Изучение магнитного поля тока

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 13 г. Сочи

Изучение магнитного поля тока

Автор:

ученик 8Б класса МОБУ СОШ № 13 г. Сочи

Руководитель:

учитель физики МОБУ СОШ № 13 г. Сочи

г. Сочи, 2012

Содержание

Введение	с. 3
Глава 1. Теоретические основы магнитных свойств электрического тока	с. 5
1.1 Понятие магнитного поля	с. 5
1.2 Индукция и напряжённость магнитного поля	с. 7
1.3 Электромагниты и их применение 1.4 Способы защиты от электромагнитного излучения, испускаемого проводниками с током	с. 12 с. 14
Глава 2. Экспериментальное изучение магнитного поля тока	с. 24
2.1 Методика проведения исследования	с. 24
2.2 Результаты исследования и их обсуждение	с. 30
Заключение	с. 34
Литература	с. 36

Введение

«Скажи мне – и я забуду

Покажи мне – и я запомню,

Дай мне сделать – и я пойму».

Конфуций

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с электрическими и магнитными явлениями. Например, когда пользуемся компьютерами, телефонами, бытовыми электрическими и электроизмерительными приборами.

Возникает проблема, как выглядит магнитное поле тока, и какие факторы влияют на его величину?

Недостаточность знаний по этому вопросу и желание понять связь между током и его магнитным полем обусловили выбор темы исследования «Изучение магнитного поля тока».

Объектом исследования является процесс протекания тока в проводнике.

В качестве предмета исследования выступает магнитное поле тока.

Целью исследования является

- наблюдение действия магнитного поля тока на магнитную стрелку;

- получение магнитных спектров прямого тока, витка с током, соленоида, укреплённых на горизонтальных подставках;

- определение факторов, влияющих на силу притяжения электромагнита;

- наблюдение действия магнитного поля дугообразного магнита на ток.

Гипотеза исследования: магнитное поле тока сильнее в том случае, когда сила тока и число витков провода больше.

Для достижения этой цели нами решались следующие задачи:

- подбор литературы по проблеме;

- изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;

- проведение эксперимента по изучению магнитного поля тока;

- обработка и анализ полученных материалов.

В ходе работы мы использовали следующие методы:

- Теоретические (изучение, анализ, обобщение литературы).

- Эмпирические (наблюдения, беседы, измерения).

- Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Новизной работы является постановка простейших опытов, позволяющих определить факторы, влияющие на силу притяжения электромагнита.

Практическая значимость работы состоит в том, что использование поставленных опытов на уроках физики, позволит рассмотреть вопрос о магнитном поле тока более наглядно.

Структура работы: работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и содержит 5 таблиц, 43 рисунка.

Глава 1. Теоретические основы магнитных свойств электрического тока

1.1 Понятие магнитного поля

Магнитное поле – вид материи, посредством которого взаимодействуют между собой движущиеся электрические заряды [7]. Оно является составной частью электромагнитного поля.

Магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами и переменными электрическими полями и действует только на движущиеся электрические заряды. Неподвижные заряды магнитного поля не создают и не испытывают силового воздействия со стороны магнитного поля. На намагниченные тела магнитное поле действует независимо от того, неподвижны эти тела или же они движутся [15].

Магнитное поле, созданное постоянным электрическим током, то есть поле, характеристики которого с течением времени не изменяются, называется постоянным (стационарным).

Впервые магнитные свойства тока были обнаружены датским физиком Гансом Христианом Эрстедом (рис. 1) в 1820 году [9].

( г. г)

Рис. 1

Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная над (или под) проводником с электрическим током (рис. 2), при замыкании цепи поворачивается и располагается перпендикулярно проводнику. Этот опыт свидетельствует о том, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку магнитной силой [9].

Опыт Эрстеда, опыты Ампера и других исследователей показывают, что магнитное поле возникает вокруг любых движущихся зарядов. Следовательно, любое проявление магнетизма есть электромагнетизм.

Схема опыта Эрстеда

Рис. 2

Исследовать свойства магнитного поля можно с помощью маленькой магнитной стрелки или маленькой проводящей рамки (контура) с током. На магнитную стрелку и рамку с током магнитное поле тока будет оказывать ориентирующее действие, создавая вращательный момент относительно их осей симметрии.

При пропускании проводника с током через отверстие в картоне, на котором помещено несколько магнитных стрелок, стрелки располагаются вдоль магнитных линий, образуя концентрическую окружность, центром которой является проводник (рис. 3).

Магнитное поле прямого тока

Рис. 3

Как и в случае постоянных магнитов, за направление магнитных линий выбирается направление, указываемое северным полюсом магнитной стрелки.

Оказывая ориентирующее действие на магнитную стрелку и рамку с током, магнитное поле вынуждает их устанавливаться в определённом направлении, поэтому магнитное поле характеризуется магнитной индукцией – векторной величиной, направление которой связано с ориентацией в этом поле магнитной стрелки или контура с током [9].

1. 2. Индукция и напряжённость магнитного поля

Магнитная индукция (В) – векторная величина, характеризующая магнитное поле в данной среде [1].

За направление магнитной индукции в данной точке магнитного поля принимается направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, установившейся в данной точке магнитного поля [2].

Опыт показывает, что максимальный вращающий момент Мmax сил, действующих на контур с током в магнитном поле, не зависит от формы этого контура, но пропорционален площади контура S и силе тока I в нём. Поэтому отношение максимального вращательного момента к силе тока и площади контура не зависит от параметров контура, и характеризует магнитное поле в данной точке пространства и может быть принято за модуль магнитной индукции В, то есть В = Мmax/ (I∙S).

Однородным магнитным полем называется такое поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции имеет одинаковые модуль и направление [3].

Единица измерения магнитной индукции в СИ – Тесла (Тл) – это индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2 с током 1 А действует вращающий момент, равный 1 Н∙м.

Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции. Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением магнитной индукции в этой точке [2].

Магнитные силовые линии, пронизывающие какую-либо площадку, называются магнитным потоком (Ф) через эту площадку. Единица измерения магнитного потока в СИ – вебер – это магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через плоскую поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Следовательно, магнитный поток через данную площадку будет больше в том случае, когда число силовых линий проходящих через неё больше [8].

Линии магнитной индукции прямолинейного проводника представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике с током. Направление магнитных силовых линий зависит от направления тока в проводнике [14]. Направление магнитной индукции определяется правилом буравчика (правого винта): если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика совпадает с направлением магнитных силовых линий (рис. 4).

Определение направления магнитных силовых линий прямолинейного проводника с током по правилу буравчика

Рис. 4

Направление магнитной индукции витка с током также зависит от направления тока в витке и определяется следующим образом: если вращать ручку буравчика по направлению кругового тока, то направление ввинчивания буравчика покажет направление вектора магнитной индукции поля, созданного этим током (рис. 5).

Определение направления магнитных силовых линий кругового витка с током по правилу буравчика

Рис. 5

По всем виткам цилиндрической проволочной спирали электрический ток проходит в одном и том же направлении (рис. 6). Это равносильно помещению ряда кольцевых проводников на одну общую ось. Проводник, имеющий форму цилиндрической спирали, называется соленоидом или катушкой [8].

Направление линий магнитного поля соленоида определяется по правилу правой руки: если обхватить соленоид, ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида [10].

Определение направления магнитных силовых линий соленоида по правилу правой руки

Рис. 6

По правилу правой руки следует, что магнитные силовые линии, создаваемые всеми витками катушки, имеют внутри неё одинаковое направление. Значит, внутри катушки более сильное магнитное поле, чем внутри одного витка. Между соседними витками катушки магнитные силовые линии направлены навстречу друг другу, и поэтому магнитное поле в этих местах очень ослаблено. Снаружи катушки направление всех магнитных силовых линий одинаково [4].

Магнитное поле катушки сильнее в том случае, когда сила тока, проходящего по ее виткам больше, и витки ближе расположены друг к другу. Из двух катушек с одинаковым током и одинаковым числом витков более сильное поле имеет катушка, у которой витки расположены ближе друг к другу, то есть катушка, имеющая меньшую осевую длину.

Произведение силы тока в амперах на число витков, носит название ампервитков и характеризует магнитное действие электрического тока, то есть магнитодвижущую силу. Таким образом, магнитное поле катушки тем сильнее, чем больше ампервитков приходится на единицу её осевой длины.

Магнитная индукция зависит от среды, в которой существует магнитное поле. Следовательно, магнитная индукция характеризует магнитное поле с учётом намагничения данной среды.

При помещении в катушку железного стержня (сердечника) её магнитный поток увеличивается во много раз, так как железо имеет кристаллическое строение. Отдельные кристаллы железа, вследствие того, что внутри их происходит круговое движение электронов (то есть существуют электрические токи), обладают свойствами маленьких магнитиков. В обычном состоянии эти молекулярные магнитики расположены беспорядочно (рис. 7). Магнитные поля их взаимно нейтрализуются, и поэтому кусок железа в целом не проявляет магнитных свойств [2]. Отдельные молекулярные кристаллики изображены в виде маленьких магнитиков.

Беспорядочное расположение молекулярных кристалликов железа в обычном состоянии

Рис. 7

При помещении железа в магнитное поле молекулярные магнитики подобно магнитной стрелке компаса поворачиваются на некоторый угол и устанавливаются вдоль силовых линий магнитного поля. Чем сильное магнитное поле, тем большее число молекулярных магнитиков поворачивается и тем однороднее становится их расположение. Поля одинаково ориентированных магнитов не нейтрализуют уже друг друга, а наоборот, складываются, создавая дополнительные силовые линии.

Магнитный поток, создаваемый элементарными магнитиками железа, во много раз больше основного магнитного потока, создаваемого катушкой; поэтому магнитный поток катушки при помещении в нее железного сердечника увеличивается во много раз [2].

Если постепенно увеличивать ток, протекающий по виткам катушки, то магнитный поток в железном сердечнике будет увеличиваться до тех пор, пока все молекулярные магнитики не повернутся точно по направлению силовых линий магнитного поля (рис. 8). После этого возрастание магнитного потока за счет железа прекратится. Это состояние железного сердечника называется магнитным насыщением [4].

Расположение молекулярных кристалликов железа вдоль магнитных силовых линий магнитного поля

Рис. 8

Способностью увеличивать магнитный поток катушки обладают кроме железа и другие металлы (кобальт и никель), но у них эта способность выражена значительно слабее, чем у железа.

Очень сильными магнитными свойствами обладают также некоторые специальные сплавы. В радиотехнике эти сплавы применяются для изготовления постоянных магнитов для динамиков и магнетронов.

Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается магнитная индукция соленоида при введении в него сердечника из какого-нибудь материала, называется магнитной проницаемостью данного материала и обозначается буквой µ. = В/В0, где В – магнитная индукция поля в данной среде; В0 – магнитная индукция поля в вакууме. Магнитная проницаемость некоторых сортов железа и специальных сплавов достигает нескольких сотен тысяч. Для большинства же материалов она близка к единице [2].

После прекращения тока в катушке сердечник, если он сделан из мягкого железа, теряет свои магнитные свойства, потому что молекулярные магнитики снова располагаются беспорядочно. Если же сердечник стальной, то он сохраняет приобретенные магнитные свойства и после прекращения действия на него магнитного поля катушки. Это объясняется тем, что в стали молекулярные магнитики сохраняют свое упорядоченное расположение и после прекращения тока в катушке.

Катушка с железным сердечником называется электромагнитом, так как её магнитные свойства обусловлены электрическим током.

Физическая величина, характеризующая магнитное поле без учёта намагничения среды, в которой это поле существует, называется напряженностью магнитного поля (Н). Напряженность магнитного поля определяется по формуле: Н = В/μ, где В – индукция магнитного поля в веществе; μ – магнитная проницаемость вещества. По направлению вектор магнитной напряжённости совпадает с направлением вектора магнитной индукции в каждой точке магнитного поля.

За единицу магнитной напряжённости в СИ, называемую ампер на метр (А/м), принята напряжённость магнитного поля, создаваемого постоянным током 1А, текущим по бесконечно длинному прямолинейному проводнику, в точках, отстоящих на расстоянии 1/(2π) метров от этого проводника.

Напряженность магнитного поля (сила магнитного поля) оценивается по густоте магнитных силовых линий в данной точке поля [14].

1. 3 Электромагниты и их применение

Магнитная индукция магнитного поля соленоида легко изменяется при изменении силы тока в обмотке соленоида и при помещении внутри соленоида железного сердечника, поэтому катушки с железным сердечником внутри нашли широкое применение в технике [7].

Электромагнит – катушка с железным сердечником внутри (рис. 9).

Простейший электромагнит

Рис. 9

Поле катушки с железным сердечником значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, потому что железо внутри катушки сильно намагничивается и его поле складывается с полем катушки. Но применение железных сердечников в электромагнитах для усиления поля может оказаться полезным только до некоторого предела, так как при небольших токах поле обмотки с током и поле сердечника возрастают сначала в одинаковой степени – пропорционально току, так что роль сердечника остаётся решающей. Но при дальнейшем увеличении тока в обмотке намагничивание железа начинает замедляться, и железо приближается к состоянию магнитного насыщения. Когда практически все молекулярные токи ориентированы параллельно, дальнейшее увеличение тока обмотки уже ничего не может добавить к намагничиванию железа, тогда как поле обмотки продолжает расти пропорционально току [7]. При большом токе в обмотке (когда число ампер-витков на метр достигает значений порядка 106) поле, поле создаваемое самой обмоткой, оказывается гораздо сильнее поля насыщенного железного сердечника, так что сердечник становится практически бесполезным и лишь усложняет конструкцию электромагнита [16]. Поэтому самые мощные электромагниты изготавливают без железного сердечника.

Сила, с которой магнит притягивает железо, резко убывает по мере увеличения расстояния между магнитом и железом. Подъёмная сила магнита – сила, которая необходима, чтобы оторвать от магнита притянутый к нему кусок чистого мягкого железа. Для увеличения подъёмной силы электромагнита увеличивают площадь соприкосновения полюсов магнита с притягиваемым железным предметом (якорем) и добиваются того, чтобы линии магнитного поля проходили только в железе, то есть устраняют воздушные зазоры и щели между якорем и полюсами магнита (для этого хорошо пришлифовывают друг к другу их поверхности) [12].

Электромагниты могут иметь разомкнутый (рис. 10 а) или замкнутый сердечник (рис. 10 б). Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной стрелки. К северному полюсу она поворачивается южным концом [12].

Электромагниты с разомкнутым и замкнутым сердечником

Рис. 10

Электромагниты с большой подъёмной силой применяются в технике для разных целей: Например, электромагнитный подъёмный кран применяется на металлургических и металлообрабатывающих заводах для переноски железного лома и готовых изделий (рис. 11). На металлообрабатывающих заводах применяются станки с магнитными силами, на которых обрабатываемое железное или стальное изделие закрепляется притяжением сильных электромагнитов. При включении тока изделие надёжно закрепляется в любом положении на столе, при выключении тока оно освобождается. При отделении магнитных материалов от немагнитных, например, при отделении кусков железной руды от пустой породы (обогащение руды), применяются магнитные сепараторы, в которых очищаемый материал проходит через сильное магнитное поле электромагнитов, вытягивающее из него все магнитные частицы [15].

Применение электромагнита для переноски железного лома

Рис. 11

В последние годы мощные электромагниты с огромной площадью полюсов получили новые применения при конструировании ускорителей – специальных устройств, в которых электрически заряженные частицы (электроны, протоны) разгоняются до огромных скоростей, соответствующих энергии, равной сотням миллионов и миллиардам электронвольт. Пучки таких частиц, летящих с огромной скоростью, являются основным средством исследования атомного ядра [15].

Для получения очень сильного магнитного поля, применяются электромагниты с полюсными наконечниками в виде усечённых конусов. Такие электромагниты применяются преимущественно в физических лабораториях для опытов с сильными магнитными полями [14].

Для специальных целей строятся электромагниты и других типов. Врачи, например, применяют электромагниты для удаления из глаза, случайно попавших в него железных опилок.

Электромагниты широко применяются в устройствах для передачи сигналов с помощью электрического тока. Ток, замыкаемый в одном месте, заставляет электромагнит, расположенный на другом конце цепи, притянуть якорь и этим подать тот или иной сигнал. Примерами таких простейших устройств являются молоточковый прерыватель, электрический звонок, простой телеграф [13].

1. 4 Способы защиты от электромагнитного излучения, испускаемого проводниками с током

Возникающее вокруг проводника с током переменное магнитное поле вызывает появление в соседних областях пространства вихревого электрического поля, линии напряжённости которого, охватывают линии индукции данного магнитного поля. И в свою очередь, вихревое электрическое поле вызывает появление в соседних областях пространства переменного магнитного поля. Неразрывно взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля создают электромагнитное поле – особый вид материи, посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия. Распространяющееся в пространстве с течением времени электромагнитное поле, создаёт электромагнитную волну (электромагнитное излучение). Пользуясь компьютерами, телефонами, бытовыми приборами и электроникой, человек редко задумывается об испускаемом ими электромагнитном излучении. Но электромагнитные поля (ЭМП) и электромагнитное излучение (ЭМИ) электрических приборов могут представлять опасность для здоровья человека: вызвать ухудшение общего состояния здоровья, состояния сердечнососудистой, иммунной и нервной систем [11]. Обнаружить присутствие этих полей только с помощью органов чувств, без использования специальных приборов, невозможно.

Коварство воздействия электромагнитного излучения заключается в том, что последствия его обычно никак не проявляются в течение долгого времени, и человек, сам того не подозревая, продолжает подвергать себя его опасному воздействию. Источниками ЭМИ являются не только трансформаторные подстанции, распределительные пункты, станций мобильной связи, но и все виды электротранспорта, линии электропередач, антенны спутниковой и сотовой связи, электропроводка, проложенная внутри зданий, а также бытовые и электронные приборы [11].

Воздействие отдельных видов электромагнитных полей и излучений, например, излучения мобильных телефонов, пока изучено слабо. В то же время вред других видов излучения электромагнитных волн, в частности, микроволнового излучения и излучения от монитора компьютера, доказано [11].

Магнитные силовые линии проходят через железо гораздо легче, чем через воздух и другие вещества. Если поместить железный пустотелый шар в магнитное поле, созданное, напри­мер, постоянным магнитом (рис. 12), то магнитные силовые линии пройдут через оболочку этого шара, не попадая в его внутреннюю полость [5].

Экранирование от магнитных полей.

Рис. 12

Этим свойством магнитных силовых линий пользуются в радиотехнике для защиты элементов схемы, например, трансформаторов и катушек, от влияния со стороны внешних магнитных полей. Такая защита называется антимагнитным экранированием [5].

Для коллективной и индивидуальной защиты от электромагнитных излучений используются различные приборы [11], например «Фараон-1», «Фараон 31».

Прибор «Фараон-1» (рис. 13) применяется в жилых и производственных помещениях для персональной защиты людей от вредного воздействия искусственных ЭМП и ЭМИ. Например, для персональной защиты от излучений сотовых телефонов, компьютеров и ноутбуков, беспроводных сетей Wi-Fi, копировальной техники, мониторов и телевизоров, сетевых удлинителей, микроволновых печей, радиотелефонов DECT, электрообогревателей и кондиционеров, ламп дневного освещения, электропроводки зданий, электрораспределительных шкафов. Прибор защищает в местах повышенного электромагнитного загрязнения возле высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), вышек сотовой связи, лифтовых шахт, телевизионных и радиовещательных станций, трансформаторных подстанций, электротранспортных депо.

Прибор «Фараон-1»

Передняя панель прибора Задняя панель прибора

Рис. 13

Прибор представляет собой генератор пульсирующего магнитного поля с регулируемыми параметрами, воспроизводящий природные колебания магнитного поля Земли (волны Шумана). Формируемое им магнитное поле в радиусе от 0,5 м до 10 м обеспечивает положительное энергоинформационное воздействие на иммунную систему человека, снижая вредное воздействие искусственных ЭМИ и ЭМП.

Прибор "Фараон-31" (рис. 14) предназначен для индивидуальной защиты от вредного воздействия искусственных электромагнитных полей и излучений бытовых приборов, сотовой связи, электротранспорта [11].

Прибор «Фараон-31»

Рис. 14

Прибор «Фараон-31» представляет собой генератор пульсирующего магнитного поля с регулируемыми параметрами, воспроизводящий природные колебания магнитного поля Земли (волны Шумана). Формируемое им магнитное поле в радиусе от 0,5 м до 2 м обеспечивает положительное энергоинформационное воздействие на иммунную систему человека, снижая тем самым вредное воздействие искусственных ЭМИ и ЭМП.

Для уменьшения степени вредного воздействия искусственных ЭМП и ЭМИ используются различные материалы и компоненты, например, экранированные боксы и шкафы, радиопоглощающие материалы и абсорберы, экранированное стекло, контактные металлические пружины (дорожки), токопроводящая ткань, экранирующие прокладки, токопроводящие ленты [6].

Конструкции экранированных боксов (рис. 15) и шкафов (рис. 16) разработаны для обеспечения наиболее лучшей эффективности экранирования с учетом долгого срока службы и ценовой доступности.

Экранированный бокс Экранированный шкаф

Рис. 15 Рис. 16

Пассивные поглотители радиоволн (рис. 17) применяются для поглощения радиочастотных помех, производимых корпусами микросхем и проводниками сигналов внутри аппаратуры в широком диапазоне частот [6].

Радиопоглощающие материалы

Рис. 17

Для экранирования смотровых окон, окон помещений, боксов и шкафов применяется металлизированное стекло, обладающее экранирующими свойствами (рис. 18). Такое свойство стеклу придает конструкция стекла в виде так называемого сэндвича, состоящего из стеклянных слоёв и металлической сетки. Конструкция стекла позволяет без труда инсталлировать его в электромагнитный экран [6].

Экранированное стекло

Рис. 18

Металлические контактные дорожки (рис. 19) изготовлены из тонкой упругой металлической ленты, формованной специальным образом (бериллиевая или фосфористая бронза или нержавеющая сталь). Предназначены для установки в местах расстыковки частей аппаратуры, конструктивных элементов и повторной сборки, например, по боковым поверхностям ячеек внутри шкафов, по кромкам и внешнего корпуса ЭВМ [6].

Контактные металлические пружины (дорожки)

Рис. 19

Токопроводящая ткань (рис. 20) представляет собой покрытую медно-никелевым сплавом нить из полиэстера, сотканную в полотно. Применяется для защитных настенных экранов, штор и жалюзи, исключающих проникновение радиочастотного сигнала из защищаемого помещения, защиты внутренней проводки ЛВС и шин питания, защитной одежды (одежды ESD), снижения помех от радарных установок, изготовления боксов по измерению частотных характеристик [6].

Токопроводящая ткань

Рис. 20

Экранирующие прокладки (рис. 21) предназначены для защиты электронного оборудования от воздействия высокочастотных радиопомех через разрывы в экранированных корпусах.

Экранирующие прокладки

Рис. 21

Токопроводящие ленты (рис. 22) предназначены для электромагнитной защиты и обеспечения заземляющих свойств радиоаппаратуры. Применяются в беспроводных средствах связи для защиты от помех соединителей, преобразователей и коммуникаторов на длинных линиях связи, защитного заземления аппаратуры [6].

Токопроводящие ленты

Рис. 22

Цельносварная экранированная камера (рис. 23) предназначена для:

- защиты электронного оборудования от мощных непреднамеренных и преднамеренных электромагнитных возмущений;

- защиты персонала от опасных электромагнитных воздействий;

- предотвращения утечки секретной информации, которая обрабатывается внутри помещения;

- проведения измерений и испытаний технических средств по параметрам электромагнитной совместимости.

Цельносварная экранированная камера

Рис. 23

Экранированные камеры используются для моделирования условий защиты от электромагнитного поля. Сборные конструкции из гальванизированных панелей позволяют создать комнаты любых размеров без потери качества экранирования при соблюдении сжатых сроков монтажа.

Сборно-разборная конструкция (рис. 24) применяется в местах невозможных для применения сварки при изготовлении цельносварной конструкции или в случаях предусматривающих демонтаж изделия с минимальными затратами.

Сборно-разборная камера

Рис. 24

Для кабинетов магнитно-резонансной томографии (МРТ) экранирующая конструкция выполняется в виде клетки Фарадея (рис. 26). Клетка Фарадея отсекает сторонние электромагнитные сигналы от внешних источников и не позволяет внутреннему электромагнитному фону влиять на показания следящих и контролирующих приборов.

Клетка Фарадея для кабинетов магнитно-резонансной томографии

Рис. 26

Безэховая камера представляет собой замкнутый электромагнитный экран, внутренние поверхности которого имеют обычную или специальную форму и полностью или частично покрыты поглощающим материалом (рис. 27). Внутренняя полость безэховой камеры разделена на две части (зоны). Одна часть камеры, в которой максимально ослаблены паразитные поля, называемую безэховой зоной (зоной молчания, рабочей зоной), внутри которой производятся измерения; другая часть камеры является зоной излучения, где размещаются передающие устройства [6].

Безэховая камера

Рис. 27

Разновидность безэховой камеры — акустическая безэховая камера (рис. 28) - специальная камера для имитации неограниченного пространства. При строительстве безэховой акустической камеры используются материалы, максимально поглощающие звуковые волны в виде клиновидных панелей. Их специальная форма отражает энергию в вершине клина, рассеивая его колебания в материале, а не в воздухе. Иногда всю камеру размещают на амортизаторах, отсекающих любую вибрацию от остальной части здания. Акустическая безэховая камера используются для тестирования микрофонов, точного измерения акустических свойств промышленных изделий.

Акустическая безэховая камера

Рис. 28

Экранированные ворота (рис. 29) предназначены для транспортировки крупногабаритного оборудования, изделий в экранированное помещение. Для замыкания экрана и защиты аппаратуры от воздействия внешних помех и локализации электромагнитных излучений.

Экранированные ворота

Рис. 29

Экранированные двери (рис.30) также предназначены для защиты аппаратуры от воздействия внешних помех и локализации электромагнитных излучений из помещения.

Экранированные двери

Рис. 30

Фильтры для экранированных помещений (рис. 31) могут быть использованы в четырех основных областях: электропередача, телефония, информация, контроль. Они дополняют защищенность экранированных комнат, где линии электропередачи и сигнальные линии проходят сквозь каркас, или где требуется подавление шумов электроприборов [6].

Фильтры для экранированных помещений

воздуховодные фильтры трубопроводные фильтры

фильтры для оптоволоконных кабелей фильтры для передачи информации

Фильтры электрические помехоподавляющие

Рис. 31

Помимо этого фильтры призваны решить проблемы электромагнитной совместимости приборов.

Нами проведено экспериментальное исследование действия магнитного поля тока на магнитную стрелку; получение магнитных спектров прямого тока, витка с током, соленоида, укреплённых нами на горизонтальных подставках; определение факторов, влияющих на силу притяжения электромагнита; наблюдение действия магнитного поля дугообразного магнита на ток. Методика и результаты исследования представлены в главе 2.

Глава 2. Экспериментальное изучение магнитного поля тока

2.1 Методика проведения исследования

Работа по изучению магнитного поля тока нами была разбита на три этапа:

1 Этап. Подготовительный. Сентябрь 2012 г.

Подбор и изучение литературы по проблеме.

2 Этап. Практический. Октябрь 2012 г.

Проведение эксперимента по изучению магнитного поля тока.

3 Этап. Обобщающий. Ноябрь 2012 г.

Обобщение и анализ полученного материала.

При проведении эксперимента нами использовалось оборудование, указанное в таблице 1.

Таблица 1

Оборудование, используемое в ходе исследования

№ п/п	Название приборов и материалов	Количество
Столик подъёмно-поворотный	1
Магнитная стрелка на подставке	1
Выпрямитель В-24 (учебный)	1
Штатив лабораторный с муфтой и лапкой	2
Исследуемый медный изолированный проводник	1
Транспортир	1
Прямой проводник, укреплённый на подставке	1
Проволочный виток, укреплённый на подставке	1
Проволочная катушка, укреплённая на подставке	1
Соединительные провода	4
Коробка с железными опилками	1
Удлинитель	1
Карандаш	1
Амперметр лабораторный	1
Электромагнит разборный	1
Динамометр демонстрационный	1
Магнит дугообразный	3
Линейка	1
Лист белой бумаги	1
Фотоаппарат цифровой	1

В ходе исследования использовался такой метод как лабораторный эксперимент, достоинством которого является простота и наглядность. Лабораторные исследования проводились на базе МОБУ СОШ №13 г. Сочи.

Использовалась следующая методика проведения эксперимента:

I. Наблюдение действия магнитного поля тока на магнитную стрелку.

1. На подъёмно-поворотном столике помещалась магнитная стрелка, свободно установившаяся в магнитном поле Земли.

2. Вдоль магнитной оси стрелки, располагался медный изолированный проводник, укреплённый в двух штативах.

3. Проводник подключался к источнику тока - учебному выпрямителю В-24.

4. В первом случае по проводнику не пропускался электрический ток (рис. 32 а). Во втором случае по проводнику пропускался ток в одном направлении (рис. 32 б). В третьем случае по проводу протекал ток в противоположном направлении (рис. 32 в).

Наблюдение действия магнитного поля тока на магнитную стрелку

а

б в

Рис. 32

5. В каждом случае наблюдалось поведение магнитной стрелки, расположенной вблизи проводника [9].

6. С помощью транспортира устанавливалась зависимость угла отклонения магнитной стрелки от силы тока в проводнике.

7. Полученные результаты подвергались анализу.

II. Получение магнитных спектров прямого тока, витка с током, соленоида укреплённых на горизонтальных подставках.

1. На каждой из трёх подставках закреплялся медный провод различными способами: в виде прямого провода, витка, катушки [15].

2. На подставку вокруг прямого провода насыпались тонким слоем мелкие железные опилки (рис. 33 а). Прямой провод с помощью соединительных проводов подключался к источнику тока - учебному выпрямителю В-24.

3. Производилось осторожное постукивание карандашом по подставке (рис. 33 б), и наблюдался вид магнитного поля прямого тока с помощью намагнитившихся железных опилок (рис. 33 в).

Наблюдение картины магнитного поля прямого тока

а б

в

Рис. 33

4. Проводились аналогичные действия с витком с током (рис. 34 а, б, в).

Наблюдение картины магнитного поля витка с током

а б

в

Рис. 34

5. Проводились аналогичные действия с соленоидом [12] (рис. 35 а, б, в).

Наблюдение картины магнитного соленоида

а б

в

Рис. 35

6. Полученные результаты подвергались анализу.

III. Определение факторов, влияющих на силу притяжения электромагнита.

Во-первых, определялась зависимость силы притяжения электромагнита от количества витков обмотки катушек при постоянной силе тока в них.

1. Сначала на сердечник электромагнита надевалась одна катушка, содержащая 570 витков.

2. Собиралась электрическая цепь, состоящая из катушки электромагнита, укреплённой в лапке штатива, лабораторного амперметра, источника тока (учебного выпрямителя В-24) и соединительных проводов.

3. С помощью демонстрационного динамометра определялась сила притяжения электромагнита, путём прикладывания усилия до момента отрыва якоря при силе тока в катушке 0,1 А (рис. 36 а).

4. Затем на сердечник электромагнита надевалась вторая катушка, также содержащая 570 витков. И снова с помощью демонстрационного динамометра определялась сила притяжения электромагнита, путём прикладывания усилия до момента отрыва якоря при той же силе тока в катушке 0,1 А (рис. 36 б).

Определение зависимости силы притяжения электромагнита от количества витков обмотки катушек (сила тока I = const)

а б

Рис. 36

Во-вторых, определялась зависимость силы притяжения электромагнита от силы тока в катушке при постоянном значении числа витков обмотки катушки.

1. На сердечник электромагнита надевалась одна катушка, содержащая 570 витков.

2. Собиралась электрическая цепь, состоящая из катушки электромагнита, укреплённой в лапке штатива, лабораторного амперметра, источника тока (учебного выпрямителя В-24) и соединительных проводов.

3. С помощью демонстрационного динамометра определялась сила притяжения электромагнита, путём прикладывания усилия до момента отрыва якоря при силе тока в катушке 0,1 А (рис. 37 а) и при силе тока 0,2 А (рис. 37 б).

Определение зависимости силы притяжения электромагнита от силы тока в катушке (число витков N = const)

а б

Рис. 37

4. Полученные результаты подвергались анализу.

IV. Наблюдение действия магнитного поля дугообразного магнита на ток.

1. Изолированный медный проводник, укреплялся в двух лапках штативов и соединялся с источником тока (учебным выпрямителем В-24).

2. Проводник помещался в однородное магнитное поле дугообразного магнита.

3. В первом случае в проводнике отсутствовал ток. Во втором случае ток в проводнике протекал в одну сторону (рис. 38 а). В третьем случае ток в проводнике протекал в противоположном направлении (рис. 38 б). В каждом случае наблюдалось действие магнитного поля ток [1].

4. Наблюдалось действие магнитного поля на ток при большой и маленькой силе тока в цепи по углу отклонения проводника от положения равновесия.

5. Полученные результаты подвергались анализу.

Наблюдение действия магнитного поля дугообразного магнита на ток

а б

Рис. 38

2.2 Результаты исследования и их обсуждение

В ходе эксперимента были получены следующие результаты:

Во-первых, при отсутствии тока в проводнике, магнитная стрелка, расположенная под ним неподвижна. При протекании тока в проводнике в одном направлении, магнитная стрелка отклоняется в одну сторону. При изменении направления силы тока в проводнике на противоположное, магнитная стрелка отклоняется в противоположную сторону. Магнитная стрелка отклоняется только под действием магнитного поля, следовательно, вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

При увеличении силы тока в проводнике угол отклонения магнитной стрелки увеличивается, принимая максимальное значение 900 при силе тока 9 А, при уменьшении силы тока в проводнике угол отклонения магнитной стрелки уменьшается, принимая минимальное значение 00 при отсутствии тока в проводнике (табл. 2, рис. 39).

Таблица 2

Зависимость угла отклонения магнитной стрелки от силы тока в проводнике

Сила тока в проводнике I, А	Угол отклонения магнитной стрелки α, 0
0	0
3	30
6	60
9	90

Угол отклонения магнитной стрелки, 0

Графическая интерпретация зависимости угла отклонения магнитной стрелки от силы тока в проводнике

Сила тока в проводнике, А

Рис. 39

Во-вторых, железные опилки, помещённые в магнитное поле прямого тока, витка с током, соленоида намагничиваются и образуют замкнутые линии, поэтому магнитное поле является вихревым.

Магнитные линии магнитного поля прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является проводник с током. Густота магнитных линий вблизи провода больше. При удалении от провода густота магнитных линий уменьшается, следовательно, магнитное поле прямого тока неоднородное: вблизи тока оно сильнее, при удалении от него ослабевает.

Магнитные линии магнитного поля внутри витка с током и внутри соленоида параллельны между собой, следовательно, внутри витка с током и соленоида магнитное поле однородное. Вне витка с током и вне соленоида магнитные линии искривлены, поэтому магнитное поле вне витка с током и вне соленоида неоднородное, магнитная индукция уменьшается по мере удаления от них.

В-третьих, сила притяжения электромагнита прямо пропорциональна числу витков обмотки катушек (табл. 3, рис. 40) и силе тока в катушке (табл. 4, рис. 41).

Таблица 3

Зависимость силы притяжения электромагнита от количества витков обмотки катушек (сила тока I = const)

Сила тока I, А	Количество витков N, шт.	Сила притяжения F, Н
0,1	570	4
0,1	1140	8

Сила притяжения, Н

Графическая интерпретация зависимости силы притяжения электромагнита от количества витков обмотки катушек (сила тока I = const)

Количество витков, шт.

1140

Количество витков, шт.

Рис. 40

Таблица 4

Зависимость силы притяжения электромагнита от силы тока в катушке

(число витков N = const)

Количество витков N, шт.	Сила тока I, А	Сила притяжения F, Н
570	0,1	4
570	0,2	8

Графическая интерпретация зависимости силы притяжения электромагнита от силы тока в катушке (число витков N = const)

Сила притяжения, Н

Сила тока, А

Рис. 41

В-четвёртых, при пропускании по проводнику, находящемся в магнитном поле подковообразного магнита, тока в одном направлении, проводник выталкивается полем магнита из межполюсного пространства. При пропускании по проводнику тока в противоположном направлении, проводник втягивается в межполюсное пространство магнита. Таким образом, электрическая энергия превращается в механическую энергию.

Это объясняется тем, что вокруг проводника с током (рис.42) образуется собственное магнитное поле, магнитные линии которого по одну сторону проводника направлены так же, как и магнитные линии магнита, а по другую сторону проводника — в противоположную сторону. Вследствие этого с одной стороны проводника магнитное поле оказывается сгущенным, а с другой его стороны разреженным. Поэтому проводник испытывает силу, давящую на него.

Действие магнитного поля на ток

Рис. 42

При увеличении силы тока в проводнике, увеличивается отклонение проводника от положения равновесия сила, значит сила, действующая на него со стороны магнитного поля, увеличивается. И, наоборот, при уменьшении силы тока в проводнике, уменьшается отклонение проводника от положения равновесия сила, значит, сила, действующая на него со стороны магнитного поля, уменьшается (табл. 5, рис. 43).

Таблица 5

Зависимость отклонения проводника от силы тока в проводнике

Сила тока в проводнике I, А	Отклонение проводника от положения равновесия S, см
5	1
10	3

Графическая интерпретация зависимости отклонения проводника от силы тока в проводнике

Отклонение проводника, см

Сила тока, А

Рис. 43

Следовательно, сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, прямо пропорциональна силе тока в проводнике.

Таким образом, выдвинутая нами гипотеза исследования, состоящая в том, что магнитное поле тока сильнее в том случае, когда сила тока и число витков провода больше, справедлива.

Заключение

Анализ полученных литературных и экспериментальных данных позволяет заключить, что:

1. Магнитное поле – вид материи, посредством которого взаимодействуют между собой движущиеся электрические заряды. Оно является составной частью электромагнитного поля.

2. Магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами и переменными электрическими полями и действует только на движущиеся электрические заряды.

3. Исследовать свойства магнитного поля можно с помощью маленькой магнитной стрелки или маленькой проводящей рамки (контура) с током.

4. Магнитная индукция (В) – векторная величина, характеризующая магнитное поле в данной среде. Отношение максимального вращательного момента к силе тока и площади контура характеризует магнитное поле в данной точке пространства и принято за модуль магнитной индукции В = Мmax/ (I∙S).

5. Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением магнитной индукции в этой точке.

6. Физическая величина, характеризующая магнитное поле без учёта намагничения среды, в которой это поле существует, называется напряженностью магнитного поля (Н), которая определяется по формуле: Н = В/μ.

7. Электромагнит – катушка с железным сердечником внутри. Электромагниты имеют широкое применение в технике.

8. Для уменьшения степени вредного воздействия искусственных ЭМП и ЭМИ используются различные материалы и компоненты, например, экранированные боксы и шкафы, радиопоглощающие материалы и абсорберы, экранированное стекло, контактные металлические пружины (дорожки), токопроводящая ткань, экранирующие прокладки, токопроводящие ленты.

9. При отсутствии тока в проводнике, магнитная стрелка, расположенная под ним неподвижна. При протекании тока в проводнике в одном направлении, магнитная стрелка отклоняется в одну сторону. При изменении направления силы тока в проводнике на противоположное, магнитная стрелка отклоняется в противоположную сторону. Магнитная стрелка отклоняется только под действием магнитного поля, следовательно, вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Угол отклонения магнитной стрелки прямо пропорционален силе тока в проводнике: при увеличении силы тока в проводнике угол отклонения магнитной стрелки увеличивается, принимая максимальное значение 900; при отсутствии тока в проводнике угол отклонения магнитной стрелки равен 00.

10. Железные опилки, помещённые в магнитное поле прямого тока, витка с током, соленоида намагничиваются и образуют замкнутые линии, поэтому магнитное поле является вихревым. Магнитные линии магнитного поля прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является проводник с током. Густота магнитных линий вблизи провода больше. При удалении от провода густота магнитных линий уменьшается, следовательно, магнитное поле прямого тока неоднородное: вблизи тока оно сильнее, при удалении от него ослабевает. Магнитные линии магнитного поля внутри витка с током и внутри соленоида параллельны между собой, следовательно, внутри витка с током и соленоида магнитное поле однородное. Вне витка с током и вне соленоида магнитные линии искривлены, поэтому магнитное поле вне витка с током и вне соленоида неоднородное, магнитная индукция уменьшается по мере удаления от них.

11. Сила притяжения электромагнита прямо пропорциональна числу витков обмотки катушек и силе тока в ней.

12. При пропускании по проводнику, находящемся в магнитном поле подковообразного магнита, тока в одном направлении, проводник выталкивается полем магнита из межполюсного пространства. При пропускании по проводнику тока в противоположном направлении, проводник втягивается в межполюсное пространство магнита. Таким образом, электрическая энергия превращается в механическую энергию.

13. При увеличении силы тока в проводнике, увеличивается отклонение проводника от положения равновесия сила, значит сила, действующая на него со стороны магнитного поля, увеличивается. И, наоборот, при уменьшении силы тока в проводнике, уменьшается отклонение проводника от положения равновесия сила, значит, сила, действующая на него со стороны магнитного поля, уменьшается.

Работа в выбранном направлении может быть продолжена изучением устройства и принципа работы электрических реле с использованием электромагнитов.

При выполнении работы нам оказывалась следующая поддержка научным руководителем :

- помощь в подборе литературы;

- помощь в структурировании материала;

- помощь в предоставлении оборудования для проведения эксперимента.

Литература

1. Действие магнитного поля на ток. Правило левой руки. http://www. *****/deystvie-magnitnogo-polya-na-tok-pravilo-levoy-ruki. html

2. Магнитная индукция. http://www. *****/magnitnaya-induktsiya. html

3. Магнитное поле. http://physics. *****/index. php? option=com_content&view=article&id=217&Itemid=72

4. Магнитное поле проводника с током и способы его усиления. http://www. *****/

5. Магнитное поле тока.

http://www. *****/magnitnoe-pole-toka-magnitnie-silovie-linii. html

6. Материалы и компоненты ЭМС. http://www. *****/

7. , Кривцов . В помощь поступающим в вузы. – М.: Высш. шк., 1989. – 496 с.

8. Напряженность магнитного поля.

http://www. *****/napryazhennost-magnitnogo-polya. html

9. Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. http://www. *****/user/f//20/202.htm

10. Пёрышкин . 9 кл.: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2008. – 256 с.

11. Приборы для защиты человека от электромагнитных излучений. http://www. *****/

12. Про магнитное поле, соленоиды и электромагниты. http://electricalschool. info/main/osnovy/398-pro-magnitnoe-pole-solenoidy-i. html

13. Сивухин курс физики. - М.: Физматлит, 2004.- Т. III. Электричествос.

14. Электричество и магнетизм. - М.: Наука. Физматлит, 19с.

15. Элементарный учебник физики: учеб. пособие. В 3 т. /Под ред. : Т. II. . Электричество и магнетизм. – М.: Наука. Физматлит, 19с.

16. , Детлаф по физике. - М.: Наука, 1985, - 512 с.