§ 37. Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитное поле — особый вид материи, существующий вокруг магнитов и проводников с электрическим током и действующий на движущиеся заряженные частицы и токи. Его нельзя увидеть напрямую, но можно обнаружить по действию на другие тела. Это понятие помогает объяснить взаимодействие магнитов и токов без непосредственного соприкосновения.

Магнитное поле Земли — поле, благодаря которому магнитная стрелка ориентируется примерно в направлении север — юг. Земля ведёт себя подобно огромному магниту. Знание об этом поле используется в работе компаса и помогает ориентироваться на местности.

Магнитная стрелка — небольшой магнит, который устанавливается в магнитном поле определённым образом и позволяет обнаружить его направление. Она может свободно поворачиваться вокруг опоры. Её северный полюс показывает, куда направлено поле в выбранной точке.

Силовые линии магнитного поля — воображаемые линии, касательные к которым показывают направление магнитного поля в каждой точке. Это не материальные нити, а удобный способ изобразить невидимое поле. По рисунку линий можно также судить о сравнительной силе поля.

Как это устроено

Магнитное поле обнаруживают по его действию на магнитную стрелку, потому что стрелка сама является маленьким магнитом. Вне поля она не имеет причины занимать определённое направление, а в поле на её полюса действуют силы. В результате стрелка поворачивается и устанавливается вдоль поля. Так по её северному полюсу можно определить направление поля в данной точке.

Постоянный магнит создаёт поле благодаря внутреннему упорядоченному действию магнитных свойств вещества. Электрический ток тоже создаёт магнитное поле, поскольку движущиеся заряды воздействуют на окружающие магниты. Поэтому проводник с током способен отклонить стрелку рядом с собой. В свою очередь, поле действует не только на стрелку, но и на другие магниты и проводники с током.

Магнитная стрелка ориентируется в поле не случайно: на её северный и южный полюса действуют силы противоположного направления. Поворот продолжается до положения, в котором стрелка показывает направление поля и устанавливается устойчиво. За направление поля условно принимают направление от южного полюса стрелки к северному. Поэтому именно северный полюс стрелки служит указателем направления.

Силовые линии изображают так, чтобы в каждой точке касательная к линии совпадала с направлением поля. Если линии расположены близко друг к другу, действие поля сильнее; если дальше — слабее. Вокруг прямого проводника с током линии являются окружностями с центром на проводнике, а их направление находят правилом правой руки. У постоянного магнита линии образуют более сложную картину: снаружи идут от северного полюса к южному, а внутри магнита возвращаются обратно, поэтому линии замкнуты.

Источники и изображения магнитного поля

Таблицу удобно читать от источника поля к способу его обнаружения. Последний столбец подсказывает, какой признак использовать при определении направления. Для сравнения силы поля смотрят не на число линий вообще, а на их густоту в выбранной области.

Разбор задач

Задача 1. Рядом с магнитной стрелкой расположили проводник и замкнули цепь. Опишите, что произойдёт со стрелкой и какой вывод можно сделать. Нужно связать наблюдаемое движение с причиной, а не считать его случайным.

1. После замыкания цепи по проводнику начинает идти электрический ток.
2. Ток создаёт вокруг проводника магнитное поле.
3. Поле действует на магнитную стрелку, поэтому она отклоняется и занимает новое положение.
4. По направлению северного полюса можно определить направление поля в месте расположения стрелки.

Ответ: стрелка повернётся; это доказывает, что электрический ток создаёт магнитное поле.

Задача 2. На рисунке показаны силовые линии магнита и магнитная стрелка в нескольких точках. Укажите направление поля в каждой точке и определите, где оно сильнее. Используем свойства линий, а не размер или положение стрелки на рисунке.

1. В каждой точке проведите мысленную касательную к ближайшей силовой линии.
2. Направление поля совпадает с направлением этой касательной и направлено так же, как северный полюс стрелки.
3. Сравните расстояния между соседними линиями в нужных областях.
4. Выберите область, где линии гуще: там магнитное поле сильнее.

Ответ: направление в каждой точке задаётся касательной и стрелкой к северному полюсу, а большая сила соответствует более густому расположению линий.

Задача 3. Изобразите качественно силовые линии магнитного поля прямого проводника с током и отметьте их направление при заданном направлении тока. Здесь важно сначала выбрать форму линий, а затем определить их направление.

1. Изобразите вокруг проводника несколько концентрических окружностей.
2. Поставьте большой палец правой руки по направлению тока.
3. Согнутые пальцы покажут направление обхода окружностей — это направление магнитного поля.
4. Проверьте рисунок: линии должны быть замкнутыми и не пересекаться.

Ответ: силовые линии прямого проводника — окружности вокруг него; направление определяется правилом правой руки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать магнитное поле видимыми линиями. Силовые линии не являются материальными нитями, а служат условным изображением. Проверка: спросите себя, можно ли их потрогать или увидеть без специальных способов наблюдения.

Иногда путают направление поля с направлением движения стрелки. Стрелка лишь поворачивается и после этого покоится, а направление задаёт её северный полюс. Проверка: определяйте направление по полюсу N, а не по траектории поворота.

Нельзя рисовать силовые линии незамкнутыми или пересекающимися. Линии магнитного поля образуют замкнутые контуры и в одной точке не могут иметь два направления. Проверка: проследите каждую линию и убедитесь, что она возвращается, а соседние линии не пересекаются.

Неверно считать, что поле создают только постоянные магниты. Его источником бывает и электрический ток, что доказывает отклонение стрелки возле замкнутого проводника. Проверка: вспомните два источника — магнит и движущиеся заряды.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что электрический ток — направленное движение заряженных частиц, и что ток оказывает действие на окружающие тела. Это объясняет появление поля вокруг проводника. Без этого трудно понять опыт с магнитной стрелкой.

Тема пригодится при изучении действия магнитного поля на проводник с током, электромагнитов и электродвигателей. Там поле будет не только обнаруживаться, но и совершать действие. Знание направления поможет предсказывать результат опыта.

Силовые линии позволяют наглядно разбирать магнитное поле Земли и взаимодействие магнитов и токов. По ним сравнивают направление и силу поля в разных местах. Такой способ описания встречается и в последующих темах физики.

Что запомнить

• Магнитное поле создаётся постоянными магнитами и электрическими токами.
• Магнитное поле обнаруживают по его действию на магнитную стрелку.
• Направление поля в точке совпадает с направлением на северный полюс магнитной стрелки.
• Силовая линия показывает направление магнитного поля в каждой точке.
• Чем гуще силовые линии, тем сильнее поле.
• Силовые линии магнитного поля замкнуты и не пересекаются.