На рисунке представлены магнитные линии магнитного поля. Магнитное поле

Темой этого урока будет магнитное поле и его графическое изображение. Мы обсудим неоднородное и однородное магнитное поле. Для начала дадим определение магнитному полю, расскажем, с чем оно связано и какими оно обладает свойствами. Научимся изображать его на графиках. Также узнаем, как определяется неоднородное и однородное магнитное поле.

Cегодня мы в первую очередь повторим, что такое магнитное поле. Магнитное поле - силовое поле, которое образуется вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Оно связано с движущимися зарядами .

Теперь необходимо отметить свойства магнитного поля . Вы знаете, что с зарядом связано несколько полей. В частности, электрическое поле. Но мы будем обсуждать именно магнитное поле, создаваемое движущимися зарядами. У магнитного поля несколько свойств. Первое: магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами . Иными словами, магнитное поле образуется вокруг проводника, по которому протекает электрический ток. Следующее свойство, которое говорит, как магнитное поле определяется. Определяется оно по действию на другой движущийся электрический заряд. Или, говорят, на другой электрический ток. Наличие магнитного поля мы можем определить по действию на стрелку компаса, на т.н. магнитную стрелку.

Еще одно свойство: магнитное поле оказывает силовое действие . Поэтому говорят, что магнитное поле материально.

Эти три свойства являются отличительными чертами магнитного поля. После того, как мы определились с тем, что такое магнитное поле, и определили свойства такого поля, необходимо сказать, как магнитное поле исследуют. В первую очередь магнитное поле исследуется при помощи рамки с током. Если мы возьмем проводник, сделаем из этого проводника круглую или квадратную рамку и по этой рамке будем пропускать электрический ток, то в магнитном поле эта рамка будет определенным образом поворачиваться.

Рис. 1. Рамка с током поворачивается во внешнем магнитном поле

По тому, как поворачивается эта рамка, мы можем судить о магнитном поле . Только здесь есть одно важное условие: рамка должна быть очень маленькая или она должна быть очень малых размеров по сравнению с расстояниями, на которых мы изучаем магнитное поле. Такую рамку называют контур с током.

Исследовать магнитное поле мы можем и при помощи магнитных стрелок, размещая их в магнитном поле и наблюдая за их поведением.

Рис. 2. Действие магнитного поля на магнитные стрелки

Следующее, о чем мы будем говорить, о том, как можно изобразить магнитное поле. В результате исследований, которые были проведены в течение долгого времени, стало понятно, что магнитное поле удобно изображать при помощи магнитных линий. Чтобы пронаблюдать магнитные линии , проделаем один эксперимент. Для нашего эксперимента потребуется постоянный магнит, металлические железные опилки, стекло и лист белой бумаги.

Рис. 3. Железные опилки выстраиваются вдоль линий магнитного поля

Магнит накрываем стеклянной пластиной, а сверху кладем лист бумаги, белый лист бумаги. Сверху на лист бумаги сыплем железные опилки. В результате будет видно, как проявляются линии магнитного поля. То, что мы увидим, - это линии магнитного поля постоянного магнита. Их еще называют иногда спектром магнитных линий. Заметьте, что линии существуют по всем трем направлениям, не только в плоскости.

Магнитная линия - воображаемая линия, вдоль которой выстраивались бы оси магнитных стрелок.

Рис. 4. Схематическое изображение магнитной линии

Посмотрите, на рисунке представлено следующее: линия изогнутая, направление магнитной линии определяется направлением магнитной стрелки. Направление указывает северный полюс магнитной стрелки. Очень удобно изображать линии именно при помощи стрелок.

Рис. 5. Как обозначается направление силовых линий

Теперь поговорим о свойствах магнитных линий. Во-первых, у магнитных линий нет ни начала, ни конца. Это линии замкнутые. Раз магнитные линии замкнуты, то не существует магнитных зарядов.

Второе: это линии, которые не пересекаются, не прерываются, не свиваются каким-либо образом. При помощи магнитных линий мы можем характеризовать магнитное поле, представить себе не только его форму, но и говорить о силовом воздействии. Если изображать большую густоту таких линий, то в этом месте, в этой точке пространства, у нас силовое действие будет больше.

Если линии располагаются параллельно друг другу, их густота одинакова, то в этом случае говорят, что магнитное поле однородно . Если, наоборот, этого не выполняется, т.е. густота разная, линии искривлены, то такое поле будет называться неоднородным . В заключение урока хотелось бы обратить ваше внимание на следующие рисунки.

Рис. 6. Неоднородное магнитное поле

Во-первых, теперь мы уже знаем, что магнитные линии можно изображать стрелками. И рисунок представляет именно неоднородное магнитное поле. Густота в разных местах разная, значит, силовое воздействие этого поля на магнитную стрелку будет разным.

На следующем рисунке представлено уже однородное поле. Линии направлены в одну сторону, и их густота одинакова.

Рис. 7. Однородное магнитное поле

Однородное магнитное поле - это поле, которое встречается внутри катушки с большим числом витков или внутри прямолинейного, полосового магнита. Магнитное поле вне полосового магнита или то, что мы сегодня наблюдали на уроке, это поле неоднородное. Чтобы все это до конца усвоить, давайте посмотрим на таблицу.

Список дополнительной литературы:

Белкин И.К. Электрическое и магнитное поля // Квант. — 1984. — № 3. — С. 28-31. Кикоин А.К. Откуда берется магнетизм? // Квант. — 1992. — № 3. — С. 37-39,42 Леенсон И. Загадки магнитной стрелки // Квант. — 2009. — № 3. — С. 39-40. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 2. - М., 1974

Темы кодификатора ЕГЭ : взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс . Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим . Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей . Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей - аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля .А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий -так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии - это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии .

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии .

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства .

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1 ).

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс - красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году - в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и - северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи .

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3 ).

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас .

Правило винта (или правило буравчика , или правило штопора - это уж кому что ближе;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока .

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки - вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля , или магнитной индукцией . Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции . Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

Магнитное поле витка с током

Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.

Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4 ).

Рис. 4. Поле витка с током

Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки .

Правило винта . Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока .

Как видите, ток и поле меняются ролями - по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.

Магнитное поле катушки с током

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 - изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом .

Рис. 5. Катушка (соленоид)

Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6 ).

Рис. 6. поле катушки с током

На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец - к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.

1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля - параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.

2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке - тем слабее поле снаружи неё.

Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.

Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.

А теперь - главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6 ) с линиями поля магнита на рис. 1 . Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита - полюса всегда присутствуют в магните парами.

Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.

Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него .

Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.

Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.

Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7 ; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).

Рис. 7. Элементарные токи магнита

Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).

Гипотеза Ампера оказалась справедливой - это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке - почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.

Каталог заданий.
Задания Д13. Магнитное поле. Электромагнитная индукция

По лёгкой про­во­дя­щей рамке, рас­по­ло­жен­ной между по­лю­са­ми под­ко­во­об­раз­но­го магнита, про­пу­сти­ли элек­три­че­ский ток, на­прав­ле­ние ко­то­ро­го ука­за­но на ри­сун­ке стрелками.

Решение.

Магнитное поле будет на­прав­ле­но от се­вер­но­го по­лю­са маг­ни­та к юж­но­му (перпендикулярно сто­ро­не АБ рамки). На сто­ро­ны рамки с током дей­ству­ет сила Ампера, на­прав­ле­ние ко­то­рой опре­де­ля­ет­ся по пра­ви­лу левой руки, а ве­ли­чи­на равна где - сила тока в рамке, - ве­ли­чи­на маг­нит­ной ин­дук­ции поля магнита, - длина со­от­вет­ству­ю­щей сто­ро­ны рамки, - синус угла между век­то­ром маг­нит­ной ин­дук­ции и на­прав­ле­ни­ем тока. Таким образом, на АБ сто­ро­ну рамки и сто­ро­ну па­рал­лель­ную ей будут дей­ство­вать силы, рав­ные по величине, но про­ти­во­по­лож­ные по на­прав­ле­нию: на левую сто­ро­ну «от нас», а на пра­вую «на нас». На осталь­ные сто­ро­ны силы дей­ство­вать не будут, по­сколь­ку ток в них течет па­рал­лель­но си­ло­вым ли­ни­ям поля. Таким об­ра­зом рамка начнёт вра­щать­ся по ча­со­вой стрелке, если смот­реть сверху.

По мере по­во­ро­та направление силы будет ме­нять­ся и в тот момент, когда рамка повернётся на 90° вра­ща­ю­щий момент сме­нит направление, таким образом, рамка не будет про­во­ра­чи­вать­ся дальше. Не­ко­то­рое время рамка будет ко­ле­бать­ся в таком положении, а затем ока­жет­ся в положении, ука­зан­ном на ри­сун­ке 4.

Ответ: 4

Источник: ГИА по физике. Основная волна. Вариант 1313.

По ка­туш­ке идёт элек­три­че­ский ток, на­прав­ле­ние ко­то­ро­го по­ка­за­но на рисунке. При этом на кон­цах же­лез­но­го сер­деч­ни­ка катушки

1) образуются маг­нит­ные полюса: на конце 1 - се­вер­ный полюс; на конце 2 - южный

2) образуются маг­нит­ные полюса: на конце 1 - южный полюс; на конце 2 - северный

3) скапливаются элек­три­че­ские заряды: на конце 1 - от­ри­ца­тель­ный заряд; на конце 2 - положительный

4) скапливаются элек­три­че­ские заряды: на конце 1 - по­ло­жи­тель­ный заряд; на конце 2 - отрицательны

Решение.

При дви­же­нии за­ря­жен­ных ча­стиц все­гда воз­ни­ка­ет маг­нит­ное поле. Вос­поль­зу­ем­ся пра­ви­лом пра­вой руки для опре­де­ле­ния на­прав­ле­ния век­то­ра маг­нит­ной индукции: на­пра­вим паль­цы по линии тока, тогда ото­гну­тый боль­шой палец ука­жет на­прав­ле­ние век­то­ра маг­нит­ной индукции. Таким образом, линии маг­нит­ной ин­дук­ции на­прав­ле­ны из конца 1 к концу 2. Линии маг­нит­но­го поля вхо­дят в южный маг­нит­ный полюс и вы­хо­дят из северного.

Правильный ответ указан под номером 2.

Примечание.

Внутри магнита (катушки) линии маг­нит­но­го поля идут от южного полюса к северному.

Ответ: 2

Источник: ГИА по физике. Основная волна. Вариант 1326., ОГЭ-2019. Основная волна. Вариант 54416

На рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов, судя по расположению магнитной стрелки, соответствуют области 1 и 2?

1) 1 - северному полюсу; 2 - южному

2) 1 - южному; 2 - северному полюсу

3) и 1, и 2 - северному полюсу

4) и 1, и 2 - южному полюсу

Решение.

Поскольку магнитные линии замкнуты, полюса не могут быть одновременно южными или северными. Буква N (North) обозначает северный полюс, S (South) - южный. Северный полюс притягивается к южному. Следовательно, область 1 - южный полюс, область 2 - северный полюс.