Магнитное поле

Определения и обозначения

Магнитное поле — особая форма материи, создаваемая движущимися электрическими зарядами и постоянными магнитами и действующая на движущиеся заряды, проводники с током и магниты. Его нельзя увидеть непосредственно, но можно обнаружить по действию. Это понятие помогает объяснить работу компаса, электродвигателя и взаимодействие токов.

Магнитная индукция — векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле; её обозначают буквой B и измеряют в теслах (Тл). Вектор показывает не только величину поля, но и его направление. По магнитной индукции сравнивают магнитные поля в разных точках.

Силовые линии магнитного поля — воображаемые линии, касательная к которым в каждой точке показывает направление магнитного поля. Чем гуще такие линии, тем сильнее поле в рассматриваемой области. Силовые линии нужны для наглядного изображения поля, а не являются материальными объектами.

Правило правой руки — способ определить направление линий магнитного поля вокруг проводника с током по направлению тока. Большой палец правой руки направляют по условному току, а согнутые пальцы показывают направление линий. Правило позволяет решать задачи без непосредственного наблюдения поля.

Как это устроено

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Движущийся заряд изменяет окружающее пространство так, что рядом с ним может возникать магнитное действие. Поэтому ток в проводнике и отдельный движущийся заряд создают магнитное поле, а неподвижный заряд в школьном рассмотрении создаёт только электрическое поле.

Обнаружить магнитное поле можно по его действию. Если рядом повернулась магнитная стрелка, притянулся или оттолкнулся другой магнит либо изменилась сила, действующая на проводник с током, значит, в области есть магнитное поле. Такой способ важнее непосредственного «наблюдения»: само поле невидимо, а его действие измеримо.

Направление поля в точке задают направлением северного полюса маленькой магнитной стрелки. Стрелка поворачивается под действием поля и устанавливается вдоль его направления, поэтому её северный полюс служит условным указателем. Если перемещать стрелку по разным точкам, можно определить направление поля во всём пространстве.

Поле изображают силовыми линиями: в каждой точке направление линии совпадает с направлением поля. Линии не пересекаются, потому что в одной точке поле не может одновременно иметь два направления. Для магнитного поля линии замкнуты: вне магнита они идут от северного полюса к южному, а внутри магнита возвращаются к северному.

Густота линий позволяет сравнивать величину магнитной индукции: где линии расположены плотнее, там поле сильнее. Вокруг прямого проводника линии являются окружностями, а при удалении от него поле ослабевает. У катушки линии складываются, поэтому внутри неё поле становится более упорядоченным; поле соленоида и постоянного магнита имеет два противоположных полюса и похоже по форме.

Магнитные поля различных источников

В таблице сначала определите источник, а затем сравните форму и направление его силовых линий. По густоте линий можно оценить, где поле сильнее. Для катушки и соленоида особенно важно учитывать направление тока во всех витках.

Разбор задач

Задача 1

Компас расположен слева от прямого проводника, то есть проводник находится справа от компаса. Ток в проводнике направлен вверх. Нужно определить, куда отклонится северный полюс стрелки.

1. Большой палец правой руки направляем вверх, по току.
2. Согнутые пальцы показывают круговое направление линий вокруг провода.
3. В точке слева от проводника направление поля оказывается в сторону наблюдателя, перпендикулярно плоскости рисунка.
4. Северный полюс стрелки повернётся по этому направлению.

Ответ: северный полюс отклонится к наблюдателю, то есть из плоскости рисунка.

Задача 2

На рисунке показаны силовые линии поля катушки и направление тока в её витках. Требуется определить северный конец катушки. Условие решают по направлению поля внутри катушки или по току в витках.

1. Выбираем точку внутри катушки и определяем направление силовой линии в ней.
2. Внутри магнита линии направлены от южного полюса к северному.
3. Конец, к которому направлены линии внутри катушки, является северным.
4. Если дано только направление тока, обхватываем катушку правой рукой: согнутые пальцы идут по току, большой палец указывает на северный конец.

Ответ: северным является конец, в сторону которого направлено поле внутри катушки; при использовании правила правой руки его показывает большой палец.

Задача 3

Два параллельных проводника имеют токи, направленные в одну сторону. Нужно объяснить их взаимодействие через магнитное поле. Каждый проводник одновременно создаёт поле и находится в поле соседа.

1. Первый проводник создаёт магнитное поле в месте расположения второго.
2. Ток второго проводника взаимодействует с этим полем, поэтому на него действует сила Ампера.
3. Аналогично поле второго проводника действует на первый проводник с током.
4. Для токов одного направления силы направлены навстречу друг другу, то есть проводники притягиваются.

Ответ: параллельные проводники с токами, направленными в одну сторону, притягиваются; каждый испытывает действие магнитного поля другого.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что магнитное поле создаётся неподвижным зарядом. Её допускают, потому что электрическое и магнитное поля часто рассматривают вместе. Проверьте себя вопросом: движется ли заряд или есть ли ток?

Ошибка: путать направление тока с движением электронов. В металлическом проводнике электроны движутся противоположно условному току, а правило правой руки использует именно условное направление тока. Сначала отметьте стрелку тока, затем применяйте правило.

Ошибка: рисовать пересекающиеся силовые линии. Так делают, пытаясь показать разные направления, но в одной точке поле имеет только одно направление. Проверьте рисунок: линии должны проходить без пересечений.

Ошибка: считать силовые линии настоящими нитями. Это условная модель, помогающая изобразить невидимое поле и сравнить его величину. Если мысленно убрать линии, само магнитное поле и его действие не исчезнут.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом токе, его направлении, проводнике с током и действии тока. Также используются представления о силовом поле и векторных физических величинах, поскольку магнитная индукция имеет направление и величину.

Дальше эти знания понадобятся при изучении силы Ампера и силы Лоренца, электромагнитной индукции и устройства электродвигателя. Во всех случаях важно уметь определять направление магнитного поля и действие поля на ток или движущийся заряд.

Что запомнить

• Магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами и постоянными магнитами.
• Магнитное поле обнаруживают по его действию на магнитную стрелку, магнит или проводник с током.
• Основная характеристика магнитного поля — магнитная индукция B.
• Единица магнитной индукции — тесла.
• Направление магнитного поля в точке совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки.
• Силовые линии магнитного поля замкнуты и не пересекаются.
• Направление поля вокруг проводника с током находят по правилу правой руки.