рис. 117. Сила Ампера.
Проводник, длина которого l изображён вертикальным отрезком. Стрелочкой на нём отмечено направление тока в нём, сила которого (этого тока) I.
Вектором \vec{B} изображена магнитная индукция, магнитного поля однородного в области пространства, где располагается этот проводник.
α~- угол между направлением тока в этом проводнике и этим вектором \vec{B}, на рисунке этот угол отмечен дужкой.
Крестиком в кружочке обозначено направление силы Ампера \vec{F}_А, которая в данном случае направлена перпендикулярно плоскости чертежа от нас. - В чём измеряется магнитная индукция в СИ?
Магнитная индукция в СИ измеряется в Теслах: [Тл]. - Как определить направление силы Ампера.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки. - Опишите, как использовать правило левой руки на примере определения направления силы Ампера в случае, изображённом на рис. 117.
Для того, чтобы определить направление силы Ампера надо выпрямленные четыре пальца левой руки (все пальцы кроме большого) направить вдоль направления тока. Вся кисть левой руки должна лежать в одной плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой лежат проводник с током и вектор \vec{B}; (если проводник с током коллинеарен вектору \vec{B}, то сила Ампера будет равна нулю, и искать её направление будет не нужно) причём вектор \vec{B} должен входить в ладонь и выходить из тыльной стороны кисти. Тогда большой палец, оттопыренный перпендикулярно остальным четырём пальцам, укажет направление силы Ампера. При размещении левой руки описанным образом на рис. 117, большой палец окажется направленным перпендикулярно плоскости чертежа от нас, поэтому и сила Ампера будет направлена перпендикулярно плоскости чертежа от нас. - Запишите формулу для определения модуля силы Лоренца. Сделайте рисунок.
F_{Лор}=|q|\cdot v\cdot B \sin{α};
где F_{Лор}~- модуль силы Лоренца (силы, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нём заряженную частицу),
q~- заряд этой частицы,
v~- модуль скорости этой частицы,
B~- модуль магнитной индукции этого магнитного поля в точке, где находится эта частица,
α~- угол между вектором скорости этой частицы и вектором \vec{B} магнитной индукции этого магнитного поля в точке, где находится эта частица.
Посмотрите на рис. 118.
Рис. 118. Сила Лоренца.
Заряженная частица, модуль заряда которой |q| изображена жирной точкой, подписанной буквой q.
\vec{v}~- скорость этой заряженной частицы.
Вектором \vec{B} изображена магнитная индукция, магнитного поля в точке, где находится эта частица (на рисунке изображение вектора \vec{B} специально отнесено на некоторое расстояние от точки, где находится заряженная частица, чтобы буквы и знаки не накладывались друг на друга).
Угол α не изображён на рисунке, однако из рисунка видно, что при таком расположении векторов \vec{B} и \vec{v} они (эти векторы) перпендикулярны, а значит α=90^\circ.
а) Заряд частицы положительный, что отмечено знаком плюс на рисунке; F_{Лор}~- сила Лоренца направлена вверх в плоскости рисунка.
б) Заряд частицы отрицательный, что отмечено знаком минус на рисунке; F_{Лор}~- сила Лоренца направлена вниз в плоскости рисунка. - Как определить направление силы Лоренца.
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. - Опишите, как использовать правило левой руки на примере определения направления силы Лоренца в случаях, изображённых на рис. 118-а и рис. 118-б.
Для того, чтобы определить направление силы Лоренца надо выпрямленные четыре пальца левой руки (все пальцы кроме большого) направить по направлению скорости движения положительного заряда (или противоположно направлению скорости движения отрицательного заряда). Вся кисть левой руки должна лежать в одной плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой лежат вектора \vec{v} и \vec{B}; (если вектор \vec{v} коллинеарен вектору \vec{B}, то сила Лоренца будет равна нулю, и искать её направление будет не нужно) причём вектор \vec{B} должен входить в ладонь и выходить из тыльной стороны кисти. Тогда большой палец, оттопыренный перпендикулярно остальным четырём пальцам, укажет направление силы Лоренца. При размещении левой руки описанным образом на рис. 118-а (кисть располагается в плоскости чертежа ладонью на нас, четыре пальца сонаправлены со скоростью положительного заряда – направлены направо), большой палец окажется направленным вверх в плоскости чертежа, поэтому и сила Лоренца будет направлена вверх в плоскости чертежа. При размещении левой руки описанным образом на рис. 118-б (кисть располагается в плоскости чертежа ладонью на нас, четыре пальца противоположно направлены скорости отрицательного заряда — направлены влево), большой палец окажется направленным вниз в плоскости чертежа, поэтому и сила Лоренца будет направлена вниз в плоскости чертежа. - Как будет двигаться заряженная частица, влетевшая в однородное магнитное поле перпендикулярно его линиям магнитной индукции. Сделайте рисунок.
Заряженная частица, влетевшая в однородное магнитное поле перпендикулярно его линиям магнитной индукции, будет двигаться по окружности. Посмотрите на рис. 119.
Рис. 119. Движение заряженной частицы, скорость которой перпендикулярна линиям магнитной индукции однородного магнитного поля.
Жирной точкой подписанной знаком плюс обозначена заряженная частица (в данном примере её заряд положительный);
\vec{B}~- магнитная индукция однородного (в области траектории этой частицы) магнитного поля;
\vec{v}~- скорость этой частицы,
\vec{F}_{Лор}~- сила Лоренца, действующая со стороны этого магнитного поля на эту частицу;
\mathrm{O}~- центр окружности, являющейся траекторией этой частицы.