Физика

Магнитное взаимодействие. Постоянный магнит

Что многим из нас приходит в голову, когда мы слышим слово «магнит»? Скорее всего, это магнитная стрелка компаса. Вспомнив уроки географии и природоведения, подумаем, как же устроен компас. Основной его деталью является так называемая магнитная стрелка, обычно она двухцветная: синим покрыт её северный полюс, а красным южный.

Рис. 1. Компас

Стрелка ориентируется в пространстве таким образом, что своей синей частью показывает на северный полюс Земли, красной же своей частью – на южный полюс. Именно из-за такого свойства магнитной стрелки и пошли названия полюсов магнита. Северный полюс магнита принято обозначать большой буквой N от голландского слова «норд», которое в переводе обозначает «север», южный полюс магнита принято обозначать буквой S, от немецкого слова «сьюден», которое в переводе обозначает «юг». Теперь давайте обратим внимание на основное свойство магнитной стрелки – притягиваться к определенным участкам нашей планеты. Таким образом, возникает сила, которая ориентирует стрелку в пространстве. Эту силу принято называть магнитной. Давайте вспомним другие примеры магнитного взаимодействия: практически ежедневно мы сталкиваемся с таким устройством, как электромагнитный замок, они установлены на множестве дверей с домофонами, в них массивная пластина притягивается к мощному магниту, установленному на дверной раме.

Рис. 2. Устройство домофона

Пока вы не используете магнитный ключ – дверь не откроется.

Еще одно устройство, которое любят демонстрировать в зарубежных фильмах и научно-популярных передачах: это огромный электромагнит, установленный на манипуляторе, который притягивает к себе и переносит старые разбитые автомобили на свалке мусора.

Рис. 3. Магнит для притягивания автомобилей

В данном случае речь идет также о магнитной силе, причем настолько значительной, что она свободно преодолевает силу тяжести в десятки тысяч ньютон. Все описанные устройства объединяет то, что они работают на так называемом магнитном взаимодействии (или, как это принято называть, электромагнитном взаимодействии). В случае с магнитной стрелкой мы имеем дело с постоянным магнитом, в двух других случаях речь идет об электромагнитах. Давайте дадим определение постоянному магниту: Постоянный магнит – это тело, обладающее собственным магнитным полем.

Магнитное поле и его графическое изображение

На прошлых уроках мы выяснили, что причиной возникновения магнитной силы является наличие магнитного поля. Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами и, в частности, электрическим током, поскольку это упорядоченный поток заряженных частиц. Например, магнитное поле образуется вокруг проводника с током. Каким же образом можно пояснить наличие магнитного поля у постоянных магнитов, у которых никаких видимых токов нет? Согласно гипотезе великого французского физика Ампера, в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах такие кольцевые токи ориентируются одинаково. Магнитные поля, которые они образуют, направлены одинаково и усиливают друг друга. В результате образуется магнитное поле внутри и вблизи постоянного магнита. Когда мы ранее сталкивались с понятием «поле», то возникала проблема понимания, что же это такое. Если сравнивать с понятием «вещество», этой проблемы, очевидно, нет, так как из вещества созданы все окружающие нас тела, мы их можем потрогать, мы их можем увидеть. Что же касается магнитного поля, то это особый вид материи, который проявляется через взаимодействие с определенными телами. Вспомним, что гравитационное поле взаимодействует с телами, имеющими массу, то есть со всеми телами. При этом электрическое поле взаимодействует с телами, имеющими заряд, что же касается поля магнитного, то оно будет взаимодействовать с телами, в которых есть подвижные заряды. Из этого возникает вопрос: если поле нельзя увидеть, можно ли его как-то изобразить? Проведем эксперимент, возьмем обыкновенный полосовой магнит, положим его на стол и накроем обыкновенной прозрачной пластиковой накладкой. Сверху на поверхность накладки над магнитом аккуратно посыпаем железные опилки, в процессе посыпания мы можем увидеть интересный эффект: опилки будут распределяться неравномерным образом, образуя так называемые дорожки, и картина этих дорожек получается упорядоченной. Что же мы увидели и почему так происходит?

Рис. 4. Силовые линии магнитного поля в опыте  железными опилками

Наш опыт позволяет наглядно продемонстрировать так называемые силовые линии магнитного поля (или, как их еще именуют, просто магнитные линии). Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. В нашем эксперименте в роли магнитных стрелок выступают железные опилки. Они имеют очень простое свойство намагничиваться во внешнем магнитном поле и выстраиваться вдоль магнитных линий, причем по правилу взаимодействия магнитов, то есть противоположными полюсами друг к другу. Стоит отметить, что магнитные линии могут быть как прямолинейными, так и криволинейными, при этом правило их построения очень простое: в любой точке нахождения магнитной стрелки касательная, проведенная через нее должна быть и касательной к магнитной линии.

Для того чтобы правильно изображать магнитное поле, не проводя постоянных экспериментов с железными опилками и магнитами, необходимо знать правило его построени.

Во-первых, силовые линии магнитного поля являются замкнутыми либо уходят на бесконечность. Кроме этого, следует помнить, что они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Во-вторых, наиболее сильное магнитное поле является у полюсов магнитов, что изображается как более плотное расположение магнитных линий, в областях же с менее сильным магнитным полем магнитные линии изображают на большем расстоянии друг от друга.

Какие же выводы мы можем сделать из этих правил?

Магнитные линии позволяют изображать направление поля в данной точке. Магнитные линии позволяют определять силу действия этого поля.

Неоднородное и однородное магнитное поле

Рассмотрим картину поля полосового магнита. Вблизи полюсов его магнитные линии расположены более плотно, чем вдали них. Кроме того, линии искривлены, это означает, что в различных точках пространства вблизи магнита, его поле будет действовать на магнитную стрелку с различной силой и по-разному ее поворачивать.

Рис. 5. Силовые линии неоднородного  магнитного  поля

Таким образом, сила, с которой поле полосового магнита действует на магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различна как по модулю, так и по направлению. Такое поле называется неоднородным. Линии неоднородного магнитного поля искривлены, и их густота меняется от точки к точке. Другим примером неоднородного магнитного поля является поле проводника с током.

Рис. 6. Неоднородное магнитное поле проводника с током

На рисунке точкой обозначено направление тока на нас от рисунка, если бы там был крестик, то направление было бы от нас к  рисунку. Эти обозначения именуют правилом стрелы. Точка обозначает острие, летящей в нашу сторону стрелы, а крестик ее хвостовое оперение, которое можно было бы увидеть, если бы стрела улетела от нас. Магнитные линии проводника представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от  проводника, что означает, что поле тем слабее, чем дальше от проводника. Поскольку линии такого поля искривлены и в различных точках расположены на разном расстоянии, то такое поле неоднородно. Кроме этого, необходимо отметить, что магнитное поле нашей планеты Земля также является неоднородным. Его сила очень зависит от географического расположения: на экваторе оно слабее, а на полюсах соответственно сильнее.

Что касается однородного магнитного поля, то его можно рассматривать только в некотором приближении, связано это с тем, что однородное магнитное поле – это поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинаково по модулю и по направлению.

Рис. 7. Магнитные линии однородного магнитного поля

Поскольку линии магнитного поля в реальной ситуации всегда искривлены, то об однородности можно говорить только приблизительно.  Во-первых, однородным можно считать поле внутри, вблизи середины полосового магнита, о котором мы уже многократно говорили.

Во-вторых, примером практически однородного магнитного поля является поле внутри цилиндрической катушки с током, которую принято называть соленоидом, причем ее длина должна быть больше диаметра. Магнитные линии однородного магнитного поля параллельны и находятся на одинаковом расстоянии.

Заключение

Итак, сегодня мы вспомнили такое понятие, как магнитное поле, перечислили случаи, когда оно образуется, ввели инструмент его графического изображения, то есть силовые магнитные линии.

На следующем уроке мы рассмотрим магнитное поле тока.

Список литературы

1. Перышкин А. В., Гутник Е. М. Физика 9, Дрофа, 2009.
2. Громов С. В., Родина Н. А. Физика 9. - М.: Просвещение.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «uchifiziku.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «ivanpobeda.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Дать определение магнитной силе.
2. В какой точке магнитное поле тока, протекающего по проводнику, действует на магнитную стрелку с наименьшей силой?
3. В чем состоит различие между однородным и неоднородным магнитными полями?