Страница 195 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Как показать, что магнитное поле катушки с током подобно магнитному полю полосового магнита?

1. Как показать, что магнитное поле катушки с током подобно магнитному полю полосового магнита?

Сходство магнитных полей катушки с током и полосового магнита можно продемонстрировать с помощью эксперимента. Для этого используется свойство мелких железных опилок выстраиваться вдоль линий магнитной индукции, создавая видимую картину поля (так называемый магнитный спектр).

Порядок эксперимента:

1. Сначала получают спектр магнитного поля постоянного полосового магнита. Для этого на горизонтально расположенный картон, под которым находится магнит, насыпают тонкий слой железных опилок и слегка встряхивают картон. Опилки выстраиваются вдоль силовых линий, образуя характерную картину.
2. Затем опыт повторяют, заменив постоянный магнит на катушку (соленоид), подключенную к источнику тока. Картон с опилками размещают так, чтобы ось катушки лежала в его плоскости.

Сравнив полученные картины, можно увидеть их полное подобие. В обоих случаях магнитные линии представляют собой замкнутые кривые, выходящие из одного конца (северного полюса N) и входящие в другой (южный полюс S), замыкаясь внутри магнита или катушки. Внутри длинной катушки (соленоида), как и внутри магнита, поле является практически однородным, а линии параллельны оси. Это доказывает, что катушка с током является электромагнитом и её поле по своей структуре аналогично полю постоянного полосового магнита.

Ответ: Сходство магнитных полей катушки с током и полосового магнита можно показать экспериментально, получив их магнитные спектры с помощью железных опилок. Картины силовых линий, создаваемые опилками, в обоих случаях оказываются идентичными.

2. Сформулируйте правило правой руки (для катушки с током)

Для определения направления линий магнитного поля (и, соответственно, расположения северного и южного полюсов) у катушки с током используется правило правой руки (иногда называемое правилом обхвата).

Формулировка правила:
Если обхватить катушку ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению электрического тока в витках, то отставленный на 90 градусов большой палец укажет направление линий магнитного поля внутри катушки, то есть укажет на её северный полюс (N).

Соответственно, противоположный торец катушки будет её южным полюсом (S).

Ответ: Если обхватить катушку правой рукой так, чтобы четыре пальца были направлены по току в витках, то отогнутый большой палец покажет направление магнитного поля внутри катушки (укажет на северный полюс).

2. Сформулируйте правило правой руки.

2. Правило правой руки — это мнемонический приём, который применяется в электродинамике для определения направления вектора магнитной индукции. Существуют разные формулировки этого правила для разных ситуаций, например, для прямого проводника с током и для катушки с током (соленоида). Наиболее часто в контексте электромагнитов используется правило для соленоида.

Ответ: Если обхватить катушку с током (соленоид) ладонью правой руки, расположив четыре пальца по направлению тока в витках, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление магнитного поля (северного полюса) внутри катушки.

3. Сила магнитного поля электромагнита (катушки с током) зависит от нескольких ключевых параметров. Величина магнитной индукции $B$ в центре длинного соленоида описывается формулой $B = \mu_0 \mu n I$, где $I$ — сила тока, $n$ — количество витков на единицу длины катушки, $\mu_0$ — магнитная постоянная, а $\mu$ — относительная магнитная проницаемость материала сердечника. Анализ этой формулы позволяет определить способы усиления магнитного поля.

Ответ: Перечислим основные способы усиления магнитного поля электромагнита:
1. Увеличение силы тока ($I$), протекающего по виткам катушки.
2. Увеличение числа витков в катушке (либо за счет увеличения общего количества витков, либо за счет более плотной намотки).
3. Введение внутрь катушки сердечника из ферромагнитного материала (например, мягкого железа), который имеет высокую магнитную проницаемость ($\mu \gg 1$).

3. Перечислите способы, которыми можно усилить магнитное действие катушки с током.

Решение

Магнитное действие катушки с током (соленоида) характеризуется величиной создаваемого ею магнитного поля. Индукция магнитного поля $B$ внутри длинного соленоида определяется формулой:

$B = \mu \mu_0 n I$

где $I$ — сила тока в обмотке, $n$ — количество витков на единицу длины катушки ($n = N/L$, где $N$ - общее число витков, а $L$ - длина катушки), $\mu$ — относительная магнитная проницаемость материала сердечника, а $\mu_0$ — магнитная постоянная.

Анализируя эту формулу, можно выделить три основных способа усиления магнитного действия катушки:

1. Увеличение силы тока в катушке.

   Из формулы видно, что индукция магнитного поля $B$ прямо пропорциональна силе тока $I$. Следовательно, увеличивая силу тока, протекающего по виткам катушки, мы усиливаем ее магнитное поле. Этого можно добиться, например, увеличив напряжение источника тока или уменьшив сопротивление цепи.

2. Увеличение числа витков катушки.

   Магнитное поле также прямо пропорционально числу витков на единицу длины $n$. Поэтому, чтобы усилить магнитное действие, можно:

   • Увеличить общее количество витков $N$, сохраняя длину катушки $L$ прежней.
   • Намотать витки более плотно, то есть уменьшить длину катушки $L$, не меняя общего числа витков $N$.

   В обоих случаях значение $n$ увеличится, что приведет к усилению магнитного поля.

3. Введение внутрь катушки железного сердечника.

   Это один из самых эффективных способов. Магнитное поле катушки значительно усиливается при введении внутрь нее сердечника из ферромагнитного материала (например, железа, стали, никеля, кобальта). Это связано с тем, что ферромагнетики имеют очень высокую относительную магнитную проницаемость $\mu$ (для железа значение $\mu$ может достигать нескольких тысяч). При помещении в магнитное поле катушки сердечник сам сильно намагничивается, и его собственное магнитное поле складывается с полем катушки, многократно усиливая результирующее поле. Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Ответ:

Магнитное действие катушки с током можно усилить следующими способами:

• увеличить силу тока в катушке;
• увеличить число витков в катушке (или увеличить плотность намотки);
• ввести внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала (например, железа).