Магнетизм и характеристики магнитного поля

На этой странице вы узнаете

• Какой самый большой магнит на всем белом свете?
• Можно ли получить магнит только с одним полюсом?
• Географические и магнитные полюса Земли: в чем разница?

Автомобильное движение в мире бывает правостороннее и левостороннее. В России автомобилисты ездят по правой стороне, а, например, на Кипре — по левой. Все правила дорожного движения остаются теми же. Главное — не перепутать право и лево.

Для обсуждения темы этой статьи нам понадобится помощь двух рук: левой и правой. И снова, главное — не перепутать.

Магнитное поле

Люди еще с давних времен заметили свойство магнитного железняка притягивать железные предметы. Слово «магнит» означает название руды, которая добывалась 2500 лет назад в местности под названием Магнезия. 

Есть еще одна версия происхождения слова «магнит». Пастух по имени Магнус, во время прогулки со своими овечками, обнаружил, что железные набойки на его сапогах притягиваются к загадочному камню. 

На самом деле ли камень такой загадочный, будем разбираться в этой статье. 

Покоящиеся заряженные тела создают вокруг себя только электрическое поле. Движущиеся заряженные тела — и электрическое, и магнитное поле.

Магнитное поле — особый вид материи, посредством которого осуществляется магнитное взаимодействие.

Магнитное поле существует вокруг:

• Движущихся заряженных частиц (электрический ток — направленное движение заряженных частиц). Проводник с током притягивает железные опилки:

• Постоянных магнитов.

Магнит — это объект, сделанный из определенного материала, он притягивает железо и создает вокруг себя магнитное поле.

Относительность магнитного поля

Оказывается, мы не можем однозначно сказать, что существует магнитное поле. Все зависит от того, как вы наблюдаете за источником магнитного поля.

Для наблюдателя, движущегося вместе с зарядом, существует только электрическое поле, магнитное поле отсутствует.

Для наблюдателя, следящего за зарядом с Земли, существует и электрическое, и магнитное поле.

Также стоит заметить, что взаимодействие магнитных полей зависит от расположения самих источников. 

Магнитное взаимодействие:

• Движущиеся электрические заряды (токи) притягиваются и отталкиваются.
  
  Токи направлены в одну сторону — проводники притягиваются.
  Токи направлены в разные стороны — проводники отталкиваются.

• Постоянные магниты притягиваются и отталкиваются.

Действие магнитного поля

Магниты не случайно имеют дугообразную форму. Такая форма нужна, чтобы полюса магнита находились ближе друг к другу. Это позволяет усилить магнитное поле. 

Что может магнитное поле?

Оно способно притягивать к себе различные металлические предметы. А если поместить проводник с током в магнитное поле, то он станет отклоняться под действием силы. Почему так происходит? 

Ток представляет собой движение заряженных частиц. А как мы выясним немного позднее, на заряды действует сила со стороны магнитного поля. Поэтому и на проводник с током действует сила со стороны магнитного поля.

• Магнитное поле не действует на проводник без тока.

• Магнитное поле действует на проводник с током.

• При попадании в поле между магнитами электрон отклоняется от прямолинейного движения.

• Поле магнита действует на стальные и железные винты и не действует на алюминиевые.

Для того чтобы описать магнитное поле, используется такое понятие, как индукция магнитного поля.

Индукция магнитного поля

Индукция магнитного поля B — векторная физическая величина для количественной характеристики магнитного поля в заданной точке. 

Единица измерения магнитной индукции — тесла (Тл) — индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А  действует максимальная сила Ампера 1 Н.

Иначе говоря, магнитная индукция показывает величину и направление магнитного поля в некоторой точке. Дальше на примере мы конкретно увидим, о чем идет речь.

Какой самый большой магнит на всем белом свете? Ответ простой. Это наша планета Земля. Некоторые животные ориентируются по магнитному полю Земли с помощью магниторецепции. Эта способность к ощущению магнитного поля Земли.Примером являются черепахи и домашние голуби.   Подобная мысль была высказана еще в далеком прошлом английским ученым Гильбертом. Он утверждал, что ее географические полюса совпадают с магнитными.

Линии индукции

Мы не можем увидеть магнитное поле, но можем его нарисовать. Для этого придумали линии магнитной индукции.

Линии магнитной индукции — это во­об­ра­жа­е­мые ли­нии в про­стран­стве, ка­са­тель­ная к ко­то­рым сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем ин­дук­ции маг­нит­но­го по­ля в каж­дой точ­ке по­ля. 

Направлены они от северного полюса к южному.

Чем гуще расположены линии, тем сильнее магнитное поле.

Линии магнитного поля вокруг постоянных магнитов зависят от самого магнита: 

• Полосовой магнит

• Подковообразный магнит

Можно ли получить магнит только с одним полюсом? Невозможно. Даже самый крохотный магнит будет иметь всегда два полюса: северный и южный. Но если магнит нагреть до высокой температуры, он теряет свои магнитные свойства. Даже после остывания, его свойства не восстановятся.

Вектор магнитной индукции \(\vec{B}\) направлен по касательной к линии индукции, его направление совпадает с направлением линии поля.

Густоту линий используют для наглядности графического представления интенсивности магнитного поля.

Географические и магнитные полюса Земли: в чем разница? Для определения географических полюсов люди используют компас. Синим концом стрелка компаса всегда показывает направление северного географического полюса. Но там ли будет находиться северный магнитный полюс? Нет. В той стороне будет южный магнитный. И наоборот, там, где южный географический полюс, находится северный магнитный. Одинаковые полюса магнита отталкиваются, а не притягиваются. Значит, синий конец стрелки компаса притянется к южному магнитному полюсу Земли.

Силовые линии магнитного поля проводника с током

Не менее интересным является тот факт, что направление линий магнитного поля проводника также зависит от направления тока в этом проводнике.

Магнитное поле длинного прямого проводника с током	Магнитное поле длинного замкнутого кольцевого проводника с током

Магнитные силовые линии вокруг прямолинейного проводника с током имеют вид концентрических окружностей, в центре которых находится проводник.

Магнитное поле катушки с током

Силовые линии вокруг катушки с током напоминают силовые линии вокруг полосового магнита (внутри катушки поле однородное: магнитные линии параллельны друг другу).

Для чего важно знать направление линий магнитной индукции? Есть задачи, которые связаны с расчетами электрических величин. Поэтому нам необходимо знать, как поведут себя линии магнитной индукции относительно электрического тока и наоборот.

Для определения ориентации сил и полей на практике часто используют мнемонические правила, одним из которых является правило буравчика, с успехом применяемое в электротехнике.

Определим направления линий магнитного поля (направления тока в проводах).

Правило буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции (и наоборот).

Для лучшего понимания правила буравчика представим, что пальцы нашей руки — это стрелки, показывающие направления.

Правило правой руки:  — Если большой палец правой руки расположить по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направление линий магнитной индукции. — Если обхватить правой рукой проводник так, чтобы четыре пальца руки указывали направление линий магнитной индукции, тогда большой палец покажет направление тока в проводнике.

Принцип суперпозиции

А что будет в том случае, когда у нас два проводника с током, которые находятся на небольшом расстоянии? Как тогда найти магнитную индукцию?

Давайте посмотрим на рисунок. Здесь изображено 2 проводника с электрическим током I₁ и I₂. Вокруг них существует магнитное поле B₁ и B₂ соответственно. Их направление можно определить с помощью правила буравчика. Направление же полной магнитной индукции B находится с помощью правила параллелограмма.

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: результирующий вектор магнитной индукции магнитного поля в данной точке равен сумме векторов магнитной индукции полей нескольких источников, действующих на объект независимо друг от друга:

В жизни практически всегда объекты находятся в полях нескольких источников магнитного поля. Если пройти по дому с компасом, можно заметить, что в некоторых местах стрелка отклоняется. Это происходит под воздействием магнитных полей, создаваемых работающими электроприборами — микроволновыми печами, телевизорами, пылесосами и т. п.

Как вы могли заметить на рисунках немного выше, проводник с током отклоняется от положения равновесия при активном магните. Значит, на него действует некоторая сила, которая и отклоняет его от положения равновесия. Эта сила называется силой Ампера.

Сила Ампера

Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него прямой проводник с током. 

Модуль силы Ампера находится по следующей формуле: 

\(F_А = IBL \sin \alpha\), где FА — сила Ампера (Н); B — индукция магнитного поля (Тл); l — длина проводника (м); I — сила тока (А); \(\alpha\) — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике (градус).

Именно сила Ампера показывает, почему отклоняется проводник с током при действии на него магнитного поля.

Сила Ампера получила широкое применение в электротехнике. Прежде всего, это работа электродвигателей. Именно она приводит в движение трамвай, лифт. 

Чтобы определить направление силы Ампера, необходимо снова воспользоваться «правилом руки».

Правило левой руки

Направление силы Ампера определяют с помощью правила левой руки: 

четыре пальца левой руки располагают по движению тока, при этом вертикальная составляющая вектора магнитной индукции входит в ладонь, тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

FA— сила Ампера (Н), I — сила тока в проводнике (А),  B — магнитная индукция (Тл),  B\(\perp\) и B||— ее вертикальная и горизонтальная составляющие, \(\alpha\)  — угол между направлением тока и магнитной индукции (градусы).

Как мы уже выяснили, если внести проводник с током в магнитное поле, то на него будет действовать сила Ампера. Оказывается, с помощью этой силы можно получить полезную работу. На основании полезной работы силы Ампера основана работа некоторых двигателей.

Как мы видим, проводники с током могут не только передавать электричество. Они еще и образуют собственное магнитное поле, которое тоже подчиняется законам физики.

Фактчек

• Магнитное поле — особый вид материи, посредством которого осуществляется магнитное взаимодействие.
• Правило правой руки: Если большой палец правой руки расположить по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направление линий магнитной индукции.
• Сила Ампера — это сила, действующая на проводник с током, находящимся в магнитном поле и ее можно рассчитать: \(F_А = IBL \sin \alpha\).
• Правило левой руки: четыре пальца левой руки располагают по движению тока, при этом вертикальная составляющая вектора магнитной индукции входит в ладонь, тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Проверь себя

Задание 1.
Направление силы, действующей на проводник с током, находящимся в магнитном поле, можно определить, используя правило:

1. левой руки
2. правой руки
3. левой ноги
4. правой ноги

Задание 2.
Сила Ампера рассчитывается как:

1. \(F_А = BL \sin \alpha\)
2. \(F_А = IBL \sin \alpha\)
3. \(F_А = IB \sin \alpha\)
4. \(F_А = IL \sin \alpha\)

Задание 3.
В каких единицах измеряется магнитная индукция?

1. А
2. Н
3. Тл
4. Кл

Задание 4.
Выберите пункт, в котором правильно описан способ нахождения направления силы Ампера:

1. Большой палец по направлению магнитного поля, сила тока входит в ладонь. Тогда 4 пальца будут направлены по направлению силы Ампера.
2. 4 пальца направлены по направлению силы Ампера, линии магнитной индукции входят в ладонь. Большой палец будет направлен вдоль силы Ампера.

Ответы: 1. — 1, 2. — 2, 3. — 3, 4. — 2.