"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Электрический ток создаёт магнитное поле, которое действует на движущиеся заряды, другие токи и магниты. Его свойства описывают вектором магнитной индукции B, измеряемой в теслах. Вокруг прямого проводника поле образует концентрические окружности, а его направление находят правилом правой руки. В катушке поля витков складываются и внутри становятся сильнее и почти однородными. Понимание этих закономерностей помогает объяснить работу электромагнитов и электрических устройств.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное поле тока — поле, возникающее вокруг проводника с электрическим током и действующее на движущиеся заряды, проводники с током и магниты. Оно показывает, что действие тока не ограничивается нагреванием проводника или созданием электрического поля. Понятие нужно, чтобы объяснять магнитное взаимодействие токов и работу электромагнитных устройств.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке; её обозначают B и измеряют в теслах (Тл). Вектор учитывает и силу поля, и его направление. С его помощью сравнивают магнитные поля и рассчитывают их совместное действие.
Линии магнитной индукции — воображаемые линии, касательная к которым в каждой точке показывает направление вектора B, а густота условно характеризует силу поля. Чем ближе проведены линии, тем больше магнитная индукция. Такое изображение помогает увидеть форму поля и сравнить его в разных областях.
Правило правой руки — способ определить направление линий магнитной индукции вокруг проводника с током. Если обхватить проводник правой рукой, направив большой палец по условному току, согнутые пальцы покажут направление поля. Правило нужно применять именно к условному направлению тока, а не к движению электронов.
Магнитное поле связано с движением электрических зарядов: упорядоченное движение зарядов в проводнике образует ток, а вместе с ним возникает магнитное действие вокруг проводника. Поэтому ток способен влиять на магнит и на другой проводник с током, даже если они не соприкасаются. Чем больше зарядов проходит через поперечное сечение проводника за секунду, тем больше сила тока и, при прочих равных условиях, сильнее поле.
У прямого проводника линии поля выглядят как концентрические окружности с центром на его оси. Такая форма следует из симметрии: для длинного прямого проводника нет выделенного направления вокруг него, поэтому поле одинаково устроено на одинаковом расстоянии с разных сторон. Направление обхода окружностей задаёт правило правой руки. Если поменять направление тока на противоположное, поле развернётся.
Катушка состоит из множества витков, и каждый из них создаёт магнитное поле. Внутри катушки поля соседних витков направлены преимущественно одинаково, поэтому складываются и дают более сильное поле, чем поле одного проводника. У длинной катушки центральная часть находится далеко от её концов, а поля многих витков там распределены почти равномерно. Поэтому линии внутри неё почти параллельны, а поле называют почти однородным; оно направлено вдоль оси катушки.
Для длинного прямого проводника магнитная индукция вычисляется по формуле B = μ₀I/(2πr), где I — сила тока, r — расстояние до проводника, а μ₀ — магнитная постоянная. Формула показывает две зависимости: увеличение тока усиливает поле, а удаление от провода ослабляет его. Например, если расстояние увеличить вдвое при неизменном токе, индукция станет вдвое меньше. Для применения формулы расстояние необходимо выразить в метрах.
Если в пространстве действуют несколько магнитных полей, результирующий вектор B получают сложением векторов отдельных полей. Это называется принципом суперпозиции. В одной точке сонаправленные вклады усиливают друг друга, а противоположно направленные частично или полностью компенсируются. Поэтому результат зависит не только от силы токов, но и от их направления и расположения проводников.
| Свойство | Прямой проводник | Круговой виток | Длинная катушка |
|---|---|---|---|
| Форма линий магнитной индукции | Концентрические окружности вокруг проводника | Линии проходят через центр витка и замыкаются снаружи | Внутри почти параллельные линии, снаружи замкнутые линии |
| Направление поля | Определяется правилом правой руки | Определяется правилом правой руки для витка | Определяется правилом правой руки для катушки |
| Основная формула | B = μ₀I/(2πr) | B = μ₀I/(2R) в центре витка | B = μ₀nI внутри длинной катушки |
| Как усилить поле | Увеличить ток или уменьшить расстояние | Увеличить ток или число витков | Увеличить ток, число витков на единицу длины или использовать сердечник |
Сначала выберите в таблице форму проводника, затем найдите нужное свойство в соответствующей строке. Формулы относятся к указанным условиям: например, формула витка описывает поле именно в его центре. Для катушки n означает число витков на единицу длины.
Задача 1. Прямой проводник расположен вертикально, ток направлен вверх. Определите направление магнитного поля справа и слева от проводника.
Ответ: справа поле направлено вглубь страницы, слева — из плоскости страницы.
Задача 2. Найдите магнитную индукцию поля прямого проводника с током 5 А на расстоянии 10 см от него.
Ответ: B = 1·10⁻⁵ Тл, или 10 мкТл.
Задача 3. В центре кругового витка радиусом 10 см течёт ток 2 А. Найдите магнитную индукцию и сравните её с полем второго витка, по которому ток течёт в том же направлении.
Ответ: поле первого витка равно примерно 1,26·10⁻⁵ Тл; для второго витка нужны его параметры. При одинаковых витках и токах суммарная индукция равна примерно 2,51·10⁻⁵ Тл.
Путают направление тока с направлением движения электронов. В металле электроны движутся противоположно условному направлению тока, принятому от положительного полюса к отрицательному. Путаница возникает из-за того, что ток связывают именно с движением электронов. Перед применением правила правой руки проверьте, какое направление тока задано в условии, и следуйте ему.
Направляют большой палец по движению электронов. Так поле получается направленным противоположно правильному, потому что правило правой руки сформулировано для условного тока. Ошибку легко допустить, если не различать носители заряда и направление тока. Самопроверка: при движении электронов по проводнику большой палец должен быть направлен в обратную сторону.
Считают, что линии начинаются на одном полюсе и заканчиваются на другом. Такая картина относится к некоторым схемам изображения электрического поля, но магнитные линии замкнуты. Ошибка появляется при переносе привычного представления об электрических зарядах на магниты. Проверьте рисунок или рассуждение: любая линия магнитной индукции должна составлять замкнутую кривую.
Складывают магнитные поля как обычные числа. Магнитная индукция — вектор, поэтому при сложении важны не только значения, но и направления полей. Если направления противоположны, модули не складываются, а могут вычитаться. Сначала определите направление каждого вектора, затем сложите их; если векторы не лежат на одной прямой, используйте векторное сложение.
Для изучения магнитного поля нужны понятия электрического тока, силы тока, проводника и вектора, а также умение переводить величины в единицы СИ. Представление о поле позволяет перейти к силе Ампера, действующей на проводник с током, и силе Лоренца, действующей на движущийся заряд. Поле катушки помогает понять устройство электромагнитов и электродвигателя. Оно также лежит в основе работы реле, громкоговорителя, трансформатора и других электромагнитных устройств.
Почему вокруг неподвижного заряда магнитного поля нет, а вокруг движущегося заряда оно возникает?
Магнитное поле связано с движением электрических зарядов. Неподвижный заряд создаёт электрическое поле, но не магнитное; когда заряд движется, его движение проявляется как магнитное поле.
Как быстро определить направление магнитного поля вокруг прямого проводника?
Обхватите проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал вдоль условного направления тока. Согнутые пальцы покажут, в какую сторону направлены линии магнитного поля.
Почему внутри катушки магнитное поле сильнее, чем у одного прямого проводника?
Каждый виток создаёт собственное магнитное поле, и внутри катушки поля большинства витков направлены одинаково. Поэтому они складываются, а увеличение числа витков и силы тока дополнительно усиливает результат.
Что показывает густота линий магнитной индукции?
Густота линий условно показывает, насколько велик модуль магнитной индукции: чем ближе линии друг к другу, тем сильнее поле. Сами линии — наглядный способ изобразить поле, а не реальные нити в пространстве.
Почему при встречных направлениях токов магнитные поля ослабляют друг друга?
Направление поля каждого тока зависит от направления самого тока. При встречных токах в рассматриваемой области векторы магнитной индукции могут быть направлены противоположно, поэтому при векторном сложении их вклады частично или полностью компенсируются.
§ 12. Магнитное поле тока
