ГРУППА  205.  ФИЗИКА.   ТЕМА   « Магнитное поле. Сила Ампера»                                                                          

         Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

Свойства магнитного поля:

• магнитное поле материально;
• источник и индикатор поля – электрический ток;
• магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
• величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ​B⃗ ​. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ​I​ и его длине ​l​:

Обозначение – B⃗ , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

                   

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Свойства магнитных линий

         магнитные линии непрерывны;

• магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
• магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ​M​:

где ​I​ – сила тока в проводнике, ​S​ – площадь поверхности, охватываемая контуром, ​B​ – модуль вектора магнитной индукции, ​α​ – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ​α​ = 90°.

Взаимодействие магнитов   В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ​N​ и южный ​S​.Важно!

Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению то

ка в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Сила Ампера

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.                               

Закон Ампера: на проводник c током силой ​I​ длиной ​l​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​B⃗ ​, действует сила, модуль которой равен:

где ​α​ – угол между 

проводником с током и вектором магнитной индукции ​B⃗ ​.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​B⊥​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной.

 Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​N​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

• сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
• отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
• используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
• указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
• записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
• записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

• чины;
• решение проверить.

ЗАДАНИЕ:

1. Сделать конспект, выписать определения, формулы.

2. Записать правило буравчика,  правило левой руки для силы Ампера .

3. Записать алгоритм решения задач

4. Выполнить тест.            

                                                                                                                                                                     1. В пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое…

А. Электрическим. Б. Магнитным. В. Электромагнитным.

2. Любой покоящийся электрический заряд характеризуется наличием…

А. Электрического поля. Б. Магнитного поля. В. Электрического и магнитного полей.

3. Магнитное поле создается:

А. Неподвижными зарядами. Б. Движущимися электрическими зарядами.

4. Линии магнитной индукции:

А. Пересекаются. Б. Не пересекаются.

5. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся:

А. Произвольно. Б. Вполне определённо.

6. Линии магнитного поля прямого проводника:

А. Перпендикулярны  проводнику. Б.Имеют вид концентрических окружностей.

7. Единица измерения магнитной индукции:

А. 1 Кл. Б. 1 А. В. 1 Тл. Г. 1 м

8. Закон, определяющий силу, действующую на отдельный участок проводника с током со стороны магнитного поля, был установлен…

А. Кулоном. Б. Эрстедом. В. Ампером. Г. Лоренцом.

10. Силу, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называют…

А. Силой Ампера. Б. Силой Лоренца. В. Силой Кулона.

11. Определите направление силы Ампера,  действующую на проводник с током:                       +                                                            А. Вверх. Б. Вниз. В. Влево. Г. Вправо.

 

 Группа 306.   Физика. Тема «Второй и третий законы Ньютона

 Что такое инерция?

- Какие системы называются инерционными?

- Сформулируйте I закон Ньютона.

- Для каких систем справедлив этот закон?

- О чем говорит принцип относительности Галилея?

- Приведите примеры движения тел по инерции.

Причиной изменения скорости движения тела всегда является взаимодействие с другими телами. После выключения двигателя автомобиль постепенно замедляет свое движение и останавливается. Основная причина изменения скорости движения автомобиля – взаимодействие его колес с дорожным покрытием. При взаимодействии двух тел всегда изменяются скорости и первого и второго тела, то есть оба тела приобретают ускорения. Модули ускорения двух взаимодействующих тел могут быть различными, но их отношение оказывается постоянным при любых взаимодействиях:         

Постоянство отношения модулей ускорений двух взаимодействующих тел показывает, что тела обладают какими – то постоянными физическими характеристиками, от которых зависят ускорения их движений при взаимодействиях с другими телами.

Свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами, называется инертностью. Количественной мерой инертностью тела является масса тела. Чем большей массой обладает тело, тем меньшее ускорение оно получает при взаимодействии.

Поэтому в физике принято, что отношение масс взаимодействующих тел равно обратному отношению модулей ускорений                                     

 

В  инерциальных системах отсчета любое изменение скорости тела происходит под действием других тел. Описывая действия одного тела на другое, мы часто говорим о слабом и очень сильном действии. В физике для количественного выражения действия одного тела на другое вводится понятие «сила».

Сила – векторная физическая величина являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел, в результате, которого тело приобретает ускорение или изменяет форму и размер.

В системе СИ единицей силы является ньютон.     Н = кг м/с

Это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1м/с²

Но тело может взаимодействовать не с одним телом, а с несколькими, и каждое из этих тел действует независимо от другого. Другими словами, если на материальную точку действует несколько сил F ₁ + F ₂ + F ₃ +…+ равнодействующая сила является суммой всех этих сил

В этом состоит принцип суперпозиции сил, который гласит: равнодействующая сила равна векторной сумме всех одновременно действующих на тело сил.

И Ньютон не был первым ученым, понявшим, что причина движения кроется во взаимодействии тел. Еще немецкий астроном Иоганн Кеплер ввел понятие силы как причины движения тел, однако он ошибочно измерял ее скоростью движения тела. Галилей, в отличие от Кеплера, измерял силу вызванным ею ускорением, но полностью отождествил ее с весом. Но все же Ньютон сформулировал важнейший закон движения, то есть II закон Ньютона, который гласит: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение.

                   F = m∙ a

Действие тел друг на друга всегда имеют характер взаимодействия. Каждое из тел действует на другое и сообщает ему ускорение.    При любом взаимодействии двух тел массами м₁ и м₂ отношения модулей приобретаемых телами ускорений остается постоянным и равным обратному отношению масс тел:

Отсюда для произведений масс тел на модули их ускорений следует равенство:

м₁а₁ = м₂а ₂

При взаимодействии тел вектора их ускорений всегда имеют противоположные направления. С учетом этого наше предыдущее выражение примет вид:

                      F _1    =    -F₂

По второму закону Ньютона сила F₁, действующая на первое тело, равна:

                F₁     =  m₁ a₁

А сила F₂,   действующая на второе тело, равна:

               F₂  = - m₂ a₂

Отсюда получаем равенство

И доси               M₁a₁  =    -m₂ a₂                          F₁ =- F₂

Это равенство выражает третий закон Ньютона: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

 

Задание:

1. Сделайте конспект этой темы.

2. Решите задачи

  А) Тело массой 5 кг движется вертикально вверх с ускорением 2 м/с². Определить модуль и направление равнодействующей силы.

 

Б) Автомобиль массой 500 кг разгоняется с места равноускоренно и достигает скорости 20 м/с за 10 с. Равнодействующая всех сил, действующих на автомобиль, равна…

ЖЕЛАЮ  УСПЕХА!

 

Ребята!  Следующая тема «Закон всемирного тяготения» изложена в сообщении 23.10. группе 308. Найдите и выполните задание, которое там изложено.

 

 

ГРУППА  303.  ФИЗИКА. ТЕМА «РАБОТА  В ТЕРМОДИНАМИКЕ»                        

           В результате каких процессов может изменяться внутренняя энергия? Как определяется работа в механике?

Работа в механике и термодинамике.

 В механике работа определяется как произведение модуля силы, модуля перемещения точки её приложения и косинуса угла между векторами силы и перемещения.         A = F∙ S∙ cos a

При действии силы на движущееся тело работа этой силы равна изменению его кинетической энергии.        A = ∆E_к

    Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но она равна не изменению кинетической энергии тела, а изменению его внутренней энергии.

  Изменение внутренней энергии при совершении работы.

 Почему при сжатии или расширении тела меняется его внутренняя энергия? Почему, в частности, нагревается воздух при накачивании велосипедной шины? Причина изменения температуры газа в процессе его сжатия состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия

 При сжатии или расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как при этом меняется среднее расстояние между молекулами. Так, при движении навстречу молекулам газа поршень во время столкновений передаёт им часть своей механической энергии, в результате чего увеличивается внутренняя энергия газа и он нагревается. Поршень действует подобно футболисту, встречающему летящий на него мяч ударом ноги. Нога футболиста сообщает мячу скорость, значительно большую той, которой он обладал до удара.

 

И наоборот, если газ расширяется, то после столкновения с удаляющимся поршнем скорости молекул уменьшаются, в результате чего газ охлаждается. Так же действует и футболист, для того чтобы уменьшить скорость летящего мяча или остановить его, — нога футболиста движется от мяча, как бы уступая ему дорогу.

 

 Вычислим работу силы , действующей на газ со стороны внешнего тела (поршня), в зависимости от изменения объёма на примере газа в цилиндре под поршнем (рис. 13.1), при этом давление газа поддерживается постоянным. Сначала вычислим работу, которую совершает сила давления газа, действуя на поршень с силой. Если поршень поднимается медленно и равномерно, в этом случае газ расширяется изобарно. Модуль силы, действующей со стороны газа на поршень,

 равен F' = pS, где р — давление газа, а S — площадь поверхности поршня.

 

При подъёме поршня на малое расстояние Δh = h₂ – h1 работа газа равна: А' = F'Δh = pS(h₂ – h₁) = p(Sh₂ – Sh₁). (13.2) Начальный объём, занимаемый газом, V₁ = Sh₁, а конечный V₂ = Sh₂.   Поэтому можно выразить работу газа через изменение объёма ΔV = (V₂ – V₁): А' = p(V₂ – V₁) = pΔV > 0. (13.3)

 

При расширении газ совершает положительную работу, так как направление силы и направление перемещения поршня совпадают. Если газ сжимается, то формула (13.3) для работы газа остаётся справедливой. Но теперь V2 < V1, и поэтому А < 0.

Работа А, совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы А' самого газа только знаком: А = -А' = -pΔV. (13.4) При сжатии газа, когда ΔV = V₂ – V₁ < 0, работа внешней силы оказывается положительной. Так и должно быть: при сжатии газа направления силы и перемещения точки её приложения совпадают.

      Если давление не поддерживать постоянным, то при расширении газ теряет энергию и передаёт её окружающим телам: поднимающемуся поршню, воздуху и т. д. Газ при этом охлаждается. При сжатии газа, наоборот, внешние тела передают ему энергию и газ нагревается

Геометрическое истолкование работы. Работе А' газа для случая постоянного давления можно дать простое геометрическое истолкование.

 При постоянном давлении график зависимости давления газа от занимаемого им объёма — прямая, параллельная оси абсцисс (рис. 13.2).

          Очевидно, что площадь прямоугольника abdc, ограниченная графиком р = const, осью V и отрезками аb и cd, равными давлению газа, численно равна работе, определяемой формулой (13.3): А' = p₁(V₂ – V₂) = |ab| • |ас|. В общем случае давление газа не остаётся неизменным.

   Например, при изотермическом процессе оно убывает обратно пропорционально объёму (рис. 13.3).

 

          В этом случае для вычисления работы нужно разделить общее изменение объёма на малые части и вычислить элементарные (малые) работы, а потом все их сложить. Работа газа по-прежнему численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости р от V, осью V и отрезками аb и cd, длина которых численно равна давлениям p₁ р₂  в начальном и конечном состояниях газа.

 ЗАДАНИЕ:

Выполнить упражнение.

1. Внутренняя энергия идеального газа в герметично закрытом сосуде уменьшается при

        1. его охлаждении

        2. его нагревании

        3. уменьшении потенциальной энергии сосуда

        4. уменьшении кинетической энергии сосуда.

 

2. Как изменится внутренняя энергия одноатомного идеального газа при  повышении  его абсолютной температуры в 2 раза?

       1. увеличится в 4 раза                             2. Уменьшится в 2 раза

       3. увеличится в 2 раза                             4. Уменьшится в 4 раза

 

3. Объём газа, расширяющегося  при постоянном давлении 100 к Па, увеличился  на 2л. Работа, совершённая газом, в этом процессе, равна

       1. 2000 Дж;          2, 20 000 Дж            3. 200 Дж           4. 50 МДж

 

4. Какая работа была совершена при изобарном сжатии водорода, взятого в количестве 6 моль, если его температура изменилась на 50 К?

      1. 1  Дж                  2. 69,25 Дж                3. 138,5     Дж         4. 2493 Дж.