§ 57 Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитное поле — особый вид материи, существующий вокруг магнитов и проводников с током и действующий на другие магниты и проводники с током. Его нельзя увидеть напрямую, но можно заметить по воздействию на магнитную стрелку. Это понятие помогает объяснить, как магниты влияют друг на друга на расстоянии.

Магнитные линии — условные линии, которыми изображают магнитное поле; направление поля в каждой точке совпадает с направлением, которое показывает северный полюс магнитной стрелки. Это не реальные нити, а удобный способ представить поле на рисунке. По линиям можно понять и направление поля, и то, где оно сильнее.

Магнитный полюс — область магнита, где его действие проявляется наиболее сильно; у магнита различают северный и южный полюса. Именно у концов полосового магнита действие обычно особенно заметно. Знание полюсов нужно, чтобы предсказывать притяжение и отталкивание магнитов.

Магнитная стрелка — небольшой магнит с северным и южным полюсами, который устанавливается в магнитном поле определённым образом. Стрелка поворачивается под действием поля, поэтому её можно использовать как его «указатель». По положению северного полюса определяют направление поля в выбранной точке.

Как это устроено

Магниты взаимодействуют, даже когда не соприкасаются, потому что вокруг каждого из них существует магнитное поле. Поле передаёт действие от одного магнита к другому: оно влияет на магнитную стрелку или второй магнит, находящийся рядом. Поэтому для объяснения взаимодействия недостаточно сказать, что магниты просто притягиваются или отталкиваются, — нужно учитывать поле между ними.

Источником магнитного поля может быть не только постоянный магнит, но и электрический ток. Это показывают опытом: рядом с проводом располагают магнитную стрелку и замыкают электрическую цепь. Стрелка отклоняется, потому что ток создаёт вокруг проводника поле, которое действует на неё. Если цепь разомкнуть, ток прекратится, и его магнитное действие исчезнет.

Направление поля определяют с помощью магнитной стрелки, помещённой в выбранную точку. Под действием поля стрелка поворачивается, а её северный полюс показывает направление магнитного поля именно в этом месте. Это позволяет установить направление даже тогда, когда самого поля не видно. В другой точке направление может отличаться, поэтому стрелку проверяют там, где требуется определить поле.

Чтобы наглядно показать поле, используют магнитные линии. Их проводят так, чтобы направление каждой линии в точке совпадало с направлением поля, которое показал бы северный полюс стрелки. Если линии на рисунке расположены гуще, значит, поле в этой области сильнее; если реже — слабее. Линии не пересекаются, потому что в одной точке поле не может одновременно иметь два направления.

У постоянного магнита линии образуют непрерывные замкнутые линии. Вне магнита они направлены от северного полюса к южному, а внутри магнита возвращаются от южного к северному. Поэтому линия не обрывается у полюса, а продолжает свой путь внутри магнита. Такая картина помогает правильно показывать направление поля во всех областях вокруг магнита.

Сравнение магнитных полей постоянного магнита и проводника с током

Сравнивайте источники поля, способы его обнаружения и то, от чего зависит его направление. Таблица помогает увидеть общее: и магнит, и ток создают поле, которое можно обнаружить магнитной стрелкой. Чтобы показать изменение, рассмотрите, что происходит при изменении расположения магнита или включении и выключении тока.

Разбор задач

Задача 1. Магнитную стрелку поднесли к одному концу полосового магнита. К этому концу притягивается северный полюс стрелки. Какой это полюс магнита? Чтобы ответить, нужно сопоставить полюса, а не судить по тому, с какой стороны находится конец магнита. Разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются.

1. Запишем, какой полюс стрелки участвует во взаимодействии: северный.
2. Притяжение означает, что конец магнита имеет противоположный, то есть южный, полюс.
3. Проверим правило: северный и южный полюса действительно притягиваются.

Ответ: южный полюс магнита.

Задача 2. Рядом с проводником включили ток, и магнитная стрелка отклонилась. Что доказывает наблюдение и что произойдёт при выключении тока? Сначала выясним, что заставило стрелку повернуться: она меняет положение под действием поля. Затем свяжем наблюдение с источником поля, который появился при включении электрической цепи.

1. Отклонение стрелки показывает, что на неё действует магнитное поле.
2. Поскольку рядом находится проводник с током, наблюдение доказывает, что электрический ток создаёт магнитное поле.
3. При выключении ток прекратится, поэтому исчезнет и создаваемое им поле; магнитная стрелка перестанет испытывать его действие.

Ответ: ток создаёт магнитное поле, а после выключения тока его магнитное действие прекращается.

Задача 3. На рисунке показаны магнитные линии вокруг магнита и стрелка компаса в одной из точек. Нужно определить направление поля и сравнить его силу в двух отмеченных точках. Для направления используем стрелку, а для силы — расположение линий. Эти два признака отвечают на разные вопросы, поэтому не следует путать их.

1. Найдём северный полюс магнитной стрелки: направление поля в этой точке совпадает с направлением, куда он указывает.
2. Сравним расстояние между линиями в отмеченных точках: где линии гуще, там поле сильнее.
3. Если в точке линии расположены реже, поле там слабее; для сравнения не нужно определять полюс по густоте линий.

Ответ: направление показывает северный полюс стрелки, а поле сильнее в точке, где магнитные линии гуще.

Типичные ошибки

Ошибка — считать магнитные линии материальными нитями. Так можно подумать, потому что на рисунке линии выглядят как реальные следы или контуры. Но это условное изображение поля: линий как предметов в пространстве нет. Проверьте себя вопросом: можно ли потрогать или снять настоящую магнитную линию? Нет, это только способ описания.

Ошибка — определять направление линии по южному полюсу стрелки. Стрелка имеет два полюса, и из-за этого легко перепутать, какой из них служит указателем. Направление поля показывает именно северный полюс. Для проверки найдите на стрелке обозначение N или другой знак северного полюса и ориентируйтесь на него.

Ошибка — рисовать магнитные линии пересекающимися. Пересечение означало бы, что в одной точке у поля есть сразу два направления, хотя магнитная стрелка может быть направлена только одним образом. Такая ошибка часто возникает, если линии рисуют, не проверяя их ход в каждой точке. Проверьте рисунок: линии должны оставаться непересекающимися.

Ошибка — считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты. В привычных примерах внимание часто сосредоточено на магнитах, поэтому роль электрического тока можно упустить. Опыт с проводником и отклоняющейся стрелкой показывает, что ток тоже создаёт поле. Чтобы проверить себя, вспомните, что происходит со стрелкой при включении тока.

Связь с другими темами

Для изучения магнитного поля нужно знать, что тела могут взаимодействовать на расстоянии, а у магнитной стрелки есть северный и южный полюса. Это позволяет использовать стрелку как средство обнаружения поля и определения его направления. Тема опирается и на изучение электрического тока: опыт с проводником показывает его магнитное действие. Позже эти знания пригодятся при изучении силы, действующей на проводник с током, и других проявлений магнитного действия тока.

Что запомнить

• Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов и проводников с током.
• Магнитное поле действует на магниты и проводники с током.
• Направление поля показывает северный полюс магнитной стрелки.
• Магнитные линии — условное изображение магнитного поля.
• Магнитные линии не пересекаются.
• Вне магнита линии направлены от северного полюса к южному.
• Чем гуще магнитные линии, тем сильнее поле.