Как исследовать магнитное поле катушки с током

Путаница часто возникает из-за слова «катушка». Это не постоянный магнит с навсегда закреплёнными полюсами. Когда по обмотке течёт ток, витки создают магнитное поле; когда ток выключен, поле самого тока исчезает. Если внутри есть железный сердечник, он может временно усиливать эффект, а в некоторых материалах остаётся намагниченность. Поэтому для чистого сравнения отмечайте, была ли катушка пустой, со сердечником и как долго он находился в цепи.

Что именно проверяет школьный опыт

Задача может состоять в обнаружении поля, определении его направления или сравнении воздействия на стрелку при разных условиях. Не пытайтесь одним измерением ответить сразу на все вопросы. Компас показывает направление суммарного магнитного поля в месте, где стоит: поля катушки вместе с земным полем и полями рядом стоящих предметов. Поэтому сначала фиксируют положение стрелки без тока, а потом сравнивают его с положением при включении.

Катушка, по которой идёт ток, во внешней области ведёт себя похоже на стержневой магнит: у неё можно условно определить северный и южный концы по направлению поля. Внутри достаточно длинной катушки поле направлено вдоль её оси, а линии поля замкнуты через внешнее пространство. На школьном рисунке эти линии показывают направление, а не настоящие нити в воздухе. Более плотное изображение линий условно обозначает более сильное поле, но подсчёт линий карандашом не даст числовую индукцию.

Если компас располагают возле конца катушки, заранее отметьте его точное место. При перемещении компаса изменение отклонения может быть связано и с полем, и с положением прибора. Чтобы сравнить два состояния цепи, держите положение стрелки одинаковым. Уберите подальше другие магниты, металлические предметы и работающие электрические приборы, если это возможно в классе.

Оборудование и правила обращения с цепью

Учитель выдаёт катушку, низковольтный источник, выключатель, провода и компас или магнитную стрелку. В некоторых работах есть амперметр, реостат или съёмный сердечник. Не подключайте катушку напрямую к бытовой сети. Обмотка имеет сопротивление и может нагреваться при длительном токе; время включения и допустимый ток задаёт учитель. Если провод или катушка быстро нагреваются, появляется запах или нестабильный контакт, цепь размыкают и сообщают учителю.

До включения нарисуйте схему и обозначьте полюса источника. По условному направлению тока он идёт от положительного полюса источника через внешнюю цепь к отрицательному. Проследите путь по виткам, чтобы позже применить правило правой руки. Не перепутайте направление тока с направлением движения электронов: для школьного правила используют именно условное направление тока.

Проверьте, свободно ли поворачивается стрелка компаса. Поставьте компас возле обозначенного конца катушки и запишите исходное направление. Замкните цепь на короткое время, дождитесь установления стрелки и запишите, куда она повернулась. Разомкните цепь и убедитесь, что положение вновь приблизилось к исходному. Такой контроль позволяет отличить действие тока от случайного смещения компаса.

Как менять условия по одному

Для проверки направления тока поменяйте подключение катушки к источнику только после размыкания цепи и по разрешению учителя. Оставьте компас в прежнем месте. Если ток пошёл через витки в обратном направлении, направление магнитного поля катушки тоже изменится, поэтому при достаточно заметном воздействии компас повернётся иначе. Если изменение едва видно, это не опровергает правило: поле катушки могло быть слишком слабым по сравнению с земным или компас стоял неудачно.

Для сравнения силы тока используйте амперметр и способ регулирования, предусмотренный установкой. При прочих равных больший ток обычно усиливает магнитное действие катушки. Однако угол поворота стрелки не обязан быть прямо пропорционален току: компас реагирует на суммарное поле и геометрию установки. Поэтому можно сравнить «отклонение стало заметнее», но для количественного вывода о магнитной индукции нужны другие приборы и методика.

Для проверки сердечника сначала получите наблюдение без него, затем вставьте разрешённый железный сердечник при разомкнутой цепи и повторите при той же силе тока и том же положении компаса. Если действие стало заметнее, это согласуется с усилением поля. Не делайте вывод «сердечник увеличил ток», если амперметр этого не показал: в цепи могли измениться другие условия, а причина усиления поля связана с магнитными свойствами материала. По завершении опыта выключите ток и зафиксируйте, сохранилось ли заметное действие сердечника.

Таблица наблюдений

В таблице разделите то, что задано, от того, что увидели. Если амперметра нет, не пишите выдуманную силу тока в амперах. Если есть компас, обозначьте расположение стрелки словами или небольшим рисунком относительно оси катушки.

Это план, а не готовые результаты. У катушки с другим числом витков, при иной ориентации относительно Земли и другом положении компаса стрелка может повернуться на другой угол или в другом визуальном направлении. Значение имеет сопоставление состояний одной установки. Если стрелка не сдвинулась, запишите это и обсудите, что можно проверить: замкнута ли цепь, проходит ли ток, достаточно ли близко расположен компас.

Как определить полюса катушки

Правило правой руки помогает связать направление тока с полем: обхватите воображаемую катушку правой рукой так, чтобы согнутые пальцы шли вдоль условного направления тока по виткам. Отставленный большой палец покажет направление магнитного поля внутри катушки и укажет на её северный конец в обычной школьной модели. Для уверенности сначала нанесите стрелки на видимых участках обмотки, а потом применяйте правило. Если невозможно понять, с какой стороны провода входят в витки на рисунке, не угадывайте полюса.

При перемене полярности источника направление тока меняется, и большой палец укажет на противоположный конец. Это согласуется с наблюдением компаса, если его положение не меняли. Полюса не следует подписывать по принципу «справа всегда север»: ориентация зависит от намотки и направления тока. У двух катушек с одинаковыми концами проводов, но противоположным направлением намотки полюса при одном подключении будут различаться.

Железные опилки, если они используются на уроке, показывают приблизительный рисунок области действия поля. Они не заменяют стрелки направления, потому что сами по себе располагаются вдоль линий, но не указывают, куда направлен вектор поля. Для определения направления нужен компас или исходные данные о токе и намотке. Не рассыпайте опилки возле электроники и не проводите этот опыт без оборудования и инструкции учителя.

Почему наблюдения могут различаться

Компасы могут иметь разную чувствительность, а столы — металлические детали. Земное поле действует даже без катушки. Если катушка ориентирована неудачно относительно исходного направления стрелки, добавление её поля может изменить в основном величину суммарного поля, но дать небольшое видимое отклонение. Это не означает отсутствия поля. Попробуйте разрешённое учителем другое положение компаса и повторите контроль без тока.

При повышенном токе обмотка нагревается, её сопротивление может меняться. Ненадёжные контакты дают скачки показаний. Если сравниваете работу со сердечником и без него, одинаковыми должны оставаться сила тока и положение компаса; иначе нельзя приписать эффект только сердечнику. Следите за подписью «до» и «после» на рисунке: нередко ученик рисует две стрелки, но не указывает, какая соответствует замкнутой цепи.

Нельзя из угла отклонения без калибровки и учёта земного поля вычислить магнитную индукцию в теслах. Школьный опыт даёт качественную картину: поле есть, его направление зависит от направления тока, а действие может усиливаться при определённых изменениях установки. Если задание требует чисел, пользуйтесь конкретной методикой и прибором, а не переводите градусы поворота компаса в тесла произвольно.

Вывод по своему опыту

Пример осторожного вывода: «После замыкания цепи стрелка компаса возле конца катушки отклонилась от исходного направления. При изменении направления тока характер отклонения изменился. Это согласуется с тем, что ток в катушке создаёт магнитное поле, а его направление зависит от направления тока». Если вы не меняли направление тока, вторую часть писать нельзя. Если использовали сердечник, дополните вывод только тем, что реально сравнили при одинаковом токе.

Перед сдачей проверьте, нарисованы ли источник, катушка, выключатель и положение компаса, указано ли условное направление тока, сохранён ли контроль при разомкнутой цепи. Слова «поле стало сильнее» сопроводите тем наблюдением, по которому вы это заключили, и не называйте угол поворота измерением индукции. Другие школьные опыты по электричеству собраны в навигаторе физики 8 класса. Правило правой руки и форму поля катушки можно сверить по OpenStax.