"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Электрический ток создаёт магнитное поле, которое действует на магниты и другие токи. Это поле нельзя увидеть непосредственно, но его действие обнаруживается по отклонению магнитной стрелки и взаимодействию проводников. Для описания поля используют вектор магнитной индукции B, а его направление показывают замкнутыми линиями. Разобравшись, как устроены эти линии и как применять правило правой руки, можно определять направление поля и объяснять магнитные взаимодействия.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное поле — особая форма материи, которую создают движущиеся электрические заряды и которая действует на токи и магниты. Его нельзя свести к условному рисунку: поле физически существует и проявляется через действие на тела. Это понятие помогает объяснить, почему ток может поворачивать магнитную стрелку и влиять на другой проводник с током.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле; её обозначают B, а измеряют в теслах (Тл). Векторность означает, что у величины есть и численное значение, и направление. Поэтому для описания поля недостаточно указать, насколько оно сильно: нужно также определить, куда направлен вектор B.
Линии магнитной индукции — условные линии, которые используют для изображения магнитного поля. В каждой точке направление касательной к такой линии совпадает с направлением вектора B. Линии замкнуты: это позволяет представить поле целиком, не приписывая ему отдельные точки, где оно начинается или заканчивается.
Правило правой руки — способ определить направление линий магнитного поля прямого проводника с током. Проводник мысленно обхватывают правой рукой так, чтобы большой палец был направлен вдоль тока, а согнутые пальцы показывали направление линий поля. Правило нужно, когда требуется связать направление тока с направлением магнитной индукции вокруг него.
Связь электрического тока с магнетизмом обнаружил Эрстед: рядом с проводом он разместил магнитную стрелку и замкнул электрическую цепь. Стрелка отклонилась, хотя проводник не касался её. Причина отклонения — магнитное поле, возникшее вокруг проводника при движении зарядов; изменение направления тока меняет и направление действия поля. Так опыт показал, что ток не только переносит заряд, но и создаёт магнитное поле.
Магнитные взаимодействия возникают потому, что поле одного объекта действует на другой. Например, поле проводника с током поворачивает магнитную стрелку, а поле одного проводника действует на ток в соседнем проводнике. В результате проводники могут притягиваться или отталкиваться. Такое объяснение связывает наблюдаемое движение тел не с прямым контактом, а с действием магнитных полей.
У прямого проводника направление поля зависит от направления тока: при смене тока линии обходят проводник в противоположную сторону. Это можно определить правилом правой руки: большой палец задаёт направление тока, а сгиб пальцев — направление линий. Например, если ток идёт вверх, линии вокруг провода направлены против часовой стрелки, если смотреть сверху. Правило удобно применять и в обратном порядке, когда по линиям нужно установить направление тока.
Форма линий зависит от формы проводника. У прямого проводника они представляют собой концентрические окружности, окружающие его. У кругового витка линии проходят через его центр, потому что поле от разных участков провода складывается и направляется вдоль оси витка. В катушке поля отдельных витков складываются особенно согласованно внутри неё, поэтому там линии почти параллельны.
Вокруг отдельного прямого проводника поле неоднородно: его направление меняется по окружности, а величина зависит от положения точки. Внутри длинной катушки поле близко к однородному, поскольку линии там почти параллельны и расположены примерно равномерно. Значит, картина поля определяется не только наличием тока, но и формой проводника. Изменяя проводник, можно получить поле с нужным направлением и распределением.
| Источник поля | Форма линий магнитной индукции | Как определить направление поля | Особенности поля |
|---|---|---|---|
| Прямой проводник с током | Концентрические окружности вокруг проводника | Правило правой руки: большой палец вдоль тока, согнутые пальцы вдоль линий | Поле неоднородно; направление и величина зависят от точки |
| Круговой виток с током | Замкнутые линии проходят через центр витка | Согнутые пальцы правой руки направить по току; большой палец покажет поле вдоль оси витка | Поля отдельных участков провода складываются в центре |
| Катушка с током | Внутри линии почти параллельны, снаружи образуют замкнутые контуры | Согнутые пальцы правой руки направить по току в витках; большой палец укажет поле внутри | Внутри длинной катушки поле близко к однородному |
Сначала определите форму проводника, а затем сопоставьте её с картиной линий в таблице. Чтобы найти направление поля, проследите за направлением тока и примените правило правой руки. Учтите, что направление вектора B в любой точке задаётся касательной к линии поля.
Условие: вокруг прямого вертикального проводника течёт ток вверх. Нужно определить направление линий магнитного поля в точке справа от проводника. Важно отличать направление тока вдоль провода от направления поля вокруг него. Рассматривать удобно, стоя лицом к проводнику.
Ответ: в точке справа от провода магнитное поле направлено к наблюдателю, из плоскости страницы. Проверка: если перейти на противоположную сторону провода, направление поля будет обратным. Это согласуется с тем, что линии образуют окружности вокруг проводника.
Условие: на схеме показаны магнитные линии прямого проводника; требуется определить направление тока и вектора B в заданной точке. Сам рисунок в условии не задан, поэтому точный ответ «вверх» или «вниз» зависит от того, куда направлены стрелки на линиях. Решение строится по направлению обхода линий и касательной в точке.
Ответ: ток направлен вдоль большого пальца правой руки, а вектор B — по касательной к линии в указанной точке. Без ориентации стрелок на конкретной схеме нельзя назвать сторону тока или точное направление касательной. Не заменяйте касательную направлением к центру окружности: вектор поля лежит вдоль линии.
Условие: два параллельных проводника проводят токи в одном направлении. Нужно определить характер их взаимодействия и объяснить причину через магнитные поля. Здесь важно рассмотреть не только поле каждого проводника, но и его действие на ток в соседнем проводнике. Для одинаково направленных токов результатом будет притяжение.
Ответ: параллельные проводники с токами в одном направлении притягиваются. Причина — действие магнитного поля каждого проводника на ток в другом. Если направление одного из токов изменить, изменится и характер взаимодействия: проводники будут отталкиваться.
Ошибка — считать магнитное поле веществом или только способом изобразить взаимодействие. Такое представление возникает, потому что поле нельзя увидеть напрямую, а на рисунках его показывают линиями. Проверьте себя: линии — условное изображение, а поле реально и обнаруживается по его действию на магниты и токи.
Ошибка — путать направление тока с направлением магнитных линий. Ток направлен вдоль проводника, а линии поля огибают его, поэтому эти направления не совпадают. Путаница появляется, если сразу смотреть на схему без применения правила. Сначала укажите ток, затем используйте правую руку и проверьте, что пальцы направлены вокруг провода.
Ошибка — считать, что у магнитных линий есть начало и конец. Это может показаться естественным, если воспринимать линии как стрелки, расходящиеся от источника. Но стрелки лишь отмечают направление поля, а линии замкнуты. Проверка: проследите контур целиком — он не обрывается в какой-либо точке пространства.
Ошибка — определять вектор B по положению проводника или по направлению линии на рисунке без учёта точки. Направление вектора меняется вдоль кривой, поэтому одного знания формы линии недостаточно. Найдите касательную именно в заданной точке и ориентируйте её по стрелке поля. Так вы проверите, что B направлен вдоль линии, а не, например, к проводнику или от него.
Для понимания магнитного поля токов нужно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. Также важно уметь задавать направление тока: оно понадобится при применении правила правой руки. Если направление тока изменится, изменится и направление создаваемого им поля.
Представление о силовом поле помогает сравнить магнитное поле с электрическим: оба описывают действие на расстоянии, но магнитное поле связано с движущимися зарядами и действует на токи и магниты. Понятие векторной величины объясняет, почему для характеристики магнитного поля нужны и значение, и направление B. Это становится основой для дальнейших количественных задач.
Знание магнитного поля токов пригодится при изучении силы Ампера, которая действует на проводник с током в магнитном поле, и силы, действующей на движущиеся заряды. Те же представления необходимы для электромагнитной индукции — явления возникновения электрического тока при изменении магнитного поля. Так тема связывает действие токов с последующими разделами электромагнетизма.
Что именно создаёт магнитное поле?
Магнитное поле создают движущиеся электрические заряды, например электрический ток в проводнике. Оно также связано с магнитами и действует на токи и магниты.
Как понять, куда направлен вектор магнитной индукции?
В выбранной точке он направлен по касательной к линии магнитной индукции. Направление линии в этой точке показывает, куда был бы направлен вектор B.
Как определить направление магнитного поля прямого проводника?
Обхватите проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал вдоль тока. Согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля.
Почему магнитные линии изображают замкнутыми?
Магнитное поле не имеет отдельных источников и стоков, от которых линии начинались бы или на которых заканчивались. Поэтому линии магнитной индукции образуют замкнутые контуры.
Чем поле катушки отличается от поля прямого проводника?
Вокруг прямого проводника линии поля имеют вид концентрических окружностей, а поле заметно меняется от точки к точке. Внутри длинной катушки линии почти параллельны, поэтому поле там близко к однородному.
§ 15. Магнитные взаимодействия. Магнитное поле токов
