Электрические и магнитные явления

Определения и обозначения

Электрический заряд — свойство частиц и тел, определяющее их участие в электрическом взаимодействии. Заряды бывают двух видов: положительные и отрицательные; единица измерения заряда — кулон (Кл). Это понятие помогает описывать, почему тела притягиваются или отталкиваются.

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Для него нужны частицы, способные перемещаться, электрическое поле и замкнутая цепь с источником. Направление тока по соглашению считают направлением движения положительных зарядов, поэтому в металлическом проводнике оно противоположно движению электронов.

Электрическое поле — особая форма материи, посредством которой заряженные тела действуют друг на друга. Оно существует вокруг заряженных тел, даже если заряды неподвижны. Обнаружить поле можно по тому, как оно действует на помещённый в него заряд.

Магнитное поле — особая форма материи, возникающая вокруг постоянных магнитов и проводников с током. Оно действует на магниты и движущиеся заряды. Это понятие объясняет, например, почему возле проводника с током отклоняется магнитная стрелка.

Как это устроено

Когда тела взаимодействуют, часть электронов может перейти с одного тела на другое. Тело, получившее избыток электронов, приобретает отрицательный заряд, а потерявшее их — положительный. Заряд не появляется из ничего: происходит его перераспределение между телами. Два вида зарядов нужны, чтобы описывать наблюдаемые взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

Заряженные тела действуют друг на друга даже на расстоянии, потому что вокруг каждого из них существует электрическое поле. Поле передаёт действие от одного тела к другому, поэтому прямого соприкосновения для взаимодействия не требуется. Если внести в поле другой заряд, на него подействует сила. По этому действию судят о наличии поля, которое само по себе непосредственно увидеть нельзя.

В источнике тока создаётся электрическое поле, заставляющее свободные заряженные частицы двигаться упорядоченно. В проводе без поля частицы движутся беспорядочно, поэтому направленного переноса заряда нет. Чтобы ток проходил непрерывно, частицы должны двигаться по замкнутому пути через источник и другие элементы цепи. Разрыв такого пути прекращает устойчивое движение зарядов, даже если провод и лампа исправны.

Магнитное действие заметно у постоянных магнитов, но оно появляется и вокруг проводника, когда по нему проходит ток. В проводнике движутся заряженные частицы, и с их движением связано возникновение магнитного поля. Поэтому магнитная стрелка рядом с проводом отклоняется после включения тока. Если ток выключить, поле тока исчезнет, и стрелка перестанет отклоняться под его действием.

Электрические и магнитные явления похожи тем, что их описывают поля, через которые тела взаимодействуют. Однако источники полей и объекты, на которые поля действуют, различаются. Электрическое поле создают заряды и оно действует на заряды; магнитное поле создают магниты и токи, а заметно оно, например, по действию на магнитную стрелку. Связь тока с магнитным полем показывает, что движение зарядов может вызывать магнитное действие.

Сравнение электрических и магнитных явлений

Сначала сравните источники полей, затем — тела, на которые они действуют: это помогает не смешивать электрическое и магнитное взаимодействия. Последние две строки показывают, как явления можно наблюдать и как движение зарядов связывает их между собой.

Разбор задач

Задача 1

Два заряженных шарика притягиваются. Определите, какие заряды могут быть у шариков, и обоснуйте ответ. Даны только факт притяжения и условие, что оба шарика заряжены. Нужно применить правило взаимодействия зарядов, а не определять их знак по внешнему виду.

1. Вспомним правило: одноимённые заряды отталкиваются.
2. Раз шарики притягиваются, их заряды не могут быть одноимёнными.
3. Значит, один шарик заряжен положительно, другой — отрицательно.

Ответ: шарики имеют разноимённые заряды.

Задача 2

В цепи с батареей и лампой лампа не светится. Назовите условие, которое необходимо проверить, чтобы в цепи возник ток. Само наличие батареи ещё не доказывает, что заряды движутся непрерывно. Нужно проверить, может ли электрический ток пройти по всей цепи.

1. Ток — упорядоченное движение зарядов, для которого требуется электрическое поле.
2. Батарея служит источником поля, но путь движения зарядов должен быть непрерывным.
3. Проверьте, замкнута ли цепь: нет ли разрыва в проводах, контактах или выключателе.

Ответ: нужно проверить, что цепь замкнута и в ней есть источник электрического поля — батарея.

Задача 3

Рядом с проводником поместили магнитную стрелку. Что произойдёт со стрелкой после включения тока и почему? Нужно связать действие на стрелку с изменением в проводнике. Для этого проследим, что создаёт ток и на какое тело может действовать возникшее поле.

1. После включения цепи по проводнику начинают упорядоченно двигаться заряженные частицы.
2. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле.
3. Магнитное поле действует на магнитную стрелку, поэтому её положение изменяется.

Ответ: стрелка отклонится из-за магнитного поля, созданного током в проводнике.

Типичные ошибки

Ошибочно называть электрическим током сами заряды. Так говорят, потому что ток связан с перемещением частиц, но током является именно их упорядоченное движение. Проверьте себя: если заряды есть, но они не движутся упорядоченно, тока нет.

Неверно считать, что электрическое поле действует только при непосредственном соприкосновении тел. Это представление возникает из опыта с толчками и ударами, но электрическое взаимодействие передаётся через поле и на расстоянии. Чтобы проверить себя, спросите: может ли заряд подействовать на другой заряд, не касаясь его? Может.

Магнитное поле создают не только постоянные магниты. Эту ошибку допускают, если вспоминают лишь обычный магнит и забывают про опыт с проводом. Проверьте себя: если рядом с проводником при включении тока отклоняется стрелка, значит, поле возникло и без постоянного магнита.

Условное направление тока в металлическом проводнике противоположно движению электронов. Их путают, потому что электроны действительно переносят заряд в металле, но направление тока принято задавать по движению положительных зарядов. Чтобы не ошибиться, сначала уточните, о каком направлении спрашивают: условном токе или движении электронов.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении вещества и заряженных частицах — электронах и протонах. Представление о частицах помогает объяснить, откуда берётся заряд и как он может перемещаться. Знание электрической цепи нужно, чтобы понять, при каких условиях возникает ток.

Связь тока с магнитным полем пригодится при изучении электромагнитов и электродвигателей. В них магнитное действие используют не только для наблюдения, но и для выполнения полезной работы. Понимание взаимодействия поля и тока объясняет, как электрическая энергия может приводить в движение детали устройства.

Что запомнить

• Электрические заряды бывают двух видов.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электрическое взаимодействие передаётся через электрическое поле.
• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов и проводников с током.
• Магнитное действие тока можно обнаружить по отклонению магнитной стрелки.