Основное в главе 5

Определения и обозначения

Магнитное поле — особая форма материи, которую создают магниты и электрический ток и которая действует на магниты и проводники с током. Само поле нельзя увидеть, но можно заметить его действие: например, стрелка компаса поворачивается рядом с магнитом. Это понятие помогает объяснить, как магниты и ток влияют на тела на расстоянии.

Магнитная линия — условная линия, направление которой в каждой точке совпадает с направлением магнитного поля. Чем гуще линии, тем сильнее поле в этой области. Линии не являются настоящими нитями: они нужны, чтобы наглядно показать направление и распределение поля.

Электромагнит — катушка с электрическим током, обычно имеющая внутри железный сердечник. Его действие зависит от силы тока, числа витков и наличия сердечника. Это устройство позволяет создавать и регулировать магнитное действие с помощью электрической цепи.

Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Она может заставить проводник двигаться, а её направление зависит от направлений тока и поля. Понятие силы Ампера нужно для объяснения работы устройств, в которых электрический ток приводит детали в движение.

Как это устроено

Магнитное поле обнаруживают не зрением, а по тому, как оно изменяет поведение других тел. Магнитная стрелка поворачивается под действием поля, а проводник с током может начать двигаться. В опыте Эрстеда стрелка отклонялась рядом с проводом, когда по нему шёл ток, и возвращалась при выключении тока. Это показало, что электрический ток создаёт магнитное поле.

Поле изображают магнитными линиями, чтобы одновременно показать его направление и сравнительную силу. Вне постоянного магнита линии направлены от северного полюса к южному, а затем продолжаются внутри магнита, образуя замкнутые линии. У прямого проводника с током линии представляют собой окружности вокруг него. Их направление находят правилом буравчика: если поступательное движение буравчика направить по току, вращение покажет направление линий поля.

Катушка состоит из множества витков провода, и поле каждого витка складывается с полями остальных. Поэтому поле катушки становится похожим на поле постоянного магнита: у неё можно выделить северный и южный полюса. Если увеличить число витков или силу тока, поля складываются сильнее и общее поле усиливается. Железный сердечник внутри катушки дополнительно усиливает действие, поэтому такую катушку используют как электромагнит.

Магнитное поле действует на проводник, если по нему идёт ток и он находится в поле. Направление действия зависит сразу от двух направлений: тока в проводнике и магнитного поля. Силу Ампера определяют правилом левой руки: линии поля должны входить в ладонь, пальцы направляют по току, а отставленный большой палец показывает направление силы. Если изменить направление тока или поля, сила направится противоположно.

В рамке с током противоположные стороны расположены так, что ток в них направлен по-разному. Поэтому магнитное поле действует на эти стороны силами противоположных направлений, и рамка поворачивается. В электродвигателе это действие используют, чтобы превращать электрическую энергию в движение. Чтобы рамка продолжала вращаться, направление тока в ней периодически меняют.

Магнитные поля и их действие

Сначала найдите в таблице источник поля или устройство, которое соответствует ситуации. Затем сопоставьте наблюдаемое действие с факторами, от которых зависит результат. Последний столбец показывает, где этот эффект используют на практике.

Разбор задач

Сравнение поля и направление стрелки

Условие. На схеме в одной области магнитные линии расположены гуще, чем в другой. Нужно определить, где поле сильнее и как ориентируется магнитная стрелка. Конкретные полюса и направление линий на схеме не заданы, поэтому направление стрелки определяем относительно самих линий.

1. Сравниваем расстояния между соседними линиями: там, где они ближе друг к другу, поле сильнее.
2. Находим линию в точке, где расположена стрелка. Её направление задаёт магнитное поле в этой точке.
3. Располагаем стрелку вдоль линии: её северный конец направляем по полю, а южный — в противоположную сторону.

Ответ. Поле сильнее в области с более густыми линиями. Северный конец стрелки направлен вдоль поля, южный — против него.

Поле прямого проводника

Условие. Известно направление тока в прямом проводнике. Требуется установить направление магнитных линий вокруг провода. Числовые данные не нужны: направление определяется правилом буравчика.

1. Представляем буравчик, ось которого совпадает с проводником.
2. Направляем его поступательное движение по току, указанному в условии.
3. Определяем, в какую сторону должен вращаться буравчик. Это вращение показывает направление магнитных линий вокруг провода.

Ответ. Линии идут по окружностям вокруг проводника в направлении вращения буравчика, поступательно движущегося по току. Если ток развернуть, направление линий тоже изменится на противоположное.

Движение проводника в магнитном поле

Условие. Проводник с током находится в магнитном поле. Нужно предсказать направление его движения и выяснить, что произойдёт при перемене направления тока. Направления тока и поля должны быть известны из условия или показаны стрелками.

1. Представляем левую руку так, чтобы линии поля входили в ладонь.
2. Вытягиваем пальцы по направлению тока в проводнике.
3. Смотрим на направление отставленного большого пальца: он показывает направление силы Ампера и движения проводника.
4. При перемене тока оставляем направление поля прежним и повторяем правило. Пальцы теперь направлены противоположно, поэтому сила также меняет направление.

Ответ. Проводник движется в направлении, указанном большим пальцем левой руки. Если изменить направление тока, сила Ампера и движение проводника направятся противоположно.

Типичные ошибки

• Магнитные линии иногда принимают за реальные нити или дорожки, хотя это только способ изображения поля. Так происходит потому, что линии на схемах выглядят как непрерывные предметы. Проверьте себя: помните, что они показывают направление и густоту поля, но их нельзя потрогать или увидеть в пустом пространстве.

• Направление линий вокруг провода путают с направлением тока. Причина в том, что ток создаёт поле, и эти направления связаны, но не совпадают: линии окружают провод. Чтобы проверить ответ, примените правило буравчика и отдельно укажите стрелками ток и поле.

• Направление силы Ампера определяют, учитывая только ток или только поле. Это приводит к ошибке, потому что сила зависит от обоих направлений. Проверьте себя правилом левой руки, а затем мысленно измените направление одного из факторов: направление силы должно измениться.

• Электромагнит считают постоянным магнитом, который действует одинаково всегда. Это заблуждение возникает из-за сходства его поля с полем обычного магнита. Убедитесь, что учли ток и сердечник: электромагнит можно включать, выключать и регулировать, меняя ток и число витков.

Связь с другими темами

Для изучения магнитного действия нужно знать, что такое электрический ток, проводник и источник тока: без замкнутой цепи ток в катушке не возникает. Полезно также уметь изображать физические поля линиями и задавать направление вектора, поскольку магнитные линии и сила Ампера имеют определённое направление. Эти знания пригодятся при разборе электродвигателей и электромагнитов. Позже они помогут понять электромагнитную индукцию — возникновение электрического тока при изменении магнитного поля.

Что запомнить

• Электрический ток создаёт магнитное поле.
• Магнитное поле действует на магниты и проводники с током.
• Магнитные линии замкнуты; вне магнита они направлены от северного полюса к южному.
• Поле катушки с током усиливается при увеличении силы тока и числа витков.
• Железный сердечник усиливает действие электромагнита.
• Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки.
• Действие магнитного поля на рамку с током лежит в основе работы электродвигателя.