Магнитное поле витка (8 класс)

На прошлом занятии мы увидели, как возникает магнитное поле вокруг прямого провода с током. Мы определили, что силовые линии поля в таком случае представляют собой окружности, охватывающие проводник.

У этой конфигурации есть два существенных недостатка. Во-первых, ее неудобно использовать на практике. Во-вторых, возникающее поле слабое, и по проводнику требуется пропускать значительный ток.

Чтобы решить данные проблемы, попробуем согнуть наш провод, чтобы он превратился в виток с током. Какие изменения произойдут?

Самое главное, что мы сразу увидели — то, что круговые поля от отдельных фрагментов провода сложились внутри витка, образовав поле единого направления. При этом, как можно увидеть, направления тока и магнитного поля тоже взаимосвязаны — при изменении тока на противоположное магнитное поле тоже меняет направление.



Итак, мы уже видим первые преимущества витка с током. Во-первых, его удобно конструировать — он занимает мало места. Во-вторых, магнитное поле можно легко включить и выключить. В-третьих, направление магнитного поля легко изменить на противоположное.



А что будет, если сделать не один виток, а много? На одном витке мы увидели, что отдельные поля складываются. Значит, если у нас будет много витков (то есть, катушка), то поля от каждого витка просуммируются, образовав достаточно сильное магнитное поле. На профессиональном языке такую конструкцию называют соленоидом.



Заметим два важных момента.

Первое: при увеличении количества витков катушки мы, очевидно, усиливаем магнитное поле. Другими словами, мы можем варьировать поле, изменяя витки в катушке. Таким способом можно создавать самые разные катушки — от очень слабых до весьма мощных.

Второе: мы можем менять поле в катушке, если будем регулировать ток в ней. Например, это можно делать с помощью реостата.



Разберемся, как определять, куда направлено магнитное поле соленоида. Для этого нам пригодятся уже известные нам правила буравчика и правой руки, только в несколько иной форме.

Правило буравчика:

Если расположить ось буравчика перпендикулярно плоскости кольцевого проводника или вдоль оси соленоида и вращать его рукоятку по направлению тока, то поступательное движение этого буравчика укажет направление магнитных линий поля кольца или соленоида.



Правило правой руки:

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.



Еще один способ значительно увеличить магнитное поле катушки — это вставить внутрь нее железный стержень. Такая конструкция называется электромагнитом и находит широкое применение в самых разных областях. На заводе с его помощью можно перевозить стальные заготовки. Электромагнитом собирают металлолом. В подъездах они удерживают запертую дверь. Школьный звонок тоже содержит электромагнит, который включается и выключается с большой частотой.



Прежде, чем понять, как железо усиливает магнитное поле, мы должны разобраться с постоянными магнитами. Так называются тела из железа и его сплавов, которые непрерывно создают магнитное поле вокруг себя. Как же такое возможно?



Вспомним утверждение из прошлого занятия: магнитное поле неразрывно связано с движением электрических зарядов. Если вокруг постоянного магнита есть поле, то где же здесь движущиеся заряды?

Разгадка проста: электроны в атомах, движущиеся по своим орбитам, тоже представляют собой витки с током, хоть и микроскопические. Однако в железе их огромное количество, и если все сонаправлены, то они и создают постоянное магнитное поле. Такую модель магнетизма используют в классической физике.



Вернемся теперь обратно к электромагниту. Мы вставляем в катушку ненамагниченный стержень, и это вызывает усиление магнитного поля. Почему?

В железе, как мы уже сказали, имеется множество микроскопических витков с током. Но в обычном веществе они направлены хаотично, так что в сумме поле равно нулю. Если мы приложим внешнее поле от катушки, то они, словно «солдаты», повернутся в одну сторону. При этом к полю катушки добавится еще поле самого вещества, значительно увеличив его.



Кстати, именно таким способом и изготавливают постоянные магниты. Нагретое железо помещают внутрь мощного электромагнита, так что все микроскопические витки ориентируются в одну сторону. При остывании вещества они навсегда остаются в таком положении — так мы и получаем привычные нам магниты.