Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 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):

[В] = 1 Тл.

* 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?

Вправа № 2

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.

Рис. 1

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?

Рис. 2

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.