Магнитное поле и электромагнит

Магнит отклоняет компас. Но то же делает обычный провод, когда через него идёт ток. Что общего у этих действий и как из провода сделать магнит, которым можно управлять?

У полосового магнита сильнее заметны два конца — северный N и южный S полюса. Одинаковые полюса отталкиваются, разные притягиваются. Попробуй предсказать результат разрезания: отдельные N и S не получатся. Каждый кусок обычного магнита снова имеет оба полюса. Это отличие от простого разделения электрических зарядов: магнитную модель нельзя построить как два независимо отломленных «магнитных заряда».

Маленькая магнитная стрелка поворачивается около магнита. Направление, в котором устанавливается её северный конец, принимают за направление магнитного поля в этой точке. Соединяя такие направления, строят линии поля: снаружи полосового магнита они идут от N к S и продолжаются внутри от S к N. Они не обрываются на полюсах. Это изображение действия, а не настоящие нити в пространстве; в выбранной точке направление поля одно.

Поставим компас около прямого провода и включим ток. Стрелка отклонится; изменим направление тока — изменится и магнитное действие. Для длинного прямого провода линии поля охватывают его окружностями. Направление определяет правая рука: большой палец направлен по условному току, согнутые пальцы — по полю. Использовать движение электронов вместо условного тока здесь нельзя, иначе ответ перевернётся.

Если провод проходит сквозь лист, стрелку вдоль него трудно изобразить обычной линией. Точка в кружке означает направление к нам: виден наконечник условной стрелы. Крестик означает от нас: виден хвост. Направь большой палец правой руки к себе — согнутые пальцы покажут поле против часовой стрелки для тока к наблюдателю. При токе от нас направление станет по часовой стрелке. Сначала выбери, с какой стороны смотришь.

Свернём провод в катушку. Каждый виток создаёт поле, а внутри катушки действия витков направлены сходным образом и складываются. Поэтому там получается заметное общее поле, преимущественно вдоль оси длинной катушки. Снаружи рисунок напоминает поле полосового магнита с двумя полюсами. Усиление относится к выбранной области при сопоставимых токе и размерах; утверждать, что в каждой внешней точке поле обязательно больше, нельзя.

Катушка с током, часто снабжённая железным сердечником, называется электромагнитом. Сердечник сам намагничивается и усиливает результирующее поле. Ток I измеряют в амперах; при прежней геометрии увеличение I обычно усиливает действие. Но сердечник не может усиливать поле безгранично в одной пропорции: его свойства имеют предел. Практическая ценность электромагнита в том, что действие можно менять электрической цепью.

Увеличим число витков в катушке прежних размеров, сохранив ток: вклады большего числа витков обычно усилят поле. При этом сохранить ток действительно важно — более длинная обмотка имеет другое сопротивление. Если обратить ток, полюса поменяются местами. Если отключить его, основное поле тока исчезнет, хотя сердечник может сохранить остаточную намагниченность. Поэтому «выключаемый магнит» в реальности не всегда становится совершенно немагнитным.

Катушка отклоняет стрелку компаса. Что изменится, если поменять выводы источника местами, сохранив модуль тока?

Перестановка выводов источника обращает условный ток во всех витках катушки. По правилу направления поля его вклад тоже обращается.

У катушки северный и южный полюса меняются местами. Это вывод именно о поле катушки; компас ориентируется по суммарному полю катушки, Земли и окружающих предметов.

При прежних модуле тока и условиях величина основного поля катушки примерно сохраняется. Поэтому смена полюсов не означает обязательного поворота компаса ровно на 180°.

Полюса катушки поменяются местами. Новое направление стрелки компаса зависит от суммы поля катушки и внешних полей.

Магнитная стрелка показывает направление поля; у обычного разрезанного магнита остаются оба полюса.

Поле прямого тока охватывает провод, а его направление связано с условным током правилом правой руки.

В катушке складываются поля витков; управление током меняет силу действия и полярность электромагнита.

Поле может действовать силой на провод с током. Дальше превратим это действие во вращение двигателя.