§ 61. Магнитное поле электрического тока

Определения и обозначения

Магнитное поле — форма материи, возникающая вокруг движущихся электрических зарядов и действующая на магниты и проводники с током. Его нельзя увидеть непосредственно, но можно обнаружить по действию на магнитную стрелку. Это понятие помогает объяснить, почему магнит может влиять на предметы без прямого соприкосновения.

Магнитное поле электрического тока — поле, которое создаётся электрическим током. Его существование подтверждает опыт: проводник с током отклоняет расположенную рядом магнитную стрелку. Так можно установить, что ток оказывает магнитное действие, а не только переносит электрический заряд.

Магнитная линия — воображаемая линия, касательная к которой в каждой точке показывает направление магнитного поля. Линии помогают изображать поле и сравнивать его направление в разных местах. Это не нити и не дорожки, по которым движутся частицы, а условный способ описания поля.

Правило правой руки — способ определить направление магнитных линий вокруг прямого проводника с током. Если обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал по току, согнутые пальцы покажут направление линий. Правило нужно, чтобы связать направление тока с направлением создаваемого им поля.

Как это устроено

В опытах Эрстеда магнитную стрелку помещали рядом с проводником. Когда по нему шёл ток, стрелка поворачивалась, хотя проводник не касался её. Причина в том, что движущиеся заряды создают вокруг проводника магнитное поле, а стрелка взаимодействует с этим полем. Так действие тока на стрелку становится свидетельством существования магнитного поля.

Если поменять направление тока, стрелка отклонится в противоположную сторону. Это происходит потому, что направление магнитного поля связано с направлением движения зарядов: при обращении тока обращается и поле. Если ток прекратить, его поле исчезнет, поэтому прежнее отклонение, вызванное током, перестанет наблюдаться. Следовательно, поле проводника зависит от наличия и направления тока.

У прямого проводника магнитные линии проходят вокруг него по замкнутым окружностям, а не вдоль провода. Это связано с тем, что поле охватывает проводник со всех сторон. Направление окружностей находят правилом правой руки: большой палец направляют по току, а положение согнутых пальцев показывает, куда направлено поле. Для ответа в конкретной точке нужно представить, где эта точка находится относительно провода.

У витка с током каждый участок проводника создаёт собственное магнитное поле. Внутри витка поля участков складываются и становятся направленными согласованно, поэтому поле заметно сильнее, чем от одного участка. С одной стороны витка линии направлены к наблюдателю, а с другой — от него. Какая именно сторона будет обращена к наблюдателю, зависит от направления тока в витке.

В катушке много витков, и их поля также складываются. В результате возникает общее поле, похожее на поле постоянного магнита: у катушки можно выделить северный и южный полюсы. Направление поля и полюсы определяют по направлению тока с помощью правила правой руки. При изменении направления тока каждый виток создаёт поле противоположного направления, поэтому полюсы катушки меняются местами.

Магнитное поле проводников с током

Таблица сравнивает форму поля и способы определить его направление для трёх видов проводников. Используй её так: сначала определи, что изображено — прямой провод, виток или катушка, — а затем выбери соответствующее правило. В задачах о стрелке дополнительно установи, в какой точке относительно проводника она находится.

Разбор задач

Задача 1. Компас расположен справа от прямого провода. Ток направлен вверх. В какую сторону отклонится северный конец стрелки? Сначала важно выяснить не только направление тока, но и направление поля именно справа от провода. Стрелка повернётся так, чтобы её северный конец был направлен по магнитному полю.

1. Представим, что обхватываем провод правой рукой, направив большой палец вверх, вдоль тока.
2. Согнутые пальцы показывают, как поле огибает провод. Если посмотреть на провод и компас как на рисунок, где вверх — направление тока, а вправо — место компаса, поле справа направлено вглубь листа.
3. Северный конец стрелки ориентируется по полю, поэтому он отклонится от наблюдателя, вглубь листа.

Ответ: северный конец стрелки отклонится вглубь листа. Если положение провода или направление тока изменить, направление поля в точке компаса нужно определить заново.

Задача 2. На рисунке показан виток с током. Нужно установить, с какой стороны магнитные линии направлены к наблюдателю. Так как направление тока зависит от изображения, универсальный ответ без него дать нельзя. Решение состоит в том, чтобы сопоставить направление тока в витке с направлением поля.

1. Выбери сторону витка, на которую смотришь, и проследи направление тока по его участкам.
2. Примени правило правой руки к участкам витка: пальцы направляй по току, а направление поля определяй по согнутым пальцам. Поля отдельных участков складываются в области витка.
3. Сторона, где результирующее поле направлено к тебе, и будет стороной, с которой линии направлены к наблюдателю. Если ток обратить, направление поля станет противоположным.

Ответ: к наблюдателю линии направлены с той стороны витка, где правило правой руки показывает направление результирующего поля наружу. Для конкретного рисунка нужно учесть, в какую сторону ток идёт по витку.

Задача 3. Катушка подключена к источнику тока. Требуется найти её северный полюс и определить, что произойдёт с полюсами при изменении направления тока. Северный полюс — тот конец катушки, к которому направлено поле внутри неё. Поэтому сначала нужно установить направление тока в витках.

1. Определи направление тока по проводам источника и проследи его ход по виткам катушки.
2. Обхвати катушку правой рукой так, чтобы согнутые пальцы шли по направлению тока в витках. Большой палец покажет направление поля внутри катушки и укажет на её северный полюс.
3. Если поменять направление тока на противоположное, поле внутри катушки также развернётся. Поэтому конец, который был северным, станет южным, а другой конец — северным.

Ответ: северный полюс находится со стороны, куда указывает большой палец правой руки при пальцах, направленных по току. При обращении тока полюсы катушки поменяются местами.

Типичные ошибки

Считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты, — значит не учитывать опыт Эрстеда. Такую ошибку допускают, если судят о поле только по привычным магнитам и не связывают его с движением зарядов. Проверь себя: если рядом с проводником с током отклоняется стрелка, значит, проводник тоже создаёт поле.

Путать направление тока и направление магнитных линий — значит направлять линии вдоль провода. Ошибка возникает потому, что ток действительно течёт по проводнику, но созданное им поле устроено иначе: линии охватывают проводник. Чтобы проверить ответ, изобрази провод и мысленно обхвати его правой рукой.

Применять правило правой руки, не установив направление тока, нельзя: положение пальцев должно соответствовать конкретному направлению тока. Иначе легко получить противоположное направление поля. Сначала отметь, куда течёт ток, и только после этого направляй большой палец вдоль него.

Считать, что при изменении направления тока магнитное поле исчезает, — неверно: оно сохраняется, но меняет направление. Такую путаницу вызывают слова «изменилось поле», которые ошибочно принимают за «поля больше нет». Проверь себя по действию на стрелку: она отклонится в другую сторону, а у катушки поменяются местами полюсы.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужно знать, что такое электрический ток и как определить его направление в проводнике. Тогда можно правильно применить правило правой руки и установить направление поля. Отклонение магнитной стрелки связывает тему с компасом: стрелка реагирует на магнитное поле, в том числе на магнитное поле Земли.

Эти знания понадобятся при изучении действия магнитного поля на проводник с током. Они также помогают понять устройство электромагнитов: ток создаёт поле катушки, а изменение тока меняет направление этого поля и расположение полюсов.

Что запомнить

• Электрический ток создаёт вокруг проводника магнитное поле.
• Изменение направления тока меняет направление магнитного поля.
• Магнитные линии прямого проводника — замкнутые окружности вокруг него.
• Направление магнитных линий прямого проводника определяют правилом правой руки.
• Виток с током и катушка создают магнитное поле.
• Катушка с током имеет северный и южный полюсы.
• При изменении направления тока полюсы катушки меняются местами.