Раздел 4. Магнитные явления

Определения и обозначения

Постоянный магнит — тело, которое сохраняет магнитные свойства без постоянного действия электрического тока. У него есть северный (N) и южный (S) полюса, а сильнее всего магнитное действие заметно у концов, где расположены полюса. Временно намагниченное тело проявляет магнитные свойства под влиянием другого магнита или поля, но может утратить их. Это различие помогает понять, почему магнитная стрелка действует без подключения к электрической цепи.

Магнитное поле — особый вид материи, который создают магниты и электрические токи. Оно действует на магниты и проводники с током, хотя для наблюдения самого поля нельзя просто взять его в руки. О его присутствии судят по действию на магнитную стрелку или другой магнит. Понятие поля объясняет, как возможно магнитное взаимодействие на расстоянии.

Магнитная линия — условная линия, которой изображают магнитное поле. Направление линии в каждой точке показывает направление магнитного поля в этой точке. Такие линии помогают наглядно представить, как поле распределено вокруг магнита или проводника. Это способ изображения, а не настоящая нить в пространстве.

Электромагнит — катушка с электрическим током, обычно с железным сердечником внутри. Ток создаёт поле катушки, а сердечник усиливает его; при отключении тока магнитное действие существенно ослабевает. Поэтому электромагнит можно включать и выключать, а его действие — менять. Это отличает его от постоянного магнита.

Как это устроено

У каждого магнита есть два полюса, и их взаимодействие зависит от того, какие стороны обращены друг к другу. Разноимённые полюса притягиваются, потому что взаимодействуют по-разному направленные стороны магнитов; одноимённые отталкиваются. При разламывании нельзя отделить один полюс: частицы вещества в каждой части образуют новый магнит с двумя полюсами. Поэтому даже маленький кусочек магнита не становится только северным или только южным полюсом.

Постоянный магнит — не единственный источник магнитного поля: его создаёт и электрический ток. Ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, а движущиеся заряды связаны с магнитным действием. Поэтому проводник с током может влиять на магнитную стрелку, хотя до включения тока такого действия у него нет. По этой же причине катушка, в которой течёт ток, обнаруживает магнитные свойства.

У прямого проводника с током магнитные линии образуют окружности вокруг провода. Это связано с тем, что магнитное поле охватывает движущиеся заряды, а не направлено вдоль проводника. Направление окружностей зависит от направления тока: если ток изменить на противоположный, линии пойдут в обратную сторону. Для определения направления используют правило правой руки: большой палец направляют по условному току, а согнутые пальцы показывают ход линий.

В катушке каждый виток создаёт своё магнитное поле. Внутри катушки поля витков направлены согласованно, поэтому складываются и дают более сильное общее поле, чем у одного витка. Железный сердечник усиливает действие катушки, потому что сам намагничивается в её поле. Так появляется сильный электромагнит, который может притягивать железные предметы.

Магнитное действие электромагнита можно регулировать, потому что его поле создаётся током в катушке. При увеличении силы тока поле становится сильнее, а добавление витков усиливает общий вклад катушки. Железный сердечник также делает электромагнит сильнее. Когда ток отключают, причина основного магнитного действия исчезает, поэтому оно существенно ослабевает.

Источники магнитного поля и их свойства

Сначала найдите в таблице источник, который нужно сравнить, затем проследите по строке, что создаёт поле и как его обнаружить. Последний столбец показывает, какие изменения способны повлиять на магнитное действие. Например, чтобы усилить электромагнит, можно увеличить ток или число витков, а также поместить в катушку железный сердечник.

Разбор задач

Задача 1

Два магнита обращены друг к другу полюсами N и S. Нужно определить, будут ли они притягиваться или отталкиваться. Здесь важно установить, одинаковы ли обращённые друг к другу полюса. Полюса обозначены, поэтому дополнительных измерений не требуется.

1. Сравниваем обозначения обращённых друг к другу полюсов: N и S.
2. Это разноимённые полюса, потому что один северный, а другой южный.
3. Применяем правило взаимодействия магнитов: разноимённые полюса притягиваются.

Ответ: магниты будут притягиваться. Если бы друг к другу были обращены два N или два S, они отталкивались бы. Проверка состоит в том, чтобы не перепутать правило для одинаковых и разных обозначений.

Задача 2

Ток в прямом проводнике направлен вверх. Определим, куда направлены магнитные линии вокруг него. Линии идут по окружностям, поэтому нужно найти их направление вокруг провода, а не вдоль него. Сначала уточним, с какой стороны рассматриваем проводник.

1. Направляем большой палец правой руки вверх, то есть по условному направлению тока.
2. Сгибаем остальные пальцы вокруг проводника: они показывают ход магнитных линий.
3. Если смотреть сверху, вдоль провода вниз к его основанию, согнутые пальцы идут против часовой стрелки.

Ответ: при взгляде сверху линии направлены против часовой стрелки. Если смотреть снизу, направление будет казаться противоположным, потому что изменится точка наблюдения. Направление тока при этом не меняется: большой палец всё время задаёт именно условное направление тока.

Задача 3

Предложим, как усилить электромагнит, не меняя его конструкцию полностью. Сила электромагнита зависит от тока, числа витков и наличия сердечника. Значит, нужно выбрать способ, который меняет один из этих факторов, сохраняя основную конструкцию катушки. Можно предложить несколько вариантов.

1. Увеличить силу тока в катушке, если это допускает источник питания: более сильный ток создаёт более сильное магнитное поле.
2. Добавить витки провода: поля витков складываются, поэтому общее поле катушки усиливается.
3. Если сердечника нет, вставить железный: он намагнитится в поле катушки и усилит её действие.

Ответ: увеличить ток или число витков, а при отсутствии сердечника — добавить железный сердечник. Эти меры усиливают электромагнит по разным причинам, поэтому можно выбрать одну или сочетать несколько. При изменении тока нужно учитывать возможности источника и провода.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что у магнита может быть только один полюс. Её допускают, представляя магнит как два отдельных конца, которые можно разделить. Проверьте себя: при разламывании каждая часть становится магнитом с северным и южным полюсами.

• Ошибка — воспринимать магнитные линии как реальные нити или траектории частиц. Это условное изображение, которое помогает показать направление и распределение поля. Проверьте себя: линии не являются предметами, которые можно увидеть или потрогать.

• Ошибка — определять направление линий по движению электронов. Правило правой руки применяют к условному направлению электрического тока, которое противоположно направлению движения электронов. Проверьте себя: сначала укажите заданное направление тока, а затем направьте по нему большой палец.

• Ошибка — считать, что катушка без тока сохраняет действие электромагнита с током. Поле катушки связано с протеканием тока, поэтому после отключения оно существенно ослабевает. Проверьте себя: выясните, замкнута ли цепь и течёт ли в ней ток.

Связь с другими темами

Чтобы изучать магнитные явления, нужно знать, что такое электрический ток, как обозначают его направление и чем проводник отличается от изолятора. Представление о взаимодействии тел на расстоянии помогает понять, почему поле действует без непосредственного соприкосновения. Далее можно изучать действие магнитного поля на проводник с током. Знания об электромагнитах пригодятся при разборе устройства электродвигателей, электрических звонков и других приборов.

Что запомнить

• У постоянного магнита всегда есть северный и южный полюса.
• Одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Магнитное поле создают магниты и электрические токи.
• Магнитные линии условно показывают направление и распределение поля.
• Вокруг прямого проводника с током магнитные линии имеют форму окружностей.
• Катушка с током создаёт магнитное поле, а сердечник усиливает его.
• Магнитное действие электромагнита можно менять, изменяя ток и число витков.