Условие
Магнитная стрелка на подставке стоит спокойно. Стоит рядом уложить провод и включить в нём ток, как стрелка поворачивается и замирает поперёк провода. Выключили ток — стрелка вернулась на место. Объясни опыт и скажи, чем магнитное поле отличается от электрического и почему компас указывает на север.
Что известно и что ищем
- Известно поведение стрелки при включённом и выключенном токе, а также то, что стрелка лежит не вдоль, а поперёк провода.
- Ищем объяснение: что именно поворачивает стрелку, когда она возвращается обратно и что общего у этого действия с компасом.
- Дополнительно нужно сравнить магнитное и электрическое поля.
Ход решения
- Шаг 1. Разбираем наблюдения по порядку. Пока ток не идёт, на стрелку ничего не действует, кроме магнитного поля Земли, и она стоит вдоль линии север-юг. Как только ток включили, стрелка повернулась — значит, вокруг проводника возникло поле, которое на неё подействовало.
- Шаг 2. Называем это поле магнитным. Опыт Эрстеда показал главное: электрический ток создаёт магнитное поле. Стрелка в этом опыте и служит «детектором»: её поворот — доказательство, что поле есть.
- Шаг 3. Отвечаем, почему стрелка встаёт поперёк, а не вдоль провода. Поле вокруг прямого тока идёт замкнутыми окружностями вокруг провода, и стрелка выстраивается по этим окружностям — то есть поперёк провода. Когда ток выключили, поле исчезло, и стрелка вернулась под действием поля Земли.
- Шаг 4. Сравниваем два поля. Электрическое поле действует и на неподвижные заряды, а магнитное — на движущиеся заряды и на магнитную стрелку, но не на покоящийся заряд. Силовые линии электрического поля начинаются на зарядах и заканчиваются на них, а магнитные линии замкнуты: у магнита нет «начала» и «конца», поэтому полюсы нельзя разделить.
- Шаг 5. Объясняем компас. Земля сама ведёт себя как большой магнит: у неё есть собственное магнитное поле. Стрелка компаса — маленький магнит, и она выстраивается вдоль этого поля. Поэтому «север» на компасе — это направление магнитного поля Земли, а оно лишь приблизительно совпадает с направлением на географический полюс.
Проверь себя
- Ответ: ток в проводнике создаёт магнитное поле, и оно поворачивает стрелку; линии поля — замкнутые окружности вокруг провода, поэтому стрелка встаёт поперёк; компас ориентируется по магнитному полю Земли.
- Проверка вывода: если увеличить силу тока, стрелка отклонится сильнее, а при смене направления тока повернётся в другую сторону. Поведение стрелки зависит от тока так, как и должно быть при магнитном действии.
- Ловушка: считать, что провод и стрелка «притягиваются» как два магнита. Провод сам становится источником магнитного поля, пока по нему идёт ток; выключили ток — поле исчезло.
Как объяснить ребёнку
«Пока по проводу идёт ток, вокруг него появляются невидимые кольца — магнитное поле. Стрелка компаса всегда разворачивается вдоль таких колиц, поэтому она становится поперёк провода. Выключили ток — кольца исчезли, и стрелка снова смотрит на север, как её ориентирует магнитное поле Земли».
Тема для отчёта родителю
«Магнитное поле тока: опыт Эрстеда и поле Земли».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.