§17. Магнитные взаимодействия. Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитный полюс — часть магнита, где его действие проявляется сильнее всего. У магнита различают северный полюс N и южный полюс S, потому что свободно подвешенный магнит устанавливается примерно вдоль направления север — юг. Эти обозначения помогают описывать взаимодействие магнитов.

Магнитное поле — особый вид материи, существующий вокруг магнитов и проводников с током. Оно действует на магнитные тела и электрические токи, поэтому магниты могут влиять друг на друга на расстоянии. Понятие поля объясняет, как передаётся магнитное взаимодействие.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле. Её обозначают буквой B, а измеряют в теслах (Тл). Вектор показывает не только силу поля, но и его направление в выбранной точке.

Линии магнитного поля — воображаемые линии, с помощью которых изображают поле. Направление линии в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Они нужны, чтобы наглядно определить направление поля и сравнить его силу по густоте линий.

Как это устроено

Разноимённые полюса магнитов притягиваются, а одноимённые отталкиваются, хотя магниты могут не соприкасаться. Причина в том, что каждый магнит создаёт вокруг себя магнитное поле. Поле одного магнита действует на другой, и это действие проявляется как сила притяжения или отталкивания.

Компасная стрелка рядом с магнитом поворачивается, потому что на неё действует магнитное поле. Стрелка сама является маленьким магнитом, поэтому её полюса стремятся занять определённое положение в поле. По установившемуся направлению стрелки можно обнаружить поле и определить его направление.

Магнитное поле создают не только постоянные магниты, но и электрические токи. Движущиеся в проводнике электрические заряды создают вокруг него поле, поэтому рядом с проводом со включённым током компас отклоняется. Если ток прекратить, это магнитное воздействие исчезает или резко уменьшается.

Направление поля в точке определяют по северному полюсу свободной магнитной стрелки. Если мысленно перемещать стрелку по полю, её северный полюс каждый раз указывает направление вектора B. Линии поля проводят так, чтобы в каждой точке они имели это же направление, поэтому линии не пересекаются: в одной точке поле не может иметь сразу два направления.

Снаружи полосового магнита линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный. Внутри магнита направление линий замыкается от южного полюса к северному, поэтому линии образуют замкнутые контуры. Чем гуще линии расположены в области, тем сильнее там магнитное поле.

Источники магнитного поля и его проявления

Таблица помогает связать источник поля с наблюдаемым действием. Если объект вызывает отклонение компаса или взаимодействует с магнитом, вокруг него есть магнитное поле. По направлению стрелки можно узнать направление поля, а по густоте линий — сравнить его силу.

Разбор задач

Задача 1

Два магнита поднесли друг к другу северными полюсами. Нужно определить характер их взаимодействия. Известно, что у обоих обращённых полюсов одинаковое обозначение N.

1. Определяем вид полюсов: оба полюса северные.
2. Сравниваем их названия: полюса одноимённые.
3. Применяем правило: одноимённые полюса отталкиваются.

Ответ: магниты будут отталкиваться.

Задача 2

Рядом с проводником, по которому течёт ток, расположили компас. Стрелка отклонилась от прежнего направления. Нужно объяснить причину отклонения и сделать вывод об источнике поля.

1. Ток означает упорядоченное движение электрических зарядов в проводнике.
2. Электрический ток создаёт вокруг проводника магнитное поле.
3. Компасная стрелка является магнитом, поэтому поле действует на неё и поворачивает.

Ответ: стрелка отклонилась под действием магнитного поля тока; опыт подтверждает, что проводник с током создаёт магнитное поле.

Задача 3

На рисунке показаны линии магнитного поля полосового магнита и компас в одной из точек. Нужно определить направление магнитной индукции и положение северной части стрелки. Направление линии в выбранной точке задаётся касательной к линии поля.

1. Находим линию, проходящую через точку, и мысленно проводим к ней касательную.
2. Выбираем направление вдоль линии от северного полюса к южному снаружи магнита.
3. Направляем вектор B по этой линии, а северный полюс стрелки — в ту же сторону.

Ответ: магнитная индукция направлена вдоль линии поля по касательной, а северная часть компаса должна смотреть в направлении этой линии.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что магнитное поле создают только постоянные магниты. Так думают, потому что действие тока не видно непосредственно. Проверка проста: поднесите компас к проводнику с током и наблюдайте отклонение стрелки.

Ошибка: путать северный и южный полюса с положительным и отрицательным зарядами. Полюса относятся к магнитам, а знаки «плюс» и «минус» — к электрическим зарядам; это разные понятия. Проверьте себя вопросом: идёт ли речь о магните или об электризации тела?

Ошибка: изображать пересекающиеся линии магнитного поля. В точке пересечения пришлось бы указать два направления вектора B, чего у одного поля быть не может. Убедитесь, что каждая линия проходит через точку только с одним направлением.

Ошибка: считать направлением поля направление движения всей магнитной стрелки. Стрелка может повернуться, но поле определяют по тому, куда указывает её северный полюс. При проверке отдельно отметьте именно северную часть стрелки.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение зарядов, и уметь находить ток в электрической цепи. Здесь также используется представление о силовом действии полей и опыт с магнитной стрелкой-компасом. Позже магнитное поле поможет объяснить действие поля на проводник с током и работу электродвигателя.

Что запомнить

• Магнитное взаимодействие осуществляется через магнитное поле.
• Одноимённые магнитные полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Магнитное поле создают постоянные магниты и электрические токи.
• Магнитную индукцию обозначают B, её единица измерения — тесла.
• Направление магнитного поля в точке совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки.
• Линии магнитного поля не пересекаются.
• Снаружи полосового магнита линии поля направлены от северного полюса к южному.