3. Электромагнетизм

Определения и обозначения

Электромагнитное взаимодействие — взаимодействие электрически заряженных частиц, которое проявляется через электрические и магнитные поля. Иными словами, заряды могут создавать поля, а поля — влиять на другие заряды. Это понятие объединяет электрические и магнитные явления в одну физическую картину.

Магнитное поле — особая форма материи, создаваемая движущимися зарядами и электрическими токами и действующая на движущиеся заряды и токи. Поле нельзя увидеть непосредственно, но его присутствие можно обнаружить по действию на магнитную стрелку или проводник с током. Это позволяет описывать магнитные явления не как прямое воздействие одного тела на другое, а через поле.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле по его силовому действию. Её обозначают B; у вектора есть модуль и направление, поэтому одной числовой величины для описания поля недостаточно. Магнитная индукция помогает сравнивать поля и рассчитывать силы, действующие на токи и движущиеся заряды.

Электромагнитная индукция — явление возникновения ЭДС индукции при изменении магнитного потока через контур. ЭДС поддерживает движение зарядов, а если контур замкнут, в нём появляется индукционный ток. Это понятие нужно, чтобы объяснить, как изменение магнитного поля может приводить к появлению электрического тока.

Как это устроено

В опыте Эрстеда рядом с проводником поместили магнитную стрелку и пропустили по проводнику ток. Стрелка отклонилась, потому что движущиеся в проводе заряды создали магнитное поле, которое подействовало на магнит. Когда ток отключили, действие исчезло; при изменении направления тока стрелка отклонялась в другую сторону. Так опыт установил, что электрический ток связан с магнитным полем, а не просто случайно соседствует с ним.

Магнитное поле действует на проводник с током, потому что ток — это движущиеся заряды, на которые поле оказывает силу. Для прямого участка проводника её модуль задаётся формулой F = B I l sin α, где B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина участка, а α — угол между током и полем. Поэтому действие усиливается при увеличении тока, длины участка или индукции и зависит от взаимного направления тока и поля. На отдельный заряд действует сила Лоренца: она зависит от заряда, скорости, индукции и угла между скоростью и полем; неподвижный заряд магнитная сила не отклоняет.

Фарадей обнаружил обратную связь: при движении магнита относительно катушки в её цепи возникал ток. Причина в том, что магнитное поле через катушку менялось, а вместе с ним менялся магнитный поток; возникающая ЭДС заставляла заряды двигаться. Ток появлялся и при изменении положения катушки в поле или при изменении самого поля. Следовательно, для индукции не обязательно перемещать именно магнит — достаточно изменить поток через контур.

Если контур просто находится в магнитном поле, но поток через него остаётся постоянным, ЭДС индукции не возникает. Магнитный поток зависит не только от величины поля, но и от площади контура и его ориентации относительно поля. Поэтому его можно изменить, перемещая контур, поворачивая его, меняя площадь или изменяя магнитную индукцию. Именно перемена потока, а не само наличие поля, является условием появления индукционного тока.

Эти опыты связывают электрические и магнитные явления в единую систему. Ток и движущиеся заряды создают магнитное поле, а изменение магнитного поля может вызвать электрическое действие — ЭДС индукции. Значит, электрическое и магнитное поля не изолированы друг от друга: при определённых условиях они возникают и изменяются совместно. На этом принципе основаны устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Электрические и магнитные явления и их проявления

Сначала найдите в таблице интересующее явление, а затем проследите цепочку от причины к наблюдаемому эффекту. Так можно отличить создание поля от его действия на заряд или ток. Особенно важно сопоставлять индукцию не с наличием поля, а с изменением потока через контур.

Разбор задач

Задача 1. По схеме опыта определите, в какую сторону отклонится магнитная стрелка рядом с прямым проводником, если направление тока изменили на противоположное. Направление поля вокруг провода определяется направлением тока. Точная сторона отклонения зависит от расположения стрелки относительно провода, поэтому её определяют по схеме и правилу правой руки.

1. Обхватите проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал вдоль нового направления тока.
2. Согнутые пальцы покажут направление магнитного поля вокруг провода. При смене тока поле в каждой точке направлено противоположно прежнему.
3. Магнитная стрелка ориентируется вдоль поля: её северный полюс повернётся в новое направление поля. Сравните его с исходным положением на схеме.

Ответ: стрелка отклонится в противоположную сторону относительно первоначального отклонения. Если в схеме изменено расположение проводника или стрелки, сторону относительно листа определяйте по новому направлению поля.

Задача 2. Проводник длиной 0,20 м с током 3,0 А находится перпендикулярно однородному магнитному полю с индукцией 0,40 Тл. Найдите силу, действующую на проводник. Здесь известны длина участка, ток и магнитная индукция. Поскольку проводник перпендикулярен полю, сила будет максимальной.

1. Запишите формулу силы Ампера: F = B I l sin α.
2. Угол между током и магнитным полем равен 90°, поэтому sin 90° = 1. Подставьте значения: F = 0,40 · 3,0 · 0,20.
3. Вычислите произведение: F = 0,24 Н. Единица силы — ньютон; результат положителен и имеет разумный порядок величины.

Ответ: на проводник действует сила 0,24 Н. Если бы проводник был направлен вдоль поля, угол был бы равен нулю, и сила Ампера оказалась бы равна нулю.

Задача 3. Магнит приближают к замкнутой катушке, а затем удаляют от неё. Определите, в каких случаях возникает индукционный ток и как изменится его направление. Рассуждать нужно не только о наличии магнита, а о том, меняется ли поток через витки катушки. При движении магнита относительно катушки поток меняется в обе стороны движения.

1. При приближении магнита магнитный поток через катушку изменяется, поэтому возникает ЭДС индукции, а в замкнутой катушке — ток.
2. При удалении магнита поток также меняется, следовательно, ток снова возникает. Изменение потока теперь противоположно тому, которое происходило при приближении.
3. Поэтому направление индукционного тока при удалении меняется на противоположное. Если магнит остановить, поток перестанет изменяться, и индукционный ток прекратится.

Ответ: ток возникает и при приближении, и при удалении магнита; направления токов противоположны. Это верно, пока магнитное движение действительно изменяет магнитный поток через катушку.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты. Это неверно, потому что движущиеся заряды и токи тоже создают магнитное поле. Такую ошибку допускают, когда вспоминают поле только по магнитам, которые можно увидеть. Проверка: в опыте Эрстеда ток отклоняет стрелку даже без постоянного магнита рядом с проводником.

Ошибка 2: путать направление поля с направлением силы. Поле задаётся отдельно, а сила зависит также от направления тока или скорости заряда. Ошибка возникает, если считать, что сила всегда направлена вдоль магнитного поля. Для проверки используйте формулу с углом и правило определения направления силы, учитывая направление движения заряда или тока.

Ошибка 3: ожидать индукционный ток при любом нахождении контура в магнитном поле. Ток появляется, когда меняется магнитный поток, а не просто потому, что поле существует. Путаница возникает из-за смешения причины и условия опыта: магнит может находиться рядом неподвижно, не вызывая изменения потока. Проверьте, меняются ли величина поля, площадь контура или его ориентация.

Ошибка 4: считать магнитную индукцию скалярной величиной. У B есть модуль и направление, потому что действие магнитного поля зависит от взаимной ориентации поля и тока или скорости заряда. Так думают, если обращают внимание только на числовое значение в теслах. Проверка: в записи укажите направление вектора B и используйте его при определении направления силы.

Связь с другими темами

Для изучения электромагнетизма нужно знать электрический заряд, силу тока и электрическое поле: эти понятия помогают понять, что создаёт поля и на что они действуют. Магнитное поле и индукция B понадобятся при дальнейшем изучении силы Ампера, силы Лоренца и движения заряженных частиц. Электромагнитная индукция объясняет принцип работы генераторов и трансформаторов. Она также подготавливает к изучению электромагнитных колебаний, где поля и энергия периодически изменяются.

Что запомнить

• Электрические и магнитные явления связаны и составляют электромагнетизм.
• Электрический ток создаёт магнитное поле.
• Магнитное поле действует на движущиеся заряды и проводники с током.
• Магнитную индукцию обозначают вектором B.
• Изменение магнитного потока через контур вызывает ЭДС индукции.
• Направление индукционного тока зависит от того, как изменяется магнитный поток.