Постоянные магниты. Магнитное взаимодействие токов

Определения и обозначения

Постоянный магнит — тело, сохраняющее намагниченность и создающее магнитное поле без подключения источника тока. Проще говоря, магнит действует на другие магниты и некоторые материалы, даже когда электрическая цепь не подключена. Это понятие помогает отличать магнитное действие намагниченного вещества от действия тока.

Магнитное поле — форма материи, посредством которой осуществляется действие магнитов и движущихся электрических зарядов. Поле нельзя увидеть непосредственно, но можно обнаружить по его действию на магнитную стрелку или проводник с током. Понятие поля позволяет объяснить, как магниты и токи действуют друг на друга на расстоянии.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле по его действию на ток. Буквой B обозначают индукцию, а её направление совпадает с направлением магнитного поля. Эта величина нужна, чтобы сравнивать поля и рассчитывать силу, с которой поле действует на проводник.

Магнитное взаимодействие токов — притяжение или отталкивание проводников с током, обусловленное создаваемыми ими магнитными полями. Каждый ток создаёт поле, которое действует на другой ток. Это понятие связывает электрический ток с магнитными явлениями и объясняет, почему проводники способны двигаться друг относительно друга.

Как это устроено

У магнита есть северный и южный полюса, потому что магнитное действие вещества проявляется как единая система с двумя концами. Если разломить полосовой магнит, на каждом обломке образуются оба полюса: разделение не разрывает магнитное поле на отдельные части с одним полюсом. Поэтому нельзя получить из обычного магнита только северный или только южный полюс. Одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

Магнитное поле изображают магнитными линиями — условными линиями, направление которых показывает направление поля. Вне магнита линии идут от северного полюса к южному, а внутри возвращаются от южного к северному, поэтому линии замкнуты. Густо расположенные линии показывают, что поле в этой области сильнее. Линии не пересекаются: в одной точке поле не может одновременно иметь два направления.

В проводнике ток возникает из-за упорядоченного движения электрических зарядов, а движущиеся заряды создают магнитное поле. Вокруг прямого проводника линии поля имеют вид окружностей, охватывающих его. Если изменить направление тока, направление движения зарядов тоже изменится, и поле вокруг провода развернётся. Его направление определяют правилом правой руки: большой палец направляют по условному току, а согнутые пальцы показывают ход линий.

Два параллельных проводника с током взаимодействуют, потому что каждый из них создаёт магнитное поле вокруг себя. Это поле действует на движущиеся заряды в соседнем проводнике, то есть на ток в нём, и возникает сила. При токах, направленных одинаково, сила сближает проводники; при противоположных направлениях — раздвигает. Значит, взаимодействие зависит не только от наличия токов, но и от того, куда они направлены.

На проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила Ампера. Её направление находят правилом левой руки: левую руку располагают так, чтобы линии поля входили в ладонь, а четыре пальца показывали направление условного тока; отогнутый на 90° большой палец указывает силу. Величина силы зависит от индукции B, тока I и длины l участка в поле, а также от угла α между током и линиями поля: F = BIl sin α. При перпендикулярном положении проводника F = BIl, а при параллельном сила равна нулю.

Постоянные магниты и магнитное взаимодействие токов

Сначала найди объект или явление в первом столбце, затем проследи по строке, чем создаётся поле и какое действие оно вызывает. Последний столбец подсказывает способ определения направления, но не заменяет проверку того, куда направлены ток и поле в конкретной задаче.

Разбор задач

Задача 1. Нужно определить северный и южный полюса полосового магнита по направлению изображённых магнитных линий. Сам рисунок здесь не задан, поэтому применим правило к любому варианту. Важно смотреть на линии вне магнита, где направление от северного полюса к южному.

1. Найди на изображении стрелки магнитных линий, проходящие снаружи магнита. Не ориентируйся на направление линий внутри него, поскольку там они идут обратно.
2. Проследи, от какого конца магнита стрелки выходят и к какому концу входят. Линии вне магнита выходят из северного полюса и входят в южный.
3. Подпиши конец, откуда линии выходят, как северный полюс N, а конец, куда они входят, — как южный полюс S. Проверь, что внутри магнита линии возвращаются от S к N.

Ответ: полюс, от которого вне магнита направлены линии, — северный; полюс, к которому они направлены, — южный.

Задача 2. Установить, притягиваются или отталкиваются два параллельных проводника, если токи направлены в одну сторону или в противоположные стороны. Здесь не требуется вычислять силу: достаточно сравнить направления токов. Взаимодействие возникает потому, что поле каждого проводника действует на ток в другом.

1. Посмотри на стрелки, показывающие условное направление тока в обоих проводниках. Если стрелки направлены одинаково, токи сонаправлены.
2. Примени правило взаимодействия параллельных токов: сонаправленные токи притягиваются. Значит, сила на каждом проводнике направлена к соседнему.
3. Если стрелки направлены в противоположные стороны, токи противоположны и проводники отталкиваются. Сила на каждом направлена от другого проводника.

Ответ: при одинаковом направлении токов проводники притягиваются, при противоположном — отталкиваются.

Задача 3. В однородном магнитном поле с индукцией 0,4 Тл находится проводник длиной 0,5 м с током 3 А; проводник перпендикулярен линиям поля. Найти силу Ампера и определить её направление по рисунку. Числовые данные позволяют найти величину силы, а направление можно установить только по направлениям тока и поля на рисунке.

1. Запиши данные: B = 0,4 Тл, l = 0,5 м, I = 3 А. Поскольку проводник перпендикулярен линиям поля, угол α равен 90°, а sin 90° = 1.
2. Используй формулу F = BIl sin α, которая для этого случая упрощается до F = BIl. Подставь значения: F = 0,4 · 3 · 0,5 = 0,6 Н.
3. Для направления положи левую руку так, чтобы поле входило в ладонь, а четыре пальца были направлены по условному току. Отогнутый большой палец покажет направление силы; без рисунка указать конкретно вверх, вниз или в сторону нельзя.

Ответ: сила Ампера равна 0,6 Н; её направление определяют по правилу левой руки с учётом направлений тока и поля на рисунке.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что после разделения магнита получится отдельный северный или южный полюс. Так думают, представляя полюса как концы, которые можно просто отделить друг от друга. На деле каждая часть становится магнитом с двумя полюсами. Проверь себя: у каждого полученного фрагмента должны быть северный и южный полюса.

Ошибка — путать направления линий внутри и вне магнита или изображать линии пересекающимися. Обычно запоминают только внешнее направление и забывают, что поле замкнуто. Снаружи линии идут от N к S, внутри — от S к N, а пересечение означало бы два направления поля в одной точке. Проверь рисунок: линии должны образовывать замкнутые непересекающиеся контуры.

Ошибка — утверждать, что любые параллельные токи отталкиваются. Это происходит, если не сравнить направления токов и запомнить только сам факт взаимодействия проводников. Сонаправленные токи притягиваются, противоположно направленные — отталкиваются. Перед ответом отметь стрелками оба тока и сопоставь их.

Ошибка — неверно применять правило левой руки, например, направлять пальцы по движению электронов или не учитывать направление поля. В правилах используют условное направление тока, то есть направление движения положительных зарядов. Сначала найди направление поля и тока, затем расположи руку; проверь, что ладонь обращена навстречу линиям поля, а большой палец показывает силу.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать, что такое электрический ток, проводник с током, сила и векторное направление. Она связана с действием магнитного поля на движущийся заряд: в обоих случаях магнитное поле влияет на движение зарядов. Эти знания понадобятся при изучении электромагнитов, электродвигателей и электроизмерительных приборов. Позже они помогут разобраться и в электромагнитной индукции — возникновении электрических явлений при изменении магнитного поля.

Что запомнить

• Постоянный магнит имеет два полюса: северный и южный.
• Одноимённые магнитные полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Магнитное поле создаётся постоянными магнитами и электрическими токами.
• Магнитные линии вне магнита направлены от северного полюса к южному.
• Параллельные токи одного направления притягиваются, а противоположного направления отталкиваются.
• На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.
• Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки.