ПРОЕКТ-РЕФЕРАТ

17 листопада 2025

 

 

 

«Магнітне поле навколо провідника зі струмом»

 

 

 

 

 

 

 

Фізика 11-ий клас Учень Магальського Ліцею ім.Григорія Нандріша  Гостюк Іван І.

Вчителька фізики:  

1. ВСТУП

    Магнетизм є одним із фундаментальних явищ природи, який відіграє ключову роль у сучасних технологіях, енергетиці, транспорті та наукових дослідженнях. Незважаючи на те, що магнітні властивості речовини були відомі людству ще з давнини, систематичне наукове вивчення магнітного поля пов’язане з розвитком електродинаміки у XIX столітті. Особливе значення має відкриття взаємозв’язку між електричним струмом і магнітним полем, здійснене Гансом Крістіаном Ерстедом у 1820 році. Саме це відкриття поклало початок класичній електромагнітній теорії.

    У даному рефераті детально розглянуто природу магнітного поля, що виникає навколо провідника зі струмом, наведено математичні моделі, експериментальні підтвердження, практичні застосування, історичні факти, а також сучасні технології, що ґрунтуються на цих фізичних принципах.

 

2. ІСТОРИЧНІ ВІДОМОСТІ ТА ВІДКРИТТЯ ЕРСТЕДА

    До початку XIX століття електрика та магнетизм вважалися абсолютно різними явищами. Ситуація змінилася у 1820 році, коли Ганс Крістіан Ерстед під час лекції випадково помітив, що стрілка магнітного компаса відхиляється при проходженні струму через поруч розташований провідник. Це стало першим експериментальним доказом взаємозв’язку електричних і магнітних явищ.

Основні висновки Ерстеда:

*   електричний струм створює навколо провідника магнітне поле;

*   напрям цього поля залежить від напрямку струму;

*   поле має вихровий характер, тобто лінії магнітної індукції утворюють замкнені кола навколо провідника.

 

Це відкриття дало початок розвитку електродинаміки, що згодом була систематизована Ампером, Фарадеєм та Максвеллом.

3. МАГНІТНЕ ПОЛЕ ТА ЙОГО ОСНОВНІ ВЕЛИЧИНИ

3.1. Магнітна індукція

    Магнітна індукція — це векторна фізична величина, що характеризує магнітне поле. Позначається B, вимірюється у теслах (Тл).

 

3.2. Напруженість магнітного поля   Напруженість H пов’язана з магнітною  індукцією співвідношенням:

[ B = \mu \mu_0 H, ]

Де,

 

 

4. МАГНІТНЕ ПОЛЕ ПРЯМОГО ПРОВІДНИКА ЗІ СТРУМОМ

4.1. Закон Біо–Савара–Лапласа

    Магнітне поле створюється не просто струмом, а елементами струму. Диференціальна форма закону:

 

 

 

 

4.2. Магнітне поле нескінченного прямолінійного провідника

    Лінії магнітної індукції — це концентричні кола навколо провідника.

Модуль магнітної індукції:

Де

*   I — сила струму,

*   r — відстань від провідника.

 

 

4.3. Закон Ампера

    Закон Ампера дозволяє обчислювати циркуляцію вектора B:

 

 

5. ПРИНЦИП ПРАВОЇ РУКИ

  Для визначення напрямку магнітного поля використовується правило буравчика (корка) або правило правої руки:

 

• Якщо великий палець правої руки показує напрям струму, то зігнуті пальці показують напрям ліній магнітного поля.

 

6. МАГНІТНЕ ПОЛЕ У РІЗНИХ КОНФІГУРАЦІЯХ ПРОВІДНИКІВ

6.1. Кільце з струмом У центрі кільця:

 

 

6.2. Соленоїд

    Магнітне поле всередині довгого соленоїда однорідне:

 

Де *n* — кількість витків на метр.

 

 

6.3. Тороїд

7. ДОСЛІДИ ТА ЕКСПЕРИМЕНТИ

7.1. Дослід Ерстеда

 

  

7.2. Візуалізація поля за допомогою залізних ошурків

   При пропусканні струму через вертикальний провідник на листі з залізними ошурками утворюються концентричні кола.

 

7.3. Електромагніт

   Намотавши провід на цвях і подавши струм, утворюється електромагніт, який

 

 

7.5. Лабораторний експеримент з датчиком Холла

Сучасний спосіб вимірювання поля провідника.

 

8. ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ПРОВІДНИКА

8.1. Електродвигуни

Усі двигуни працюють на взаємодії струму з магнітним полем.

 

 

 

8.2. Генератори струму

За принципом електромагнітної індукції.

 

 

 

 

8.3. Трансформатори

Магнітне поле змінного струму → зміна потоків → індукція напруги.

 

 

8.4. Електромагнітний транспорт

Поїзди маглев використовують потужні електромагніти.

 

8.5. Магнітні реле та контактори

Усі електронні системи керування використовують електромагнітні котушки.

 

 

 

8.6. Медичні технології

*   МРТ,

*  

магнітотерапія.

 

8.7. Енергетика та високовольтні лінії

Поля навколо ліній електропередач і їхній вплив.

 

9. РЕАЛЬНІ ПРИКЛАДИ З ЖИТТЯ*

9.1. Робота зарядних пристроїв смартфонів

У трансформаторах адаптерів струм у котушці створює магнітне поле.

 

 

9.2. Автомобільні стартери

Потужні електромагніти створюють силу для запуску двигуна.

 

9.3. Динамо-велосипеди

Обертання колеса → магнітне поле → електричний струм.

9.4. Карти доступу та магнітні замки Всередині — котушки та соленоїди.

                                                                               

 

10. МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ТА ВИВЕДЕННЯ ФОРМУЛ

10.1. Виведення формули  

( B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} )**

Використовується закон Ампера та симетрія поля.

 

 

 

10.2. Магнітний потік

 

 

10.3. Індуктивність провідника Залежність енергії поля:

 

11. БЕЗПЕКА ТА ВПЛИВ МАГНІТНИХ ПОЛІВ

*   низькочастотні поля є відносно безпечними,

*   сильні поля можуть намагнічувати предмети,

*   при струмах >100 А виникають значні сили між провідниками.

Приклад: у великих трансформаторах механічні сили можуть ламати кріплення під час пуску.

 

 

12. СУЧАСНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ТЕХНОЛОГІЇ

12.1. Надпровідні магніти

Струм тече без втрат → величезні магнітні поля.

 

 

12.2. Квантові сенсори магнітного поля

Здатні вимірювати магнітні поля слабші за магнітне поле мозку.

12.3. Магнітний плазмовий контроль у термоядерних реакторах Токамаки утримують плазму магнітними конфігураціями.

                               

 

 

 

13. ВИСНОВКИ

У даному рефераті було детально розглянуто природу магнітного поля, що виникає навколо провідника зі струмом, математичні моделі, експериментальні підтвердження, практичні застосування та сучасні технології, що базуються на цьому явищі.

Магнітне поле провідника — це фундаментальне явище, яке лежить в основі всієї електротехніки та електроніки. Його дослідження не тільки пояснює природні процеси, а й дозволяє створювати нові технології, що змінюють світ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14. СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1.       Halliday, Resnick, Walker. *Fundamentals of Physics*.

2.       Sears & Zemansky. *University Physics*.

3.       David J. Griffiths. *Introduction to Electrodynamics*.

4.       Purcell, Morin. *Electricity and Magnetism*.

5.       Maxwell J.C. *A Treatise on Electricity and Magnetism*.

6.       Oersted H.C. “Experiments on the Effect of a Current on a Magnetic Needle”.

7.       Ioffe Institute Reports on Electromagnetism.

8.       IEEE Magnetics Society Publications.

9.       Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М. *Фейнманівські лекції з фізики*.

10.   Сборник задач по электричеству и магнетизму. МФТИ.

11.   Young & Freedman. *University Physics with Modern Physics*.

 

 

Електронна версія проекта ->