Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 2. Индукция магнитного поля, линии магнитной индукции. Магнитное поле Земли

Мы не можем увидеть магнитное поле, однако для лучшего понимания магнитных явлений важно научиться его изображать. В этом помогут магнитные стрелки. Каждая такая стрелка — это маленький постоянный магнит, который легко поворачивается в горизонтальной плоскости (рис. 2.1). О том, как графически изображают магнитное поле и какая физическая величина его характеризует, вы узнаете из этого параграфа.

Рис. 2.1. Магнитная стрелка — это постоянный магнит. Пунктирной линией показана ось магнитной стрелки

1. Изучаем силовую характеристику магнитного поля

Если заряженная частица движется в магнитном поле, то поле будет действовать на частицу с некоторой силой. Значение этой силы зависит от заряда частицы, направления и значения скорости ее движения, а также от того, насколько сильным является поле.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.

Магнитная индукция (индукция магнитного поля) — это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие магнитного поля.

Единица магнитной индукции в СИ — тесла; названа в честь сербского физика Николы Теслы (1856-1943):

[В] = 1 Тл*

* Как выразить 1 Тл через другие единицы СИ, по какой формуле можно определить модуль магнитной индукции, как направлена сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, вы узнаете из материала § 4.

За направление вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля принято направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, установленной в этой точке (рис. 2.2).

Рис. 2.2. В магнитном поле магнитные стрелки ориентируются определенным образом: северный полюс стрелки указывает направление вектора индукции магнитного поля в данной точке

Обратите внимание! Направление силы, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы или на проводник с током, или на магнитную стрелку, не совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

2. Изображаем магнитное поле

На рис. 2.2 видим, как ориентируются магнитные стрелки в магнитном поле: их оси как будто образуют линии, а вектор магнитной индукции в каждой точке направлен вдоль касательной к линии, проходящей через эту точку.

Условные направленные линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.

С помощью магнитных линий графически изображают магнитные поля:

• 1) за направление линии магнитной индукции в данной точке принято направление вектора магнитной индукции;
• 2) чем больше модуль магнитной индукции, тем ближе друг к другу чертят магнитные линии.

Рассмотрев графическое изображение магнитного поля полосового магнита, можно сделать некоторые выводы (см. на рис. 2.3). Заметим, что данные выводы справедливы для магнитных линий любого магнита.

Рис. 2.3. Линии магнитного поля полосового магнита

• Какое направление имеют магнитные линии внутри полосового магнита?

Картину магнитных линий можно воспроизвести с помощью железных опилок. Возьмем подковообразный магнит, положим на него пластинку из оргстекла и через ситечко будем насыпать на пластинку железные опилки. В магнитном поле каждый кусочек железа намагнитится и превратится в маленькую «магнитную стрелку». Импровизированные «стрелки» сориентируются вдоль магнитных линий магнитного поля магнита (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Цепочки железных опилок воспроизводят картину линий магнитной индукции магнитного поля подковообразного магнита

• Изобразите картину магнитных линий магнитного поля подковообразного магнита.

3. Узнаём об однородном магнитном поле

Магнитное поле в некоторой части пространства называют однородным, если в каждой его точке векторы магнитной индукции одинаковы как по модулю, так и по направлению (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Участок, на котором магнитное поле однородно

На участках, где магнитное поле однородно, линии магнитной индукции параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 2.5, 2.6). Магнитные линии однородного магнитного поля, направленные к нам, принято изображать точками (рис. 2.7, а) — мы как будто видим «острия стрел», летящих к нам. Если магнитные линии направлены от нас, то их изображают крестиками — мы как будто видим «оперения стрел», летящих от нас (рис. 2.7, б).

Рис. 2.6. Магнитное поле внутри полосового магнита (а) и между двумя магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами (б), можно считать однородным

Рис. 2.7. Изображение линий магнитной индукции однородного магнитного поля, которые перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к нам (а); направлены от нас (б)

В большинстве случаев мы имеем дело с неоднородным магнитным полем, — полем, в разных точках которого векторы магнитной индукции имеют разные значения и направления. Магнитные линии такого поля искривлены, а их плотность разная.

4. Изучаем магнитное поле Земли

Для изучения земного магнетизма Вильям Гильберт изготовил постоянный магнит в виде шара (модель Земли). Расположив на шаре компас, он заметил, что стрелка компаса ведет себя так же, как на поверхности Земли.

Эксперименты позволили ученому предположить, что Земля — это огромный магнит, а на севере нашей планеты расположен ее южный магнитный полюс. Дальнейшие исследования подтвердили гипотезу В. Гильберта.

На рис. 2.8 изображена картина линий магнитной индукции магнитного поля Земли.

Рис. 2.8. Схема расположения магнитных линий магнитного поля планеты Земля

• Представьте, что вы идете к Северному полюсу, двигаясь точно в том направлении, на которое указывает стрелка компаса. Достигнете ли вы места назначения?

Линии магнитной индукции магнитного поля Земли не параллельны ее поверхности. Если закрепить магнитную стрелку в карданном подвесе, то есть так, чтобы она могла свободно вращаться как вокруг горизонтальной, так и вокруг вертикальной осей, стрелка установится под углом к поверхности Земли (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Магнитная стрелка в карданном подвесе

• Как будет расположена магнитная стрелка в устройстве на рис. 2.9 вблизи северного магнитного полюса Земли? вблизи южного магнитного полюса Земли?

Магнитное поле Земли издавна помогало ориентироваться путешественникам, морякам, военным и не только им. Доказано, что рыбы, морские млекопитающие и птицы во время своих миграций ориентируются по магнитному полю Земли. Так же ориентируются, ища путь домой, и некоторые животные, например кошки.

5. Узнаём о магнитных бурях

Исследования показали, что в любой местности магнитное поле Земли периодически, каждые сутки, изменяется. Кроме того, наблюдаются небольшие ежегодные изменения магнитного поля Земли. Случаются, однако, и резкие его изменения. Сильные возмущения магнитного поля Земли, которые охватывают всю планету и продолжаются от одного до нескольких дней, называют магнитными бурями. Здоровые люди их практически не ощущают, а вот у тех, кто имеет сердечно-сосудистые заболевания и заболевания нервной системы, магнитные бури вызывают ухудшение самочувствия.

Магнитное поле Земли — своеобразный «щит», который защищает нашу планету от летящих из космоса, в основном от Солнца («солнечный ветер»), заряженных частиц. Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подлетают довольно близко к атмосфере Земли. При возрастании солнечной активности космические частицы попадают в верхние слои атмосферы и ионизируют молекулы газа — на Земле наблюдаются полярные сияния (рис. 2.10).

Рис. 2.10. При возрастании солнечной активности увеличивается площадь темных пятен на Солнце (а), а на Земле происходят магнитные бури и полярные сияния (б)

Подводим итоги

Условные направленные линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты, вне магнита они выходят из северного полюса магнита и входят в южный, гуще расположены в тех областях магнитного поля, где модуль магнитной индукции больше.

Планета Земля имеет магнитное поле. Вблизи северного географического полюса Земли расположен ее южный магнитный полюс, вблизи южного географического полюса — северный магнитный полюс.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение магнитной индукции. 2. Как направлен вектор магнитной индукции? 3. Какова единица магнитной индукции в СИ? В честь кого она названа? 4. Приведите определение линий магнитной индукции. 5. Какое направление принято за направление магнитных линий? 6. От чего зависит густота магнитных линий? 7. Какое магнитное поле называют однородным? 8. Докажите, что Земля имеет магнитное поле. 9. Как расположены магнитные полюсы Земли относительно географических? 10. Что такое магнитные бури? Как они влияют на человека?

Упражнение № 2

1. На рис. 1 изображены линии магнитной индукции на некотором участке магнитного поля. Для каждого случая a-в определите: 1) какое это поле — однородное или неоднородное; 2) направление вектора магнитной индукции в точках А и В поля; 3) в какой точке — А или В — магнитная индукция поля больше.

Рис. 1

2. Почему стальная оконная решетка может со временем намагнититься?

3. На рис. 2 изображены линии магнитного поля, созданного двумя одинаковыми постоянными магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами.

Рис. 2

• 1) Существует ли магнитное поле в точке А?
• 2) Каково направление вектора магнитной индукции в точке В? в точке С?
• 3) В какой точке — А, В или С — магнитная индукция поля наибольшая?
• 4) Каково направление векторов магнитной индукции внутри магнитов?

4. Раньше во время экспедиций на Северный полюс возникали трудности в определении направления движения, ведь вблизи полюса обычные компасы почти не работали. Как вы думаете, почему?

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какое значение имеет магнитное поле для жизни на нашей планете. Что произошло бы, если бы магнитное поле Земли вдруг исчезло?

6. Существуют участки земной поверхности, где магнитная индукция магнитного поля Земли значительно больше, чем в соседних областях. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о магнитных аномалиях подробнее.

7. Объясните, почему любое незаряженное тело всегда притягивается к телу, имеющему электрический заряд.