43. Магнитное поле прямолинейного тока

Определения и обозначения

Магнитное поле прямолинейного тока — поле, возникающее вокруг проводника, по которому течёт электрический ток. Иначе говоря, движущиеся по проводу заряженные частицы создают магнитное действие вокруг него. Это понятие помогает объяснить, почему ток влияет на магнитную стрелку и другие магниты.

Магнитная линия — условная линия, направление которой в каждой точке совпадает с направлением магнитного поля. Линии не являются настоящими нитями, но с их помощью удобно изображать форму и направление поля. По их расположению можно сравнивать поле в разных местах.

Правило правой руки — способ определить направление магнитных линий по направлению тока в прямом проводнике. Большой палец правой руки направляют по току, а согнутые пальцы показывают, куда направлено поле вокруг провода. Правило нужно, чтобы не перепутать направление вдоль проводника с направлением линий вокруг него.

Магнитная индукция — физическая величина, характеризующая магнитное поле. Её обозначают латинской буквой B, а единицей измерения служит тесла (Тл). Значение индукции позволяет говорить о величине поля: чем она больше, тем сильнее магнитное действие.

Как это устроено

Положим рядом с прямым проводником компас и включим ток. Стрелка отклонится, потому что на неё действует магнитное поле, возникшее вокруг проводника. Если выключить ток, это действие исчезнет или заметно ослабнет. Такой опыт показывает, что магнитное поле создаётся не только постоянными магнитами, но и электрическим током.

Чтобы понять форму поля, можно рассмотреть его в разных точках вокруг провода. В каждой из них направление оказывается касательным к окружности с центром на проводнике. Поэтому магнитные линии прямого тока изображают концентрическими окружностями, лежащими в плоскостях, перпендикулярных проводу. Такая форма связана с тем, что поле огибает проводник со всех сторон, а не идёт вдоль него.

Направление окружностей определяют правилом правой руки. Обхватите воображаемый проводник правой рукой так, чтобы большой палец был направлен по току: куда смотрят согнутые пальцы, туда направлены линии поля. Причина удобства правила в том, что большой палец показывает направление тока вдоль провода, а остальные пальцы — направление охватывающего его поля. Если требуется определить направление тока по известному полю, правило применяют в обратном порядке.

При изменении направления тока заряженные частицы начинают двигаться по проводу в обратную сторону. Поэтому меняется и направление магнитного поля: линии идут по тем же окружностям, но обходят проводник противоположно. Это можно проверить компасом: после переключения тока стрелка отклонится в другую сторону. Значит, для определения поля всегда нужно сначала установить направление тока.

О поле судят по направлению и расположению магнитных линий. Там, где линии на схеме расположены гуще, поле сильнее; где они разрежены — слабее. Около прямого проводника поле усиливается при увеличении силы тока, потому что ток создаёт более сильное магнитное действие. При удалении от провода оно ослабевает, поэтому в дальней точке магнитная индукция меньше, чем в ближней.

Магнитное поле прямого проводника с током

В первых двух строках направление поля указано для точки справа от вертикального провода, а в последних — направление обхода видно при взгляде на страницу. Условный знак «из страницы» означает движение к наблюдателю, а «вглубь» — от него. Чтобы пользоваться таблицей, сначала выберите положение провода и направление тока, затем примените правило правой руки.

Разбор задач

1. Направление поля справа от вертикального провода

Условие. Прямой проводник с током направлен вертикально вверх. Нужно определить направление магнитной линии в точке справа от него. Представьте проводник вертикальной линией на странице, а нужную точку — справа от этой линии.

1. Установите направление тока: он идёт вверх вдоль провода.
2. Направьте большой палец правой руки вверх, параллельно току. Согнутые пальцы показывают, как поле обходит проводник.
3. Посмотрите, куда направлен палец, огибающий провод справа: он указывает вглубь страницы, от наблюдателя.

Ответ: в точке справа от провода магнитное поле направлено вглубь страницы. Если бы ток шёл вниз, поле в этой точке было бы направлено к наблюдателю.

2. Направление тока по направлению поля

Условие. На схеме показаны проводник и направление магнитной линии в одной точке. Требуется определить направление тока. Сначала уточните положение точки относительно провода и направление поля именно в ней: без этого одного указания о линии недостаточно.

1. Представьте правую руку так, чтобы согнутые пальцы совпали с направлением магнитной линии в отмеченной точке.
2. Проверьте, как при таком положении обхватывается проводник. Большой палец покажет направление тока.
3. Если большой палец направлен к наблюдателю, ток условно идёт из страницы; если от наблюдателя — вглубь. Для вертикального провода палец укажет вверх или вниз.

Ответ: направление тока совпадает с направлением большого пальца при таком положении руки, когда согнутые пальцы следуют по магнитной линии. Поскольку конкретное направление линии на схеме здесь не задано, выбрать между двумя направлениями тока нельзя.

3. Сравнение поля на разном расстоянии

Условие. Две точки находятся около прямого проводника с током: первая ближе к нему, вторая дальше. Направление и сила тока одинаковы, нужно сравнить магнитное поле в точках. Здесь меняется только расстояние, поэтому влияние силы тока на сравнение не меняется.

1. Вспомните, что магнитные линии окружают проводник и по мере удаления располагаются реже.
2. Сила тока в обеих ситуациях одинакова, значит, различие не связано с изменением тока.
3. Ближняя точка расположена там, где поле сильнее; в дальней точке магнитное действие слабее.

Ответ: магнитное поле сильнее в первой, ближней точке. Направление поля в обеих точках соответствует одному и тому же обходу проводника, поскольку направление тока не менялось.

Типичные ошибки

Путают направление тока и магнитных линий. Ток проходит вдоль проводника, а линии поля охватывают его окружностями; их легко перепутать, если представить оба направления как движение по одной линии. Проверьте себя: большой палец должен идти вдоль провода, а согнутые пальцы — вокруг него.

Направляют большой палец не по току. Тогда правило правой руки даст противоположное направление поля. Ошибка возникает, если вместо направления условного тока мысленно выбрать движение электронов. Перед применением правила отдельно отметьте стрелкой, куда направлен ток, и только затем поставьте большой палец.

Забывают, что при смене тока поле тоже меняется. Если считать направление поля неизменным, легко неверно истолковать опыт или схему. Причина ошибки — внимание только к форме линий, которая действительно остаётся окружностями. Для самопроверки поменяйте направление большого пальца: согнутые пальцы должны показать обратный обход.

Считают, что линии пересекаются или идут прямо вдоль провода. Так могут ошибочно изобразить направление поля, смешав его с направлением тока. Пересечение означало бы, что в одной точке поле имеет сразу два направления, а это невозможно. Проверьте рисунок: линии должны быть замкнутыми окружностями вокруг провода и не пересекать друг друга.

Связь с другими темами

Для начала нужно помнить, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, и уметь определять его направление. Тема опирается на представление о магнитном поле и магнитных линиях, а также на наблюдение за поведением магнитной стрелки. Правило правой руки понадобится при изучении действия магнитного поля на проводник с током и устройства электромагнитов. Понимание направления поля помогает объяснять, почему ток и магнит взаимодействуют.

Что запомнить

• Электрический ток создаёт магнитное поле.
• Линии магнитного поля прямого тока — концентрические окружности вокруг проводника.
• Плоскости этих окружностей перпендикулярны проводнику.
• Направление линий определяют правилом правой руки.
• При изменении направления тока направление магнитного поля меняется на противоположное.
• Магнитное поле становится слабее с увеличением расстояния от проводника.