Магнитное поле

Определение

Магнитное поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, а также между телами, обладающими магнитными свойствами.

Формула

F = B·I·L·sin α

• F — сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (сила Ампера)
• B — модуль магнитной индукции (характеристика магнитного поля)
• I — сила тока в проводнике
• L — длина участка проводника, находящегося в магнитном поле
• sin α — синус угла между направлением тока и вектором магнитной индукции

Единицы измерения: ньютон (Н) для силы, тесла (Тл) для магнитной индукции

Как возникает магнитное поле

Магнитное поле всегда создаётся движущимися электрическими зарядами. Это означает, что любой электрический ток, будь то ток в проводе или движение электронов внутри атомов постоянного магнита, порождает вокруг себя магнитное поле. Чем сильнее ток или чем выше упорядоченность движения зарядов, тем интенсивнее будет магнитное поле. Постоянные магниты создают поле благодаря совместному движению электронов внутри их атомов, которые ориентируются в одном направлении.

Как действует магнитное поле

Магнитное поле не действует на неподвижные электрические заряды. Оно оказывает силовое воздействие только на движущиеся заряды или на другие магниты. Направление и величина этой силы зависят от направления движения заряда (или тока), величины заряда (или силы тока) и характеристик самого магнитного поля. Например, стрелка компаса поворачивается, потому что является маленьким магнитом, который ориентируется по силовым линиям внешнего магнитного поля.

Чем характеризуется магнитное поле

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции, обозначаемый буквой B. Это векторная величина, которая показывает, с какой силой магнитное поле действует на движущийся заряд или проводник с током. Направление этого вектора совпадает с направлением, куда указывает северный полюс магнитной стрелки, помещённой в это поле. Чем больше модуль вектора магнитной индукции, тем сильнее поле.

Линии магнитного поля

Для наглядного представления магнитного поля используют магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых ориентировались бы маленькие магнитные стрелки. Вне магнита они выходят из северного полюса и входят в южный, а внутри магнита направлены от южного к северному. Чем гуще расположены магнитные линии, тем сильнее поле в данной области. Они всегда замкнуты, не пересекаются и не имеют ни начала, ни конца.

Как найти и применять

1. Определите источник магнитного поля: это может быть ток в проводнике или постоянный магнит.
2. Представьте или нарисуйте магнитные линии поля. Используйте правило правой руки для проводника с током (большой палец по току, остальные пальцы покажут направление линий) или от северного к южному полюсу для магнита.
3. Определите, на что действует поле: на движущийся заряд или проводник с током.
4. Используйте правило левой руки, чтобы найти направление силы, действующей на движущийся заряд или проводник с током. Четыре пальца — по направлению тока (или скорости заряда), линии поля входят в ладонь, отогнутый большой палец покажет направление силы.
5. При необходимости рассчитайте величину силы по соответствующей формуле, например, силу Ампера для проводника с током.

Разбор задач

Задача 1

На прямолинейный проводник длиной 0,2 м, по которому течёт ток силой 5 А, в однородном магнитном поле действует сила 0,5 Н. Определите модуль магнитной индукции поля, если проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Дано: L = 0,2 м, I = 5 А, F = 0,5 Н, α = 90° (так как перпендикулярно, sin 90° = 1). Используем формулу силы Ампера: F = B·I·L·sin α. Выразим B: B = F / (I·L·sin α). Подставим значения: B = 0,5 Н / (5 А · 0,2 м · 1) = 0,5 Н / 1 А·м = 0,5 Тл.

Ответ: Модуль магнитной индукции равен 0,5 Тл.

Где это встречается

• Электродвигатели — Магнитное поле взаимодействует с током в обмотках ротора, создавая вращающий момент, который приводит двигатель в движение.
• Электрогенераторы — При движении проводника в магнитном поле в нём возникает электрический ток (явление электромагнитной индукции), преобразуя механическую энергию в электрическую.
• Компасы — Магнитная стрелка компаса является маленьким магнитом и ориентируется вдоль линий магнитного поля Земли, указывая направление на магнитный полюс.
• Научные исследования (МРТ) — В аппаратах магнитно-резонансной томографии создаётся сильное магнитное поле, которое позволяет получать детальные изображения внутренних органов человека.
• Магнитные карты и носители информации — На магнитных полосах карт или жёстких дисках информация записывается путём намагничивания мельчайших участков, которые затем считываются благодаря изменению магнитного поля.

Типичные ошибки

Не путать

• Электрическое поле — Электрическое поле создаётся любыми электрическими зарядами (покоящимися или движущимися) и действует на любые заряды. Магнитное поле создаётся только движущимися зарядами и действует только на движущиеся заряды и магниты.
• Магнит (постоянный) — Постоянный магнит — это тело, которое само создаёт магнитное поле. Магнитное поле — это невидимая среда, создаваемая магнитом или током, а не сам магнит.
• Электрический ток — Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов. Именно это движение зарядов (ток) является источником магнитного поля. Ток — причина, поле — следствие.

Откуда взялось понятие

Понятие магнитного поля сформировалось благодаря работам Майкла Фарадея в XIX веке, который наглядно показал его существование с помощью силовых линий.

Как запомнить

Магнитное поле — это невидимый след движущихся зарядов, который действует на другие движущиеся заряды.