"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Электрический ток создаёт вокруг проводника магнитное поле — особую форму материи, которая действует на движущиеся заряды и другие проводники с током. Поле обнаруживают, например, по отклонению магнитной стрелки. Его описывают вектором магнитной индукции B, а на схемах изображают линиями: их направление показывает направление поля, а густота — его относительную силу. Для прямого проводника направление линий находят правилом правого винта.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами, в том числе зарядами, образующими электрический ток. Оно действует на движущиеся заряды и проводники с током. Это понятие помогает объяснить, почему ток способен влиять на магнитную стрелку и другие токи.
Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле; её обозначают B. Единица измерения магнитной индукции — тесла (Тл). Векторное описание необходимо, потому что для характеристики поля важно знать не только его силу, но и направление.
Линии магнитной индукции — условные линии, которыми изображают магнитное поле. Касательная к линии в каждой точке показывает направление вектора B, а густота линий позволяет сравнивать силу поля: чем они гуще, тем поле сильнее. Такое изображение удобно для чтения схем, хотя сами линии не являются физическими нитями в пространстве.
Правило правого винта определяет направление поля прямого проводника с током: если поступательное движение винта направить вдоль тока, вращение его рукоятки совпадёт с направлением линий магнитного поля. Правило связывает прямолинейное направление тока с круговым направлением поля вокруг проводника. Оно помогает не путать направление тока с направлением линий.
Связь электричества и магнетизма обнаружил Эрстед: рядом с проводником, по которому шёл ток, магнитная стрелка отклонялась. Стрелка реагирует на магнитное поле, поэтому её поворот показал, что поле возникает не только у постоянного магнита. Причина эффекта — движение зарядов в проводнике: оно создаёт магнитное поле, которое действует на стрелку. При прекращении тока отклонение исчезает, поскольку исчезает созданное током поле.
Магнитное поле имеет направление, поэтому его описывают не одним числом, а вектором магнитной индукции B. Направление B можно установить по тому, как ориентируется магнитная стрелка: её северный полюс показывает направление поля в данной точке. Так действие поля становится наблюдаемым и позволяет судить о его направлении. Измеряемая величина B также даёт возможность количественно характеризовать поле.
Чтобы показать поле сразу в разных точках, используют линии магнитной индукции. В каждой точке направление B совпадает с касательной к линии, поэтому по ней можно определить, куда было бы направлено действие поля на магнитную стрелку. Сила поля связана с тем, насколько близко расположены линии: большая густота соответствует более сильному полю. Если бы линии пересекались, в точке пересечения поле имело бы два направления, что невозможно.
У прямого проводника линии магнитного поля имеют форму окружностей, центры которых лежат на проводнике. Это означает, что поле не направлено вдоль тока: оно обходит проводник вокруг. Какой именно будет направление обхода, зависит от направления тока. Поэтому на схемах недостаточно знать форму линий — нужно также определить, куда они направлены.
Для прямого проводника направление находят правилом правого винта: поступательное движение винта совмещают с током, а вращение рукоятки показывает направление линий поля. Для витка пальцы правой руки направляют по току в витке, а вытянутый большой палец показывает направление поля внутри витка. Оба приёма связывают направление тока с направлением магнитного поля. Если ток обратить, направление поля тоже обратится, потому что винт или пальцы придётся ориентировать противоположно.
| Случай | Форма линий магнитной индукции | Как определить направление поля | Что показывает густота линий |
|---|---|---|---|
| Прямой проводник с током | Окружности вокруг проводника | Правило правого винта | Относительную силу поля в разных точках |
| Виток с током | Замкнутые линии; внутри витка они направлены вдоль его оси | Пальцы правой руки направляют по току, большой палец показывает поле внутри витка | Относительную силу поля внутри и снаружи витка |
| Магнитное поле в выбранной точке | Линия проходит через точку; её касательная задаёт направление B | По касательной к линии магнитной индукции | Силу поля в данной области по сравнению с другими |
Сначала найдите в таблице нужный источник поля и установите форму его линий. Затем определите направление подходящим правилом: для прямого проводника — правилом правого винта, для витка — по направлению пальцев правой руки. Густоту используйте не для поиска направления, а для сравнения силы поля.
В прямом вертикальном проводнике ток направлен вверх. Требуется определить направление линий магнитного поля в точках справа и слева от проводника. Сравним направление поля по разные стороны, используя правило правого винта.
Ответ: справа от проводника линии направлены в плоскость страницы, слева — из плоскости. Для проверки можно применить правило правой руки: большой палец вверх, а согнутые пальцы показывают обход поля. Важно отличать направление линии вокруг провода от направления самого тока.
На схеме изображены линии магнитного поля прямого проводника, и требуется определить направление тока. Известно направление обхода линий, но не направление тока. Поэтому используем правило правого винта в обратном направлении.
Ответ: направление тока определяется поступательным движением винта. Если, например, линии обходят проводник против часовой стрелки при взгляде со стороны наблюдателя, ток направлен к наблюдателю. При обходе по часовой стрелке ток направлен от наблюдателя; проверяйте, с какой стороны рассматривается схема.
Два рисунка показывают один и тот же проводник, но направления тока на них противоположны. Нужно сравнить векторы магнитной индукции в заданных точках. Мысленно совместим точки и линии поля, чтобы сравнение не зависело от того, как нарисованы схемы.
Ответ: векторы магнитной индукции в соответствующих точках направлены противоположно. Это следует из обращения тока, а не из изменения формы линий: в обоих случаях линии остаются окружностями вокруг провода. При сравнении точек обязательно учитывайте их положение относительно проводника и направление касательной.
Ошибка — считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты. Так думают, потому что именно магнит обычно первым показывают при знакомстве с полем, однако ток также служит его источником. Проверьте себя: если ток в проводнике отклоняет магнитную стрелку, значит, вокруг него есть магнитное поле.
Не следует путать направление тока с направлением линий поля. Ток идёт вдоль проводника, а линии вокруг прямого проводника образуют окружности; их направление устанавливают правилом правого винта. Для самопроверки нарисуйте проводник отдельно и убедитесь, что стрелка тока не совпадает с касательной к окружности поля.
Некоторые применяют правило левой руки или меняют местами вращение винта и его поступательное движение. Обычно это происходит из-за смешения разных правил, используемых в задачах о магнитном действии. Проверка проста: поступательное движение правого винта всегда направляют вдоль тока, а вращение связывают с полем.
Линии магнитной индукции не пересекаются и не имеют начала и конца. Пересечение означало бы два направления B в одной точке, а представление о концах линий ошибочно превращает условное изображение в отдельные физические нити. Чтобы проверить схему, мысленно проведите касательную в каждой точке: у поля должно быть только одно направление.
Для понимания темы нужно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, и уметь задавать его направление. Также пригодятся представление о векторных величинах и навык чтения схем с магнитными стрелками: направление стрелки помогает определить направление поля. Далее магнитное поле тока понадобится при изучении силы Ампера, действующей на проводник с током, силы Лоренца, действующей на движущийся заряд, и устройства электромагнитов.
Почему магнитная стрелка отклоняется рядом с проводником, по которому идёт ток?
Ток — это упорядоченное движение зарядов, и он создаёт магнитное поле вокруг проводника. Поле действует на магнитную стрелку, поэтому она поворачивается. Если ток выключить, его магнитное поле исчезает.
Как определить направление магнитного поля прямого проводника?
Используйте правило правого винта: направьте его поступательное движение вдоль тока. Направление вращения рукоятки покажет, куда направлены линии поля вокруг проводника.
Что показывает густота линий магнитной индукции?
Она показывает относительную силу поля: где линии расположены гуще, там поле сильнее. Густота условна и помогает сравнивать поле в разных местах схемы.
Могут ли линии магнитной индукции пересекаться?
Нет. В каждой точке магнитное поле имеет одно определённое направление, которое задаёт касательная к линии. При пересечении в одной точке оказалось бы сразу два направления поля.
Как изменится магнитное поле, если изменить направление тока?
Направление магнитного поля изменится на противоположное. Это следует из правила правого винта: при обращении направления поступательного движения обращается и направление вращения.
§18. Магнитное поле электрического тока
