§1. Магнитные взаимодействия. Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитное взаимодействие — взаимодействие между магнитами, проводниками с током и движущимися заряженными частицами. Оно проявляется в притяжении или отталкивании магнитов, а также в действии магнитного поля на ток. Это понятие объединяет разные явления, имеющие одну физическую природу.

Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется магнитное взаимодействие. Его создают постоянные магниты и электрические токи. Поле нельзя увидеть непосредственно, но его существование обнаруживают по действию на другие магниты и токи.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке. Её направление задаётся направлением северного полюса магнитной стрелки, а модуль показывает поле количественно. Поэтому магнитная индукция позволяет сравнивать поля и предсказывать их действие.

Линии магнитной индукции — линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Стрелки на линиях показывают направление поля. По их расположению удобно изображать поле на рисунке.

Как это устроено

Магнитные взаимодействия похожи на электрические тем, что могут приводить и к притяжению, и к отталкиванию. Однако магнитное действие обнаруживается не только между постоянными магнитами: его оказывает и проводник с током. Причина в том, что электрический ток связан с движением зарядов, а движущиеся заряды создают магнитное поле.

Магнитное поле возникает вокруг магнита и вокруг проводника, по которому течёт ток. Само поле не является материальным предметом вроде магнита, но оно реально действует на другие магниты и токи. Такое представление позволяет объяснить взаимодействие на расстоянии: один источник создаёт поле, а другой объект реагирует на него.

Чтобы описать поле в каждой точке, вводят магнитную индукцию. Её направление определяют по северному полюсу небольшой магнитной стрелки, помещённой в исследуемую точку: стрелка устанавливается вдоль поля. Модуль магнитной индукции нужен для количественного сравнения: при большей индукции действие поля на подходящий объект сильнее.

Поле изображают линиями магнитной индукции. В каждой точке направление линии совпадает с направлением вектора, поэтому стрелки и касательные помогают определить ориентацию поля. Если линии расположены гуще, поле считают относительно более сильным, а если реже — более слабым. Линии замкнуты: у магнитного поля нет обнаруженных магнитных зарядов, которые служили бы началом или концом линий, как это возможно для электрического поля.

Магнитное поле и его изображение

Сначала по таблице определите источник поля, затем установите направление магнитной индукции. После этого оцените расстояние между линиями, чтобы сравнить величину поля в разных областях. Густота не заменяет стрелки: она показывает силу, но не направление.

Разбор задач

1. Взаимодействие магнитных стрелок

Условие. Две магнитные стрелки расположены рядом. Рядом оказываются одноимённые полюса. Нужно определить, притягиваются стрелки или отталкиваются.

1. У магнитной стрелки есть северный и южный полюса.
2. Сравниваем полюса, оказавшиеся рядом: они одноимённые.
3. Применяем правило взаимодействия: одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

Ответ: магнитные стрелки отталкиваются.

2. Направление магнитной индукции

Условие. На схеме показаны линии магнитной индукции и точка A. Требуется указать направление вектора магнитной индукции в точке.

1. Находим линию, проходящую через точку A, или её участок рядом с точкой.
2. Проводим мысленную касательную к линии в точке A.
3. Выбираем направление касательной по стрелке, нанесённой на линии. Это и есть направление вектора магнитной индукции.

Ответ: вектор направлен по касательной к линии в точке A в сторону, указанную стрелкой.

3. Сравнение магнитной индукции

Условие. В двух областях линии магнитного поля имеют разную густоту. Нужно сравнить магнитную индукцию в отмеченных точках.

1. Смотрим, в какой области на одинаковом участке помещается больше линий.
2. Более плотное расположение означает большую относительную величину магнитной индукции.
3. Сравниваем точки именно по густоте линий, а направление определяем отдельно по стрелкам.

Ответ: в точке, где линии расположены гуще, модуль магнитной индукции больше.

Типичные ошибки

Ошибка: считать магнитное поле материальным объектом вроде магнита. Так происходит из-за привычки называть источником и поле одним словом; проверьте себя вопросом: что создаёт поле и что передаёт действие?

Ошибка: путать направление магнитной индукции с направлением тока или движения заряда. Эти направления могут не совпадать, поэтому ориентируйтесь на северный полюс стрелки или касательную к линии поля.

Ошибка: изображать линии начинающимися на северном полюсе и заканчивающимися на южном. Такое представление переносят с электрического поля; вспомните, что магнитные линии замкнуты.

Ошибка: определять направление по густоте линий. Густота показывает относительную величину поля, а направление задают стрелка на линии и касательная к ней.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что такое электрический ток, и понимать, как магнитная стрелка указывает направление поля. Понятия магнитного поля и магнитной индукции понадобятся при изучении действия поля на проводник с током и движущийся заряд. Представление о поле как способе передачи взаимодействия связывает магнитные явления с электростатикой и электрическим полем.

Что запомнить

• Магнитное взаимодействие наблюдается между магнитами и проводниками с током.
• Магнитное поле создаётся магнитами и электрическими токами.
• Магнитная индукция — векторная характеристика магнитного поля.
• Направление магнитной индукции совпадает с направлением, куда указывает северный полюс магнитной стрелки.
• Касательная к линии магнитной индукции задаёт направление поля в данной точке.
• Чем гуще линии магнитной индукции, тем сильнее поле.
• Линии магнитной индукции замкнуты.