Магнитное поле прямого проводника и катушки с током. Электромагнит

Компас лежит рядом с прямым проводником. Пока цепь разомкнута, стрелка ориентируется привычным образом. После краткого замыкания она поворачивается, хотя рядом нет постоянного магнита. Что создало новое магнитное действие?

Учебная реконструкция, а не результат опыта и не монтажная схема.

Сначала прогноз. Что произойдёт со стрелкой после замыкания цепи? А после того, как направление тока изменят на противоположное? Запиши оба предположения до наблюдения.

Опыт Эрстеда

Проверка состоит из последовательности состояний:

1. При разомкнутой цепи отмечают исходное положение стрелки.
2. Цепь кратковременно замыкают и наблюдают отклонение.
3. Цепь размыкают, меняют полюса низковольтного источника.
4. Цепь снова кратковременно замыкают и сравнивают направление отклонения.

Наблюдение показывает: электрический ток в проводнике создаёт вокруг него магнитное поле. При изменении направления тока направление магнитного поля тоже изменяется на противоположное.

Важно отделять наблюдение от объяснения. Мы видим поворот стрелки и по этому действию обнаруживаем магнитное поле. Магнитные линии — графическая модель его направления.

Поле прямого проводника

Вокруг прямого проводника с током магнитные линии имеют вид замкнутых окружностей. В каждой точке магнитная стрелка располагается по касательной к такой окружности.

Оригинальная схема MediaSchool. Линии — модель направления поля, а не видимые следы в пространстве; схема не задаёт численного значения поля.

Направление определяют по правилу правой руки:

• большой палец правой руки направляют по току;
• согнутые пальцы показывают обход магнитных линий.

Если ток направлен к наблюдателю, его обозначают точкой $\boldsymbol{\cdot}$ — как наконечник стрелы. Если ток направлен от наблюдателя, используют крест $\boldsymbol{\times}$ — как оперение стрелы.

Попытка до ответа

Нарисуй поперечное сечение прямого проводника и две концентрические окружности вокруг него.

1. Для тока к наблюдателю поставь знак $\boldsymbol{\cdot}$ и укажи стрелками направление линий.
2. Для тока от наблюдателя поставь знак $\boldsymbol{\times}$ и снова укажи направление.
3. Проверь оба рисунка правилом правой руки.

Критерии: линии замкнуты, стрелки на одной окружности согласованы, при смене направления тока направление обхода меняется.

Подсказка, если трудно начать. Сначала направь большой палец правой руки по току, затем перенеси направление согнутых пальцев на одну окружность. Только после этого дорисуй вторую окружность.

Катушка с током

В катушке магнитные поля отдельных витков складываются. Внутри длинной катушки линии поля почти параллельны, а вся катушка с током имеет северный и южный магнитные полюса.

Снаружи катушки линии направлены от северного полюса $N$ к южному $S$, а внутри продолжаются от $S$ к $N$. Если направление тока изменить, полюса катушки поменяются местами.

Чтобы определить полюса, охвати катушку правой рукой так, чтобы четыре согнутых пальца были направлены по току в витках. Отставленный большой палец покажет направление поля внутри катушки и её северный полюс $N$.

Оригинальная схема MediaSchool: внутри катушки поле направлено к её северному торцу, снаружи линии замыкаются.

Не путай два вопроса:

• направление поля меняется при изменении направления тока;
• сила магнитного действия зависит от условий опыта, в частности от силы тока, числа витков и наличия сердечника.

Электромагнит

Катушка с током и мягким железным сердечником образует электромагнит. Сердечник усиливает магнитное действие катушки. После отключения тока действие электромагнита резко ослабевает, поэтому им удобно управлять.

Учебная иллюстрация результата, а не фотография выполненного опыта и не монтажная схема.

Чтобы сравнение было честным, изменяют только один фактор, а остальные сохраняют:

• одна и та же катушка и один и тот же источник;
• одинаковое время краткого включения;
• одинаковые стальные предметы;
• сначала опыт без сердечника, затем с тем же сердечником.

Количество поднятых скрепок — только качественный показатель действия в данных условиях, а не измерение магнитного поля.

Где применяют электромагниты

Электромагнит нужен там, где магнитное действие требуется включать, выключать или регулировать: в подъёмных устройствах, реле, электрических звонках и других приборах.

Учебная реконструкция промышленного применения; она не заменяет правила конкретного оборудования.

Отключение тока позволяет освободить груз. Промышленная установка работает только в ограждённой зоне; находиться под грузом нельзя.

Безопасность опыта

• используй только школьный низковольтный источник с ограничением тока;
• собирай и изменяй цепь только при разомкнутом ключе;
• замыкай цепь на 2–3 секунды и контролируй нагрев проводника и катушки;
• не подключай самодельную катушку к бытовой электрической сети;
• не касайся оголённых контактов и не оставляй цепь замкнутой без наблюдения;
• опыт выполняй под руководством учителя.

Частые ошибки

Проверь себя

1. Какое наблюдение в опыте Эрстеда связывает ток с магнитным действием?
2. Как расположены магнитные линии около прямого проводника с током?
3. Как по правилу правой руки определить их направление?
4. Что изменится в поле катушки после смены направления тока?
5. Из каких двух основных частей состоит электромагнит?
6. Как честно проверить влияние железного сердечника?

Сначала ответь самостоятельно, затем прокрути страницу к разбору.

---

Ответы

1. При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется, а при изменении направления тока отклоняется в другую сторону.
2. Они представляются замкнутыми окружностями вокруг проводника; стрелка компаса располагается по касательной.
3. Большой палец правой руки направляют по току, а согнутые пальцы показывают обход линий.
4. Северный и южный полюса меняются местами; направление поля становится противоположным.
5. Из катушки с током и мягкого железного сердечника.
6. Использовать одну катушку и источник, одинаковое время включения и одинаковые предметы; сравнить результат без сердечника и с ним.

Короткий итог

• Электрический ток создаёт магнитное поле.
• Вокруг прямого проводника линии поля замкнуты; их направление определяют правилом правой руки.
• Катушка с током имеет два магнитных полюса, которые зависят от направления тока.
• Мягкий железный сердечник усиливает действие катушки и превращает её в управляемый электромагнит.