Определение индукции магнитного поля и исследование формулы Ампера

Введение
В последнее время физики вновь обратились к необходимости использования различных экспериментальных работ для более углубленного и осмысленного изучения физики. Данная экспериментальная работа не представлена в учебниках, как лабораторная, поэтому мы предлагаем ее учителям для использования в лабораторном практикуме и для более углубленного изучения теории по теме «Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера».
Целью данной работы является определение индукции магнитного поля подковообразного магнита, действие данного поля на проводник с током, а также исследование прямой пропорциональной зависимости силы Ампера от длины проводника, силы тока в цепи и индукции магнитного поля.
Главной задачей данной исследовательской работы является изготовление установки для проведения всех измерений по данной теме, а также разработка методического пособия в помощь для учителей и учащихся, которые заинтересуются углубленным изучением данной темы.
Теория по данной теме основывается на изучении учебников под редакцией Г.С. Ландсберга «Элементарный учебник физики. т. 2», Б.И. Спасского «Хрестоматия по физике 8–10», учебника «Физика 10» авторов Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева, учебник по физике Л. Эллиота, У. Уилкокса, а также статьи автора И.И. Гейнбихнера в журнале «Физика в школе».
Так как важнейшим применением силы Ампера является ее использование в электрических двигателях, то данная работа позволяет учащимся познать их принцип действия, а в будущем, возможно, подтолкнет на создание более мощных электрических приборов.

1. Магнитное поле
Движущиеся заряды образуют электрический ток. Следовательно, магнитное поле – это поле, создаваемое электрическим током. Оно осуществляет взаимодействие электрических токов.
Между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд, и наоборот.
Однако между электрическими зарядами могут существовать силы и иной природы. Их можно обнаружить с помощью следующего опыта.
Возьмем два гибких проводника, укрепим их вертикально, а затем присоединим нижними концами к полюсам источника тока. Притяжения или отталкивания проводников при этом не обнаружится. Но если другие концы проводников замкнуть проволокой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга. В случае токов одного направления проводники притягиваются
Взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.
Согласно теории близкодействия ток в одном из проводников не может непосредственно действовать на ток в другом проводнике.
Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. А поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Перечислим основные свойства магнитного поля, устанавливаемые экспериментально:
1. Магнитное поле порождается электрическим током.
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток.
Экспериментальным доказательством реальности магнитного поля, как и реальности электрического поля, является факт существования электромагнитных волн
1.1 Замкнутый контур с током в магнитном поле
Для изучения магнитного поля можно взять замкнутый контур малых размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы. Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу или сплести вместе. Тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю.
Выяснить характер действия магнитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта.
Подвесим на тонких гибких проводниках, сплетенных вместе, маленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков проволоки. На расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально расположим провод. При пропускании электрического тока через провод и рамку рамка поворачивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводе рамка повернется на 180°.
Магнитное поле создается не только электрическим токе но и постоянными магнитами. Если мы подвесим на гибких проводах рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока плоскость ее не установится перпендикулярно к линии, соединяющей полюсы магнита. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с ток ориентирующее действие.
1.2 Вектор магнитной индукции
Величина, характеризующая магнитное поле количественно называется вектором магнитной индукции и обозначают
Ориентирующее действие магнитного поля на магнитную стрелку или рамку с током можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции.
За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током. рис. 4
Положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик, если вращать его по направлению тока в рамке.
Располагая рамкой с током или магнитной стрелкой, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля.
В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности. Плоскость окружности перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода. Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

1.3 Линии магнитной индукции
Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор  в данной точке поля.
Для прямолинейного проводника с током линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.
Для катушки с током картина линий магнитной индукции, построенная с помощью магнитных стрелок или малых контуров с током, показана на рис. 6. Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри! соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны.
Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками.
В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Наличие большого количестве таких стрелок позволяет в большее числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно более точно выяснить расположение линий магнитной индукции.
Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле – вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим в природе нет.

2. Сила Ампера
Магнитное поле действует на все участки проводника с током. Зная силу, действующую на каждый малый участок проводника, можно вычислить силу, действующую на весь замкнутый проводник в целом. Закон, определяющий силу, действующую на отдельный участок проводника, был установлен в 1820 г. А. Ампером. Так как создать обособленный элемент тока нельзя, то Ампер проводил опыты с замкнутыми проводниками. Меняя форму проводников и их расположение, Ампер сумел установить выражение для силы, действующей на отдельный элемент тока.
2.1 Биография и научная деятельность Андре Мари Ампера
Андре Мари Ампер – французский физик и математик. Ампер родился в г. Лионе. Его отец, хорошо образованный человек, был коммерсантом и впоследствии Королевским прокуром г. Лиона.
В раннем возрасте у Ампера проявились любовь к чтению, математические способности, стремление к разносторонним знаниям. Под руководством отца он получил так называемое домашнее образование. Юный Ампер самостоятельно изучал книги по математике, сочинения, по ботанике, занимался физикой. Он рано проникся любовью к естественным наукам и философии. Важнейшим источником знаний для него была «Энциклопедия», издававшаяся под редакцией знаменитых французских просветителей Д. Дидро и Ж. Даламбера. Амперу было 14 лет, когда он уже прочитал все 20 томов «Энциклопедии».
Трудовую деятельность Ампер начал в качестве домашнего учителя: он стал давать частные уроки математики, физики, химии. Уроки Ампера имели успех. В 1801 г. он был принят на должность учителя физики и химии в Центральную школу в Бурк-ан-Брес. Первые труды Ампера по математике получают высокую оценку Даламбера и Лапласа – известных французских ученых того времени. В 1805 г. Ампер занимает место преподавателя математики в одном из лучших учебных заведений Франции – Политехнической школе в Париже. В 1814 г. Ампера избирают членом Парижской академии наук. В 1824 г. после 20 лет работы в Политехнической школе Ампер занимает должность профессора физики Нормальной школы в Париже.
Научные работы Ампера до 1820 г. относятся преимущественно к математике и химии. Известие об опытах Эрстеда чрезвычайно заинтересовало Ампера. Оно натолкнуло его на мысль о том, что магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию электрических токов. 18 сентября 1820 г. он выступил на заседании Парижской академии наук с первым и 25 сентября – со вторым докладами о результатах проведенных им исследований электромагнитных явлений.
В протоколе Академии наук о заседании 25 сентября записано: «Я придал большое развитие этой теории и известил о новом факте притяжения и отталкивания двух электрических токов без участия какого-либо магнита, а также о факте, который я наблюдал со спиралеобразными проводниками. Я повторил эти опыты во время этого заседания». Таким образом, Ампер открыл механическое взаимодействие токов. Далее он ставит перед собой задачу – установить закон, которому подчиняется это явление. Эта нелегкая задача была им решена.
На основании гипотезы о существовании молекулярных токов Ампер построил первую теорию магнетизма.
Преподавательская работа требовала от Ампера большой затраты времени. Ампер в одном из своих писем сообщал: «Я принужден бодрствовать глубокой ночью… Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я тем не менее не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах. Я располагаю считанными минутами». Несмотря на такую загруженность, Ампер подготовил и издал в 1826 г. свой основной труд – «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».
2.2 Модуль вектора магнитной индукции
Свободно подвешенный горизонтально проводник находится в поле постоянного подковообразного магнита. Поле магнита сосредоточено в основном между его полюсами, поэтому магнитная сила действует практически только на часть проводника длиной , расположенную непосредственно между полюсами. Сила измеряется с помощью специальных весов, связанных с проводником двумя стерженьками. Она направлена горизонтально перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции.
Увеличивая силу тока в 2 раза, можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличивается в 2 раза. Прибавив еще один магнит, в 2 раза увеличив размеры области, где существует магнитное поле, и тем самым в 2 раза увеличив длину части проводника, на которую действует магнитное поле. Сила при этом также увеличивается в 2 раза. И наконец, сила Ампера зависит от угла, образованного вектором В с проводником. В этом можно убедиться, меняя наклон подставки, на которой находятся магниты, так, чтобы изменялся угол между проводником и линиями магнитной индукции. Сила достигает максимального значения F_т, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику.
Следовательно, максимальная сила, действующая на участок проводника длиной , по которому идет ток, прямо пропорциональна произведению силы тока I на длину участка : ~ .
Модулем вектора магнитной индукции назовем отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка:

Магнитное поле полностью характеризуется вектором магнитной индукции В. В каждой точке магнитного поля могут быть определены направление вектора магнитной индукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на участок проводника с током.
2.3 Модуль силы Ампера
Пусть вектор магнитной индукции В составляет угол  с направлением отрезка проводника с током. Опыт показывает, что магнитное поле, вектор индукции которого направлен вдоль проводника с током, не оказывает никакого действия на ток. Поэтому модуль силы зависит лишь от модуля составляющей вектора В, перпендикулярной проводнику, т.е. от , и не зависит от параллельной составляющей вектора В, направленной вдоль проводника.
Максимальная сила Ампера равна:

ей соответствует . При произвольном значении угла сила пропорциональна не , а составляющей . Поэтому выражение для модуля силы F, действующей на малый отрезок проводника , по которому течет ток I, со стороны магнитного поля с индукцией , составляющей с элементом тока угол , имеет вид:

Это выражение называют законом Ампера.
Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.
2.4 Направление силы Ампера
В рассмотренном выше опыте вектор  перпендикулярен элементу тока и вектору . Его направление определяется правилом левой руки:
если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника
За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила F_m=1 Н.
Единица магнитной индукции получила название тесла в честь югославского ученого-электротехника Н. Тесла.
Опираясь на измерение силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, можно определить модуль вектора магнитной индукции.

3. Экспериментальное определение индукции магнитного поля и исследование силы Ампера
Опытный закон Ампера устанавливает зависимость величины силы, действующей на прямолинейный участок проводника с током, помещенный в магнитное поле, от основной характеристики магнитного поля – вектора индукции магнитного поля :

где l – длина активной части прямолинейного участка проводника, по которому протекает ток силой I, В-численное значение вектора индукции магнитного поля в месте расположения проводника, – угол между направлением оси проводника и направлением вектора ,
Если проводник расположить так, чтобы = 90°, то

Таким образом, измерив действующую силу в ньютонах, величину тока в амперах и длину активной части проводника в метрах, легко определить величину индукции магнитного поля.
В данной экспериментальной работе необходимо определить индукцию магнитного поля В между полюсами различных подковообразных магнитов, а также экспериментально проверить прямую пропорциональную зависимость силы F от величины тока, длины активной части проводника и индукции магнитного поля:
Оставляя поочередно две величины, входящие в формулу, постоянными, можно установить зависимость силы, с которой магнитное поле действует на проводник с током, от третьей величины. Поскольку в формулу входят три величины, от которых зависит величина силы, то и нужно провести три серии измерений.
3.1. Описание и принцип действия установки
Для работ используется следующее оборудование: электродинамическая рамка, штатив с принадлежностями, лабораторные весы с разновесками, лабораторные амперметр и реостат, источник постоянного напряжения на 4–6 В, два или три подковообразных магнита.
Собирают установку как показано на рисунке 13, а также на фотографиях в приложении №1 и уравновешивают весы. Самодельную рамку с отводами включают в цепь по схеме рисунка 14. Магнит для устойчивости устанавливают либо на немагнитной коробке, соответствующего размера, либо на специальной подставке из дерева. Все применяемые в работах магниты целесообразно предварительно перенумеровать несмываемой краской.
На проводник с током, помещенный в магнитное постоянного подковообразного магнита поле действует сила Ампера. Следовательно, замыкая электрическую цепь, равновесие весов нарушается за счет действия силы Ампера со стороны магнитного поля.
Уравновешивая весы с помощью разновесов, можно определить значение силы тяжести, а следовательно и силы Ампера.

Зная длину активной части проводника, силу тока в цепи, можно вычислить индукцию магнитного поля данного подковообразного магнита.


При изменении силы тока, а также длины проводника, сила Ампера также будет изменяться. Эти свойства и использовались в ходе данной исследовательской работы.
3.2 Этапы и результаты проведения работы
Для измерений были взяты 3 магнита: два одинаковой длины в поперечнике и один в два раза уже.
Выполняют серии измерений с магнитом №1 при включении рамки на 15 витков. Указанные измерения проводят для различных токов: 0,18А,
0,2 А, 0,3 А, 0,4 А и 0,5 А. Такие же измерения выполняют с магнитом №2 и №3.
Затем измерения проводят с двумя магнитами №2 и №3, а также с магнитами №1 и №2, скрепленными между собой одинаковыми полюсами.
Все результаты заносим в таблицу.
Для каждого случая измерений вычисляем значение силы Ампера, а также индукции магнитного поля каждого подковообразного магнита с вычислением значений абсолютной и относительной погрешности.
По данным результатам строим графики зависимости силы Ампера от силы приложенного тока и от длины проводника. По полученным графикам убеждаемся в прямой зависимости данных величин и в выполнении закона Ампера.
В приложении №6 представлена разработка лабораторной работы по данной теме.

Заключение
В результате изучения и исследования данной темы можно сделать вывод о том, что цели и задачи, поставленные в начале данной работы выполнены.
Главной задачей данной исследовательской работы явилось изготовление установки для проведения всех измерений по данной теме. Особых трудностей это не представляет, так как оборудование для изготовления описанной установки есть в любом кабинете физики.
Целью данной работы являлось определение индукции магнитного поля подковообразного магнита, действие данного поля на проводник с током, а также исследование прямой пропорциональной зависимости силы Ампера от длины проводника, силы тока в цепи и индукции магнитного поля.
Для всех трех магнитов, а также для их комбинаций была определена индукция магнитного поля. В результате проведенных вычислений оказалось, что все магниты имеют одинаковую магнитную индукцию, поэтому исследовать зависимость силы Ампера от индукции магнитного тока не удалось.
Однако прямая зависимость силы Ампера от длины проводника и силы тока четко просматривается и представляется на графиках.
Также была разработана лабораторная работа по данной теме, которую учителя могут предложить учащимся на лабораторном практикуме для более углубленного изучения темы «Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера»

Список литературы
1.  Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика 10. М.: Просвещение, 1998.
2.  Л. Эллиот, У. Уилкокс. Физика. М.: Наука, 1975.
3.  Хрестоматия по физике 8–10. под редакцией Б.И. Спасского. М.: Просвещение, 1987.
4.  Элементарный учебник физики. т. 2. под редакцией Г.С. Ландсберга. М.: Наука, 1972.
5.  И.И. Гейнбихнер.: Определение индукции магнитного поля. – «Физика в школе», 1972, №1.