§ 10. Магнітне поле

У 1813 р. данський фізик Ганс Крістіан Ерстед (1777-1851) писав: «Слід випробувати, чи здійснює електрика. якісь дії на магніт. ». І лише взимку 1820 р. Ерстед спостерігає і досліджує явище відхилення магнітної стрілки біля провідника зі струмом (рис. 10.1). Це було першим експериментальним підтвердженням зв’язку електрики та магнетизму. Чому стрілка відхиляється? Чому розвертається, якщо змінити напрямок струму? Згадаємо.

Рис. 10.1. Дослід Ерстеда: поблизу провідника зі струмом магнітна стрілка відхиляється від напрямку «північ — південь», намагаючись розташуватися перпендикулярно до провідника

1. Які об’єкти створюють магнітне поле

Ви вже добре знаєте, що навколо заряджених тіл і заряджених частинок існує електричне поле, через яке між ними здійснюється електрична взаємодія; якщо заряджені частинки рухаються, то навколо них існує також і магнітне поле, через яке здійснюється магнітна взаємодія. Сучасна фізика розглядає єдину електромагнітну взаємодію. Вона відбувається через електромагнітне поле, яке має дві складові (дві форми прояву) — електричне поле і магнітне поле. Розглянемо детальніше магнітне поле.

Візьмемо два тонкі гнучкі провідники, розташуємо паралельно один одному і пропустимо в них електричний струм — провідники притягнуться або відштовхнуться один від одного незважаючи на те, що є електрично нейтральними (рис. 10.2). Уперше цей дослід продемонстрував у вересні 1820 р. французький математик і фізик Андре-Марі Ампер (1775-1836).

Рис. 10.2. Схема досліду Ампера. Якщо в двох паралельних провідниках течуть струми одного напрямку, провідники притягуються (а); якщо течуть струми протилежних напрямків, провідники відштовхуються (б)

Ампер був прихильником теорії далекодії і вважав, що взаємодія провідників зі струмом здійснюється миттєво, а навколишній простір не бере участі в цій взаємодії.

Англійський фізик Майкл Фарадей (1791-1867) створив теорію близькодії, відповідно до якої заряджені частинки, що напрямлено рухаються в кожному із двох провідників зі струмом, створюють у навколишньому просторі магнітне поле. Магнітне поле одного провідника діє на другий провідник, і навпаки. Тобто взаємодія провідників зі струмом здійснюється з певною швидкістю через магнітне поле.

Магнітне поле — це форма матерії, яка створюється намагніченими тілами, провідниками зі струмом, змінними електричними полями, рухомими зарядженими тілами і частинками. Магнітне поле виявляється в дії на інші намагнічені тіла, провідники зі струмом, рухомі заряджені тіла й частинки, розташовані в цьому полі.

Властивості магнітного поля

1. Магнітне поле є матеріальним — воно існує реально, незалежно від наших уявлень.

2. Магнітне поле є складовою електромагнітного поля.

3. Магнітне поле створюють:

  • намагнічені тіла;
  • провідники зі струмом;
  • рухомі заряджені частинки і тіла;
  • змінне електричне поле.

4. Магнітне поле діє з деякою силою:

  • на заряджені тіла й частинки, що рухаються в цьому полі;
  • на провідники зі струмом;
  • на намагнічені тіла.

5. Магнітне поле чинить орієнтувальну дію:

6. Магнітне поле діє на будь-яку речовину, намагнічуючи її певним чином.

2. Силова характеристика магнітного поля

Рис. 10.3. Алюмінієвий провідник відхиляється в магнітному полі постійного магніту внаслідок дії сили Ампера

Змінюючи силу струму в провіднику, довжину активної частини провідника (тобто частини провідника, яка перебуває в магнітному полі), кут між провідником і лініями магнітної індукції магнітного поля, можна переконатися:

  • 1) сила Ампера прямо пропорційна і силі струму I, і довжині l активної частини провідника, а отже, прямо пропорційна їх добутку: F ~ Il;
  • 2) сила Ампера є максимальною, якщо провідник розташований перпендикулярно до ліній магнітної індукції.

від властивостей магнітного поля. Тому це відношення обрали за силову характеристику магнітного поля — вона одержала назву магнітна індукція.

Фізика в цифрах

• Серед відомих нам джерел магнітного поля найсильніше магнітне поле у Всесвіті — до 1 • 10 11 Тл — мають магнітари (магнітні нейтронні зорі). Для порівняння: магнітна індукція магнітного поля Сонця лише 5 мТл, Землі — у 100 разів менша.

• У серпні 1918 р. японські фізики згенерували найпотужніше штучне магнітне поле у приміщенні — 1200 Тл. Для порівняння: магнітна індукція магнітного поля, яке створюють надпровідні електромагніти Великого адронного колайдера, — 8,3 Тл.

Одиниця магнітної індукції в СІ — тесла (названа на честь сербського фізика Ніколи Тесли (1856-1943)):

1 теслаце магнітна індукція такого однорідного магнітного поля, яке діє з максимальною силою 1 ньютон на провідник завдовжки 1 метр, сила струму в якому 1 ампер.

Магнітне поле діє на провідник завдовжки 10 см із максимальною силою 5 мН. Визначте магнітну індукцію цього магнітного поля, якщо сила струму в провіднику становить 2 А.

Магнітна індукція — векторна величина, тому, щоб її повністю визначити, слід знати не тільки її значення, а й напрямок. За напрямок вектора магнітної індукції в даній точці магнітного поля обрано напрямок, у якому вказує північний полюс магнітної стрілки, встановленої в цій точці (рис. 10.4, а).

Напрямок вектора магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом і котушки зі струмом визначають за допомогою правила свердлика або за допомогою правої руки:

Якщо спрямувати великий палець правої руки за напрямком струму в провіднику, то чотири зігнуті пальці вкажуть напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля струму (рис. 10.4, б).

Рис. 10.4. Визначення напрямку магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом

Якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком струму в котушці, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля всередині котушки (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Визначення напрямку магнітної індукції магнітного поля котушки зі струмом

3. Лінії магнітної індукції

Магнітні поля не сприймаються органами чуття людини. Щоб візуалізувати магнітні поля, М. Фарадей запропонував зображувати їх у вигляді ліній магнітної індукції.

Лінії магнітної індукції — умовні напрямлені лінії, у кожній точці яких дотична збігається з лінією, уздовж якої напрямлений вектор магнітної індукції.

Лінії магнітної індукції креслять таким чином, щоб їх щільність відображала значення модуля магнітної індукції на даній ділянці магнітного поля: чим більшим є модуль магнітної індукції, тим щільніше креслять лінії. Зверніть увагу! Лінії магнітної індукції завжди замкнені: магнітне поле — це вихрове поле.

Якщо на певній ділянці лінії магнітної індукції паралельні та розташовані на однаковій відстані одна від одної, таке магнітне поле є однорідним (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Лінії магнітної індукції однорідного магнітного поля

Магнітне поле в певній ділянці простору є однорідним, якщо в кожній точці ділянки вектори магнітної індукції однакові як за модулем, так і за напрямком.

У загальному випадку магнітне поле є неоднорідним — у різних його точках вектори магнітної індукції мають різні значення та напрямки, тому лінії магнітної індукції зазвичай викривлені, а їхня щільність є різною.

Магнітне поле соленоїда і штабового магніту

Соленоїд — циліндрична котушка, довжина якої значно більша за її діаметр. Конфігурації магнітних полів соленоїда і штабового магніту є однаковими.

• І соленоїд, і штабовий магніт мають два полюси — північний N і південний S. На полюсах магнітне поле є найсильнішим, тому лінії магнітної індукції розташовані найщільніше.

• Лінії магнітної індукції магнітного поля і соленоїда, і штабового магніту виходять із північного полюса і входять у південний.

• Усередині і соленоїда, і магніту магнітне поле майже однорідне: лінії магнітної індукції паралельні та розташовані на однакових відстанях.

Підбиваємо підсумки

• Магнітне поле — це форма матерії (складова електромагнітного поля), яка створюється намагніченими тілами, провідниками зі струмом, змінними електричними полями і рухомими зарядженими тілами і частинками.

• Напрямок вектора магнітної індукції магнітного поля провідника зі струмом і котушки зі струмом визначають за допомогою правої руки. Він збігається з напрямком, у якому вказує північний полюс магнітної стрілки.

• Лінії магнітної індукції — умовні напрямлені лінії, у кожній точці яких дотична збігається з лінією, уздовж якої напрямлений вектор магнітної індукції. Лінії магнітної індукції завжди замкнені — магнітне поле є вихровим.

Контрольні запитання

1. Опишіть досліди Г. Ерстеда і А. Ампера. 2. Дайте означення магнітного поля. Які властивості має магнітне поле? 3. Охарактеризуйте магнітну індукцію за планом характеристики фізичної величини. 4. Як визначити напрямок вектора магнітної індукції? 5. Що називають лініями магнітної індукції? 6. Зіставте магнітні поля соленоїда і штабового магніту: що в них спільне? 7. Яке магнітне поле називають однорідним?

1. На рис. 1 зображено лінії магнітного поля, створеного двома соленоїдами.

  • 1) Який напрямок має вектор магнітної індукції у точці В? у точці С?
  • 2) У якій точці — А, В чи С — магнітна індукція поля є найбільшою?
  • 3) Чи існують у цьому магнітному полі ділянки, на яких поле є однорідним?
  • 4) Визначте полюси джерел струму, до яких підключено соленоїди.

2. Як установиться магнітна стрілка після замкнення кола (рис. 2)?

3. Укажіть напрямок вектора магнітної індукції в кожній із точок (рис. 3).

4. За поданими в таблиці даними складіть задачі та розв’яжіть їх.

Довжина провідника

Сила струму в провіднику

Модуль магнітної індукції

Максимальна сила Ампера

§ 2. Індукція магнітного поля. Лінії магнітної індукції. Магнітне поле Землі

Ми не можемо побачити магнітне поле, проте для кращого розуміння магнітних явищ важливо навчитися наочно його зображувати. У цьому нам допоможуть магнітні стрілки. Кожна така стрілка — це 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. 2.1. Магнітна стрілка — це постійний магніт. Пунктирною лінією показано вісь магнітної стрілки

1. Вивчаємо силову характеристику магнітного поля

Якщо заряджена частинка рухається в магнітному полі, то поле діятиме на частинку з деякою силою. Значення цієї сили залежить від заряду частинки, напрямку та значення швидкості її руху, а також від того, наскільки сильним є поле. Силовою характеристикою магнітного поля є магнітна індукція.

Магнітна індукція (індукція магнітного поля) — це векторна фізична величина, яка характеризує силову дію магнітного поля.

Одиниця магнітної індукції в СІ — тесла*; названа на честь сербського фізика Ніколи Тесли (1856-1943):

* Як подати 1 Тл через інші одиниці СІ, за якою формулою можна визначити модуль магнітної індукції, як напрямлена сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, ви дізнаєтесь із матеріалу § 4.

За напрямок вектора магнітної індукції в даній точці магнітного поля обрано напрямок, у якому вказує північний полюс магнітної стрілки, встановленої в даній точці (рис. 2.2).

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

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

2. Зображуємо магнітне поле

На рис. 2.2 бачимо, що магнітні стрілки орієнтуються в магнітному полі не безладно: їхні осі ніби утворюють лінії, а вектор магнітної індукції в кожній точці напрямлений уздовж дотичної до лінії, яка проходить через цю точку.

Умовні напрямлені лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з лінією, уздовж якої напрямлений вектор магнітної індукції, називають лініями магнітної індукції або магнітними лініями.

Саме за допомогою магнітних ліній графічно зображують магнітні поля:

  • 1) за напрямок ліній магнітної індукції в даній точці домовилися брати напрямок вектора магнітної індукцій;
  • 2) лінії магнітної індукції зображають щільніше в тих областях поля, де модуль магнітної індукції більше.

Розглянувши графічне зображення магнітного поля штабового магніту, можемо зробити деякі висновки (див. на рис. 2.3). Зазначимо, що ці висновки справджуються для магнітних ліній будь-якого магніту.

Рис. 2.3. Лінії магнітного поля штабового магніту

Який напрямок мають магнітні лінії всередині штабового магніту?

Картину магнітних ліній можна відтворити, скориставшись залізними ошурками. Візьмемо підковоподібний магніт, покладемо на нього пластинку з оргскла і через ситечко насипатимемо на пластинку залізні ошурки. У магнітному полі кожний шматочок заліза намагнітиться й перетвориться на маленьку «магнітну стрілку». Імпровізовані «стрілки» зорієнтуються вздовж магнітних ліній магнітного поля магніту (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Рисунок, утворений ланцюжками залізних ошурок, відтворює картину ліній магнітної індукції магнітного поля підковоподібного магніту

Зобразіть у зошиті картину магнітних ліній магнітного поля підковоподібного магніту. Пам’ятайте про те, що магнітні лінії завжди замкнені.

3. Розглядаємо однорідне магнітне поле

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

Рис. 2.5. Ділянка, на якій магнітне поле є однорідним

На ділянках, де магнітне поле є однорідним, лінії магнітної індукції паралельні та розташовані на однаковій відстані одна від одної (рис. 2.5, 2.6). У фізиці прийнято магнітні лінії однорідного магнітного поля, які напрямлені до нас, зображати точками (рис. 2.7, а) — ми ніби бачимо «вістря стріл», що летять до нас. Якщо магнітні лінії напрямлені від нас, то їх зображають хрестиками — ми ніби бачимо «пір’я стріл», що летять від нас (рис. 2.7, б).

Рис. 2.6. Магнітне поле всередині штабового магніту (а) і між двома магнітами, зверненими один до одного різнойменними полюсами (б), можна вважати однорідним

Рис. 2.7. Зображення ліній магнітної індукції однорідного магнітного поля, які перпендикулярні до площини рисунка та напрямлені до нас (а); напрямлені від нас (б)

В 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 є різною.

4. Розглядаємо магнітне поле Землі

Із метою вивчення земного магнетизму Вільям Ґільберт виготовив 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, а на півночі нашої планети розташований її південний магнітний полюс. Подальші дослідження підтвердили гіпотезу В. Ґільберта.

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

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

Уявіть, що ви подорожуєте на Північний полюс, рухаючись точно в тому напрямку, на який вказує стрілка компаса. Чи досягнете ви місця призначення?

Лінії магнітної індукції магнітного поля Землі не є паралельними її поверхні. Якщо закріпити магнітну стрілку в карданному підвісі, тобто так, щоб вона могла вільно обертатися як навколо горизонтальної, так і навколо вертикальної осей, стрілка встановиться під певним кутом до поверхні Землі (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Магнітна стрілка в карданному підвісі

• Як, на вашу думку, буде розташована магнітна стрілка в пристрої, зображеному на рис. 2.9, біля північного магнітного полюса Землі? біля південного магнітного полюса Землі?

Магнітне поле Землі здавна допомагало орієнтуватися мандрівникам, морякам, військовим і не лише їм. Доведено, що риби, морські ссавці й птахи під час своїх міграцій орієнтуються за магнітним полем Землі. Так само орієнтуються, шукаючи шлях додому, і деякі тварини, наприклад коти.

5. Дізнаємося про магнітні бурі

Ретельні дослідження показали, що в будь-якій місцевості магнітне поле Землі періодично, щодоби, змінюється. Крім того, спостерігаються невеликі щорічні зміни магнітного поля Землі. Трапляються, однак, і різкі його зміни. Сильні збурення магнітного поля Землі, які охоплюють усю планету і тривають від одного до кількох днів, називають магнітними бурями. Здорові люди їх практично не відчувають, а от у тих, хто має серцево-судинні захворювання та захворювання нервової системи, магнітні бурі викликають погіршення самопочуття.

Магнітне поле Землі є своєрідним «щитом», який захищає нашу планету від заряджених частинок, що летять із космосу, переважно від Сонця («сонячний вітер»). Поблизу магнітних полюсів потоки частинок підлітають досить близько до атмосфери Землі. Під час зростання сонячної активності космічні частинки потрапляють у верхні шари атмосфери та йонізують молекули газу — тоді на Землі спостерігаються полярні сяйва (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Під час підвищення сонячної активності збільшується площа темних плям на Сонці (а), а на Землі відбуваються магнітні бурі та полярні сяйва (б)

Підбиваємо підсумки

Умовні напрямлені лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з лінією, уздовж якої напрямлений вектор магнітної індукції, називають лініями магнітної індукції або магнітними лініями.

Лінії магнітної індукції завжди замкнені, поза магнітом вони виходять із північного полюса магніту та входять у південний, щільніше розташовані в тих областях магнітного поля, де модуль магнітної індукції більше.

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

Контрольні запитання

1. Дайте означення магнітної індукції. 2. Як напрямлений вектор магнітної індукції? 3. Якою є одиниця магнітної індукції в СІ? На честь кого її названо? 4. Наведіть означення ліній магнітної індукції. 5. Який напрямок узято за напрямок магнітних ліній? 6. Від чого залежить щільність розташування магнітних ліній? 7. Яке магнітне поле називають однорідним? 8. Доведіть, що Земля має магнітне поле. 9. Як розташовані магнітні полюси Землі відносно географічних? 10. Що таке магнітні бурі? Як вони впливають на людину?

1. На рис. 1 зображено лінії магнітної індукції на певній ділянці магнітного поля. Для кожного випадку а-в визначте:

  • 1) яке це поле — однорідне чи неоднорідне;
  • 2) напрямок вектора магнітної індукції в точках А і В поля;
  • 3) у якій точці — А чи В — магнітна індукція поля є більшою.

2. Чому сталеві віконні ґрати можуть із часом намагнітитися?

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

  • 1) Чи існує магнітне поле в точці А?
  • 2) Який напрямок має вектор магнітної індукції в точці В? у точці С?
  • 3) У якій точці — А, В чи С — магнітна індукція поля є найбільшою?
  • 4) Який напрямок мають вектори 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 дізнайтесь, яке значення має магнітне поле для життя на нашій планеті. Що сталося б, якби магнітне поле Землі раптом зникло?

6. На земній поверхні є області, де магнітна індукція магнітного поля Землі значно більша, ніж у сусідніх районах. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь про магнітні аномалії детальніше.

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