Страница 192 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?

1. Железные опилки можно использовать для изучения магнитного поля, потому что железо является ферромагнетиком. Ферромагнетики — это вещества, которые обладают способностью сильно намагничиваться даже в слабом внешнем магнитном поле. Магнитная проницаемость железа $ \mu $ значительно больше единицы ($ \mu \gg 1 $).

Когда мелкие железные опилки попадают в магнитное поле, каждая из них под действием магнитной индукции превращается в маленький временный магнит (магнитный диполь) со своими северным и южным полюсами. Эти крошечные магнитики взаимодействуют с внешним полем и друг с другом: северный полюс одной опилки притягивается к южному полюсу другой. В результате они выстраиваются в цепочки, которые ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, железные опилки делают видимой структуру магнитного поля, позволяя наблюдать его силовые линии.

Ответ: Железные опилки используются для изучения магнитного поля, так как железо является ферромагнетиком и легко намагничивается. Каждая опилка становится маленьким магнитом и ориентируется вдоль силовых линий поля, делая их видимыми.

2. В магнитном поле железные опилки располагаются, образуя непрерывные изогнутые линии. Эти линии называются линиями магнитной индукции (или силовыми линиями магнитного поля) и наглядно показывают его структуру. Каждая цепочка из опилок указывает направление вектора магнитной индукции $ \vec{B} $ в данной точке пространства.

Картина, которую образуют опилки, позволяет сделать следующие выводы:

• Линии выходят из северного полюса магнита (N) и входят в южный (S), замыкаясь внутри магнита.
• Густота расположения линий характеризует силу магнитного поля: там, где линии гуще (например, у полюсов магнита), поле сильнее; там, где они реже, — поле слабее.
• Линии магнитной индукции никогда не пересекаются.

Таким образом, расположение опилок дает качественную картину распределения магнитного поля в пространстве.

Ответ: Железные опилки в магнитном поле выстраиваются вдоль силовых линий, образуя видимую картину (спектр) этого поля. Густота расположения линий из опилок указывает на интенсивность поля в данной области.

2. Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого проводника с током?

1. Железные опилки, будучи ферромагнетиком, при попадании в магнитное поле ведут себя как маленькие стрелки компаса. Каждая частица намагничивается, превращаясь в крошечный магнитный диполь, и ориентируется вдоль направления силовых линий внешнего магнитного поля. Соединяясь друг с другом, опилки выстраиваются в видимые цепочки, которые повторяют форму и направление магнитных линий, тем самым позволяя визуализировать структуру магнитного поля. Плотность расположения опилок указывает на интенсивность поля: там, где поле сильнее, опилки располагаются гуще.

Ответ: Каждая железная опилка в магнитном поле намагничивается и располагается вдоль магнитной силовой линии, делая картину этих линий видимой.

2. Вокруг прямого проводника, по которому протекает электрический ток, создается магнитное поле. Линии этого поля (линии магнитной индукции) представляют собой замкнутые концентрические окружности. Эти окружности лежат в плоскостях, перпендикулярных проводнику, а их общий центр совпадает с осью проводника. Поэтому железные опилки, помещенные в такое поле (например, рассыпанные на горизонтальном листе картона, через который вертикально пропущен проводник с током), выстраиваются вдоль этих окружностей, наглядно демонстрируя форму магнитного поля.

Ответ: Железные опилки в магнитном поле прямого проводника с током располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится сам проводник.

3. Магнитной линией (или линией магнитной индукции) называют воображаемую направленную линию, касательная к которой в любой её точке совпадает по направлению с вектором магнитной индукции $ \vec{B} $ в этой точке. Магнитные линии — это удобный графический способ изображения магнитных полей. Они обладают рядом свойств: они всегда замкнуты (у магнитного поля нет источников или стоков), они никогда не пересекаются, а их густота пропорциональна величине (модулю) магнитной индукции — чем гуще линии, тем сильнее поле.

Ответ: Магнитной линией называют воображаемую линию, в каждой точке которой вектор магнитной индукции $ \vec{B} $ направлен по касательной к этой линии.

3. Что называют магнитной линией?

3. Магнитными линиями (или линиями магнитной индукции) называют воображаемые линии, которые используют для наглядного графического изображения магнитного поля. Они обладают следующими свойствами:

1. Касательная к магнитной линии в любой точке пространства совпадает по направлению с вектором магнитной индукции $ \vec{B} $ в этой точке.

2. Густота расположения линий характеризует интенсивность магнитного поля: там, где линии гуще, магнитное поле сильнее.

3. Магнитные линии всегда замкнуты, они не имеют ни начала, ни конца. Это свойство отражает тот факт, что в природе не существует магнитных зарядов (монополей).

4. По соглашению, вне магнита или катушки с током направление магнитных линий совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля (т.е. от северного полюса N к южному S).

Ответ: Магнитные линии – это воображаемые замкнутые линии, касательные к которым в каждой точке указывают направление вектора магнитной индукции, а их густота характеризует модуль (силу) магнитного поля.

4. Чтобы продемонстрировать, что направление магнитных линий поля прямого проводника зависит от направления тока, можно провести следующий опыт. Понадобятся: источник постоянного тока, прямой проводник, лист картона и несколько маленьких магнитных стрелок (компасов).

Сначала проводник пропускают вертикально через отверстие в центре горизонтально расположенного листа картона. На картон вокруг проводника помещают магнитные стрелки. Пока ток в проводнике отсутствует, все стрелки ориентированы в одном направлении — вдоль линий магнитного поля Земли.

Затем по проводнику пропускают электрический ток, например, в направлении сверху вниз. Все магнитные стрелки немедленно поворачиваются и располагаются по касательным к концентрическим окружностям с центром в проводнике. Их северные полюсы указывают направление линий магнитного поля (в данном случае, по часовой стрелке, если смотреть сверху). Это направление соответствует правилу правой руки.

Далее, изменив полярность подключения к источнику, меняют направление тока в проводнике на противоположное (снизу вверх). В этот момент все магнитные стрелки разворачиваются на 180° и начинают указывать направление против часовой стрелки.

Таким образом, опыт наглядно показывает, что магнитные линии прямого тока являются концентрическими окружностями, а их направление напрямую зависит от направления тока в проводнике.

Ответ: Для демонстрации зависимости направления магнитных линий от направления тока используют установку из вертикального проводника, проходящего через горизонтальный лист картона с магнитными стрелками. При пропускании тока стрелки ориентируются вдоль концентрических окружностей. При изменении направления тока на противоположное все стрелки разворачиваются на 180°, что и доказывает искомую зависимость.

4. Опишите опыт, позволяющий показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока в проводнике.

4. Чтобы экспериментально показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока в проводнике, можно провести следующий опыт (модификация опыта Эрстеда).

Необходимое оборудование:

• Источник постоянного тока;
• Прямой проводник (например, толстая медная проволока);
• Ключ (выключатель);
• Несколько маленьких магнитных компасов (или магнитных стрелок);
• Лист картона;
• Соединительные провода.

Ход эксперимента:

1. Установим лист картона горизонтально и пропустим через его центр вертикально прямой проводник.
2. Вокруг проводника на листе картона расположим несколько магнитных компасов.
3. Соберем электрическую цепь, последовательно соединив источник тока, ключ и наш проводник.
4. В исходном состоянии (ключ разомкнут) ток в цепи отсутствует. Все магнитные стрелки компасов ориентированы одинаково, указывая направление на северный магнитный полюс Земли. Запомним их положение.
5. Замкнем ключ. По проводнику потечет электрический ток, например, в направлении снизу вверх. Мы увидим, что стрелки всех компасов повернутся и выстроятся по касательным к концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник. Все стрелки будут указывать в определенном направлении по кругу (например, против часовой стрелки).
6. Поменяем направление тока в проводнике на противоположное (сверху вниз). Это можно сделать, поменяв местами провода на клеммах источника тока.
7. Снова посмотрим на компасы. Мы обнаружим, что их стрелки развернулись на 180° и теперь указывают в противоположном направлении (в нашем примере — по часовой стрелке), оставаясь на тех же касательных к окружностям.

Вывод:

Наблюдаемое изменение ориентации магнитных стрелок при изменении направления тока в проводнике является прямым доказательством того, что направление линий магнитного поля, создаваемого током, зависит от направления тока. Эта связь описывается правилом правой руки: если направить большой палец правой руки по направлению тока, то согнутые пальцы укажут направление линий магнитного поля.

Ответ: Для демонстрации связи между направлением тока и направлением магнитных линий проводят опыт: вокруг вертикального прямого проводника на горизонтальной плоскости размещают магнитные стрелки. При пропускании тока в одном направлении (например, вверх) стрелки выстраиваются по касательным к окружностям в одну сторону (например, против часовой стрелки). При изменении направления тока на противоположное (вниз) все стрелки разворачиваются на 180° и указывают в другую сторону (по часовой стрелке). Это доказывает, что направление магнитных линий определяется направлением тока.

5. Сформулируйте правило буравчика.

Правило буравчика, также известное как правило правого винта, — это мнемоническое правило, которое используется в электродинамике для определения направления вектора магнитной индукции ($\vec{B}$), создаваемого электрическим током ($I$).

Правило формулируется по-разному для прямолинейного проводника и для соленоида (катушки).

Для прямолинейного проводника с током

Если направление поступательного движения буравчика (винта с правой резьбой) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции, которые охватывают этот проводник. Линии магнитного поля представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.

Для соленоида (или витка с током)

Если вращать рукоятку буравчика по направлению электрического тока в витках соленоида, то направление поступательного движения острия буравчика укажет направление линий магнитной индукции внутри соленоида. Это направление указывает на северный полюс ($N$) образующегося электромагнита.

Это правило является удобным практическим способом применения векторного произведения, которое лежит в основе законов, описывающих магнитное поле (например, закон Био — Савара — Лапласа). Оно полностью эквивалентно правилу правой руки.

Ответ: Правило буравчика гласит: если направление поступательного движения буравчика совместить с направлением тока в проводнике, то направление вращения его рукоятки укажет направление линий магнитного поля. Для соленоида (витка с током) правило применяется наоборот: если вращать рукоятку буравчика по направлению тока в витках, то его поступательное движение укажет направление магнитного поля внутри соленоида.

6. Как можно получить представление о магнитном поле постоянного магнита?

5. Сформулируйте правило буравчика.

Правило буравчика (также известное как правило правого винта) — это мнемоническое правило, которое используется в электродинамике для определения направления вектора магнитной индукции $ \vec{B} $, создаваемого электрическим током.

Формулировка правила следующая: если направление поступательного движения буравчика (винта с правой резьбой) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика покажет направление линий магнитной индукции этого тока.

Например, для прямолинейного проводника с током, если мысленно вкручивать буравчик вдоль провода по направлению тока, то его ручка будет вращаться в ту же сторону, куда направлены силовые линии магнитного поля. Эти линии представляют собой концентрические окружности, охватывающие проводник.

Ответ: Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения его ручки совпадет с направлением линий магнитного поля.

6. Как можно получить представление о магнитном поле постоянного магнита?

Получить наглядное представление (визуализировать) о магнитном поле постоянного магнита можно с помощью так называемых силовых линий магнитного поля. Это воображаемые линии, которые показывают направление и интенсивность поля. Существует несколько экспериментальных способов для их визуализации.

1. С помощью железных опилок. Это самый распространенный и наглядный метод. На лист картона или стекла, размещенный над магнитом, насыпают тонкий слой мелких железных опилок. При легком встряхивании листа каждая опилка, являясь маленьким ферромагнетиком, намагничивается и ориентируется вдоль поля, как крошечная стрелка компаса. В результате все опилки выстраиваются в цепочки, которые повторяют форму силовых линий магнитного поля, создавая его видимый "спектр". Густота расположения опилок показывает силу поля: у полюсов магнита, где поле наиболее сильное, опилки располагаются гуще.

2. С помощью магнитной стрелки (компаса). Можно исследовать поле, перемещая в нем маленькую магнитную стрелку. В любой точке пространства северный полюс стрелки указывает направление силовой линии в этой точке. Если последовательно перемещать стрелку в направлении, на которое она указывает, можно шаг за шагом прочертить одну силовую линию. Повторив этот процесс, начиная с разных точек, можно получить полную картину силовых линий поля.

Полученная картина позволяет судить о свойствах поля: силовые линии выходят из северного полюса магнита (N) и входят в южный (S), они являются замкнутыми (продолжаясь внутри магнита от S к N) и никогда не пересекаются.

Ответ: Представление о магнитном поле постоянного магнита можно получить, наблюдая за поведением железных опилок, рассыпанных вокруг него, или последовательно определяя направление поля в разных точках с помощью магнитной стрелки (компаса). Эти методы позволяют визуализировать силовые линии магнитного поля.

1. На рисунке 129 изображён проволочный прямоугольник, направление тока в нём показано стрелками. Перечертите рисунок в тетрадь и, пользуясь правилом буравчика, начертите вокруг каждой из его четырёх сторон по одной магнитной линии, указав стрелкой её направление.

1. Решение

Для определения направления магнитных линий, создаваемых током в проводнике, используется правило буравчика, также известное как правило правой руки. Правило гласит: если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца, обхватывающие проводник, укажут направление линий магнитного поля. Эти линии представляют собой замкнутые окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводнику.

В соответствии с направлением стрелок на исходном рисунке, электрический ток втекает в правый вывод, движется по прямоугольному контуру по часовой стрелке и вытекает из левого вывода. Применим правило правой руки для каждой из четырёх сторон прямоугольника:

• Правая сторона: Ток направлен вверх. Располагаем правую руку так, чтобы большой палец указывал вверх. Согнутые пальцы покажут, что магнитные линии огибают проводник против часовой стрелки (если смотреть на проводник сверху). Внутри контура поле будет направлено «от нас» (в плоскость рисунка), а снаружи — «к нам».
• Верхняя сторона: Ток направлен влево. Большой палец направляем влево. Согнутые пальцы покажут, что магнитные линии огибают проводник против часовой стрелки (если смотреть на проводник слева). Внутри контура поле также будет направлено «от нас».
• Левая сторона: Ток направлен вниз. Большой палец направляем вниз. Согнутые пальцы покажут, что магнитные линии огибают проводник по часовой стрелке (если смотреть на проводник снизу). Внутри контура поле снова будет направлено «от нас».
• Нижняя сторона: Ток направлен вправо. Большой палец направляем вправо. Согнутые пальцы покажут, что магнитные линии огибают проводник по часовой стрелке (если смотреть на проводник справа). Внутри контура поле также направлено «от нас».

Таким образом, магнитные поля от всех четырёх сторон складываются, и внутри контура суммарное магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка, «от нас». На рисунке ниже показан проволочный прямоугольник и по одной магнитной линии для каждой его стороны с указанием направления.

Ответ:

Используя правило буравчика (правило правой руки), определяем направление магнитных линий вокруг каждой стороны прямоугольного контура, по которому течёт ток по часовой стрелке. Магнитные линии представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник. Направление этих линий показано стрелками на представленном выше рисунке. Для всех сторон контура магнитное поле внутри него направлено одинаково — перпендикулярно плоскости контура, «от нас».

2. Каким полюсом повернётся к наблюдателю магнитная стрелка, если ток в проводнике направлен от А к В (рис. 130)? Изменится ли ответ, если стрелку поместить над проводом?

Каким полюсом повернётся к наблюдателю магнитная стрелка, если ток в проводнике направлен от A к B?
Для определения направления линий магнитного поля, которое создает прямой проводник с током, воспользуемся правилом правой руки. Если мысленно обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец был направлен по направлению тока (в данном случае от A к B), то остальные согнутые пальцы укажут направление линий магнитной индукции $\vec{B}$.
На рисунке магнитная стрелка расположена под проводником. Применяя правило правой руки, определяем, что в пространстве под проводником линии магнитной индукции направлены из плоскости рисунка на наблюдателя.
Магнитная стрелка всегда ориентируется вдоль силовых линий магнитного поля, при этом её северный полюс (N, обычно обозначается красным цветом) указывает направление вектора магнитной индукции.
Таким образом, северный полюс магнитной стрелки повернется к наблюдателю.
Ответ: К наблюдателю повернется северный (красный) полюс магнитной стрелки.

Изменится ли ответ, если стрелку поместить над проводом?
Да, ответ изменится. Если поместить магнитную стрелку над проводом, то направление вектора магнитной индукции $\vec{B}$ будет противоположным. Применяя то же правило правой руки, мы увидим, что в пространстве над проводником линии магнитного поля будут направлены в плоскость рисунка, то есть от наблюдателя.
В этом случае северный полюс стрелки, ориентируясь по направлению поля, повернется от наблюдателя, а к наблюдателю, соответственно, будет обращен южный полюс (S, синий цвет). Это означает, что положение стрелки изменится на 180°.
Ответ: Да, изменится. Если стрелку поместить над проводом, к наблюдателю повернется южный (синий) полюс.

3. На полу лаборатории под линолеумом проложен прямой провод. Как определить место нахождения провода, не вскрывая линолеума?

Для того чтобы определить местоположение провода под линолеумом, не вскрывая его, можно воспользоваться физическим явлением, заключающимся в том, что любой проводник с электрическим током создает вокруг себя магнитное поле.

Решение

Чтобы обнаружить это магнитное поле и, соответственно, сам провод, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1. Подключить к концам провода, проложенного под линолеумом, источник постоянного тока. В качестве источника может выступать аккумулятор, батарейка или лабораторный источник питания. Важно, чтобы по проводу потек постоянный электрический ток, который создаст вокруг провода постоянное магнитное поле.
2. Взять обычный магнитный компас. Вдали от провода с током его стрелка будет ориентирована вдоль магнитного поля Земли, указывая на север.
3. Медленно перемещать компас над поверхностью пола в направлении, предположительно перпендикулярном проводу.
4. Вблизи провода с током его магнитное поле окажет воздействие на стрелку компаса, заставив ее отклониться от первоначального положения. Точка, в которой отклонение стрелки компаса от направления «север-юг» будет максимальным, находится прямо над проводом.
5. Отметив несколько таких точек на полу и соединив их, можно точно определить траекторию проложенного провода.

Это явление объясняется законами электромагнетизма. Согласно правилу правой руки (или правилу буравчика), линии индукции магнитного поля прямого проводника с током представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводу. Магнитная стрелка компаса стремится расположиться по касательной к этим линиям. Величина магнитной индукции $B$ на расстоянии $r$ от длинного прямого провода с током $I$ определяется формулой:

$B = \frac{\mu_0 I}{2 \pi r}$

где $\mu_0$ — магнитная постоянная. Из формулы видно, что индукция магнитного поля обратно пропорциональна расстоянию до провода. Следовательно, самое сильное поле (и самое сильное воздействие на стрелку компаса) будет наблюдаться в непосредственной близости к проводу, то есть прямо над ним.

Ответ: Необходимо пропустить по проводу постоянный электрический ток от источника питания и затем, перемещая над полом магнитный компас, найти линию, вдоль которой отклонение стрелки компаса от ее обычного положения будет максимальным. Эта линия будет соответствовать местоположению провода.