§ 17. Магнитное поле тока

Определения и обозначения

Магнитное поле тока — поле, которое возникает вокруг проводника, когда по нему идёт электрический ток. Оно не является самим током: это особое состояние пространства, способное действовать на магниты и другие проводники с током. Понятие помогает объяснить, почему рядом с проводом может повернуться магнитная стрелка.

Магнитная стрелка — небольшой магнит, который может свободно поворачиваться. Рядом с проводником с током она меняет ориентацию под действием магнитного поля. Поэтому стрелку используют как индикатор: её поворот позволяет обнаружить поле там, где его нельзя увидеть непосредственно.

Магнитная индукция — векторная величина, характеризующая магнитное поле в каждой точке. Её обозначают буквой B, а измеряют в теслах (Тл). Вектор имеет не только значение, но и направление, поэтому с его помощью можно указать, куда действует поле и как оно ориентировано.

Линии магнитной индукции — условные линии, которыми изображают магнитное поле. Направление такой линии в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции B. Это изображение помогает представить направление поля и сравнить его распределение в разных местах.

Как это устроено

Связь тока и магнитного поля обнаружил датский учёный Ханс Эрстед. В его опыте магнитная стрелка находилась возле проводника, соединённого с источником тока. Когда цепь замыкали, стрелка отклонялась, потому что на неё начинало действовать поле проводника. При размыкании ток прекращался, поле исчезало, и стрелка возвращалась к прежнему направлению.

Такой опыт показывает, что магнитное поле существует вокруг проводника с током, хотя его нельзя увидеть глазами. О его наличии судят по действию на магнитную стрелку: если её положение меняется, значит, в этой точке действует магнитное поле. Сам ток и поле — не одно и то же: ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, а поле возникает вокруг проводника с током и проявляет себя своим действием.

Направление поля в конкретной точке задаёт вектор магнитной индукции B. Чтобы определить его направление, можно поместить туда магнитную стрелку: она установится под действием поля, и её ориентация укажет направление B. Вектор описывает поле, а не движение заряженных частиц по проводу, поэтому не следует принимать направление тока за направление магнитной индукции.

У прямого проводника линии магнитной индукции имеют вид окружностей, расположенных вокруг провода. Это можно понять, наблюдая за стрелкой в разных точках: поле направлено вокруг проводника, а не вдоль него. Направление окружностей определяют правилом правой руки: если обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал вдоль тока, согнутые пальцы покажут направление линий поля.

На рисунках линии проводят гуще там, где поле сильнее, и реже там, где оно слабее. Это условный способ показать распределение поля, а не настоящие нити в пространстве. Линии не пересекаются: в точке пересечения у поля оказались бы сразу два направления, хотя в каждой точке направление вектора магнитной индукции единственное.

Магнитное поле тока: основные характеристики и способы определения

Сначала найдите в таблице объект или способ, который нужен для задачи. Затем сверьте, чем определяется направление и какое наблюдение или изображение ему соответствует. Так удобно отличать опыт, показывающий наличие поля, от способов описать его направление.

Разбор задач

Задача 1. Отклонение стрелки

Рядом с прямым проводником расположили магнитную стрелку. Требуется определить, что произойдёт после замыкания цепи и какой вывод можно сделать. Здесь важно связать изменение положения стрелки с действием, которое возникло в проводнике. Замыкание цепи запускает ток, а стрелка реагирует на магнитное поле.

1. После замыкания цепи по проводнику начинает идти ток.
2. Ток создаёт вокруг проводника магнитное поле. Оно действует на магнитную стрелку, поэтому стрелка поворачивается и отклоняется от прежнего положения.
3. Изменение положения стрелки означает, что вблизи провода появилось магнитное поле. Если разомкнуть цепь, ток прекратится, а стрелка вернётся к прежней ориентации.

Ответ: при замыкании цепи стрелка отклонится. Это подтверждает, что электрический ток создаёт магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.

Задача 2. Ток направлен вертикально вверх

Нужно изобразить линии магнитного поля прямого проводника и указать их направление, если ток идёт вертикально вверх. Для прямого провода линии не направлены вдоль него: они образуют окружности вокруг проводника. Чтобы задать направление обхода окружностей, применяют правило правой руки. Ориентация рисунка зависит от того, с какой стороны мы смотрим на проводник.

1. Представьте проводник вертикальной осью, а ток направьте снизу вверх.
2. Обхватите воображаемый проводник правой рукой и направьте большой палец вверх, вдоль тока.
3. Посмотрите, куда направлены согнутые пальцы: они показывают направление линий магнитной индукции. На рисунке проведите несколько окружностей с центром на проводнике и поставьте стрелки по ходу этого направления.

Ответ: линии поля — окружности вокруг вертикального проводника; направление обхода определяют согнутые пальцы правой руки при большом пальце, направленном вверх. Если при изображении поменять точку наблюдения, видимый ход линий на плоскости тоже изменится, поэтому направление тока нужно указывать точно.

Задача 3. Ток направлен к наблюдателю

Проводник перпендикулярен плоскости листа, ток направлен к наблюдателю. Нужно определить направление магнитной индукции справа от провода и изобразить линию поля. Условно такой ток обозначают точкой: можно представить, что мы видим остриё стрелы, летящей к нам. Сначала по этому обозначению устанавливают направление тока, а затем применяют правило правой руки.

1. Направьте большой палец правой руки из плоскости листа к себе, то есть вдоль тока.
2. Согнутые пальцы покажут направление окружностей магнитного поля вокруг проводника.
3. В точке справа от провода направление B совпадает с касательной к окружности. При большом пальце, направленном к наблюдателю, пальцы загибаются против часовой стрелки, поэтому справа касательная направлена вверх.
4. Изобразите окружность вокруг условного обозначения провода и поставьте в точке справа стрелку вверх. Стрелка должна быть касательной к окружности, а не направленной к центру.

Ответ: справа от проводника магнитная индукция направлена вверх. Линия поля представляет собой окружность, и в выбранной точке вектор B направлен по касательной к ней.

Типичные ошибки

Иногда считают, что магнитное поле создаёт только постоянный магнит. Такое представление возникает, если вспоминать лишь привычный магнит, притягивающий предметы, и не учитывать опыт с проводом. Но отклонение стрелки при замыкании цепи показывает, что поле возникает и вокруг проводника с током. Проверьте себя: если цепь разомкнули, ток исчез, и связанное с ним действие на стрелку прекратилось.

Другая ошибка — путать направление тока с направлением магнитного поля. Ток идёт вдоль проводника, а линии магнитной индукции прямого провода образуют окружности вокруг него. Такое смешение возникает из-за того, что оба направления рисуют стрелками. Проверка проста: задайте ток вдоль провода, а поле изобразите вокруг него, не вдоль провода.

Правило правой руки нельзя применять, не разобравшись, куда направлен ток относительно наблюдателя. Если точка, крестик или изображение провода поняты неверно, получится обратное направление поля. Перед применением правила переведите условное обозначение в слова: ток к наблюдателю или от него. Затем направьте вдоль тока большой палец и только после этого определяйте ход линий.

Не рисуйте пересекающиеся линии магнитной индукции и не представляйте их материальными нитями. Линии — условное изображение: они показывают направление поля, а их густота помогает судить о его силе. Пересечение означало бы два направления поля в одной точке, что невозможно. Проверьте рисунок: от каждой точки должна проходить линия только с одним направлением.

Связь с другими темами

Для определения направления поля важно помнить, что такое электрический ток и как задают направление тока в проводнике. Эти знания нужны, чтобы правильно применить правило правой руки: сначала выяснить направление тока, а потом определить ход линий магнитного поля. Позже магнитное поле тока поможет объяснить, как поле действует на проводник с током. На этом принципе основана работа электродвигателя, который превращает электрическую энергию в механическое движение.

Что запомнить

• Электрический ток создаёт магнитное поле.
• Наличие магнитного поля можно обнаружить по действию на магнитную стрелку.
• Магнитная индукция B характеризует магнитное поле и имеет направление.
• Единица магнитной индукции — тесла.
• Вокруг прямого проводника с током линии магнитной индукции имеют форму окружностей.
• Направление поля прямого проводника определяют правилом правой руки.
• Линии магнитной индукции не пересекаются.