"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Магнитное поле токов возникает вокруг движущихся электрических зарядов и проводников, по которым течёт ток. Оно действует на другие движущиеся заряды, проводники с током и магниты. Главная характеристика поля — вектор магнитной индукции B. По линиям магнитной индукции определяют направление поля, а по их густоте судят о силе. Для прямого проводника линии имеют вид окружностей, а внутри длинного соленоида поле почти однородно.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное поле — форма материи, создаваемая движущимися электрическими зарядами и токами и действующая на движущиеся заряды, проводники с током и магниты. Оно существует не только внутри провода, но и в окружающем пространстве. Это понятие помогает описывать магнитное действие тока без непосредственного контакта.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке; её обозначают B. Вектор показывает направление действия поля, а его значение связано с силой этого действия. Поэтому B используют для сравнения магнитных полей в разных точках.
Линии магнитной индукции — воображаемые линии, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Они не являются настоящими объектами, а служат удобным способом изобразить поле. По направлению линий находят направление поля, а по их густоте оценивают его относительную силу.
Правило правой руки — способ определения направления линий магнитного поля вокруг проводника с током и направления поля соленоида. Для прямого провода большой палец направляют по условному току, а согнутые пальцы показывают линии поля. Это правило связывает направление электрического тока с направлением магнитной индукции.
Опыт Эрстеда показал, что ток отклоняет магнитную стрелку, значит, вокруг проводника возникает магнитное поле. Причина в том, что электрические заряды движутся направленно, а не находятся в покое. При изменении направления тока меняется и направление поля, поскольку магнитное действие связано с движением зарядов.
Вокруг длинного прямого проводника поле имеет вид концентрических окружностей. Так происходит потому, что все точки, равноудалённые от провода, находятся в одинаковых условиях, а направление поля в каждой из них перпендикулярно радиусу и самому проводнику. Правило правой руки позволяет выбрать, в какую сторону обходить эти окружности.
Магнитное поле прямого проводника усиливается при увеличении силы тока: больше движущихся зарядов создают более сильное магнитное действие. При удалении от провода поле ослабевает, потому что действие источника распределяется по окружности всё большего радиуса. Для длинного прямого проводника зависимость записывают так: B = μ₀I/(2πr), где I — сила тока, а r — расстояние до провода.
У кругового витка разные участки провода создают поля, направленные в центре в одну сторону. Поэтому там их действия складываются, а линии искривляются и проходят через внутреннюю область витка. Чем ближе точка к центру, тем заметнее общий результат сложения полей отдельных участков.
В соленоиде — длинной катушке из множества витков — поля соседних витков внутри катушки складываются, а снаружи частично компенсируют друг друга. Поэтому внутри длинного соленоида линии становятся почти параллельными и расположенными примерно равномерно. Поле в такой области называют почти однородным: его магнитная индукция мало меняется от точки к точке.
| Источник магнитного поля | Форма линий магнитной индукции | Направление поля | Область наиболее сильного поля | Зависимость от тока |
|---|---|---|---|---|
| Прямой проводник с током | Концентрические окружности вокруг провода | По правилу правой руки | Вблизи проводника | Усиливается при росте I |
| Круговой виток с током | Замкнутые искривлённые линии, проходящие через центр | По правилу правой руки для витка | В центре и рядом с ним | Усиливается при росте I |
| Катушка (соленоид) с током | Внутри почти параллельные линии, снаружи замкнутые | По правилу правой руки для витков | Внутри катушки | Усиливается при росте I и числа витков |
| Однородность магнитного поля | Линии параллельны и расположены равномерно | Одинаковое направление в области | Внутри длинного соленоида | Сила поля может меняться при изменении I |
| Способ определения направления | Направление касательной к линии | Правило правой руки | Применяется в выбранной точке | Не зависит от величины I |
Сначала определите источник поля, затем найдите нужную область пространства и сравните форму линий. Последняя строка напоминает, что направление находят отдельно от величины поля: ток может быть большим или малым, но правило остаётся тем же. Для оценки силы учитывайте ток, расстояние и расположение проводников.
Условие: ток в вертикальном прямом проводнике направлен вверх. Требуется определить направление линий магнитной индукции в точке рядом с проводником. Точка может находиться с любой стороны, поэтому направление нужно описывать относительно её положения.
Ответ: линии магнитной индукции являются окружностями вокруг проводника, а их направление определяется согнутыми пальцами правой руки. В каждой точке направление поля совпадает с касательной к соответствующей окружности.
Условие: два наблюдения проводят на расстояниях r и 2r от длинного прямого проводника с одним и тем же током. Нужно определить, где поле сильнее, не обязательно выполняя полный расчёт. Сравниваем именно расстояния до оси проводника.
Ответ: магнитное поле сильнее в точке, расположенной на расстоянии r; при удалении до 2r его величина уменьшается вдвое.
Условие: по изображённому направлению тока в витках соленоида нужно найти направление магнитного поля внутри катушки и определить полюс её торца. Направление тока рассматриваем как условное, даже если носители заряда — электроны.
Ответ: направление поля внутри соленоида совпадает с направлением большого пальца правой руки, а торец, к которому направлен этот палец, является северным полюсом.
Путают направление движения электронов с условным направлением электрического тока. Электроны в металле движутся противоположно принятому направлению тока, поэтому правило правой руки применяют именно к условному току. Проверка: сначала стрелкой отметьте направление тока, заданное в условии, и только потом ставьте большой палец.
Рисуют линии поля прямого проводника радиально, как спицы. Такое изображение путает направление от провода с направлением поля: линии должны быть концентрическими окружностями. Проверка проста: в каждой точке линия должна идти по касательной к окружности и быть перпендикулярной проводнику.
Считают, что магнитное поле находится только внутри проводника. На самом деле поле окружает провод с током и распространяется в окружающем пространстве, хотя его сила меняется с расстоянием. Проверка: представьте магнитную стрелку рядом с проводом — именно там она может отклониться.
Проводят линии магнитной индукции через друг друга или задают им произвольные направления. В одной точке вектор B имеет единственное направление, поэтому пересечение линий невозможно. Проверка: проведите касательные к линиям в предполагаемой точке пересечения и убедитесь, что они не требуют двух разных направлений поля.
Для понимания темы нужны понятия электрического тока, силы тока, проводника и направления движения зарядов. Без них нельзя правильно применить правило правой руки и оценить изменение магнитного поля.
Изучение магнитного поля токов подготавливает тему действия поля на проводник с током и силы Ампера. Далее эти знания используются для объяснения работы электромагнитов, электродвигателей, генераторов и других устройств.
Почему электрический ток создаёт магнитное поле?
Ток представляет собой направленное движение электрических зарядов. Движущиеся заряды изменяют свойства окружающего пространства, поэтому вокруг проводника появляется магнитное поле.
Как определить направление магнитного поля вокруг прямого проводника?
Нужно мысленно обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец показывал направление условного тока. Согнутые пальцы укажут направление линий магнитного поля.
Чем магнитное поле соленоида отличается от поля одиночного проводника?
У одиночного прямого проводника линии поля являются концентрическими окружностями вокруг провода. В длинном соленоиде поля отдельных витков складываются внутри катушки, поэтому там поле становится сильнее и почти однородным.
Почему линии магнитной индукции не пересекаются?
В каждой точке пространства вектор магнитной индукции имеет только одно направление. Если бы линии пересекались, в точке пересечения пришлось бы указать два направления поля одновременно.
Где магнитное поле кругового витка наиболее сильное?
Поле особенно сильно вблизи центра витка, где направления полей от разных участков провода складываются согласованно. При удалении от витка оно ослабевает.
§ 4.2. Магнитное поле токов
