Магнитное поле — это поле, через которое магниты, электрические токи и движущиеся заряды взаимодействуют на расстоянии. Его силовая характеристика — вектор магнитной индукции B. В выбранной точке B направлен туда, куда повернулся бы северный конец маленькой магнитной стрелки.
Поле нельзя увидеть напрямую. Линии на рисунке — не реальные нити, а модель: касательная к линии показывает направление B, а более плотное расположение линий обозначает более сильное поле. В СИ магнитную индукцию измеряют в теслах (Тл).
Что создаёт магнитное поле
Магнитное поле связано с движущимися электрическими зарядами. Оно существует вокруг проводника с током, витка и катушки. Постоянный магнит тоже создаёт поле: на микроскопическом уровне его магнитные свойства связаны с движением и магнитными моментами частиц вещества.
Обнаружить поле можно по его действию. Рядом с магнитом поворачивается стрелка компаса; проводник с током в другом магнитном поле может испытывать силу; на движущийся заряженный объект поле тоже может действовать. При этом неподвижный точечный заряд чисто магнитной силы не испытывает.
Чтобы читать схемы поля, полезно повторить материал о векторах: у B есть модуль и направление. Вокруг прямого проводника линии имеют форму окружностей, а направление B в выбранной точке идёт по касательной к окружности.
Вектор магнитной индукции B
В каждой точке магнитное поле характеризуется вектором B. У него есть модуль и направление. Направление определяют пробным компасом: северный конец стрелки устанавливается вдоль B. Поэтому компас — удобный «зонд», но он показывает поле только в месте, где находится.
Не путайте направление B и направление магнитной силы. Для движущегося заряда сила зависит не только от B, но также от направления скорости и знака заряда. Если заряд покоится или движется строго вдоль B, магнитная сила на него равна нулю. Для проводника важны направление тока и ориентация проводника относительно поля.
Как читать линии магнитного поля
- Вектор B направлен по касательной к линии в выбранной точке.
- Линии не пересекаются: иначе в точке получилось бы два направления одного результирующего B.
- Линии не начинаются и не обрываются на магнитных полюсах. Они могут замыкаться или уходить в бесконечность; например, в идеальной модели однородного поля линии прямые.
- На схеме более густые линии обозначают область более сильного поля.
У полосового магнита снаружи линии направлены от северного полюса N к южному S, а внутри продолжаются от S к N. Поэтому линия не заканчивается на полюсе. Если поставить компас справа от полюса S, северный конец стрелки повернётся к магниту.
Железные опилки помогают увидеть общий рисунок: частицы ориентируются вдоль поля. Но отдельная цепочка опилок не является линией в физическом смысле, а сам рисунок не даёт точного численного значения B.
Поле прямого проводника с током
Вокруг длинного прямого проводника линии магнитного поля имеют вид концентрических окружностей. Вектор B в каждой точке направлен по касательной к такой окружности, а не от провода наружу.
Правило правой руки: направьте большой палец правой руки по току. Согнутые пальцы покажут обход линий B. Если ток выходит из плоскости листа к наблюдателю (обозначение ⊙), поле идёт против часовой стрелки. Если ток уходит в лист (⊗), поле идёт по часовой стрелке.
Пример 1. Ток направлен из листа. Справа от провода касательная к окружности направлена вверх. Значит, B направлен вверх.
Пример 2. Ток направлен в лист. Над проводом обход по часовой стрелке направлен вправо. Значит, B направлен вправо.
Точка, крестик и однородное поле
На плоском рисунке вектор иногда направлен перпендикулярно листу. Тогда используют два коротких обозначения:
- ⊙ — вектор направлен из плоскости к наблюдателю, как остриё летящей к нам стрелы;
- ⊗ — вектор направлен в плоскость от наблюдателя, как видимое сзади оперение стрелы.
Эти знаки могут обозначать как ток, так и B, поэтому всегда читайте подпись к схеме. Если рядом с ⊙ написано I, к наблюдателю направлен ток. Если написано B, из листа направлено поле.
Однородным называют поле, в котором B одинаков по модулю и направлению во всех рассматриваемых точках. На схеме его показывают параллельными равноотстоящими линиями или одинаковыми рядами ⊙ либо ⊗. Поле полосового магнита в целом неоднородно: направление и модуль меняются при перемещении зонда.
Как магнитное поле действует на вещество и заряды
Поле может поворачивать магнитную стрелку, действовать на проводник с током и отклонять движущуюся заряженную частицу. Во всех случаях важно сначала определить B, а уже потом применять правило для силы. Одна и та же стрелка B не означает, что все объекты будут двигаться вдоль неё.
Для положительного заряда направление силы определяют правилом правой руки по векторам скорости и B; для отрицательного заряда результат разворачивают. В базовом материале достаточно запомнить две проверки: при v=0 магнитной силы нет, а при v, параллельной B, она также равна нулю.
Алгоритм задачи на направление
- Найдите источник: магнит, прямой ток, виток или внешнее поле.
- Определите B: по компасу, N→S снаружи магнита или правилу правой руки для тока.
- Проверьте геометрию: B касается линии поля; у прямого тока это касательная к окружности.
- Только если спрашивают силу, добавьте направление скорости или тока и знак заряда.
- Проверьте разворот: при смене тока B должен поменяться на противоположный.
Задачи для самопроверки
1. Ток выходит из листа. Куда направлен B слева от провода?
Против часовой стрелки; слева касательная направлена вниз. Ответ: вниз.
2. Что произойдёт с B, если изменить направление тока?
Направление B во всех точках развернётся. Геометрия окружностей сохранится.
3. Может ли две линии B пересечься?
Нет. В точке магнитное поле имеет одно результирующее направление; пересечение дало бы два.
4. Заряд покоится в магнитном поле. Куда направлена магнитная сила?
Магнитная сила равна нулю, поэтому направления у неё нет.
Частые ошибки
Рисуют B радиально от провода. У прямого тока B идёт по касательной к окружности. Считают линии материальными. Это графическая модель. Обрывают линии на S. Полная линия продолжается внутри магнита. Сразу ищут силу. Сначала найдите B, затем учтите объект, скорость и знак заряда.
Частые вопросы
Есть ли магнитное поле между нарисованными линиями?
Да. Линии выбирают для наглядности, но поле определено во всей рассматриваемой области. Увеличение числа линий на рисунке не создаёт новое поле.
Почему компас показывает направление, а железные опилки — картину?
Стрелка компаса имеет различимые северный и южный концы, поэтому задаёт ориентацию и направление. Цепочки опилок хорошо показывают форму линий, но сами по себе не различают, в какую сторону вдоль цепочки направлен B.
Что изменится, если увеличить ток в прямом проводнике?
При той же геометрии направление линий сохранится, а магнитное поле станет сильнее. Если изменить только знак направления тока, обход линий развернётся.
Поле и магнитная индукция — одно и то же?
Магнитное поле — физическое поле, а B — векторная величина, которой его характеризуют в точке. Поэтому корректно говорить «магнитное поле имеет индукцию B».
Силовые линии — модель, а не нити внутри магнита. Если хочется дальше разбираться, как модели связаны с наблюдениями, посмотрите программу «Научное мышление». Она относится к общему исследовательскому подходу, не заменяя отдельного курса по электромагнетизму.