Oddziaływanie magnesów. Pole magnetyczne

około 10 minut

W tej lekcji1/15

Połóż spinacz na stole i powoli zbliżaj do niego magnes. W pewnej chwili spinacz sam skacze do magnesu — a przecież nic go nie dotknęło! Między magnesem a spinaczem było tylko powietrze. Włóż między nie kartkę papieru: spinacz i tak skoczy. Coś niewidzialnego działa w tej pustej przestrzeni. Dziś to coś złapiemy i narysujemy.

Dwa bieguny i jedna reguła — szybkie przypomnienie

Zacznijmy od tego, co już wiesz o samych magnesach.

Każdy magnes ma dwa bieguny: północny $N$ i południowy $S$ . Oddziałują według jednej żelaznej reguły: bieguny jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają.

Różnica: bieguny chodzą parami

Brzmi znajomo? Tak samo działały ładunki elektryczne: dwa dodatnie się odpychają, dodatni z ujemnym przyciągają. Ta analogia jest wygodna — ale kryje się w niej jedna ważna różnica, o którą uwielbiają pytać na sprawdzianach.

Ładunek elektryczny da się mieć osobno: balon potarty o sweter ma sam ładunek ujemny i żaden dodatni mu do szczęścia nie jest potrzebny. Z biegunami magnesu ta sztuka się nie udaje. Nie istnieje kawałek magnesu, który miałby tylko biegun $N$ albo tylko biegun $S$ .

Przełamany magnes to dwa całe magnesy

Sprawdzono to bardzo dosłownie: przełam magnes sztabkowy na pół, a dostaniesz dwa mniejsze, kompletne magnesy — każdy ze swoim biegunem północnym i południowym. Możesz łamać dalej w nieskończoność i wynik będzie zawsze ten sam.

Zapamiętaj: ładunki chodzą pojedynczo, bieguny zawsze parami.

Pole magnetyczne, czyli obszar działania magnesu

Wróćmy do spinacza z początku lekcji. Magnes przyciągnął go bez dotykania — czyli działa na odległość. Obszar, w którym magnes potrafi tak zadziałać, fizycy nazwali polem magnetycznym.

Linie pola wychodzą z bieguna N i wchodzą do S

Pole przenika przez przeszkody

Pole ma jeszcze jedną ciekawą cechę: przenika przez przeszkody. Kartka papieru, szyba, plastikowa deska, a nawet woda wcale go nie zatrzymują.

Jak narysować coś, czego nie widać

Zostaje pytanie za sto punktów: jak narysować coś, czego nie widać? Fizycy używają do tego linii pola magnetycznego — umownych linii, które pokazują, jak pole jest ułożone w przestrzeni. Trzy zasady czytania takiego rysunku:

Bliżej magnesu linie są gęstsze — tam pole jest silniejsze

1. Na zewnątrz magnesu linie biegną od bieguna $N$ do bieguna $S$ .
2. Tam, gdzie linie są gęsto upakowane, pole jest silne; tam, gdzie rzadko — słabe.
3. Igła kompasu ustawia się w każdym miejscu wzdłuż linii pola — jak drogowskaz kierunku pola w tym punkcie.

Skąd wiadomo, że linie tak wyglądają? Z doświadczenia, które zaraz zrobimy.

Doświadczenie: opiłki żelaza rysują pole

1
Magnes pod kartką — na razie nic nie widać
Połóż magnes sztabkowy płasko na stole i przykryj go sztywną kartką papieru. Kartka ma leżeć poziomo, tuż nad magnesem — pole bez trudu przez nią przenika.
2
Posyp kartkę cienką, równą warstwą opiłków żelaza. Każdy opiłek to malutki podłużny kawałek ferromagnetyka — w polu magnetycznym zachowuje się jak miniaturowa igiełka kompasu.
3
Postukaj delikatnie palcem w brzeg kartki. Drgania na moment uwalniają opiłki, a pole obraca każdy z nich wzdłuż swojej linii. Na twoich oczach chaos zamienia się w rysunek: wyraźne łuki biegnące od jednego bieguna do drugiego.
4
Przyjrzyj się obrazkowi. Przy biegunach opiłki tłoczą się najgęściej — tam pole jest najsilniejsze. Im dalej od magnesu, tym łuki są rzadsze i bledsze — pole słabnie z odległością.
5
Opiłki ułożyły się wzdłuż linii pola
Na koniec połóż obok kartki mały kompas i przesuwaj go powoli wokół magnesu. Igła w każdym miejscu ustawia się dokładnie wzdłuż łuku, który narysowały opiłki. Opiłki i igła zgodnie pokazują to samo niewidzialne pole.
Wskazówka
To moje ulubione doświadczenie w całym dziale: sypiesz szare wiórki, a one rysują ci portret niewidzialnego pola.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Na dnie szklanego akwarium z wodą leży stalowy spinacz. Prowadzisz silny magnes po zewnętrznej ściance akwarium. Czy spinacz podąży za magnesem?

Pułapka! Pole jest także tam, gdzie nic nie widać

Doświadczenie z opiłkami jest tak sugestywne, że rodzi dwa uparte nieporozumienia.

Pułapka! Linie pola to rysunek, a nie nitki

Nieporozumienie drugie: linie pola to fizyczne nitki, a między nimi pola nie ma. Na rysunkach pola w podręcznikach widać kilka linii z przerwami między nimi — i łatwo pomyśleć, że pole biegnie tylko tymi torami, jak pociąg po szynach.

Dlaczego rysujemy tylko kilka linii

Gdybyśmy chcieli narysować linię przez każdy punkt, cała kartka byłaby czarna. Rysujemy więc tylko kilka linii, żeby obrazek dało się czytać: ich kierunek mówi, dokąd pole zwraca igiełkę, a ich zagęszczenie — jak silne jest pole w danej okolicy.

Czytamy mapę pola magnetycznego

1
Mapa pola z punktami A i B
Zadanie: wokół magnesu sztabkowego wybieramy dwa punkty. Punkt A leży tuż przy biegunie N, tam gdzie linie pola są gęsto upakowane. Punkt B leży daleko z boku, gdzie linie biegną rzadko. W którym punkcie na małą stalową kulkę zadziała większa siła?
Jak myślisz, ile wyjdzie?
2
Sięgamy po zasadę numer 2: gęstość linii mówi o sile pola. W punkcie A linie są gęste, więc pole jest tam silne. W punkcie B linie są rzadkie, więc pole jest słabe. Większa siła zadziała na kulkę w punkcie A.
3
Igła kompasu ustawia się wzdłuż linii pola
Dodatkowe pytanie: jak ustawi się igła kompasu umieszczona w punkcie B? Sięgamy po zasadę numer 3: igła ustawia się wzdłuż linii pola przechodzącej przez ten punkt. Wystarczy sprawdzić, którędy ta linia biegnie — igła ułoży się dokładnie wzdłuż niej, jak strzałka na drogowskazie.
4
I ostatnia rzecz, na którą warto zerknąć: strzałki na liniach. Na zewnątrz magnesu wskazują zawsze od bieguna N do bieguna S. Jeśli na sprawdzianie dostaniesz rysunek magnesu bez podpisanych biegunów, strzałki na liniach zdradzą ci, gdzie jest N — to ten koniec, z którego linie wychodzą.
Wskazówka
Trzy pytania do każdego rysunku pola: skąd dokąd biegną linie, gdzie są najgęściej i jak ustawiłaby się igła. Kto to umie, czyta pole jak mapę.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Na zewnątrz magnesu linie pola magnetycznego wychodzą z jednego bieguna i wchodzą do drugiego. Z którego bieguna wychodzą?

Magnes sztabkowy i jego linie pola

Ściąga do zapamiętania

Czym jest pole magnetyczne i jak czytać jego linie?

Pole magnetyczne to obszar wokół magnesu, w którym na inne magnesy i przedmioty z żelaza działa siła magnetyczna. Działa na odległość, przenika papier, szkło i wodę, i słabnie wraz z odległością.
• Linie pola biegną na zewnątrz magnesu od $N$ do $S$ . Tam, gdzie są gęstsze, pole jest silniejsze.
• Igła kompasu ustawia się wzdłuż linii pola — to najprostszy sposób, żeby je zbadać.
• Kształt linii ujawniają opiłki żelaza posypane na kartkę nad magnesem.
• Pułapka: linie to umowny rysunek, nie nitki. Pole istnieje w całej przestrzeni wokół magnesu, także między liniami i bez żadnych opiłków.
• Przypomnienie: bieguny $N$ i $S$ zawsze chodzą w parze — w odróżnieniu od ładunków elektrycznych nie da się ich rozdzielić.

Sprawdź się!

Co to jest pole magnetyczne?

Magnes prowadzony po zewnętrznej ściance akwarium przesuwa stalowy spinacz leżący na dnie, pod wodą. Co to doświadczenie pokazuje?

Czym bieguny magnetyczne różnią się od ładunków elektrycznych?

Linie pola magnetycznego w punkcie A są gęsto upakowane, a w punkcie B biegną rzadko. Co z tego wynika?

Dwa punkty mapy pola

Z kartki leżącej nad magnesem zdmuchnięto wszystkie opiłki żelaza. Co stało się z polem magnetycznym magnesu?

Pole magnesu — opiłki tylko je uwidaczniają

Następny temat

Właściwości magnetyczne substancji