§ 31. Постоянные магниты. Магнитное поле

Определения и обозначения

Постоянный магнит — тело, которое длительное время сохраняет способность притягивать некоторые предметы без подключения к источнику тока. Например, магнит может действовать на железный гвоздь сам по себе. Это понятие нужно, чтобы отличать постоянный магнит от электромагнита, которому для действия обычно нужен ток.

Магнитный полюс — область магнита, где его действие проявляется наиболее сильно. У каждого магнита есть северный и южный полюса, которые обозначают буквами N и S. Понятие полюса помогает предсказывать взаимодействие магнитов.

Магнитное поле — особый вид материи, посредством которого магнит действует на другие магниты и магнитные тела. Поле нельзя увидеть непосредственно, но его обнаруживают по действию на стрелку или железные опилки. Так описывают действие магнита даже тогда, когда магниты не соприкасаются.

Линии магнитного поля — условные линии, показывающие направление магнитного поля в разных точках пространства. Они образуют замкнутые линии: вне магнита идут от северного полюса к южному, а внутри возвращаются к северному. Это не настоящие нити, а удобный способ изображения поля.

Как это устроено

Магнитное поле обнаруживают с помощью железных опилок: в поле каждая опилка намагничивается и поворачивается. Поэтому опилки выстраиваются цепочками, показывая общую картину поля вокруг магнита. Магнитная стрелка действует как маленький магнит и поворачивается вдоль поля. Её северный конец указывает принятое направление поля в данной точке.

У полюсов магнит действует сильнее, потому что именно там магнитное действие сосредоточено наиболее заметно. Если подносить железный предмет к разным участкам магнита, у концов он притягивается сильнее, чем возле середины. Средняя часть не лишена поля, просто его действие там слабее. Поэтому полюса находят не только по форме магнита, но и по силе его действия.

Взаимодействие полюсов зависит от их названий. Северный полюс одного магнита и южный полюс другого притягиваются, потому что это разноимённые полюса. Два северных или два южных полюса отталкиваются. Если магнит подвесить свободно, он устанавливается примерно вдоль направления север—юг, поэтому полюса получили такие названия.

Вокруг прямого магнита линии поля изгибаются: снаружи они выходят из северного полюса и входят в южный, а внутри магнита продолжаются обратно. Там, где линии расположены гуще, поле сильнее, поэтому около полюсов они особенно плотные. Линии не пересекаются, поскольку магнитная стрелка в одной точке не может одновременно указывать два разных направления. Замкнутость линий показывает, что магнитное поле не начинается и не заканчивается в одной отдельной точке.

Основные свойства постоянного магнита и его магнитного поля

Таблицу удобно использовать как краткий алгоритм при решении задач: сначала определить полюса, затем направление линий и их густоту. Если в условии описано поведение магнитов, сопоставьте обращённые друг к другу полюса. По рисунку сначала проследите стрелку линии, а потом сравните расстояния между соседними линиями.

Разбор задач

Железный гвоздь и медная проволока

Условие. К магниту поднесли железный гвоздь и медную проволоку. Нужно определить, какой предмет магнит притянет.

1. Определим материалы предметов: гвоздь сделан из железа, проволока — из меди.
2. Вспомним, что магнитное действие заметно проявляется на железе, а медь к обычным магнитам практически не притягивается.
3. Сравним результат с условием: железный предмет попадёт в область заметного магнитного действия, медный — нет.

Ответ: магнит притянет железный гвоздь, но не медную проволоку.

Взаимодействие двух магнитов

Условие. Два магнита сначала поднесли друг к другу северными полюсами, затем северным и южным полюсами. Требуется определить характер взаимодействия.

1. В первом случае обращены друг к другу два северных полюса. Они одноимённые.
2. Одноимённые полюса отталкиваются, значит, магниты будут расходиться.
3. Во втором случае обращены северный и южный полюса. Они разноимённые и притягиваются.

Ответ: северный и северный полюса отталкиваются, а северный и южный притягиваются.

Направление и сила поля по линиям

Условие. По изображению линий поля вокруг магнита нужно указать направление поля в отмеченной точке и определить, где поле сильнее.

1. Найдём на изображении северный и южный полюса магнита.
2. Проведём взглядом линию через отмеченную точку и определим её направление: снаружи она идёт от северного полюса к южному.
3. Сравним густоту линий около отмеченной точки и в других местах. Участок с меньшими промежутками между линиями соответствует более сильному полю.

Ответ: направление совпадает с направлением линии от северного полюса к южному, а сильнее поле там, где линии расположены гуще.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой металлический предмет притягивается магнитом. Её допускают из-за смешения понятий «металл» и «магнитный материал». Проверьте себя: отдельно вспомните свойства железа, стали и меди, а не только внешний вид предмета.

Ошибка: полагать, что разноимённые полюса отталкиваются. Причина — путаница между названиями и результатом взаимодействия. Запомните короткое правило: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются.

Ошибка: считать, что поле есть только рядом с полюсами. Поле окружает весь магнит, но распределено неравномерно. Проверка проста: железные опилки выстраиваются не только у концов, хотя около них цепочки гуще.

Ошибка: изображать линии поля пересекающимися или считать их материальными нитями. Линии являются условным рисунком направления и силы поля, поэтому в одной точке они не могут задавать два направления. Проверьте схему: линии должны быть замкнутыми и непересекающимися.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о взаимодействии тел и о том, как магнитная стрелка устанавливает направление. Далее магнитное поле поможет объяснить действие электрического тока на стрелку и магнитное поле тока. Представление о поле и его линиях понадобится при изучении электрического поля и электромагнитных явлений.

Что запомнить

• Постоянный магнит сохраняет магнитные свойства длительное время.
• У магнита есть северный и южный полюса.
• Одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Магнитное поле действует на магниты и некоторые материалы.
• Вне магнита линии поля направлены от северного полюса к южному.
• Чем гуще линии поля, тем сильнее поле.
• Линии магнитного поля замкнуты и не пересекаются.