Магнитное поле
Магнитное поле возникает вокруг движающихся электрических зарядов, проводников с током и постоянных магнитов. Оно действует на движущиеся заряды и проводники с током, а изображают его с помощью магнитных силовых линий.
Что такое магнитное поле
Электромагнитное поле объединяет электрическое и магнитное поля. Магнитное поле обнаруживают по его действию: оно изменяет движение движущихся заряженных частиц, действует на проводник с током и ориентирует магнитную стрелку.
Магнитное поле — это форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов, проводников с током и постоянных магнитов и действующая на движущиеся заряды, токи и магниты.
- Неподвижный электрический заряд создаёт электрическое поле, но не создаёт магнитного поля в данной системе отсчёта.
- Движущийся заряд создаёт магнитное поле.
- Вокруг проводника с постоянным током существует магнитное поле.
- Магнитное поле постоянного магнита связано с движением электронов внутри вещества.
Главная характеристика магнитного поля — магнитная индукция \(\vec{B}\). Это векторная величина: у неё есть числовое значение и направление. Единица магнитной индукции в СИ — тесла (Тл). Направление поля в точке совпадает с направлением северного полюса маленькой магнитной стрелки, помещённой в эту точку.
Источники магнитного поля
Источниками магнитного поля являются электрический ток и постоянные магниты. Чем больше ток, тем сильнее поле около проводника. При изменении направления тока изменяется и направление магнитного поля.
Если обхватить прямой проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал направление тока, согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля вокруг проводника.
Для катушки с током направление магнитного поля находят по правилу правой руки: согнутые пальцы направляют по току в витках, а отставленный большой палец показывает направление поля внутри катушки и сторону её северного полюса. Поле катушки можно усилить увеличением силы тока, числа витков и использованием железного сердечника.
Поле постоянного магнита также имеет направление и изображается линиями. Снаружи магнита линии выходят из северного полюса и входят в южный, а внутри магнита направлены от южного полюса к северному.
Магнитные силовые линии
Магнитные силовые линии — воображаемые линии, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением магнитной индукции. Они позволяют наглядно представить поле, хотя сами линии не являются материальными объектами.
- В каждой точке поля направление линии показывает направление вектора \(\vec{B}\).
- Чем гуще линии, тем сильнее поле.
- Линии магнитного поля замкнуты: у них нет начала и конца.
- Линии не пересекаются, потому что в одной точке поле не может иметь сразу два направления.
- В однородном поле линии параллельны и расположены с одинаковой густотой.
Поле между близкими разноимёнными полюсами магнита примерно однородно в центральной области. Около концов магнита поле неоднородно: линии расположены гуще.
Как изменится направление магнитных линий вокруг прямого проводника, если направление тока изменить на противоположное?
Действие магнитного поля на ток
Если проводник с током поместить в магнитное поле, поле действует на проводник с силой. Эта сила называется силой Ампера. Она может перемещать проводник, поворачивать рамку с током или заставлять вращаться ротор электродвигателя.
Сила Ампера — сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Её направление определяют правилом левой руки.
Здесь \(F_{\text{А}}\) — сила Ампера, \(B\) — магнитная индукция, \(I\) — сила тока, \(l\) — длина участка проводника в поле, \(\alpha\) — угол между направлением тока и направлением магнитного поля.
Если проводник перпендикулярен линиям поля, то \(\alpha=90^\circ\) и \(F_{\text{А}}=BIl\). Если проводник расположен вдоль линий поля, то \(\alpha=0^\circ\) и сила Ампера равна нулю.
Левую руку располагают так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца указывали направление тока, а отставленный большой палец показывал направление силы Ампера.
Сила Ампера перпендикулярна и проводнику, и линиям магнитного поля. При изменении направления тока или магнитного поля сила меняет направление. Если изменить оба направления одновременно, направление силы сохранится.
Разобранный пример: сила Ампера
Проводник длиной \(20\ см\) находится в однородном магнитном поле с индукцией \(0{,}4\ Тл\). Сила тока равна \(3\ А\), проводник перпендикулярен линиям поля. Найдите силу Ампера.
Ответ: сила Ампера равна \(0{,}24\ Н\). Направление силы находят отдельно по правилу левой руки; числового ответа для этого недостаточно, если в задаче требуется указать направление.
Связь с движением заряженных частиц
Магнитное поле действует не на любой заряд, а на движущийся заряд. Поэтому частица, летящая перпендикулярно линиям поля, может двигаться по окружности: магнитная сила всё время перпендикулярна скорости и изменяет её направление, но не совершает работу. Скорость по модулю при этом не изменяется.
При движении частицы под углом к линиям поля траектория может быть винтовой. Подробнее свойства волн и частиц помогают связать с разделом частицы волны, но для задания о силе Ампера достаточно различать направление поля, тока и силы.
1. Путают правило правой руки для направления поля вокруг проводника с правилом левой руки для силы Ампера. 2. Не переводят сантиметры в метры. 3. Используют формулу \(F=BIl\) при произвольном угле, забывая множитель \(\sin\alpha\). 4. Считают, что магнитное поле действует на неподвижный заряд. 5. Изображают магнитные линии пересекающимися или незамкнутыми.
Как решать задания о магнитном поле
- Определите источник поля: магнит, прямой проводник, катушка или движущийся заряд.
- Найдите направление магнитного поля по правилу правой руки или по расположению полюсов магнита.
- Если требуется сила, установите направления тока и поля, затем примените правило левой руки.
- Запишите формулу \(F_{\text{А}}=BIl\sin\alpha\) и приведите все величины к СИ.
- Проверьте частный случай: при параллельности проводника и поля сила должна быть равна нулю.
Проверь себя
Главное
- Магнитное поле создают токи, движущиеся заряды и постоянные магниты; его характеристика — магнитная индукция \(\vec{B}\), измеряемая в теслах.
- Направление поля вокруг проводника находят правилом правой руки, а направление силы Ампера — правилом левой руки.
- Сила Ампера вычисляется по формуле \(F_{\text{А}}=BIl\sin\alpha\). Она максимальна при перпендикулярном расположении проводника и поля и равна нулю при параллельном.
- Магнитные силовые линии замкнуты, не пересекаются, а их густота показывает относительную силу поля.
- Для решения задания сначала определяют источник и направления, затем выбирают правило, переводят величины в СИ и подставляют их в формулу.