44. Магнитное поле катушки с током

Определения и обозначения

Катушка с током — проводник, намотанный витками, по которому проходит электрический ток. В одиночном прямом проводнике ток идёт по одной линии, а в катушке провод многократно огибает её ось. Это нужно учитывать, потому что поля витков могут складываться и создавать заметное общее поле.

Магнитное поле катушки — поле, которое создаёт ток в её витках. Его изображают магнитными линиями: они показывают направление поля, а по их густоте судят о его относительной силе. Такое изображение помогает сравнивать поле внутри катушки и вокруг неё.

Полюса катушки — участки у её концов, соответствующие северному и южному полюсам магнита. Их различают по направлению магнитного поля: снаружи линии выходят из северного полюса и входят в южный. Это позволяет описывать, как катушка взаимодействует с магнитами.

Правило правой руки — способ определить направление поля и полюса катушки по направлению тока в витках. Если обхватить катушку правой рукой по току, большой палец укажет на северный полюс. Правило связывает направление тока с направлением общего поля.

Как это устроено

Каждый виток с током создаёт магнитное поле, подобно отдельному проводнику с током. Внутри катушки направления полей соседних витков совпадают, поэтому они усиливают друг друга. Снаружи поле каждого витка тоже присутствует, но линии образуют общую картину, похожую на поле стержневого магнита. Поэтому у катушки можно выделить два полюса.

Внутри катушки магнитные линии направлены вдоль её оси, то есть вдоль воображаемой линии, проходящей через середину катушки. Там линии расположены гуще, чем снаружи, что показывает более сильное поле в этой области. Линии не обрываются у концов: снаружи они возвращаются от одного полюса к другому и образуют замкнутые линии. По стрелкам на линиях можно определить направление поля в любой точке.

Полюса находят по направлению тока, применяя правило правой руки. Представь, что правая рука обхватила катушку: согнутые пальцы должны идти в том же направлении, что и ток в витках. Тогда большой палец показывает, где находится северный полюс, а противоположный конец будет южным. Если поменять направление тока, пальцы придётся направить наоборот, поэтому полюса поменяются местами.

При увеличении силы тока поле каждого витка становится сильнее. Так как общее поле складывается из полей всех витков, усиливается и поле катушки в целом. Если увеличить число витков, в одном и том же участке окажется больше источников магнитного поля, действующих согласованно. Поэтому при прочих равных условиях большее число витков также усиливает магнитное действие.

Железный сердечник — кусок железа, помещённый внутрь катушки. В поле катушки железо намагничивается, а его собственное магнитное действие усиливает общее поле. Катушка с сердечником и током называется электромагнитом: её магнитное действие связано с током, поэтому его можно включать и выключать вместе с цепью. Направление поля при этом по-прежнему задаётся направлением тока.

Сходство магнитного поля катушки и постоянного магнита

Таблица помогает увидеть, что внешнее поле катушки напоминает поле постоянного магнита, хотя катушка создаёт его током. Чтобы определить направление линий, сначала установи, где находятся полюса. Помни, что у катушки полюса можно поменять, изменив направление тока.

Разбор задач

Задача 1. По схеме катушки видно направление тока в витках. Требуется определить, где находится северный полюс. На схеме наблюдатель смотрит на один из концов катушки, поэтому важно правильно учесть направление тока относительно этого конца.

1. Найди на схеме направление тока в каждом видимом участке витков.
2. Мысленно обхвати катушку правой рукой так, чтобы пальцы были направлены по току.
3. Посмотри, куда направлен большой палец: он показывает северный конец катушки.

Ответ. Северный полюс находится со стороны, куда указывает большой палец правой руки. Если видимый ток на ближней стороне витка идёт против часовой стрелки при взгляде с конца катушки, этот конец будет северным. При взгляде с противоположного конца направление на схеме выглядит обратным, поэтому важно не менять точку наблюдения.

Задача 2. Две катушки имеют одинаковое число витков, но сила тока в первой больше, чем во второй. Нужно сравнить их магнитное действие. Считаем, что размеры катушек и остальные условия одинаковы.

1. Сравни число витков: оно одинаково, значит, этот фактор не даёт преимущества ни одной катушке.
2. Сравни силу тока: в первой катушке ток больше.
3. Увеличение тока усиливает поле каждого витка, а значит, усиливает и общее поле первой катушки.

Ответ. Магнитное поле первой катушки сильнее. Причина — большая сила тока при одинаковом числе витков. Если бы токи были одинаковыми, по этому условию поля катушек следовало бы считать одинаковыми.

Задача 3. Нужно усилить магнитное действие катушки, но увеличить силу тока нельзя. Предложи способы, которые не требуют повышения тока, и объясни их. Рассматривай катушки одинакового размера и сравнивай их при прочих равных условиях.

1. Увеличь число витков: поля большего числа витков будут складываться и усиливать общее поле.
2. Помести внутрь катушки железный сердечник: он намагнитится и усилит магнитное действие.
3. Если возможно применить оба способа, используй больше витков и сердечник, не меняя силу тока.

Ответ. Магнитное действие можно усилить, увеличив число витков, добавив железный сердечник или применив оба способа. Это подходит при ограниченной силе тока, потому что не требует её увеличения. Направление поля при этом определяется направлением тока, а не наличием сердечника.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что поле есть только внутри катушки. Так думают, потому что внутри линии расположены гуще и поле заметнее. Проверь себя: магнитные линии образуют замкнутые контуры, поэтому поле есть и снаружи катушки.

Ошибка — принимать направление тока в витках за направление магнитного поля. Ток идёт вдоль провода, а поле задаётся магнитными линиями и направлено иначе. Чтобы проверить себя, отдельно проследи путь тока, а затем примени правило правой руки для определения поля.

Ошибка — называть полюс по направлению тока, не учитывая, с какого конца рассматривается катушка. При взгляде с противоположного конца видимое направление тока вокруг витков меняется, и вывод может оказаться неверным. Укажи точку наблюдения и используй правило правой руки, а не только вид «по часовой стрелке» или «против часовой стрелки».

Ошибка — думать, что железный сердечник меняет направление поля. Его роль — усилить магнитное действие, тогда как направление задаёт ток в витках. Проверь вывод: если направление тока не менялось, сердечник сам по себе не переставляет северный и южный полюса.

Связь с другими темами

Для изучения катушки нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле и что поле изображают магнитными линиями. Правило правой руки помогает связать направление тока с направлением этого поля. Эти знания пригодятся при изучении электромагнитов и действия магнитного поля на проводник с током. Катушки также используются в электрических устройствах, где магнитное действие помогает управлять движением или работой деталей.

Что запомнить

• Катушка с током создаёт магнитное поле, похожее на поле постоянного магнита.
• У катушки есть северный и южный полюса.
• Полюса катушки определяют правилом правой руки.
• Магнитные линии внутри катушки направлены вдоль её оси.
• Увеличение силы тока усиливает магнитное поле катушки.
• Чем больше витков, тем сильнее магнитное действие при прочих равных условиях.
• Железный сердечник усиливает поле катушки.