§ 59. Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитное поле — особая форма материи, существующая вокруг магнитов и проводников с электрическим током и действующая на магниты и токи. Его нельзя увидеть непосредственно, но можно заметить его действие. Это понятие помогает объяснить, как тела влияют друг на друга на расстоянии.

Магнит — тело, создающее вокруг себя магнитное поле и способное притягивать некоторые материалы. Например, магнит может притянуть железный предмет. Понятие нужно, чтобы отличать источник поля от тел, на которые поле действует.

Магнитный полюс — область магнита, где его магнитное действие проявляется наиболее сильно; различают северный и южный полюса. Они находятся у противоположных концов полосового магнита. Названия полюсов помогают описывать направление магнитного поля.

Магнитные линии — условные линии, используемые для изображения магнитного поля; их направление показывают стрелками. Это не нити, существующие в пространстве, а наглядный способ представить поле. По линиям удобно сравнивать его направление и силу в разных местах.

Как это устроено

Магниты взаимодействуют на расстоянии, потому что вокруг каждого из них существует магнитное поле. Поле передаёт действие от одного тела к другому, поэтому магниту не обязательно касаться другого магнита, чтобы повлиять на него. Именно так можно объяснить притяжение и отталкивание магнитов без прямого контакта.

Источником магнитного поля бывает не только постоянный магнит, но и электрический ток. Ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, а движущиеся заряды создают магнитное поле. Поэтому проводник с током может влиять на магнитную стрелку так же, как это делает магнит.

Само поле непосредственно не видно, поэтому о его наличии судят по действию на тела. Если поместить в поле магнитную стрелку, она повернётся под его влиянием; на ток поле тоже может действовать. Направление, в которое указывает стрелка, принимают за направление поля именно в этой точке.

Чтобы показать поле, проводят магнитные линии и отмечают их направление стрелками. В каждой точке направление линии задаётся касательной к ней: если приложить к линии маленькую магнитную стрелку, она расположится вдоль касательной. Снаружи магнита стрелки направлены от северного полюса к южному, поэтому по линиям можно определить полюса.

На рисунке линии располагают не произвольно: их густота показывает, как меняется сила поля. Там, где линии собраны теснее, поле действует сильнее; где они разрежены — слабее. Поэтому сравнивать поле следует по расстоянию между линиями, а не по их длине или цвету.

Магнитное поле: источники, обнаружение и изображение

Таблица помогает быстро найти источник поля, способ его обнаружения или правило изображения. При чтении рисунка сначала проследи за стрелками, чтобы понять направление, а затем сравни густоту линий. Эти признаки отвечают на разные вопросы: куда направлено поле и насколько оно сильное.

Разбор задач

Задача 1. К магниту поднесли компас. Опишите, как определить наличие магнитного поля и его направление в месте расположения стрелки.

1. Поместим компас рядом с магнитом и посмотрим, изменится ли положение стрелки.
2. Если стрелка повернулась, значит, на неё действует магнитное поле; это и служит признаком его наличия.
3. Направлением поля в месте стрелки считаем то направление, куда указывает стрелка компаса.

Ответ: поворот стрелки показывает, что поле есть; направление стрелки указывает направление поля в этой точке.

Задача 2. На рисунке изображены магнитные линии полосового магнита. Требуется указать северный и южный полюса и направление линий вне магнита.

1. Найдём стрелки на линиях, проходящих снаружи магнита, и проследим, куда они направлены.
2. Вне магнита линии идут от северного полюса к южному. Следовательно, у конца, от которого линии выходят, расположен северный полюс, а у конца, куда они входят, — южный.
3. Проверим, что указанное направление совпадает со стрелками на всех внешних линиях.

Ответ: северный полюс находится там, откуда снаружи выходят линии, южный — там, куда они входят; их направление — от северного к южному.

Задача 3. На двух участках рисунка магнитные линии расположены с разной густотой. Нужно сравнить силу поля и объяснить вывод.

1. Сравним промежутки между соседними линиями на каждом участке.
2. На участке, где линии расположены теснее, их густота больше. По правилу изображения это означает, что магнитное поле там сильнее.
3. На участке с более редкими линиями поле слабее; дополнительных измерений для такого сравнения по рисунку не требуется.

Ответ: поле сильнее на участке, где магнитные линии расположены гуще.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты. Так можно подумать, потому что магнитное действие чаще всего показывают с помощью магнита, но ток тоже создаёт поле. Проверь себя: вспомни, что ток — это движущиеся заряды, и добавь проводник с током к источникам поля.

Ошибка — представлять магнитные линии реальными материальными нитями. На рисунке линии выглядят как отдельные дорожки, поэтому их легко принять за предметы, но они только помогают изобразить поле. Для проверки спроси себя, можно ли взять такую линию в руки: нет, это условное изображение.

Ошибка — путать направление линий внутри и снаружи магнита. Часто запоминают общее направление, не уточняя, о какой части линий идёт речь. Сверь формулировку с условием: вне магнита линии идут от северного полюса к южному.

Ошибка — считать, что поле сильнее там, где линии реже. Причина обычно в том, что рисунок читают как набор отдельных линий, а не как изображение распределения поля. Проверь себя сравнением: более тесное расположение означает более сильное поле, более редкое — более слабое.

Связь с другими темами

Для понимания магнитного поля полезно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. Эта связь объясняет, почему проводник с током становится источником магнитного поля, даже если рядом нет постоянного магнита. Дальше это представление понадобится при изучении действия магнитного поля на проводник с током. На том же принципе основана работа электродвигателя, который превращает электрическую энергию в движение.

Что запомнить

• Магнитное поле существует вокруг магнитов и проводников с током.
• Магнитное поле действует на магниты и электрические токи.
• Магнитную стрелку используют для обнаружения поля и определения его направления.
• Магнитные линии — условное изображение магнитного поля.
• Вне магнита магнитные линии направлены от северного полюса к южному.
• Чем гуще магнитные линии, тем сильнее поле.