§ 52. Магнитное поле проводников с током и постоянных магнитов. Магнитные линии

КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ: ОПЫТ С ЖЕЛЕЗНЫМИ ОПИЛКАМИ

Магнитное поле материально, но прозрачно и совершенно невидимо для человеческого глаза. Чтобы детально исследовать его пространственную структуру и распределение сил вокруг проводников и магнитов, физики используют остроумный метод — наблюдение за поведением мелких железных опилок.

Попадая в магнитное поле, каждая крошечная железная крупинка сама мгновенно намагничивается и превращается в микроскопическую магнитную стрелку с двумя собственными полюсами. Под действием магнитных сил эти стрелочки поворачиваются и сцепляются друг с другом разноимёнными концами, выстраиваясь в непрерывные видимые цепочки.

Проведём классический опыт:

1. Пропустим прямой медный проводник вертикально сквозь горизонтальный лист гладкого картона и равномерно насыплем вокруг провода тонкий слой железных опилок.
2. Пока тока в цепи нет, опилки лежат хаотично в виде бесформенной пыли.
3. Включим электрический ток и слегка постучим пальцем по картону, чтобы преодолеть трение покоя.
4. Опилки мгновенно придут в движение и расположатся в виде чётких правильных концентрических окружностей с общим центром на оси проводника (рис. 122).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАПРАВЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ЛИНИЙ

Картина, полученная с помощью опилок, наглядно отражает геометрию магнитного поля.

Магнитными линиями (или линиями магнитного поля) называют воображаемые непрерывные линии, вдоль которых в магнитном поле ориентируются продольные оси маленьких магнитных стрелок.

Поскольку стрелка компаса имеет два противоположных полюса, для однозначности в физике принято международное соглашение:

• За направление магнитной линии в любой её точке принимается то направление, которое указывает северный полюс (N) установленной в этой точке магнитной стрелки.

Если вокруг прямого вертикального проводника с током расставить по окружности несколько магнитных стрелок (рис. 123, а), все они расположатся по касательным к концентрическим окружностям, обходя провод в одном строго определённом направлении. Если же изменить направление тока в проводнике на противоположное, стрелки дружно совершат поворот на 180°, показав противоположное направление линий поля (рис. 123, б).

ПРАВИЛО БУРАВЧИКА (ПРАВИЛО ПРАВОГО ВИНТА)

Для быстрого и безошибочного определения связи между направлением тока в проводнике и направлением окружающих его магнитных линий физики используют правило буравчика (или правило правого винта, рис. 124):

Если направление поступательного движения буравчика (винта с правой резьбой) совпадает с направлением электрического тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением магнитных линий поля.

• Если ток течёт вверх: вкручивая буравчик снизу вверх, мы вращаем рукоятку против часовой стрелки (если смотреть сверху) — туда же направлены и магнитные линии.
• Если ток течёт вниз: буравчик вкручивается вниз, рукоятка вращается по часовой стрелке, и магнитные линии направлены по часовой стрелке.

Графические обозначения тока, перпендикулярного плоскости чертежа:

• Значок ⊙ (точка в кружке) — ток направлен к нам (к наблюдателю) из плоскости листа бумаги (мы видим остриё летящей навстречу стрелы).
• Значок ⊗ (крестик в кружке) — ток направлен от нас (вглубь чертежа) за плоскость листа бумаги (мы видим хвостовое оперение улетающей стрелы).

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КРУГОВОГО ВИТКА С ТОКОМ

Если прямой провод согнуть в замкнутое кольцо — круговой виток (рис. 125) — и пропустить по нему электрический ток, картина магнитного поля изменится.

Железные опилки показывают, что магнитные линии витка также представляют собой замкнутые кривые. Вблизи самого проводника они плотно охватывают проволоку небольшими колечками, а в центре витка сливаются в мощный прямолинейный поток, пронизывающий плоскость кольца насквозь. Виток с током ведёт себя подобно плоскому магниту: с одной стороны кольца магнитные линии входят (южная сторона витка), а с противоположной — выходят (северная сторона).

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ЛИНИЙ

Магнитные линии обладают рядом важнейших физических свойств, отличающих магнитное поле от электростатического:

1. Непрерывность и замкнутость (вихревой характер):

Магнитные линии всегда замкнуты сами на себя — они не имеют ни начала, ни конца! В электростатике линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и обрываются на отрицательных. В магнитостатике нет изолированных «магнитных зарядов», поэтому магнитные линии не могут нигде оборваться или начаться из точки. Такое поле называют вихревым.

1. Густота линий как мера силы поля:

Магнитную линию можно мысленно провести через абсолютно любую точку пространства, где существует поле. При графическом изображении картины поля линии рисуют гуще там, где магнитное действие сильнее (вблизи проводника или полюсов магнита), и реже там, где действие поля слабее (рис. 126).

1. Линии никогда не пересекаются:

В любой точке пространства магнитное поле имеет единственное результирующее направление, поэтому пересечение линий физически невозможно.

МАГНИТНЫЕ ЛИНИИ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Картина магнитных линий постоянного полосового и дугообразного магнитов (рис. 127) также образована замкнутыми кривыми:

• Вне магнита линии непрерывно выходят из северного полюса (N) и входят в южный полюс (S).
• Внутри тела магнита линии не прерываются, а продолжают свой путь от южного полюса к северному, замыкаясь в неразрывные петли.

Геометрия линий наглядно объясняет закон механического взаимодействия магнитов (рис. 128):

• Разноимённые полюсы (N и S, рис. 128, б): Линии выходят из северного полюса первого магнита и напрямую входят в южный полюс второго. Силовые линии ведут себя подобно упругим натянутым резиновым нитям: стремясь сократить свою длину, они с силой притягивают магниты друг к другу.
• Одноимённые полюсы (N и N, рис. 128, а): Встречные магнитные линии не могут пересечься. Они упруго отталкиваются в стороны, изгибаются и огибают друг друга, расталкивая магниты и создавая между ними область с нулевым магнитным полем.