§ 32. Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле катушки с током

Определения и обозначения

Магнитное поле проводника с током — поле, возникающее вокруг проводника, когда по нему проходит электрический ток. Оно действует на магнитную стрелку, поэтому его можно обнаружить без прямого наблюдения. Это понятие помогает объяснить, почему электрический ток влияет на магниты.

Правило правой руки — способ определить направление линий магнитного поля прямого проводника: большой палец направляют по току, а согнутые пальцы показывают направление линий. Пальцы как бы обхватывают проводник. Правило нужно, чтобы узнать, куда отклонится магнитная стрелка.

Катушка с током — проводник, намотанный витками; магнитные поля отдельных витков складываются и образуют общее поле катушки. Благодаря такому сложению поле внутри катушки может быть сильнее, чем поле отдельного витка. Это объясняет действие катушки как магнита.

Полюса катушки — её участки, у которых линии магнитного поля выходят из одного конца и входят в другой; их называют северным и южным. Полюса находятся на противоположных концах катушки. Такое обозначение позволяет сравнивать её поле с полем постоянного магнита.

Как это устроено

Наличие магнитного поля вокруг проводника обнаруживают по отклонению магнитной стрелки, расположенной рядом. Стрелка сама является маленьким магнитом, поэтому поворачивается под действием поля. Если ток выключить, поле, созданное током, исчезает, и его действие на стрелку прекращается.

Вокруг прямого проводника линии магнитного поля имеют вид концентрических окружностей. Это можно понять, наблюдая направление стрелки в разных точках вокруг провода: она каждый раз ориентируется вдоль линии поля. Поскольку проводник находится в центре этих окружностей, линии окружают его, а не идут вдоль него.

Направление линий зависит от направления тока. Чтобы его определить, представь, что правая рука обхватывает проводник: большой палец направлен по условному току, а согнутые пальцы показывают направление поля. Если поменять направление тока на противоположное, изменится и направление линий, потому что магнитное действие тока связано с тем, куда движутся заряды.

При увеличении силы тока магнитное поле проводника становится сильнее: более интенсивный ток сильнее проявляет своё магнитное действие. Наоборот, по мере удаления от провода действие ослабевает, поэтому магнитная стрелка вдали отклоняется меньше. Значит, при сравнении поля нужно учитывать и силу тока, и расстояние до проводника.

В катушке поле каждого витка действует вместе с полями остальных витков. Внутри катушки эти поля направлены примерно одинаково и складываются, поэтому там поле сильнее и ориентировано приблизительно вдоль оси катушки. Снаружи линии огибают катушку и образуют картину, похожую на поле постоянного магнита: они выходят с одного конца и входят в другой.

Сравнение магнитных полей прямого проводника и катушки с током

Сначала найди, какой объект рассматривается, а затем сравни форму и направление его линий поля. Строки о токе помогают понять, что изменится при его увеличении или смене направления. Таблица показывает качественные закономерности и не даёт численных значений силы поля.

Разбор задач

Задача 1. По прямому проводнику ток направлен вверх. Указать направление линий магнитного поля с восточной и западной сторон проводника.

1. Представим проводник вертикальным, а направления сторон света — обычными: восток справа, запад слева.
2. Направим большой палец правой руки вверх, то есть по току. Согнутые пальцы покажут, как линии поля обходят проводник.
3. Проверим положение каждой стороны относительно провода: с восточной стороны поле направлено к северу, с западной — к югу.

Ответ: с восточной стороны линии поля направлены к северу, с западной — к югу.

Задача 2. Магнитная стрелка рядом с проводником отклоняется в одну сторону. Определить, как изменится её отклонение, если изменить направление тока на противоположное.

1. Стрелка ориентируется вдоль магнитного поля, созданного током, поэтому направление её отклонения связано с направлением поля.
2. По правилу правой руки видим: при развороте тока согнутые пальцы укажут противоположное направление линий поля.
3. Поле не исчезнет, но начнёт действовать на стрелку с другой стороны, поэтому её отклонение изменится на противоположное.

Ответ: стрелка отклонится в другую сторону.

Задача 3. Сравнить поле двух одинаковых катушек: в одной ток больше, а в другой больше витков. Как качественно усилить поле первой катушки?

1. Вспомним, что поле катушки усиливается при увеличении силы тока и числа витков: поля витков складываются.
2. В первой катушке уже больший ток, но во второй больше витков. Без численных данных нельзя установить, какая катушка создаёт более сильное поле.
3. Чтобы усилить поле первой катушки, можно увеличить её ток или добавить витки. Эти действия усиливают поле независимо от того, как устроена вторая катушка.

Ответ: увеличить силу тока в первой катушке или число её витков; точное сравнение двух катушек без дополнительных данных невозможно.

Типичные ошибки

Можно перепутать направление тока с направлением линий магнитного поля и решить, что линии идут вдоль провода. Так происходит, если представлять ток и поле как одно и то же. Проверь себя: вокруг прямого проводника линии образуют окружности, а ток направлен вдоль самого проводника.

При использовании правила правой руки иногда направляют большой палец не по условному направлению тока. Тогда направление поля получится обратным. Перед тем как смотреть на согнутые пальцы, проверь, что большой палец совпадает со стрелкой тока.

Ещё одна ошибка — считать, что при изменении направления тока магнитное поле исчезает. Меняется не наличие поля, а направление его линий, потому что ток продолжает создавать магнитное действие. Проверь рассуждение: если ток есть, поле есть, но его направление определяется новым направлением тока.

Нельзя считать, что поле катушки устроено так же, как поле вокруг одного прямого участка провода. В катушке поля витков складываются, поэтому она имеет два полюса и поле, похожее на поле постоянного магнита. Чтобы проверить себя, сравни не один виток, а общее действие всей катушки.

Связь с другими темами

Для изучения этой темы нужно знать, что такое электрический ток и как определить его условное направление в проводнике. Также пригодится умение пользоваться магнитной стрелкой и различать её северный и южный полюса. Эти знания помогают связать направление тока с наблюдаемым отклонением стрелки.

Представление о поле катушки станет основой для изучения электромагнита: катушка с током способна действовать как магнит. Те же знания пригодятся при разборе принципа работы электродвигателя и действия магнитного поля на проводник с током. В этих устройствах важно понимать, как ток создаёт поле и как поле влияет на другие объекты.

Что запомнить

• Электрический ток создаёт магнитное поле.
• Линии поля прямого проводника с током — концентрические окружности вокруг проводника.
• Правило правой руки связывает направление тока с направлением линий поля.
• Изменение направления тока меняет направление магнитного поля.
• Сила магнитного поля проводника возрастает при увеличении силы тока.
• Поля витков катушки складываются; катушка имеет северный и южный полюса.