В пункте 3.3.1 магнитное поле рассматривалось на примере постоянных магнитов. Следующий важный шаг: магнитное поле создают не только магниты, но и электрический ток.
Опыт Эрстеда - опыт, в котором обнаружили, что проводник с током действует на магнитную стрелку.
Если рядом с прямым проводником поставить магнитную стрелку и замкнуть цепь, стрелка отклонится. Это означает, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле.
Главный вывод опыта Эрстеда:
электрический ток создаёт магнитное поле.
Именно поэтому разделы про электрический ток и магнитное поле в электродинамике связаны: движущиеся заряды создают магнитное поле, а магнитное поле затем может действовать на проводники с током и движущиеся заряды.
Поле проводника с током
Проводник с током создаёт вокруг себя магнитное поле. Как выглядит поле, зависит от формы проводника:
- у длинного прямого проводника линии идут вокруг провода окружностями;
- у кольцевого проводника поле похоже на поле маленькой катушки;
- у длинной катушки с током внутри получается почти однородное поле.
В каждой точке направление вектора по-прежнему совпадает с касательной к линии магнитной индукции.
Правило буравчика
Для поля проводников с током направление линий определяют правилом буравчика.
Правило буравчика для прямого проводника: если поступательное движение буравчика направить по току, то направление вращения ручки покажет направление линий магнитной индукции.
То же правило часто формулируют через правую руку: большой палец правой руки направлен по току, а согнутые пальцы показывают направление обхода линий вокруг проводника.
Важно
Для прямого проводника линии не идут вдоль провода. Они охватывают проводник кольцами в плоскостях, перпендикулярных проводнику.
Длинный прямой проводник
У длинного прямого проводника с током линии магнитной индукции - концентрические окружности вокруг проводника.
Свойства картины:
- центры окружностей лежат на проводнике;
- плоскости окружностей перпендикулярны проводнику;
- направление обхода окружностей задаётся правилом буравчика;
- чем дальше от проводника, тем слабее поле.
Если ток направлен на нас, линии обходят проводник против часовой стрелки. Если ток направлен от нас, направление обхода меняется на противоположное.
Для школьной картины поля главное - форма линий и правило направления. Если нужна оценка модуля поля длинного прямого проводника в однородной среде, используют зависимость:
То есть поле сильнее при большем токе и слабее на большем расстоянии от проводника.
Кольцевой проводник с током
Кольцевой проводник, или виток с током, тоже создаёт магнитное поле. В центре витка поле направлено вдоль оси, перпендикулярной плоскости витка.
Направление поля витка удобно находить тем же правилом буравчика:
- вращаем буравчик по направлению тока в витке;
- поступательное движение буравчика показывает направление внутри витка.
Если смотреть на виток так, что ток идёт против часовой стрелки, то поле внутри витка направлено к наблюдателю. Если ток идёт по часовой стрелке, поле направлено от наблюдателя.
Картина линий у витка уже не является набором простых окружностей вокруг одного прямого провода: линии проходят через область внутри кольца и замыкаются снаружи.
Катушка с током
Катушка с током, или соленоид, - это много витков провода, расположенных один за другим.
Поля отдельных витков складываются. Поэтому у длинной катушки с током поле становится особенно простым:
- внутри катушки вдали от краёв линии почти параллельны;
- внутри длинной катушки поле почти однородно;
- снаружи поле похоже на поле полосового магнита;
- у катушки можно выделить северный и южный магнитные полюса.
Конец катушки, из которого выходят линии магнитной индукции, ведёт себя как северный полюс . Конец, в который линии входят, ведёт себя как южный полюс .
Для катушки правило буравчика применяют так: если вращать ручку буравчика по направлению тока в витках, то поступательное движение буравчика покажет направление поля внутри катушки.
Не путать
- Опыт Эрстеда показывает создание магнитного поля током, а не действие магнитного поля на проводник. Действие поля на проводник - это уже сила Ампера.
- У прямого проводника линии магнитной индукции - окружности вокруг провода, а не лучи от провода.
- Направление тока и направление линий не совпадают: они связаны правилом буравчика.
- У витка и катушки правило буравчика применяют иначе по форме, чем у прямого провода: вращение связывают с током в витках, а поступательное движение - с направлением поля внутри.
- Катушка с током похожа на постоянный магнит по внешней картине поля, но источник поля у неё другой: электрический ток в витках.
Коротко
Опыт Эрстеда показал, что электрический ток создаёт магнитное поле. У длинного прямого проводника линии магнитной индукции являются концентрическими окружностями вокруг провода; направление задаётся правилом буравчика. У кольцевого проводника поле направлено вдоль оси витка в его центре. У длинной катушки с током внутри возникает почти однородное магнитное поле, а снаружи оно похоже на поле полосового магнита.