3.3.1 Механическое взаимодействие магнитов. Магнитное поле

У постоянного магнита есть два полюса: северный $N$ и южный $S$.

Магниты взаимодействуют друг с другом:

• одноимённые полюса отталкиваются;
• разноимённые полюса притягиваются.

Это взаимодействие происходит не «само по себе». Магнит создаёт вокруг себя магнитное поле, а поле действует на другой магнит.

Магнитное поле - силовое поле, которое действует на магниты, проводники с током и движущиеся электрические заряды.

В этом пункте главное - постоянные магниты и их поле. Поле проводников с током относится к следующему пункту, а силы Ампера и Лоренца - к отдельным пунктам 3.3.3 и 3.3.4.

Магнитные полюса

Северный и южный полюса магнита всегда существуют вместе. Если распилить полосовой магнит пополам, получится не отдельный северный и отдельный южный полюс, а два меньших магнита, у каждого из которых снова будут полюса $N$ и $S$.

Важно

В школьной физике изолированных магнитных полюсов не рассматривают. Магнитные полюса нельзя отделить друг от друга так, как можно разделить положительный и отрицательный электрические заряды.

Маленькая магнитная стрелка тоже является магнитом. Поэтому её можно использовать как пробник магнитного поля: она поворачивается так, что её северный конец показывает направление поля в данной точке.

Вектор магнитной индукции

Магнитное поле в каждой точке характеризуют вектором магнитной индукции $\vec{B}$.

Вектор магнитной индукции $\vec{B}$ - векторная характеристика магнитного поля.

Направление $\vec{B}$ в данной точке совпадает с направлением, куда указывает северный полюс маленькой свободно вращающейся магнитной стрелки.

Единица магнитной индукции в СИ - тесла:

Вектор $\vec{B}$ показывает не только «насколько сильное» поле, но и куда оно направлено. Поэтому магнитные поля складываются именно как векторы.

Принцип суперпозиции магнитных полей

Если в одной точке пространства есть поля от нескольких источников, то результирующий вектор магнитной индукции равен векторной сумме:

Это называют принципом суперпозиции магнитных полей.

Например, если рядом находятся два магнита, то в каждой точке пространства нужно мысленно сложить векторы ${\vec{B}}_1$ и ${\vec{B}}_2$, созданные каждым магнитом. Если они направлены примерно одинаково, поле усиливается; если противоположно - ослабляется.

Линии индукции магнитного поля

Магнитное поле удобно изображать с помощью линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции - направленные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора $\vec{B}$.

Смысл линий:

• направление линии показывает направление $\vec{B}$;
• чем гуще линии, тем сильнее магнитное поле;
• магнитная стрелка устанавливается вдоль касательной к линии;
• линии магнитной индукции всегда замкнуты.

У постоянного магнита вне магнита линии идут от северного полюса $N$ к южному полюсу $S$, а внутри магнита замыкаются от $S$ к $N$.

Полосовой магнит

У полосового магнита линии выходят из северного полюса и входят в южный. Около полюсов линии расположены гуще, поэтому поле там сильнее.

Картина линий показывает два важных свойства:

• вне магнита поле направлено от $N$ к $S$;
• линии не обрываются на полюсах, а замыкаются внутри магнита.

Если поставить рядом с полосовым магнитом маленькие магнитные стрелки или насыпать железные опилки, они выстроятся вдоль этих линий.

Подковообразный магнит

У подковообразного магнита полюса расположены близко друг к другу. Поэтому в зазоре между полюсами линии идут от $N$ к $S$ почти параллельно.

Внутри зазора поле обычно сильнее и более похоже на однородное, чем далеко снаружи магнита: линии там гуще и направлены почти одинаково.

Снаружи подковообразного магнита линии тоже замыкаются, поэтому полная картина остаётся замкнутой.

Не путать

• Магнитные линии вне магнита направлены от $N$ к $S$, но в целом они замкнуты.
• Северный полюс магнитной стрелки показывает направление $\vec{B}$ в данной точке.
• Нельзя рассматривать отдельный северный или отдельный южный магнитный полюс как самостоятельное тело.
• Принцип суперпозиции означает сложение векторов, а не просто сложение модулей.
• Поле постоянных магнитов - это тема этого пункта; поле проводников с током и катушек с током разбирается отдельно.

Коротко

Постоянный магнит создаёт магнитное поле. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции $\vec{B}$, направление которого совпадает с направлением северного конца маленькой магнитной стрелки. Поля складываются по принципу суперпозиции: $\vec{B}={\vec{B}}_1+{\vec{B}}_2+\dots$. Линии магнитной индукции показывают направление поля, их густота связана с силой поля, а сами линии всегда замкнуты.