§ 58 Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии

Определения и обозначения

Магнитное поле прямого тока — поле, возникающее вокруг прямого проводника, по которому идёт электрический ток. Ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, и именно с движением зарядов связано возникновение поля. Это понятие помогает объяснить, почему провод с током способен действовать на магнитную стрелку и другие магниты.

Магнитная линия — условная линия, показывающая направление магнитного поля в каждой точке. Линии не являются настоящими нитями или предметами вокруг провода: это удобный способ изобразить поле и понять, куда оно действует. По их форме судят о расположении поля, а по направлению — о его направлении.

Правило буравчика — способ определить направление магнитных линий вокруг прямого проводника по направлению тока. Если мысленно двигать буравчик поступательно по току, направление его вращения совпадёт с направлением линий. Правило связывает направление тока с направлением поля, которое нельзя увидеть непосредственно.

Как это устроено

Связь тока с магнитным полем обнаружил Эрстед: он поместил магнитную стрелку рядом с проводником и пропустил по нему ток. Стрелка отклонилась, потому что на неё подействовало поле, созданное движущимися в проводе зарядами. Когда ток прекращался, отклонение исчезало, значит, причиной было именно прохождение тока, а не сам провод.

У прямого проводника магнитные линии расположены в виде окружностей, которые охватывают провод. Это видно по тому, как ориентируются маленькие магнитные стрелки, помещённые рядом с ним: они показывают направление поля в разных точках. Плоскости этих окружностей перпендикулярны проводнику, потому что линии обходят его вокруг, а не идут вдоль него.

Направление линий можно найти правилом буравчика. Представьте, что буравчик расположен вдоль проводника, а его остриё продвигается в сторону тока. Тогда направление вращения ручки укажет, в какую сторону направлены магнитные линии вокруг провода. Сначала важно совместить поступательное движение с током: если перепутать это направление, результат для поля тоже окажется неверным.

Если изменить направление тока, магнитные линии по-прежнему будут окружностями, но станут направлены в обратную сторону. Причина в том, что направление магнитного поля связано с направлением движения зарядов в проводнике. Поэтому при смене тока нужно заново применить правило буравчика, а не считать, что меняется только сила поля.

Поле сильнее вблизи проводника и ослабевает при удалении от него. Кроме того, при увеличении силы тока поле становится сильнее: большее количество заряда проходит через поперечное сечение провода за единицу времени. Если направление тока при этом не меняется, направление магнитных линий остаётся прежним, меняется только выраженность поля.

Направление магнитных линий вокруг прямого проводника

В таблице для вертикального провода направление тока указано относительно земли, а направление вращения — при взгляде сверху. Такой взгляд нужен, чтобы однозначно различить вращение по часовой стрелке и против неё. Сопоставьте строку с направлением тока, а затем примените то же правило буравчика к своему проводнику.

Разбор задач

Задача 1. Проводник с током расположен вертикально. Определите направление магнитных линий вокруг него, если ток направлен вверх.

1. Мысленно поставим буравчик вдоль проводника. Его поступательное движение должно совпадать с направлением тока, то есть быть направленным вверх.
2. Представим, что остриё буравчика продвигается вверх. При взгляде сверху ручка вращается против часовой стрелки, поэтому так же направлены линии поля.
3. Проверим, что речь идёт о линиях вокруг провода, а не о движении вдоль него: они образуют окружности в плоскостях, перпендикулярных проводнику.

Ответ: при взгляде сверху магнитные линии направлены против часовой стрелки.

Задача 2. Магнитная стрелка рядом с прямым проводником отклонилась. Определите направление тока, если известно направление магнитного поля у стрелки.

1. Сначала отметим направление поля в точке, где расположена стрелка: северный полюс стрелки показывает направление магнитного поля.
2. Представим магнитную линию как окружность вокруг провода и определим, в какую сторону она проходит возле стрелки. Для этого учитываем, с какой стороны от провода находится стрелка.
3. Теперь применим правило буравчика в обратном порядке: подберём направление поступательного движения, при котором вращение буравчика совпадает с найденным направлением поля.

Ответ: ток направлен в ту сторону, в которую движется буравчик при вращении, совпадающем с магнитными линиями. Без указания, где именно находится стрелка относительно провода, направление тока нельзя назвать однозначно.

Задача 3. В двух опытах ток в прямом проводнике направлен одинаково, но во втором опыте его сила больше. Сравните магнитное поле в одинаковых точках около провода.

1. Сравним поле в точках, одинаково удалённых от проводника, чтобы различие расстояний не влияло на результат.
2. Во втором опыте сила тока больше, поэтому поле там сильнее. Это следует из зависимости магнитного действия проводника от силы тока.
3. Направление тока осталось прежним, следовательно, правило буравчика даёт прежнее направление линий в обоих опытах.

Ответ: во втором опыте поле сильнее, а его направление такое же, как в первом.

Типичные ошибки

Ошибка: считать магнитные линии реальными нитями вокруг провода. Такое представление возникает, потому что линии часто рисуют на схемах. Но это лишь условное изображение направления поля, а не материальные объекты. Проверьте себя: линия показывает направление в точке, но её нельзя потрогать или снять с проводника.

Ошибка: путать направление тока с направлением магнитных линий. Их направления различны: ток идёт вдоль проводника, а линии поля охватывают его по окружностям. Путаница возникает, если воспринимать рисунок как одну прямую стрелку. Проверьте, что для тока вы указываете движение вдоль провода, а для поля — обход вокруг него.

Ошибка: вращать буравчик не в ту сторону. Направление задаёт не произвольное вращение ручки, а поступательное движение, совпадающее с током. Ошибка часто появляется, когда начинают с вращения и забывают, куда направлено остриё. Для проверки сначала задайте движение по току, и только затем определяйте вращение.

Ошибка: при смене тока менять только силу поля. Направление поля тоже меняется на противоположное, поскольку оно связано с направлением движения зарядов. Эту ошибку допускают, замечая только усиление или ослабление действия. Проверьте результат повторным применением правила буравчика для обратного направления тока.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Также необходимо уметь определять направление тока в проводнике и понимать, как магнитная стрелка показывает направление поля. Представление о магнитных линиях пригодится при изучении катушки с током и электромагнитов: оно помогает описывать поля более сложных проводников.

Что запомнить

• Электрический ток создаёт магнитное поле.
• Магнитное поле прямого тока окружает проводник.
• Магнитные линии прямого тока имеют форму окружностей.
• Направление линий определяют правилом буравчика.
• При изменении направления тока направление магнитных линий меняется на противоположное.
• Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.