Страница 9 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Подумайте, как можно определить полюсы батарейки, подключённой к проводнику, имея магнитную стрелку.

Решение

Для определения полюсов батарейки, подключенной к проводнику, необходимо воспользоваться свойством электрического тока создавать вокруг себя магнитное поле. Направление этого поля зависит от направления тока, что позволяет, используя магнитную стрелку, определить направление тока, а следовательно, и полюсы источника.

Связь между направлением тока в проводнике и направлением линий создаваемого им магнитного поля описывается правилом правой руки (или правилом буравчика).

Правило правой руки: если обхватить проводник ладонью правой руки так, чтобы большой палец был направлен по направлению тока, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля вокруг проводника.

Северный полюс магнитной стрелки (обычно окрашен в синий или красный цвет и обозначается буквой $N$) всегда устанавливается по направлению линий магнитного поля в той точке, где она находится.

Эксперимент по определению полюсов батарейки проводится следующим образом:

1. Соберите простейшую электрическую цепь, соединив проводником полюсы батарейки. По проводнику пойдет постоянный электрический ток.
2. Возьмите магнитную стрелку (компас) и дайте ей успокоиться. Она установится вдоль магнитных линий Земли, указывая направление "север-юг".
3. Расположите провод с током над магнитной стрелкой и параллельно ей.
4. Пронаблюдайте, в какую сторону (на восток или на запад) отклонится северный полюс магнитной стрелки.
5. Примените правило правой руки, чтобы определить направление тока.
   • Если северный полюс стрелки, находящейся под проводом, отклонился на запад, значит, ток в проводе течет в направлении с юга на север.
   • Если северный полюс стрелки, находящейся под проводом, отклонился на восток, значит, ток в проводе течет в направлении с севера на юг.
6. Зная направление тока, определите полюсы батарейки. По определению, электрический ток в цепи направлен от положительного полюса ($+$) к отрицательному ($-$). Таким образом, конец проводника, из которого ток "вытекает" (начало направления), подключен к положительному полюсу, а конец, в который ток "втекает" (конец направления) — к отрицательному.

Ответ: Необходимо собрать цепь из батарейки и проводника. Расположить проводник над магнитной стрелкой параллельно ей. По отклонению северного полюса стрелки с помощью правила правой руки определить направление тока в проводнике. Так как ток в цепи направлен от положительного полюса к отрицательному, можно однозначно определить, какой вывод батарейки является положительным, а какой — отрицательным.

Подумайте, чем отличаются линии магнитной индукции от силовых линий электростатического поля.

Линии магнитной индукции и силовые линии электростатического поля являются графическими способами представления векторных полей, но имеют фундаментальные различия, обусловленные природой этих полей.

Замкнутость линий

Основное и наиболее наглядное отличие — это их форма. Силовые линии электростатического поляразомкнуты. Они всегда начинаются на положительных электрических зарядах (источниках поля) и заканчиваются на отрицательных зарядах (стоках поля). Если в пространстве присутствует только один тип заряда, линии уходят в бесконечность или приходят из нее.

В противоположность этому, линии магнитной индукции всегда замкнуты. Они не имеют ни начала, ни конца. Это является прямым следствием фундаментального факта отсутствия в природе магнитных зарядов (магнитных монополей). Например, у постоянного магнита линии выходят из северного полюса, входят в южный полюс снаружи, а внутри магнита продолжаются от южного полюса к северному, образуя непрерывные замкнутые кривые.

Природа поля и его источники

Различие в форме линий отражает различие в природе самих полей. Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами, которые являются его источниками и стоками. Математически это означает, что поле является потенциальным (его ротор равен нулю, $rot(\vec{E}) = 0$), но имеет источники (его дивергенция не равна нулю в местах нахождения зарядов).

Магнитное поле, в свою очередь, порождается движущимися зарядами (токами). У него нет стационарных источников, подобных электрическим зарядам. Поэтому магнитное поле является вихревым (соленоидальным). Это свойство математически выражается через закон Гаусса для магнетизма: дивергенция вектора магнитной индукции всегда равна нулю, $div(\vec{B}) = 0$. Это уравнение и означает отсутствие магнитных монополей и, как следствие, замкнутость линий поля.

Ответ: Главное отличие состоит в том, что линии магнитной индукции всегда замкнуты, в то время как силовые линии электростатического поля разомкнуты. Это обусловлено тем, что электростатическое поле имеет источники — электрические заряды, на которых линии начинаются и заканчиваются. Магнитное же поле не имеет таких источников (магнитных монополей), поэтому его линии не могут нигде начинаться или обрываться. Как следствие, электростатическое поле является потенциальным ($rot(\vec{E}) = 0$), а магнитное поле — вихревым/соленоидальным ($div(\vec{B}) = 0$).