Як зображують магнітне поле малюнки. Побудова картини магнітного поля

Ми не можемо побачити магнітне поле, проте для кращого розуміння магнітних явищ важливо навчитися його зображати. У цьому допоможуть магнітні стрілки. Кожна така стрілка — маленький постійний магніт, який легко повертається в горизонтальній площині (рис. 2.1). Про те, як графічно зображують магнітне поле та яка фізична величина його характеризує, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

Рис. 2.2. У магнітному полі магнітні стрілки орієнтуються певним чином: північний полюс стрілки вказує напрямок вектора індукції магнітного поля в даній точці

Вивчаємо силову характеристику магнітного поля

Якщо заряджена частка рухається в магнітному полі, поле діятиме на частинку з деякою силою. Значення цієї сили залежить від заряду частки, напряму та значення швидкості її руху, а також від того, наскільки сильним є поле.

Силовий характеристикою магнітного поля є магнітна індукція.

Магнітна індукція (індукція магнітного поля) – це векторна фізична величина, що характеризує силову дію магнітного поля.

Магнітну індукцію позначають символом B.

Одиниця магнітної індукції в СІ - тесла; названа на честь сербського фізика Миколи Тесла (1856-1943):

За напрямок вектора магнітної індукції в даній точці магнітного поля прийнято напрямок, який вказує північний полюс магнітної стрілки, встановленої в цій точці (рис. 2.2).

Зверніть увагу! Напрямок сили, з якою магнітне поле діє на заряджені частинки, що рухаються, або на провідник зі струмом, або на магнітну стрілку, не збігається з напрямком вектора магнітної індукції.

Магнітні лінії:

Рис. 2.3. Лінії магнітного поля смугового магніту

Поза магнітом виходять із північного полюса магніту і входить у південний;

Завжди замкнуті (магнітне поле – це вихрове поле);

Найбільш густо розташовані біля полюсів магніту;

Ніколи не перетинаються

Зображаємо магнітне поле

На рис. 2.2 бачимо, як орієнтуються магнітні стрілки в магнітному полі: їх осі начебто утворюють лінії, а вектор магнітної індукції в кожній точці спрямований уздовж дотичної лінії, що проходить через цю точку.

За допомогою магнітних ліній графічно зображують магнітні поля:

1) за напрямок лінії магнітної індукції в даній точці прийнято напрямок вектора магнітної індукції;

Рис. 2.4. Ланцюжки залізної тирси відтворюють картину ліній магнітної індукції магнітного поля підковоподібного магніту

2) що більше модуль магнітної індукції, то ближче один до одного креслять магнітні лінії.

Розглянувши графічне зображення магнітного поля смугового магніту, можна дійти деяких висновків (див. рис. 2.3).

Зауважимо, що ці висновки справедливі для магнітних ліній будь-якого магніту.

Який напрямок мають магнітні лінії всередині смугового магніту?

Картину магнітних ліній можна відтворити за допомогою залізної тирси.

Візьмемо підковоподібний магніт, покладемо на нього пластинку з оргскла і через ситечко насипатимемо на пластинку залізну тирсу. У магнітному полі кожен шматочок заліза намагнітиться і перетвориться на маленьку магнітну стрілку. Імпровізовані "стрілки" зорієнтуються вздовж магнітних ліній магнітного поля магніту (рис. 2.4).

Зобразіть картину магнітних ліній магнітного поля підкоподібного магніту.

Дізнаємося про однорідне магнітне поле

Магнітне поле в деякій частині простору називають однорідним, якщо в кожній його точці вектори магнітної індукції однакові як за модулем, так і за напрямом (рис. 2.5).

На ділянках, де магнітне поле однорідне, лінії магнітної індукції паралельні та розташовані на однаковій відстані один від одного (рис. 2.5, 2.6). Магнітні лінії однорідного магнітного поля, спрямовані до нас, прийнято зображати точками (рис. 2.7, а) — ми ніби бачимо «вістря стріл», що летять до нас. Якщо магнітні лінії спрямовані від нас, їх зображують хрестиками — ми ніби бачимо «оперення стріл», які від нас (рис. 2.7, б).

У більшості випадків ми маємо справу з неоднорідним магнітним полем — полем, у різних точках якого вектори магнітної індукції мають різні значення та напрямки. Магнітні лінії такого поля викривлені, а їхня щільність різна.

Рис. 2.6. Магнітне поле всередині смугового магніту (а) та між двома магнітами, зверненими один до одного різноіменними полюсами (б), можна вважати однорідним

Вивчаємо магнітне поле Землі

Для вивчення земного магнетизму Вільям Гільберт зробив постійний магніт у вигляді кулі (модель Землі). Розташувавши на кулі компас, він помітив, що стрілка компаса поводиться так само, як на поверхні Землі.

Експерименти дозволили вченому припустити, що Земля — це величезний магніт, але в півночі нашої планети розташований її південний магнітний полюс. Подальші дослідження підтвердили гіпотезу В. Гільберта.

На рис. 2.8 зображено картину ліній магнітної індукції магнітного поля Землі.

Рис. 2.7. Зображення ліній магнітної індукції однорідного магнітного поля, які перпендикулярні до площини малюнка і направлені до нас (а); спрямовані від нас (б)

Уявіть, що ви йдете до Північного полюса, рухаючись точно у тому напрямку, на який вказує стрілка компаса. Чи досягнете ви призначення?

Лінії магнітної індукції магнітного поля Землі не паралельні її поверхні. Якщо закріпити магнітну стрілку в карданному підвісі, тобто так, щоб вона могла вільно обертатися як навколо горизонтальної, так

Рис. 2.8. Схема розташування магнітних ліній магнітного поля планети Земля

і навколо вертикальної осі, стрілка встановиться під кутом до Землі (рис. 2.9).

Як буде розташована магнітна стрілка у пристрої на рис. 2.9 поблизу північного магнітного полюса Землі? поблизу південного магнітного полюса Землі?

Магнітне поле Землі з давніх-давен допомагало орієнтуватися мандрівникам, морякам, військовим і не тільки їм. Доведено, що риби, морські ссавці та птахи під час своїх міграцій орієнтуються магнітним полем Землі. Так само орієнтуються, шукаючи шлях додому, і деякі тварини, наприклад, кішки.

Дізнаємося про магнітні бурі

Дослідження показали, що у будь-якій місцевості магнітне поле Землі періодично, щодня, змінюється. З іншого боку, спостерігаються невеликі щорічні зміни магнітного поля Землі. Трапляються, однак, і різкі його зміни. Сильні обурення магнітного поля Землі, що охоплюють всю планету і продовжуються від одного до кількох днів, називають магнітними бурями. Здорові люди їх практично не відчувають, а ось у тих, хто має серцево-судинні захворювання та захворювання нервової системи, магнітні бурі спричиняють погіршення самопочуття.

Магнітне поле Землі — своєрідний «щит», який захищає нашу планету від космосу, що летять з космосу, в основному від Сонця («сонячний вітер»), заряджених частинок. Поблизу магнітних полюсів потоки частинок підлітають досить близько до атмосфери Землі. При зростанні сонячної активності космічні частинки потрапляють у верхні шари атмосфери та іонізують молекули газу – на Землі спостерігаються полярні сяйва (рис. 2.10).

Підбиваємо підсумки

Магнітна індукція — це векторна фізична величина, що характеризує силову дію магнітного поля. Напрямок вектора магнітної індукції збігається з напрямком, який вказує північний полюс магнітної стрілки. Одиниця магнітної індукції в СІ - Тесла (Тл).

Умовні спрямовані лінії, у кожній точці яких дотична збігається з лінією, вздовж якої спрямований вектор магнітної індукції називають лініями магнітної індукції або магнітними лініями.

Лінії магнітної індукції завжди замкнуті, поза магнітом вони виходять із північного полюса магніту і входять у південний, густіше розташовані в тих областях магнітного поля, де модуль магнітної індукції більший.

Планета Земля має магнітне поле. Поблизу північного географічного полюса Землі розташовано її південний магнітний полюс, поблизу південного географічного полюса — північний магнітний полюс.

Контрольні питання

1. Дайте визначення магнітної індукції. 2. Як спрямовано вектор магнітної індукції? 3. Яка одиниця магнітної індукції у СІ? На честь кого її названо? 4. Наведіть визначення ліній магнітної індукції. 5. Який напрямок прийнято за напрямок магнітних ліній? 6. Від чого залежить густота магнітних ліній? 7. Яке магнітне поле називають однорідним? 8. Доведіть, що Земля має магнітне поле. 9. Як розташовані магнітні полюси Землі щодо географічних? 10. Що таке магнітні бурі? Як вони впливають на людину?

Вправа №2

1. На рис. 1 зображено лінії магнітної індукції на деякій ділянці магнітного поля. Для кожного випадку а-в визначте: 1) яке це поле – однорідне чи неоднорідне; 2) напрям вектора магнітної індукції в точках А та В поля; 3) у якій точці - А або В - магнітна індукція поля більше.

2. Чому сталеві віконні грати можуть з часом намагнітитися?

3. На рис. 2 зображено лінії магнітного поля, створеного двома однаковими постійними магнітами, зверненими один до одного однойменними полюсами.

1) Чи існує магнітне поле у ​​точці А?

2) Який напрямок вектора магнітної індукції в точці В? у точці С?

3) У якій точці — А, В чи С магнітна індукція поля найбільша?

4) Який напрямок векторів магнітної індукції всередині магнітів?

4. Раніше під час експедицій на Північний полюс виникали труднощі щодо визначення напрямку руху, адже поблизу полюса звичайні компаси майже не працювали. Як ви вважаєте, чому?

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та з'ясуйте, яке значення має магнітне поле для життя на планеті. Що сталося б, якби магнітне поле Землі раптом зникло?

6. Існують ділянки земної поверхні, де магнітна індукція магнітного поля Землі значно більша, ніж у сусідніх областях. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь про магнітні аномалії докладніше.

7. Поясніть, чому будь-яке незаряджене тіло завжди притягується до тіла, що має електричний заряд.

Це матеріал підручника

Ми знаємо, що провідник зі струмом створює навколо себе магнітне поле. Магнітне поле створює також і постійний магніт. Чи відрізнятимуться створені ними поля? Безперечно, будуть. Відмінність з-поміж них можна побачити наочно, якщо створити графічні зображення магнітних полів. Магнітні лінії полів будуть спрямовані по-різному.

Однорідні магнітні поля

В разі провідника зі струмоммагнітні лінії утворюють замкнуті концентричні кола навколо провідника. Якщо подивитися на провідник зі струмом та утворене ним магнітне поле у ​​розрізі, то ми побачимо набір кіл різного діаметру. На малюнку зліва зображено саме провідник зі струмом.

Дія магнітного поля буде тим сильнішою, чим ближче до провідника. У міру віддалення від провідника дія і, відповідно, сила магнітного поля зменшуватимуться.

В разі постійного магнітуми маємо лінії, що виходять із південного полюса магніту, що проходять вздовж самого тіла магніту і входять до його північного полюса.

Замалювавши такий магніт та магнітні лінії утвореного ним магнітного поля графічно, ми побачимо, що найсильніша дія магнітного поля буде біля полюсів, де магнітні лінії розташовані найбільш густо. Малюнок ліворуч із двома магнітами якраз зображує магнітне поле постійних магнітів.

Схожу картину розташування магнітних ліній ми побачимо у разі соленоїда чи котушки зі струмом. Найбільшу інтенсивність магнітні лінії матимуть біля двох кінців чи торців котушки. У всіх наведених вище випадках ми мали неоднорідне магнітне поле. Магнітні лінії мали різний напрямок, і їхня густота була різна.

Чи може магнітне поле бути однорідним?

Якщо ми уважно розглянемо графічне зображення соленоїда, то побачимо, що магнітні лінії розташовані паралельно і мають однакову густоту розташування тільки в одному місці всередині соленоїда.

Така сама картина спостерігатиметься всередині тіла постійного магніту. І якщо у разі постійного магніту ми не можемо «забратися» всередину його тіла, не зруйнувавши його при цьому, то у разі котушки без сердечника або соленоїда ми отримуємо всередині них однорідне магнітне поле.

Таке поле може бути потрібне людині в ряді технологічних процесів, тому можна сконструювати соленоїди достатнього розміру, щоб можна було проводити необхідні процеси всередині них.

Графічно ми звикли зображати магнітні лінії коло або відрізками, тобто ми ніби бачимо їх збоку або вздовж. А як бути у випадку, якщо малюнок створений так, що ці лінії спрямовані на нас чи у зворотний бік від нас? Тоді їх малюють у вигляді крапки чи хрестика.

Якщо вони спрямовані на нас, то їх зображують у вигляді точки, ніби це вістря стріли, що летить на нас. У протилежному випадку, коли вони спрямовані від нас, їх малюють у вигляді хрестика, ніби це хвостове оперення стріли, що віддаляється від нас.

"Визначення магнітного поля" - За даними, отриманими в ході експериментів, заповнимо таблицю. Ж. Верн. Коли ми підносимо до магнітної стрілки магніт, вона повертається. Графічні зображення магнітних полів. Ханс Крістіан Ерстед. Електричне поле. Магніт має два полюси: північний та південний. Етап узагальнення та систематизації знань.

"Магнітне поле та його графічне зображення" - Неоднорідне магнітне поле. Котушки зі струмом. Магнітні лінії. Гіпотеза Ампера. Усередині смугового магніту. Різноіменні магнітні полюси. Полярне сяйво. Магнітне поле постійного магніту Магнітне поле. Земне магнітне поле. Магнітні полюси. Біометрологія Концентричні кола. Однорідне магнітне поле.

"Енергія магнітного поля" - Скалярна величина. Розрахунок індуктивності. Постійні магнітні поля. Час релаксації. Визначення індуктивності. Енергія котушки. Екстратоки в ланцюзі з індуктивністю. Перехідні процеси. Щільність енергії. Електродинаміка. Коливальний контур. Імпульсне магнітне поле. Самоіндукція. Щільність енергії магнітного поля.

"Характеристики магнітного поля" - Лінії магнітної індукції. Правило Буравчика. Повертаються вздовж силових ліній. Комп'ютерна модель магнітного поля Землі. Магнітна стала. Магнітна індукція. Число носіїв заряду. Три способи встановити вектор магнітної індукції. Магнітне поле електричного струму. Вчений-фізик Вільям Гільберт.

«Властивості магнітного поля» – вид речовини. Магнітна індукція магнітного поля. Магнітна індукція. Постійний магніт. Деякі значення магнітної індукції. Магнітна стрілка. Гучномовець. Модуль вектор магнітної індукції. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті. Взаємодія струмів. Обертальний момент. Магнітні властивості речовини.

"Рух частинок у магнітному полі" - Спектрограф. Прояв дії сили Лоренца. Сила Лоренца. Циклотрон. Визначення величини сили Лоренца. Контрольні питання. Напрямки сили Лоренца. Міжзоряна речовина. Завдання експерименту. Зміна параметрів. Магнітне поле. Мас-спектрограф. Рух частинок у магнітному полі. Електронно-променева трубка.

Всього у темі 20 презентацій

Графічний зображення магнітного поля. Потік вектора магнітної індукції

Магнітне поле можна зобразити графічно за допомогою ліній магнітної індукції. Лінією магнітної індукції називають лінію, дотична до якої у кожній точці збігається з напрямом вектора індукції магнітного поля (рис. 6).

Дослідження показали, що лінії магнітної індукції є замкнутими лініями, що охоплюють струми. Густота ліній магнітної індукції пропорційна величині вектора у місці поля. У разі магнітного поля прямого струму лінії магнітної індукції мають форму концентричних кіл, що лежать у площинах, перпендикулярних до струму, з центром на прямій зі струмом. Напрямок ліній магнітної індукції незалежно від форми струму можна визначити за правилом свердла. У разі магнітного поля прямого струму свердловин необхідно обертати таким чином, щоб його поступальний рух збігся з напрямком струму у дроті, тоді обертальний рух ручки свердловика збігається з напрямком ліній магнітної індукції (рис. 7).

На рис. 8 та 9 зображені картини ліній магнітної індукції поля кругового струму та поля соленоїда. Соленоїд є сукупністю кругових струмів із загальною віссю.

Лінії вектора індукції всередині соленоїда паралельні один одному, густота ліній однакова, однорідне поле ( = const). Поле соленоїда аналогічне до поля постійного магніту. Кінець соленоїда, з якого виходять лінії індукції, аналогічний північному полюсу – N, протилежний кінець соленоїду аналогічний південному полюсу – S.

Число ліній магнітної індукції, що пронизують певну поверхню, називають магнітним потоком через цю поверхню. Позначають магнітний потік буквою Ф (або Ф).

,

(3)

Де α – кут, утворений вектором та нормаллю до поверхні (рис. 10).

- Проекція вектора на нормаль до майданчика S.

Вимірюється магнітний потік у веберах (Вб): [Ф]=[B]× [S]=Тл×м 2 = =

Теми кодифікатора ЄДІ: взаємодія магнітів, магнітне поле провідника зі струмом

Магнітні властивості речовини відомі людям давно. Магніти отримали свою назву від античного міста Магнесія: у його околицях був поширений мінерал (названий згодом магнітним залізняком або магнетитом), шматки якого притягували залізні предмети.

Взаємодія магнітів

На двох сторонах кожного магніту розташовані північний полюсі Південний полюс. Два магніти притягуються один до одного різноіменними полюсами і відштовхуються однойменними. Магніти можуть діяти один на одного навіть крізь вакуум! Все це нагадує взаємодію електричних зарядів, проте взаємодія магнітів не є електричною. Про це свідчать такі досвідчені факти.

Магнітна сила слабшає під час нагрівання магніту. Сила ж взаємодії точкових зарядів не залежить від їхньої температури.

Магнітна сила слабшає, якщо трясти магніт. Нічого подібного з електрично зарядженими тілами не відбувається.

Позитивні електричні заряди можна відокремити від негативних (наприклад, при електризації тіл). А ось розділити полюси магніту не виходить: якщо розрізати магніт на дві частини, то в місці розрізу також виникають полюси, і магніт розпадається на два магніти з різноіменними полюсами на кінцях (орієнтованих так само, як і полюси вихідного магніту).

Таким чином, магніти завждидвополюсні, вони існують лише у вигляді диполів. Ізольованих магнітних полюсів (так званих магнітних монополів- аналогів електричного заряду) у природі не існує (принаймні, експериментально вони поки не виявлені). Це, мабуть, найвражаюча асиметрія між електрикою та магнетизмом.

Як і електрично заряджені тіла, магніти діють електричні заряди. Однак магніт діє тільки на рухаєтьсязаряд; якщо заряд лежить у відношенні магніту, то дії магнітної сили на заряд не спостерігається. Навпаки, наелектризоване тіло діє будь-який заряд, незалежно від цього, лежить він чи рухається.

За сучасними уявленнями теорії близькодії, взаємодія магнітів здійснюється за допомогою магнітного поля.А саме, магніт створює в навколишньому просторі магнітне поле, що діє на інший магніт і викликає видиме тяжіння або відштовхування цих магнітів.

Прикладом магніту є магнітна стрілкакомпасу. За допомогою магнітної стрілки можна судити про наявність магнітного поля в даній області простору, а також напрям поля.

Наша планета Земля є величезним магнітом. Неподалік північного географічного полюса Землі розташований південний магнітний полюс. Тому північний кінець стрілки компаса, повертаючись до південного магнітного полюса Землі, свідчить про географічний північ. Звідси, власне, і виникла назва "північний полюс" магніту.

Лінії магнітного поля

Електричне поле, нагадаємо, досліджується за допомогою маленьких пробних зарядів, по дії на які можна судити про величину та напрямок поля. Аналогом пробного заряду у разі магнітного поля є невелика магнітна стрілка.

Наприклад, можна отримати деяке геометричне уявлення про магнітне поле, якщо розмістити в різних точках простору дуже малі стрілки компаса. Досвід показує, що стрілки вишикуються вздовж певних ліній -так званих ліній магнітного поля. Дамо визначення цього поняття у вигляді наступних трьох пунктів.

1. Лінії магнітного поля, або магнітні силові лінії - це спрямовані лінії у просторі, що мають наступну властивість: маленька стрілка компаса, поміщена в кожній точці такої лінії, орієнтується по дотичній до цієї лінії.

2. Напрямком лінії магнітного поля вважається напрямок північних кінців стрілок компаса, розташованих у точках даної лінії.

3. Чим густіше йдуть лінії, тим сильніше магнітне поле в цій галузі простору.

Роль стрілок компаса з успіхом можуть виконувати залізну тирсу: в магнітному полі маленька тирса намагнічується і поводиться точно як магнітні стрілки.

Так, насипавши залізної тирси навколо постійного магніту, ми побачимо приблизно наступну картину ліній магнітного поля (рис. 1).

Рис. 1. Поле постійного магніту

Північний полюс магніту позначається синім кольором та літерою; південний полюс - червоним кольором та літерою. Зверніть увагу, що лінії поля виходять із північного полюса магніту і входять до південного полюса: адже саме до південного полюса магніту буде спрямований північний кінець стрілки компаса.

Досвід Ерстеда

Незважаючи на те, що електричні та магнітні явища були відомі людям ще з античності, жодного взаємозв'язку між ними тривалий час не спостерігалося. Протягом кількох століть дослідження електрики та магнетизму йшли паралельно та незалежно один від одного.

Той чудовий факт, що електричні та магнітні явища насправді пов'язані один з одним, був уперше виявлений у 1820 році – у знаменитому досвіді Ерстеда.

Схема досвіду Ерстеда показано на рис. 2 (зображення із сайту rt.mipt.ru). Над магнітною стрілкою (і - північний та південний полюси стрілки) розташований металевий провідник, підключений до джерела струму. Якщо замкнути ланцюг, то стрілка повертається перпендикулярно до провідника!
Цей простий досвід прямо вказав на взаємозв'язок електрики та магнетизму. Експерименти, що пішли за досвідом Ерстеда, твердо встановили таку закономірність: магнітне поле породжується електричними струмами та діє на струми.

Рис. 2. Досвід Ерстеда

Картина ліній магнітного поля, породженого провідником із струмом, залежить від форми провідника.

Магнітне поле прямого дроту зі струмом

Лінії магнітного поля прямолінійного дроту зі струмом є концентричними колами. Центри цих кіл лежать на дроті, які площини перпендикулярні дроту (рис. 3 ).

Рис. 3. Поле прямого дроту зі струмом

Для визначення напряму ліній магнітного поля прямого струму є два альтернативні правила.

Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть проти годинникової стрілки, якщо дивитися так, щоб струм потік на нас.

Правило гвинта(або правило буравчика, або правило штопора- це вже кому що ближче; -)). Лінії поля йдуть туди, куди треба обертати гвинт (зі звичайним правим різьбленням), щоб він рухався по різьбленню в напрямку струму.

Користуйтеся тим правилом, яке вам більше до вподоби. Краще звикнути до правила годинникової стрілки - ви самі згодом переконаєтеся, що воно універсальніше і ним простіше користуватися (а потім з подякою згадайте його на першому курсі, коли вивчатимете аналітичну геометрію).

На рис. 3 з'явилося і щось нове: це вектор , який називається індукцією магнітного поля, або магнітною індукцією. Вектор магнітної індукції є аналогом вектора напруженості електричного поля: він служить силовою характеристикоюмагнітного поля, визначаючи силу, з якою магнітне поле діє на заряди, що рухаються.

Про сили в магнітному полі ми поговоримо пізніше, а поки зазначимо лише, що величина та напрямок магнітного поля визначається вектором магнітної індукції. У кожній точці простору вектор спрямований туди ж, куди і північний кінець стрілки компаса, поміщеної в дану точку, а саме по дотичній лінії поля в напрямку цієї лінії. Вимірюється магнітна індукція в теслах(Тл).

Як і у випадку електричного поля, для індукції магнітного поля справедливо принцип суперпозиції. Він полягає в тому, що індукції магнітних полів , створюваних у цій точці різними струмами, складаються векторно і дають результуючий вектор магнітної індукції:.

Магнітне поле витка зі струмом

Розглянемо круговий виток, яким циркулює постійний струм . Джерело, що створює струм, ми малюнку не показуємо.

Картина ліній поля нашого витка матиме приблизно такий вигляд (рис. 4).

Рис. 4. Поле витка зі струмом

Нам буде важливо вміти визначати, до якого напівпростору (щодо площини витка) спрямоване магнітне поле. Знову маємо два альтернативні правила.

Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть туди, дивлячись звідки струм здається циркулюючим проти годинникової стрілки.

Правило гвинта. Лінії поля йдуть туди, куди переміщатиметься гвинт (зі звичайним правим різьбленням), якщо обертати його в напрямку струму.

Як бачите, струм і поле змінюються ролями - порівняно з формулюваннями цих правил для прямого струму.

Магнітне поле котушки зі струмом

Котушкавийде, якщо щільно, виток до витка, намотати провід досить довгу спіраль (рис. 5 - зображення з сайту en.wikipedia.org). У котушці може бути кілька десятків, сотень чи навіть тисяч витків. Котушка називається ще соленоїдом.

Рис. 5. Котушка (соленоїд)

Магнітне поле одного витка, як ми знаємо, виглядає не дуже просто. Поля? окремих витків котушки накладаються один на одного, і, здавалося б, в результаті повинна вийти зовсім заплутана картина. Однак це не так: поле довгої котушки має несподівано просту структуру (рис. 6).

Рис. 6. поле котушки зі струмом

На цьому малюнку струм у котушці йде проти годинникової стрілки, якщо дивитися зліва (так буде, якщо на рис. 5 правий кінець котушки підключити до плюса джерела струму, а лівий кінець - до мінуса). Ми бачимо, що магнітне поле котушки має дві характерні властивості.

1. Усередині котушки далеко від країв магнітне поле є однорідним: у кожній точці вектор магнітної індукції однаковий за величиною та напрямом. Лінії поля – паралельні прямі; вони викривляються лише поблизу країв котушки, коли виходять назовні.

2. Поза котушки поле близько до нуля. Чим більше витків у котушці - тим слабше поле зовні.

Зауважимо, що нескінченно довга котушка взагалі не випускає поле назовні: поза котушкам магнітне поле відсутнє. Усередині такої котушки поле усюди є однорідним.

Нічого не нагадує? Котушка є "магнітним" аналогом конденсатора. Ви ж пам'ятаєте, що конденсатор створює в собі однорідне електричне поле, лінії якого викривляються лише поблизу країв пластин, а поза конденсатором поле близько до нуля; конденсатор із нескінченними обкладками взагалі не випускає поле назовні, а всюди всередині нього поле однорідне.

А тепер – головне спостереження. Зіставте, будь ласка, картину ліній магнітного поля поза котушки (рис. 6) з лініями поля магніту на рис. 1 . Одне й те саме, чи не так? І ось ми підходимо до питання, яке, ймовірно, у вас вже давно виникло: якщо магнітне поле породжується струмами і діє на струми, то яка причина виникнення магнітного поля поблизу постійного магніту? Адже цей магніт начебто не є провідником зі струмом!

Гіпотеза Ампера. Елементарні струми

Спочатку вважали, що взаємодія магнітів пояснюється спеціальними магнітними зарядами, зосередженими на полюсах. Але, на відміну електрики, ніхто було ізолювати магнітний заряд; адже, як ми вже говорили, не вдавалося отримати окремо північний і південний полюс магніту - полюси завжди присутні в магніті парами.

Сумніви щодо магнітних зарядів посилив досвід Ерстеда, коли з'ясувалося, що магнітне поле породжується електричним струмом. Більш того, виявилося, що для будь-якого магніту можна підібрати провідник зі струмом відповідної конфігурації, такий, що поле цього провідника збігається з полем магніту.

Ампер висунув сміливу гіпотезу. Немає жодних магнітних зарядів. Дія магніту пояснюється замкнутими електричними струмами всередині нього.

Що це за струми? Ці елементарні струмициркулюють усередині атомів та молекул; вони пов'язані з рухом електронів атомними орбітами. Магнітне поле будь-якого тіла складається з магнітних полів цих елементарних струмів.

Елементарні струми можуть бути безладно розташовані один щодо одного. Тоді їхні поля взаємно погашаються, і тіло не виявляє магнітних властивостей.

Але якщо елементарні струми розташовані узгоджено, їх поля, складаючи, посилюють одне одного. Тіло стає магнітом (рис. 7; магніте поле буде спрямоване на нас; також на нас буде спрямований і північний полюс магніту).

Рис. 7. Елементарні струми магніту

Гіпотеза Ампера про елементарні струми прояснила властивості магнітів. Нагрівання та трясіння магніту руйнують порядок розташування його елементарних струмів, і магнітні властивості слабшають. Нероздільність полюсів магніту стала очевидною: у місці розрізу магніту ми отримуємо самі елементарні струми на торцях. Здатність тіла намагнічуватися в магнітному полі пояснюється узгодженим вибудовуванням елементарних струмів, що «повертаються» належним чином (про поворот кругового струму в магнітному полі читайте в наступному листку).

Гіпотеза Ампера виявилася справедливою – це показало подальший розвиток фізики. Уявлення про елементарні струми стали невід'ємною частиною теорії атома, розробленої вже в ХХ столітті - майже через сто років після геніальної гіпотези Ампера.