"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Магнитное поле объясняет, как магниты и электрические токи действуют друг на друга на расстоянии. Его создают постоянные магниты и движущиеся электрические заряды, а обнаружить поле можно по повороту магнитной стрелки или действию на ток. Главная характеристика поля — вектор магнитной индукции: он показывает направление и величину поля в каждой точке. Силовые линии помогают изображать поле, сравнивать его участки и находить направление действия.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное взаимодействие — взаимодействие магнитов, проводников с током и движущихся электрических зарядов. В отличие от электрического взаимодействия, которое возможно и между неподвижными зарядами, магнитное связано с движением зарядов или магнитными свойствами тел. Это понятие помогает понять, почему ток может воздействовать на магнит, даже если тела не соприкасаются.
Магнитное поле — особая форма материи, создаваемая движущимися зарядами, токами и постоянными магнитами и действующая на другие движущиеся заряды, токи и магниты. Поле не является видимым веществом, но его присутствие обнаруживается по действию на тела. Такое представление объясняет передачу взаимодействия через пространство без непосредственного контакта.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке; её обозначают B, а единица измерения — тесла (Тл). Направление вектора задаётся направлением, куда указывает северный полюс магнитной стрелки. Векторное описание нужно потому, что для характеристики поля важно знать не только его величину, но и направление.
Силовая линия магнитного поля — воображаемая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением магнитной индукции. Линии не пересекаются: в одной точке поле не может иметь сразу два направления. Они нужны для наглядного изображения поля; их густота показывает, где поле сильнее.
Магнит и проводник с током могут взаимодействовать на расстоянии, потому что каждый из них создаёт вокруг себя магнитное поле. Оно распространяет действие источника через окружающее пространство, поэтому прямой контакт не требуется. Если в поле поместить другой магнит или проводник с током, на него подействует магнитная сила. Так обнаруживают существование поля, хотя непосредственно увидеть его нельзя.
Электрический заряд, который движется, создаёт магнитное поле; множество движущихся зарядов в проводнике образуют электрический ток. Причина в том, что магнитные явления связаны именно с движением электрических зарядов, а не просто с их наличием. Поэтому неподвижный заряд в системе отсчёта наблюдателя создаёт электрическое поле, а ток — магнитное. Постоянные магниты также являются источниками магнитного поля.
Поле обнаруживают по его действию: магнитная стрелка поворачивается, если рядом есть магнит или ток, а проводник с током может действовать на другой проводник. На движущийся заряд магнитное поле тоже оказывает воздействие. Эти способы основаны на одном принципе: судить о поле можно по изменению состояния помещённого в него объекта. Магнитную стрелку удобно использовать, чтобы определить направление поля в конкретной точке.
Магнитную индукцию задают вектором, так как действие поля зависит не только от его силы, но и от направления. В каждой точке направление B совпадает с направлением, в котором устанавливается северный полюс маленькой магнитной стрелки. Если поле создаётся несколькими источниками, их вклады складываются как векторы: итоговое направление может отличаться от направления каждого отдельного поля. Модуль индукции измеряют в теслах.
Поле изображают линиями магнитной индукции: касательная указывает направление B, а стрелки показывают ход линии. Линии замкнуты: вне магнита они направлены от северного полюса к южному, а внутри магнита продолжаются от южного к северному. Густо расположенные линии показывают сильное поле, редко расположенные — слабое. Если направление или густота линий меняются, поле неоднородно; при одинаковых направлении и густоте оно может быть однородным.
| Источник магнитного поля | Как обнаруживается поле | Направление магнитной индукции | Как изображают поле | Особенность |
|---|---|---|---|---|
| Постоянный магнит | Поворотом магнитной стрелки или действием на другой магнит | От северного полюса к южному вне магнита | Замкнутыми линиями магнитной индукции | Поле существует без подключения источника тока |
| Прямолинейный проводник с током | Действием на магнитную стрелку или другой проводник с током | По касательной к окружностям вокруг проводника | Концентрическими окружностями вокруг проводника | Направление определяется направлением тока |
| Катушка с током | Действием на магнитную стрелку и другие токи | Вдоль оси катушки и внутри неё | Линиями, похожими на линии поля постоянного магнита | Поле внутри катушки может быть близким к однородному |
| Земное магнитное поле | Ориентацией магнитной стрелки компаса | В направлении магнитного меридиана | Линиями, охватывающими Землю | Используется для ориентирования |
Сначала найди в таблице источник, а затем сравни способ обнаружения и направление поля. Для прямого проводника направление линий можно проверить правилом правой руки; для магнита учитывай, что направление снаружи идёт от северного полюса к южному. Таблица также показывает, что разные источники создают поля со сходными свойствами, но выявляются разными способами.
Условие. Рядом с проводником находится магнитная стрелка, по проводнику проходит ток. Объяснить отклонение стрелки и определить, что произойдёт при изменении направления тока. Нужно связать наблюдаемое движение стрелки с источником поля, а не считать, что ток механически толкает её. Направление отклонения зависит от того, куда направлена магнитная индукция в месте нахождения стрелки.
Ответ: стрелка отклоняется из-за магнитного поля тока; при обращении тока направление поля меняется, поэтому стрелка отклоняется в противоположную сторону.
Условие. Нужно изобразить поле прямого проводника с током, направленным вверх, и указать направление линий. Поле вокруг прямого проводника имеет форму концентрических окружностей, а проводник проходит через их общий центр. Направление нельзя определить только по виду окружностей — для этого требуется связать его с направлением тока.
Ответ: линии — концентрические окружности вокруг провода; их направление определяется правилом правой руки. При токе вверх направление обхода зависит от выбранной стороны взгляда.
Условие. В одной точке действуют два поля: их индукции взаимно перпендикулярны и равны 3 мТл и 4 мТл. Требуется найти модуль результирующей индукции и показать её направление. Поскольку магнитная индукция — вектор, складывать числа 3 и 4 напрямую нельзя. Для перпендикулярных векторов результирующая образует гипотенузу прямоугольного треугольника.
Ответ: модуль результирующей магнитной индукции равен 5 мТл; направление — по диагонали между двумя исходными векторами.
Ошибка — считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты. Так думают, потому что действие магнита заметно без дополнительных приборов, но ток тоже отклоняет магнитную стрелку. Проверка: помести стрелку рядом с проводом, по которому идёт ток; её поворот показывает наличие поля.
Ошибка — путать направление магнитной индукции с направлением движения заряда или тока. Эти направления не обязаны совпадать: направление B определяют по действию поля на магнитную стрелку или по правилу для конкретного источника. Проверь себя, отдельно указав направление тока и направление линий поля; у прямого провода линии вообще идут по окружностям.
Ошибка — рисовать пересекающиеся линии магнитной индукции. Её допускают, когда линии воспринимают как траектории, которые могут встречаться, но касательная к каждой линии задаёт направление поля. В точке пересечения пришлось бы указать два направления B, поэтому сравни рисунок с правилом: через одну точку проходит только одна линия поля.
Ошибка — изображать магнитные линии разомкнутыми внутри магнита. Часто показывают только внешний участок от северного полюса к южному, забывая продолжение внутри магнита. Линии магнитной индукции замкнуты: проверь, что путь от южного полюса внутри магнита возвращается к северному и образует непрерывную линию.
Для изучения магнитного поля нужны понятия электрического заряда, электрического тока, проводника и вектора: без них трудно описать источники поля и направление его действия. Следующий шаг — рассмотреть, как поле действует на проводник с током и движущийся заряд. Это приводит к понятиям силы Ампера и силы Лоренца, а также помогает понять электромагнитную индукцию. На этих явлениях основана работа электродвигателей и генераторов.
Почему магнитное поле нельзя увидеть непосредственно?
Магнитное поле — не видимый предмет, а особое состояние пространства, которое проявляется через действие на магнитную стрелку, ток или движущийся заряд. Поэтому его направление и распределение показывают условными линиями, а наличие проверяют по наблюдаемому действию.
Создаёт ли неподвижный электрический заряд магнитное поле?
В системе отсчёта, в которой заряд неподвижен, он создаёт электрическое поле, но не магнитное. Магнитное поле возникает, когда электрический заряд движется относительно наблюдателя; упорядоченное движение зарядов в проводнике называют током.
Почему линии магнитного поля не пересекаются?
В каждой точке у магнитной индукции есть только одно направление. Если бы две линии пересеклись, касательные в точке пересечения задавали бы два разных направления поля, что невозможно.
Как определить направление магнитного поля вокруг проводника с током?
Используй правило правой руки: направь большой палец по току, а согнутые пальцы покажут направление линий магнитной индукции. Линии вокруг прямого проводника — концентрические окружности.
Чем однородное магнитное поле отличается от неоднородного?
В однородном поле вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению во всех точках. В неоднородном поле он меняется от точки к точке; на рисунке это обычно отражают изменением густоты линий.
§ 1. Магнитные взаимодействия. Магнитное поле
