От какого полюса к какому направлены магнитные линии внутри самого магнита

Магнитные линии

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся частицы, обладающие электрическим зарядом. Для наглядности магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Какой вид имеют эти линии, где они начинаются и где кончаются – ответы на эти вопросы читайте ниже.

Немного из истории магнетизма

Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.

Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.

В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.

Основные признаки и свойства магнитных линий

Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов (полосовых, дугообразных или иной формы) и вокруг металлического провода, по которому течет электрический ток.

Магнитное поле изображается в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукция — это некая геометрическая кривая, в любой точке которой вектор (направление) магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Можно выделить основные свойства магнитных линий:

• Магнитные линии непрерывны;
• Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
• Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
• Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.

Магнитные линии полосового магнита

С помощью простого эксперимент можно продемонстрировать свойства магнитных линий. Полосовой магнит кладется на горизонтальную поверхность, на него сверху — прозрачная (неметаллическая) пластинка, на которую насыпают мелкие железные опилки. Под действием магнита опилки намагничиваются и становятся как бы магнитными стрелочками. Видно, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, которые выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S. Гуще всего линии расположены в районе полюсов магнита.

Рис. 1. Магнитные линии полосового магнита

Магнитные линии дугообразного магнита

По аналогичной схеме можно поставить эксперимент с дугообразным магнитом.

Рис. 2. Магнитные линии дугообразного магнита.

Видно, что по всему магниту магнитные линии начинаются на северном полюсе и оканчиваются на южном.

Магнитные линии прямого провода с током

Используем такую же схему эксперимента для прямого провода, по которому течет электрический ток. В данном случае можно заменить прозрачную пластину на кусок картона или фанеры.

Рис. 3. Магнитные линии прямого провода с током.

Видно, что опилки выстраиваются по концентрическим окружностям, показывая форму магнитных линий. При изменении направления тока опилки поворачиваются на 180 0 . Следовательно, направление магнитных линий в данном случае связано с направлением тока в проводнике.

Известно, что Земля — это огромный “полосовой” магнит. Благодаря этому, с помощью магнитной стрелки компаса мы можем ориентироваться в пространстве. Но надо иметь ввиду, что есть места с крупными залежами магнетитов (железных руд), которые создают сильное “фоновое” магнитное поле, которое поворачивает стрелку компаса вдоль своих магнитных линий. Одно из таких мест — Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области нашей страны.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что магнитное поле изображают в виде магнитных линий, которые: непрерывны, замкнуты, в постоянных магнитах магнитные линии выходят из северного полюса и заканчиваются в южном полюсе, направление магнитных линий прямого провода с электрическим током зависит от направления тока.

Физика

Урок 28: Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли

• Видео
• Тренажер
• Теория

Постоянные магниты

Что же такое постоянный магнит? Постоянным магнитом называется тело, способное долгое время сохранять намагничивание. В результате многократных исследований, проведенных многочисленных опытов, мы можем сказать, что только три вещества на Земле могут быть постоянными магнитами (рис. 1).

Рис. 1. Постоянные магниты (Источник)

Только эти три вещества и их сплавы могут быть постоянными магнитами, только они могут намагничиваться и сохранять такое состояние долгое время.

Постоянные магниты использовались очень давно, и в первую очередь это приборы ориентирования в пространстве – первый компас был изобретен в Китае для того, чтобы ориентироваться в пустыне. На сегодняшний день о магнитных стрелках, о постоянных магнитах уже никто не спорит, их используют повсеместно в телефонах и в радиопередатчиках и просто в различных электротехнических изделиях. Они могут быть разными: есть полосовые магниты (рис. 2)

Рис. 2. Полосовой магнит (Источник)

А есть магниты, которые называются дугообразными или подковообразными (рис. 3)

Рис. 3. Дугообразный магнит (Источник)

Магнитное поле постоянных магнитов

Исследование постоянных магнитов связано исключительно с их взаимодействием. Магнитное поле может создаваться электрическим током и постоянным магнитом, поэтому первое, что было проведено, – это исследования с магнитными стрелками. Если поднести магнит к стрелке, то мы увидим взаимодействие – одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные будут притягиваться. Такое взаимодействие наблюдается со всеми магнитами.

Расположим вдоль полосового магнита маленькие магнитные стрелки (рис. 4), южный полюс будет взаимодействовать с северным, а северный будет притягивать южный. Магнитные стрелки будут располагаться вдоль линии магнитного поля. Принято считать, что магнитные линии направлены вне постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного полюса к северному. Таким образом, магнитные линии замкнуты точно так же, как и у электрического тока, это концентрические окружности, они замыкаются внутри самого магнита. Получается, что вне магнита магнитное поле направлено от севера к югу, а внутри магнита от юга к северу.

Рис. 4. Лини магнитного поля полосового магнита (Источник)

Для того чтобы пронаблюдать форму магнитного поля полосового магнита, форму магнитного поля дугообразного магнита, воспользуемся следующими приборами или деталями. Возьмем прозрачную пластину, железные опилки и проведем эксперимент. Посыплем железными опилками пластину, находящуюся на полосовом магните (рис. 5):

Рис. 5. Форма магнитного поля полосового магнита (Источник)

Мы видим, что линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, по густоте линий можно судить о полюсах магнита, где линии гуще – там находятся полюса магнита (рис. 6).

Рис. 6. Форма магнитного поля дугообразного магнита (Источник)

Аналогичный опыт проведем с дугообразным магнитом. Мы видим, что магнитные линии начинаются на северном и заканчиваются на южном полюсе по всему магниту.

Магнитное поле Земли

Нам уже известно, что магнитное поле образуется только вокруг магнитов и электрических токов. Как же нам определить магнитное поле Земли? Любая стрелка, любой компас в магнитном поле Земли строго ориентированы. Раз магнитная стрелка строго ориентируется в пространстве, следовательно, на нее действует магнитное поле, и это магнитное поле Земли. Можно сделать вывод о том, что наша Земля – это большой магнит (рис. 7) и, соответственно, этот магнит создает в пространстве достаточно мощное магнитное поле. Когда мы смотрим на стрелку магнитного компаса, мы знаем, что красная стрелочка показывает на юг, а синяя на север. Как же располагаются магнитные полюсы Земли? В этом случае необходимо помнить о том, что на северном географическом полюсе Земли располагается южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе располагается северный магнитный полюс Земли. Если рассмотреть Землю как тело, находящееся в пространстве, то можно говорить о том, что, когда мы идем по компасу на север, мы придем на южный магнитный полюс, а когда идем на юг – мы попадем на северный магнитный полюс. На экваторе стрелочка компаса будет располагаться практически горизонтально относительно поверхности Земли, и чем ближе мы будем находиться к полюсам, тем вертикальнее будет расположение стрелки. Магнитное поле Земли могло изменяться, были времена, когда полюсы менялись относительно друг друга, то есть южный был там, где северный, и наоборот. По предположению ученых, это было предвестником больших катастроф на Земле. Последние несколько десятков тысячелетий этого не наблюдалось.

Рис. 7. Магнитное поле Земли (Источник)

Магнитные и географические полюса не совпадают. Внутри самой Земли тоже существует магнитное поле, и, как в постоянном магните, оно направлено от южного магнитного полюса к северному.

Откуда же берется магнитное поле в постоянных магнитах? Ответ на этот вопрос дал французский ученый Андре-Мари Ампер. Он высказал идею о том, что магнитное поле постоянных магнитов объясняется элементарными, простейшими токами, протекающими внутри постоянных магнитов. Эти простейшие элементарные токи определенным образом усиливают друг друга и создают магнитное поле. Отрицательно заряженная частица – электрон – движется вокруг ядра атома, это движение можно считать направленным, и, соответственно, вокруг такого движущегося заряда создается магнитное поле. Внутри любого тела количество атомов и электронов просто огромно, соответственно, все эти элементарные токи принимают упорядоченное направление, и мы получаем достаточно значительное магнитное поле. То же самое мы можем сказать о Земле, то есть магнитное поле Земли очень напоминает магнитное поле постоянного магнита. А постоянный магнит – это достаточно яркая характеристика любого проявления магнитного поля.

Заключение

Кроме существования магнитных бурь, существуют еще магнитные аномалии. Они связаны с солнечным магнитным полем. Когда на Солнце происходят достаточно мощные взрывы или выбросы, они происходят не без помощи проявления магнитного поля Солнца. Это эхо достигает Земли и сказывается на ее магнитном поле, в результате мы с вами наблюдаем магнитные бури. Магнитные аномалии связаны с залежами железных руд в Земле, огромные залежи в течение долгого времени намагничиваются магнитным полем Земли, и все тела, находящиеся вокруг, будут испытывать действие магнитного поля со стороны этой аномалии, стрелки компасов будут показывать неправильное направление.

На следующем уроке мы с вами рассмотрим другие явления, связанные с магнитными действиями.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Как направлены магнитные линии магнитного поля постоянных магнитов?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Схемы направления магнитных линий

Устройство магнитного поля представляют с помощью силовых линий. Также их называют интегральными кривыми. Они показывают, как расположились бы свободные стрелки компаса в поле. В зависимости от формы магнита, схема направления магнитных линий будет различаться. Самые известные примеры — картина поля постоянных магнитов, соленоидов, проводников с током.

Магнитная индукция

Эта величина — главная характеристика магнитного поля. Она определяет его силу в конкретной точке пространства и показывает, как магнит воздействует на электрический заряд, перемещающийся с заданной скоростью. Понятие индукции необходимо не только при описании магнитов и их полей, но и во всей теории электромагнетизма.

Почему вокруг проводника с током возникают силовые линии? Взаимосвязь магнетизма и электричества была изучена Майклом Фарадеем. Именно он установил, что переменное электрическое поле создает постоянное магнитное, а переменное у магнита — постоянное электрическое.

Магнитная индукция — векторная величина. Направление этого вектора совпадает со свободной стрелкой компаса или с перпендикуляром к витку с током. Определить, куда направлен ток или силовые линии, можно с помощью правила буравчика или правой руки.

Линии магнитной индукции построены таким образом, что в каждой их точке индукция направлена по касательной к кривой. Модуль вектора тем больше, чем сильнее поле.

Свойства силовых линий

Особенности этих кривых связаны со свойствами самого поля. Для линий магнитной индукции характерно:

1. Они замкнуты или начинаются и заканчиваются в бесконечности (например, для бесконечного соленоида)
2. Нигде не прерываются.
3. Имеют определенное направление, зависящее от того, куда идет ток.
4. Чем сильнее поле, тем более густо расположены его линии.

Свойства замкнутости и непрерывности кривых связано с тем, что магнитных зарядов, подобных электрическим, не существует. Любой, даже самый маленький магнит имеет 2 полюса. Если его разрезать, каждая часть получит свои собственные полюса: северный и южный. Интегральные кривые поля вокруг постоянного магнита выходят из одного полюса и заходят в другой.

Это важное отличие магнитного поля от электрического. Интегральные кривые электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, поэтому они разомкнуты. Электрические заряды можно разделить.

Как увидеть строение поля

Впервые увидеть картину поля удалось в 1269 году, когда Петр Перегрин насыпал на постоянный сферический магнит небольшие железные иголки. Они выстроились в определенном порядке, расположившись по кривым, выходящим из одной точки и входящим в другую. Эти линии и называются теперь магнитными.

На сферическом магните точки, в которых сходились кривые, выглядели как полюса на глобусе и по аналогии с ними были названы. Позже было установлено, что Земля сама является огромным магнитом.

Эрстед с помощью своего знаменитого опыта установил влияние электричества на магнитную стрелку. Если поместить ее рядом с проводником, при пропускании тока по проводу указатель поворачивается перпендикулярно ему. Он повернется на 180 градусов, если пустить электроток в обратную сторону.

Увидеть строение поля можно с помощью железных опилок. Если их насыпать на неметаллическую пластину и поместить над магнитом, опилки выстроятся как раз по силовым кривым поля.

Различные схемы направления

У постоянного полосового магнита линии выходят из северного полюса и входят в южный, огибая магнит. Так же выглядит поле катушки (соленоида) с током, но в этом случае направление кривых зависит от направления тока. Они выходят из того полюса, где ток входит в катушку. При этом внутри катушки поле однородно, линии параллельны друг другу. Если представить бесконечный соленоид, все его поле будет находиться внутри катушки и будет однородным.

У дугообразного (подковообразного) магнита линии соединяют северный и южный полюса. Внутри дуги они прямые, а за ее пределами огибают магнит.

Поле прямого проводника с током имеет вид окружностей, перпендикулярных проводнику и имеющих центр в нем самом. Если пустить ток в противоположную сторону, кривые тоже станут направлены противоположно.

Направление окружностей определяется по правилу часовой стрелки или буравчика:

1. Если ток по проводнику течет в сторону наблюдателя, линии направлены по часовой стрелке.
2. Их направление совпадает с вращения винта (буравчика), который движется вдоль тока (закручивается, если от наблюдателя, и выкручивается, если к человеку).

Для витка с током справедливы подобные правила, но с некоторыми изменениями:

1. Правило часов: силовые линии направлены к наблюдателю, если он видит, что ток течет по часовой стрелке.
2. Правило буравчика: направление кривых совпадает с движением винта, который крутят так же, как идет ток.

Чем меньше расстояние до проводника, тем гуще расположены окружности. По мере удаления они постепенно разрежаются. Это показывает, что магнитное поле ослабевает при удалении от проводника.