Магнитное поле. Магнитные линии

В курсе физики 8 класса мы познакомились с электрическими и магнитными явлениями. Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Если же эти заряды движутся, то вокруг них возникает еще одно поле — магнитное (рисунок 1). И электрическое, и магнитное поля представляют собой особый вид материи, который мы не способны увидеть. По этой причине при их изучении мы ориентируемся на действие этих полей на другие подвижные или неподвижные электрические заряды.

На данном уроке мы вспомним определение магнитного поля и его источники, рассмотрим способ графического изображения поля с помощью магнитных линий и узнаем, чем однородное магнитное поле отличается от неоднородного.

Магнитное поле и его источники

Магнитное поле — это особый вид материи, возникающий при движении заряженных частиц, как положительных, так и отрицательных.

Так, магнитное поле существует вокруг металлических проводников с током. В этом случае ток возникает в результате упорядоченного движения отрицательно заряженных электронов (рисунок 2).

Магнитное поле также возникает, если ток проходит через раствор электролита (рисунок 3). Здесь уже движутся не электроны, а ионы. Положительно и отрицательно заряженные, они движутся навстречу друг другу.

И, конечно же, магнитное поле возникает вокруг постоянных магнитов (рисунок 4). В них мы тоже можем отследить движение заряженных частиц.

Согласно гипотезе Ампера, в атомах и молекулах веществ в результате движения электронов возникают кольцевые токи. Каждый электрон, находясь в непрерывном движении, создает вокруг себя магнитное поле. Происходит это по причине того, что он обладает электрическим зарядом: $q_e \approx − 1.6 \cdot 10^{−19} \space Кл$ (рисунок 5). Но большинство веществ устроено таким образом, что эти крошечные токи нейтрализуют действие друг друга. В итоге тело, состоящее из такого вещества, не создает вокруг себя магнитного поля.

А вот в строении веществ, из которых делают магниты, такой нейтрализации не происходит (рисунок 6). Электроны таких атомов вращаются в одном и том же направлении. Поэтому их магнитные поля складываются. В результате, вокруг такого тела (магнита) и внутри него образуется единое магнитное поле.

{"questions":[{"content":"Магнитное поле возникает в результате [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["движения заряженных (и положительных, и отрицательных) частиц","наличия заряда у неподвижной частицы","движения только отрицательно заряженных частиц","движения только положительно заряженных частиц"],"answer":0}}}]}

Инструменты для изучения магнитного поля

Определить наличие магнитного поля и оценить его воздействие можно с помощью наблюдения действия поля на другие движущиеся электрические заряды. Для этого чаще всего мы будем использовать постоянные магниты (дугообразные, полосовые, магнитные стрелки) и проводники с током.

Магнитные стрелки (рисунок 7) представляют собой маленькие магниты, способные ориентироваться в магнитном поле Земли. При воздействии другого магнитного поля мы будем наблюдать изменение их ориентации в пространстве.

Проводники с током могут быть и прямыми, и другой формы. Зачастую мы будем использовать рамку с током — изогнутый проводник, по которому течет электрический ток. Такая рамка может быть круглой, овальной, квадратной, прямоугольной. При помещении в магнитное поле она будет определенным образом поворачиваться (рисунок 8). Ее размеры должны быть очень малы по сравнению с расстояниями, на которых мы изучаем магнитное поле.

Стоит отметить, что магнитное поле оказывает силовое действие. Поэтому говорят, что оно материально — действует с определенной силой.

{"questions":[{"content":"Какие тела могут быть источниками магнитного поля?[[choice-8]]","widgets":{"choice-8":{"type":"choice","options":["проводник с током","постоянный магнит","неподвижное заряженное тело","проводник без тока","диэлектрик"],"explanations":["","","Для возникновения магнитного поля необходимы движущиеся заряды, а не неподвижные.","Если по проводнику не течет ток, то магнитное поле не возникнет.","Диэлектрики не проводят электрический ток. Значит, возникновение магнитного поля невозможно."],"answer":[0,1]}}}]}

Магнитные линии

Для наглядного графического представления магнитного поля мы используем магнитные линии (или линии магнитного поля).

Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых располагаются оси маленьких магнитных стрелок при их помещении в магнитное поле.

Густота магнитных линий

Такую линию мы можем провести через любую точку пространства, в котором наблюдается магнитное поле. Каждый раз мы выбираем удобный для нас масштаб. В той области пространства, где магнитное поле более сильное, мы изображаем линии ближе друг к другу, чем в тех местах, где поле слабее (рисунок 9).

{"questions":[{"content":"Чем ближе друг к другу расположены магнитные линии, тем [[fill_choice_big-17]] магнитное поле будет действовать на магнитную стрелку в этой области поля.","widgets":{"fill_choice_big-17":{"type":"fill_choice_big","options":["сильнее","слабее"],"answer":0}}}]}

Направление магнитных линий

В любом случае линию магнитного поля мы проводим так, чтобы касательная к любой ее точке совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку. Если магнитная линия представляет собой прямую, то магнитные стрелки располагаются вдоль нее (рисунок 10). При этом касательные к прямой будут совпадать с самой прямой. Направление магнитной линии совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в любой точке поля.

Магнитные линии могут быть криволинейными. В этом случае ось магнитных стрелок в любой точке такой линии совпадает с касательной, проведенной к этой точке (рисунок 11).

Магнитные линии являются замкнутыми и непрерывными. Они не пересекаются между собой. Если мы видим перед собой прямую магнитную линию, как на рисунке 10, то должны понимать, что смотрим только на какой-то ее участок. В какой-то точке пространства она станет кривой и замкнется сама на себе (возможно, в бесконечности).

Если линии магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа, то для их изображения мы будем использовать точки и крестики (рисунок 12). Если линия магнитного поля направлена от нас, то мы обозначаем ее крестиком, а если к нам — то точкой.

Для быстрого и простого запоминания мы можем использовать аналогию со стрелой. Так, точка будет представлять острие стрелы, летящей к нам, а крестик — видимое хвостовое оперение стрелы, летящей от нас.

Итак, по графическим изображениям магнитного поля можно судить о его направлении и величине. Например, мы можем говорить в каких точках пространства тело действует на магнитную стрелку с большей силой, а в каких — с меньшей.

{"questions":[{"content":"В любой точке поля магнитная стрелка располагается [[fill_choice_big-24]].","widgets":{"fill_choice_big-24":{"type":"fill_choice_big","options":["по касательной к магнитной линии","перпендикулярно магнитной линии","произвольным образом"],"answer":0}}}]}

Магнитное поле полосового магнита

Графическое изображение линий магнитного поля полосового магнита представлено на рисунке 13.

Его магнитные линии всегда выходят из северного полюса (N) магнита и входят в южный (S). Внутри магнита линии направлены от южного полюса к северному. Обратите внимание, что у них нет конца — они либо замкнуты, либо (как средняя линия на рисунке) идут из бесконечности в бесконечность.

Какую еще информацию можно получить из этого изображения? Мы можем посмотреть на густоту магнитных линий. У полюсов магнита они расположены ближе друг к другу. Это означает, что у полюсов поле самое сильное. А по мере удаления от полюсов поле слабеет.

Чем ближе к полюсу такого магнита мы расположим магнитную стрелку, тем с большей по модулю силой на нее будет действовать поле. Так как большинство линий представляют собой кривые, направление действия этой силы будет различным в разных точках пространства. Поэтому такое магнитное поле называется неоднородным.

{"questions":[{"content":"Магнитные линии полосового магнита выходят из его [[fill_choice-30]] полюса и входят в [[fill_choice-34]].","widgets":{"fill_choice-30":{"type":"fill_choice","options":["северного","южного"],"answer":0},"fill_choice-34":{"type":"fill_choice","options":["южный","северный"],"answer":0}}}]}

Магнитное поле прямого проводника с током

Вокруг прямолинейного проводника с током тоже возникает неоднородное магнитное поле (рисунок 14). Его магнитные линии представляют концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику.

В таком случае удобно смотреть на участок проводника в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа — будто мы смотрим на проводник сверху (рисунок 15).

Точка (так же как и с обозначением магнитных линий) на сечении проводника указывает направление тока. Она означает, что ток направлен к нам. Если же ток направлен от нас, то для обозначения используется крестик.

На рисунке 15 явно видна неоднородность этого магнитного поля. Об этом говорит то, что расстояние между магнитными линиями в виде окружностей постепенно увеличивается по мере удаления от проводника.

{"questions":[{"content":"Магнитные линии прямого проводника с током представляют собой [[fill_choice_big-41]].","widgets":{"fill_choice_big-41":{"type":"fill_choice_big","options":["концентрические окружности в плоскости, перпендикулярной проводнику","концентрические окружности в плоскости, параллельной проводнику","прямые линии в плоскости, перпендикулярной проводнику","прямые линии в плоскости, параллельной проводнику"],"answer":0}}}]}

Однородное магнитное поле

Существует ли однородное магнитное поле? Да, мы можем его создать в некоторой ограниченной области пространства.

Однородное магнитное поле — это поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.

На рисунке 16 показано магнитное поле соленоида. Такой прибор представляет собой проволочную цилиндрическую катушку с током, вид электромагнита.

Магнитное поле снаружи соленоида неоднородно. Его магнитные линии расположены примерно так же, как у полосового магнита. А вот поле внутри такого соленоида мы можем считать однородным. Для этого длина обмотки соленоида должна быть намного больше его диаметра. Мы видим, что магнитные линии внутри соленоида параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой. Такие же линии мы видим и внутри полосового магнита в его центральной части на рисунке 13. Поэтому мы можем сказать, что в этой области магнитное поле однородно.

Обладая этими знаниями, мы можем, взглянув на изображение магнитных линий, делать выводы об однородности или неоднородности магнитного поля (рисунок 17).

{"questions":[{"content":"Если магнитные линии параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой, то магнитное поле является [[fill_choice_big-47]].","widgets":{"fill_choice_big-47":{"type":"fill_choice_big","options":["однородным","неоднородным"],"answer":0}}}]}

Упражнения

Упражнение № 1

На рисунке 18 изображен участок ВС проводника с током. Вокруг него в одной из плоскостей показаны линии магнитного поля, созданного этим током. Существует ли магнитное поле в точке А?

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 2

В какой из точек — А, М или N (рисунок 19) — магнитное поле тока, протекающего по участку ВС проводника, будет действовать на магнитную стрелку с наибольшей силой; с наименьшей силой?

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 3

На рисунке 20 изображен проволочный виток с током и линии магнитного поля, создаваемого этим током. При этом АС = AD, АЕ = BE.
а) Есть ли среди указанных на рисунке точек А, В, С и D такие, в которых поле действовало бы на магнитную стрелку с одинаковой по модулю силой? Если такие точки есть, укажите их.
б) В какой из точек — А, В, С или D — поле действует на магнитную стрелку с наибольшей силой?
в) Можно ли найти такие точки, в которых сила действия поля на магнитную стрелку была бы одинакова как по модулю, так и по направлению? Если да, то сделайте в рисунок и укажите на нем хотя бы две пары таких точек.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

а) В точках С и D поле будет действовать на магнитную стрелку с одинаковой по модулю силой.

б) В точке A поле будет действовать на магнитную стрелку с наибольшей силой, потому что здесь магнитные линии расположены гуще.

в) В точках C и D, F и G, K и L сила действия на магнитную стрелку будет одинакова по модулю и направлению (рисунок 21). Направление в этих точках показано голубой линией со стрелкой.

Часто задаваемые вопросы