4. Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитное поле — особая форма материи, существующая вокруг магнитов и проводников с током и действующая на другие магниты и токи. Оно не является веществом, которое можно взять или увидеть, но реально проявляется своим действием. Это понятие нужно, чтобы объяснять работу компаса и взаимодействие магнитов.

Магнитная индукция — физическая величина, характеризующая магнитное поле в данной точке; её обозначают буквой B. Она помогает сравнивать поля по величине и указывать их направление. Чем сильнее поле, тем больше магнитная индукция в рассматриваемой области.

Линии магнитного поля — воображаемые линии, касательная к которым показывает направление магнитного поля. Их рисуют не как реальные нити, а как удобный способ представить невидимое поле. По направлению линий определяют действие поля, а по их густоте сравнивают его силу.

Однородное магнитное поле — поле, в котором магнитная индукция одинакова по модулю и направлению во всех точках. На рисунке его изображают параллельными линиями с одинаковыми промежутками. Такое определение позволяет отличить почти равномерное поле от поля, которое заметно меняется от точки к точке.

Как это устроено

Постоянный магнит создаёт магнитное поле потому, что внутри вещества его микроскопические магнитные эффекты ориентированы согласованно. У магнита есть северный и южный полюса, и поле особенно заметно около них. Проводник с электрическим током тоже создаёт поле: ток представляет собой направленное движение зарядов, а движущиеся заряды оказывают магнитное действие.

Неподвижный электрический заряд окружён электрическим полем, но сам по себе не создаёт магнитного поля. Когда заряд движется, возникает ток, и вместе с электрическим действием проявляется магнитное. Поэтому в опыте с током магнитная стрелка поворачивается, хотя провод и стрелка не соприкасаются.

Обнаружить магнитное поле можно по его действию на небольшой магнит, например магнитную стрелку. Стрелка поворачивается и устанавливается определённым полюсом в определённую сторону, потому что на неё действует магнитное поле. Такое же поле может изменить движение другого магнита или повлиять на проводник, по которому идёт ток.

Само поле невидимо, поэтому его изображают линиями магнитного поля. В каждой точке направление линии совпадает с направлением, куда повернулся бы северный конец маленькой магнитной стрелки. Вне полосового магнита линии идут от северного полюса к южному, а внутри магнита возвращаются обратно, образуя замкнутые линии.

Густота линий нужна для наглядного сравнения магнитной индукции: чем больше линий приходится на одинаковую площадь, тем сильнее поле. Линии не пересекаются, потому что в одной точке поле не может иметь два разных направления. В однородном поле линии параллельны и равноудалены, а в неоднородном расстояния между ними меняются.

Сравнение магнитных полей и способов их изображения

Сначала по первому столбцу найдите источник или вид поля, а затем проверьте, каким опытом его обнаруживают. По третьему столбцу можно определить направление поля и его однородность, сравнивая параллельность и расстояния между линиями.

Таблица также помогает не смешивать источник поля с видом самого поля. Например, катушка является источником, а пространство внутри неё может создавать почти однородное поле.

Разбор задач

Задача 1. Какие объекты создают магнитное поле?

Условие. Нужно определить, возникает ли магнитное поле вокруг неподвижного электрического заряда, постоянного магнита и проводника с током. Объясните ответ через магнитное действие объектов. Не следует считать любой электрический заряд источником магнитного поля.

1. Неподвижный заряд не движется, поэтому электрический ток отсутствует.
2. Постоянный магнит обладает собственным магнитным действием и создаёт поле вокруг себя.
3. В проводнике с током заряды движутся направленно, поэтому вокруг проводника возникает магнитное поле.

Ответ. Магнитное поле создают постоянный магнит и проводник с током. Вокруг неподвижного электрического заряда магнитного поля в рамках школьной модели нет.

Задача 2. Где поле сильнее и однородно ли оно?

Условие. На схеме в одной области линии магнитного поля расположены гуще, чем в другой, а расстояния между ними меняются. Нужно определить, где поле сильнее и является ли оно однородным. Направление линий в этой задаче сравнивать не требуется.

1. Выбираем участки одинаковой площади и считаем, сколько линий проходит через каждый из них.
2. На участке с большей густотой линий магнитное поле сильнее, потому что там больше магнитная индукция.
3. Проверяем расстояния между линиями: если густота меняется, магнитная индукция неодинакова в разных точках.

Ответ. Сильнее поле там, где линии расположены гуще. Поле неоднородное, так как расстояния между линиями не остаются одинаковыми.

Задача 3. Линии поля полосового магнита

Условие. Нужно изобразить линии магнитного поля полосового магнита и указать их направление около северного и южного полюсов. Линии должны показывать не только внешнее поле, но и его замкнутый характер.

1. Рисуем несколько линий, выходящих из северного полюса и входящих в южный вне магнита.
2. Продолжаем каждую линию внутри магнита от южного полюса к северному, чтобы получить замкнутый контур.
3. Располагаем линии гуще около полюсов и не допускаем их пересечения.

Ответ. Снаружи магнита направление линий — от северного полюса к южному, внутри — от южного к северному. Поле наиболее сильное в областях около полюсов, где линии гуще.

Типичные ошибки

Некоторые считают, что магнитное поле бывает только у постоянного магнита. Так забывают о проводнике с током, потому что провод без тока внешне может выглядеть так же. Проверка проста: вспомните, отклоняет ли ток магнитную стрелку.

Другая ошибка — переносить на магнитное поле свойства электрических зарядов. Магнитное поле связано с магнитами и движущимися зарядами, а неподвижный заряд в школьной модели создаёт только электрическое поле. Проверьте себя вопросом: есть ли движение зарядов или магнитное тело?

Нельзя рисовать пересекающиеся линии магнитного поля. В точке пересечения касательные задавали бы два направления, хотя поле имеет одно направление. Проведите мысленно маленькую магнитную стрелку: она не может одновременно ориентироваться по двум сторонам.

Редкие линии не означают полного отсутствия поля. Они показывают, что поле в этой области слабее относительно участка с густыми линиями. Поэтому сравнивайте густоту линий, а не ищите только места, где они нарисованы.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что электрический ток оказывает магнитное действие, а магнитная стрелка ориентируется в магнитном поле Земли. Эти сведения объясняют первые опыты с проводником и компасом.

Понятие магнитного поля понадобится при изучении поля проводника и катушки с током, электромагнитов и электродвигателей. В дальнейшем оно поможет понять работу компаса, генератора и других электромагнитных устройств.

Что запомнить

• Магнитное поле создаётся постоянными магнитами и электрическими токами.
• Магнитное поле обнаруживают по его действию на магниты и токи.
• Магнитная индукция B характеризует магнитное поле.
• Направление магнитного поля показывают линии магнитного поля.
• Линии магнитного поля не пересекаются.
• Большая густота линий соответствует более сильному полю.
• В однородном поле линии параллельны и расположены с одинаковой густотой.