§ 27. Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитное поле — особый вид материи, который создаётся движущимися электрическими зарядами и магнитами и действует на другие магниты и проводники с током. Его нельзя потрогать или увидеть напрямую, но можно заметить результат действия поля. Это понятие помогает объяснить, почему магнит взаимодействует с телами на расстоянии.

Магнитные линии — условные линии, с помощью которых изображают магнитное поле. Направление такой линии показывает, куда действовало бы поле на северный полюс магнитной стрелки. Они нужны для наглядного изображения направления и силы поля.

Магнитная стрелка — небольшой магнит, который устанавливается вдоль магнитного поля и используется для определения его направления. У стрелки есть северный и южный полюса, поэтому она поворачивается под действием поля. По её северному полюсу определяют направление линии в данной точке.

Полюса магнита — области магнита, где магнитное действие проявляется наиболее сильно. Различают северный и южный полюса, обычно обозначаемые буквами N и S. Именно около этих частей легче всего обнаружить действие магнита.

Как это устроено

Вокруг постоянного магнита существует магнитное поле, потому что внутри вещества магнита согласованно действуют многие микроскопические магнитные области. Их совместное действие выходит за пределы магнита и влияет на другие магниты. Поэтому поднесённая стрелка поворачивается, а два магнита могут притягиваться или отталкиваться.

Проводник с током тоже создаёт магнитное поле, потому что ток является направленным движением электрических зарядов. Движущиеся заряды изменяют окружающее пространство так, что рядом с проводником появляется магнитное действие. Если ток прекратить, поле проводника исчезает или резко ослабевает.

Поле обнаруживают по его действию на магнитную стрелку или другой магнит. В поле разные полюса магнита испытывают направленное воздействие, поэтому стрелка поворачивается и занимает определённое положение. Само по себе поле невидимо, но его влияние можно наблюдать.

Непосредственно увидеть магнитное поле нельзя, поэтому используют магнитные линии. Это не реальные тонкие нити и не вещество, а удобный способ показать картину поля на чертеже. Направление линии в каждой точке определяют по северному полюсу маленькой магнитной стрелки.

Магнитные линии замкнуты, потому что у магнитного поля нет отдельной точки начала и конца: снаружи магнита они идут от северного полюса к южному, а внутри возвращаются от южного к северному. Линии не пересекаются, так как в одной точке поле не может иметь два направления. Чем гуще линии, тем сильнее поле; поэтому около полюсов постоянного магнита их изображают плотнее.

Источники и основные признаки магнитного поля

В таблице удобно сравнивать источник поля, способ его обнаружения, изображение и особенность действия. Если нужно определить направление, сначала находят северный полюс стрелки или применяют правило для проводника с током.

Разбор задач

Проверка поля вокруг проводника

Условие. К проводнику подключили источник тока. Как убедиться, что вокруг проводника возникло магнитное поле? Нужно предложить наблюдение, которое показывает именно действие поля.

1. Разомкнуть цепь и положить рядом с проводником небольшую магнитную стрелку. В этот момент ток не идёт, поэтому стрелка ориентируется в основном по полю Земли.
2. Замкнуть цепь и пропустить ток по проводнику. Если стрелка отклонится или повернётся, значит, на неё подействовало поле тока.
3. Разомкнуть цепь ещё раз и проверить, возвращается ли стрелка примерно в прежнее положение. Такое изменение связывает наблюдение именно с током.

Ответ: нужно поместить рядом магнитную стрелку и наблюдать её отклонение при замыкании цепи. Поворот стрелки доказывает возникновение магнитного поля вокруг проводника.

Направление линий около магнита

Условие. На рисунке показаны магнит и несколько магнитных стрелок. Требуется определить направление магнитных линий в указанных точках. Положение каждой стрелки даёт местную информацию о поле.

1. У каждой стрелки найти северный полюс, обычно отмеченный буквой N или окраской. Не следует ориентироваться на южный конец, потому что направление линии задаётся именно северным.
2. Провести мысленно линию вдоль стрелки от её южного полюса к северному. Это и есть направление магнитного поля в данной точке.
3. Сравнить направления у разных стрелок с общей картиной: снаружи постоянного магнита линии идут от северного полюса к южному. Чем плотнее стрелки или линии, тем поле сильнее.

Ответ: в каждой точке направление определяют от южного конца магнитной стрелки к северному. Полученное направление совпадает с направлением магнитной линии.

Поле прямого проводника

Условие. Ток в прямом проводнике направлен вверх. Нужно определить направление магнитного поля около провода и выяснить, что произойдёт при изменении направления тока.

1. Мысленно обхватить провод правой рукой так, чтобы большой палец указывал вверх, по направлению тока. Согнутые пальцы покажут направление магнитных линий.
2. Сделать вывод, что линии имеют форму окружностей вокруг проводника. Если смотреть сверху, то при токе, направленном к наблюдателю, линии идут против часовой стрелки.
3. Изменить направление тока на противоположное. Большой палец теперь направлен вниз, поэтому согнутые пальцы показывают обратное направление линий.

Ответ: поле прямого проводника направлено по окружностям вокруг него и определяется правилом правой руки. При смене направления тока направление магнитного поля также меняется на противоположное.

Типичные ошибки

Ошибка — считать магнитное поле веществом или видимым изображением. Так происходит из-за слов «линии поля» и рисунков, похожих на реальные предметы; проверить себя можно вопросом: можно ли взять линию в руки? Нет, линии являются условным способом изображения поля.

Ошибка — путать направление линии с движением любого конца стрелки. Стрелка поворачивается как целое, но направление поля задаёт только её северный полюс; мысленно проведите направление от южного конца к северному.

Ошибка — изображать пересекающиеся магнитные линии. Такое построение означает два направления поля в одной точке, чего быть не может; проверьте, чтобы каждая линия проходила через точку только с одним направлением.

Ошибка — думать, что поле создают только постоянные магниты. Движущиеся заряды и электрический ток также создают поле; убедиться в этом можно опытом с проводником и магнитной стрелкой.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что электрический ток является направленным движением заряженных частиц и может действовать на окружающие тела. Магнитное поле понадобится при изучении электромагнитов, действия тока на проводник и электрических двигателей. Поле Земли объясняет работу компаса и помогает понять ориентацию в пространстве.

Что запомнить

• Магнитное поле создаётся магнитами и движущимися электрическими зарядами.
• Магнитное поле обнаруживают по его действию на магнитную стрелку или другой магнит.
• Магнитные линии — условное изображение магнитного поля.
• Направление магнитного поля совпадает с направлением, куда указывает северный полюс стрелки.
• Магнитные линии не пересекаются.
• Чем гуще расположены магнитные линии, тем сильнее поле.
• У постоянного магнита магнитное действие особенно сильно у полюсов.