Магнитное поле прямого проводника. Магнитные линии (Гребенюк Ю.В.)

Введение

Одним из удивительных открытий XIX века стало открытие связи между электричеством и магнетизмом. Сегодня мы знаем, что эти явления неразрывно связаны и образуют единую физическую природу — электромагнитное взаимодействие. Но когда-то они казались совершенно разными. Электричество вызывало молнии и искры, а магнетизм притягивал гвозди и стрелки компаса.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с проявлениями магнетизма — в магнитах на холодильнике, в работе электродвигателей, в микрофонах и динамиках. Однако чтобы понять, как действуют эти устройства, нужно разобраться, как возникает магнитное поле и каким образом электрический ток может его создавать.

Магнитное поле — это особая форма материи, которая существует вокруг магнитов, а также вокруг проводников, по которым протекает электрический ток. Оно проявляется через действие на другие токи или магнитные тела. Для его наглядного изображения используют магнитные линии — воображаемые линии, показывающие направление и форму поля.

Природный магнит

Человеку известно явление магнетизма с глубокой древности. Ещё в Древней Греции и Китае знали, что куски минерала — магнитного железняка (Fe₃O₄) — могут притягивать железные предметы. Этот природный камень получил название магнит. Отсюда же произошло и само слово «магнетизм» — от древнего города Магнезия, где впервые был найден этот минерал.

Разветвление: История магнетизма

Первые компасы использовались ещё более тысячи лет назад. Учёные заметили, что магнитная стрелка всегда ориентируется вдоль направления север — юг. Позднее было открыто, что магнитное поле Земли действует как гигантский магнит, а магнитные полюса планеты взаимодействуют с полюсами стрелки.

Однако долгое время никто не догадывался, что электрические явления тоже могут порождать магнитное поле. Всё изменилось в начале XIX века благодаря опыту датского учёного Ханса Кристиана Эрстеда.

Опыт Эрстеда

В 1820 году Эрстед проводил лекцию, на которой демонстрировал прохождение тока по проводнику. Рядом случайно оказалась магнитная стрелка. И вдруг, когда он замкнул цепь, стрелка повернулась! Это означало, что ток в проводнике создаёт вокруг себя магнитное поле, которое воздействует на стрелку компаса.

Это открытие стало революционным: электрический ток оказался источником магнитного поля. С этого момента началось развитие новой области физики — электромагнетизма.

Разветвление: Чем магнетизм хуже электричества?

Можно заметить одну интересную особенность: у электричества есть два "заряда" — положительный и отрицательный, а вот у магнетизма нет отдельных «северного» и «южного» полюса по отдельности. Если разломить магнит пополам, то у каждой части всё равно будут оба полюса. Это означает, что магнитные "заряды" в природе не существуют поодиночке, и это одно из отличий магнетизма от электричества.

Опыт Ампера

Французский учёный Андре-Мари Ампер, вдохновлённый опытом Эрстеда, провёл множество экспериментов с проводниками, по которым текли токи. Он обнаружил, что два проводника с токами притягиваются, если токи текут в одном направлении, и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях.

Эти опыты доказали, что магнитное поле создаётся движущимися зарядами, то есть электрическим током. Таким образом, токи взаимодействуют между собой через магнитные поля.

Выводы из опыта Ампера

1. Электрический ток создаёт магнитное поле.

2. Магнитные поля взаимодействуют между собой, вызывая силы притяжения или отталкивания.

3. Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.

4. Направление поля зависит от направления тока.

Магнитные линии

Чтобы изобразить магнитное поле, используют магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых в поле располагается северный полюс магнитной стрелки.

Если через проводник пропустить ток, и под ним разместить маленькую стрелку компаса, то стрелка повернётся. Если разместить вокруг проводника несколько стрелок, можно увидеть, что они образуют окружности вокруг провода. Это показывает, что магнитное поле прямого проводника имеет круговую форму.

Правило буравчика

Чтобы определить направление магнитных линий вокруг проводника, используют правило буравчика (или винта):

Если вращать буравчик так, чтобы направление его движения совпадало с направлением тока, то направление вращения буравчика покажет направление магнитных линий.

Правило правой руки

То же самое можно запомнить проще — с помощью правила правой руки:

Если обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал направление тока, то согнутые пальцы покажут направление магнитных линий.

Разветвление: Решение задач

Пример 1.
Через вертикально расположенный проводник течёт ток вверх. Каково направление магнитного поля вокруг него?
Решение:
По правилу правой руки, если большой палец направлен вверх (вдоль тока), то пальцы показывают направление магнитных линий — они идут по часовой стрелке, если смотреть сверху.

Пример 2.
Если ток направлен вниз, то поле будет направлено против часовой стрелки.

Выводы

1. Магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами.

2. Вокруг прямого проводника с током магнитные линии представляют собой окружности.

3. Направление магнитных линий определяется правилом буравчика или правой руки.

4. Опыты Эрстеда и Ампера доказали существование взаимосвязи между электричеством и магнетизмом.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют магнитным полем?

2. Как можно обнаружить магнитное поле вокруг проводника?

3. В чём суть опыта Эрстеда?

4. Что показали опыты Ампера?

5. Как направлены магнитные линии вокруг проводника с током?

6. Сформулируйте правило буравчика.

7. В чём различие между магнитными и электрическими зарядами?

8. Почему магнитное поле вокруг проводника имеет форму окружностей?

9. Что произойдёт, если изменить направление тока в проводнике?

10. Где в технике используется действие магнитного поля проводника с током?