§ 52. Магнитное поле проводников с током и постоянных магнитов. Магнитные линии

воображаемые непрерывные линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок или ориентируются цепочки намагниченных железных опилок:

• 1. Направление магнитной линии — направлением линии в данной точке поля принято считать направление, на которое указывает северный полюс ($N$) магнитной стрелки, помещённой в эту точку.
• 2. Густота линий (плотность) — характеризует силу (интенсивность) магнитного поля: там, где действие поля сильнее, линии на чертеже проводят гуще; там, где поле слабее — реже.

замкнутые концентрические окружности, лежащие в плоскостях, строго перпендикулярных проводнику, с центром на оси самого проводника:

• 1. Убывание поля — по мере удаления от проводника радиус окружностей увеличивается, а расстояние между соседними линиями растет, так как действие поля быстро ослабевает.
• 2. Обозначение направления тока на плоскости — кружок с точкой ($\odot$) обозначает ток, направленный к наблюдателю (перпендикулярно от плоскости листа), а кружок с крестиком ($\otimes$) — ток, направленный от наблюдателя (вглубь листа).

мнемоническое правило, связывающее направление электрического тока в прямом проводнике с направлением линий его магнитного поля:

• Если направление поступательного движения буравчика (винта с правой резьбой) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика указывает направление магнитных линий поля этого тока.
• 1. Обратимость правила — зная направление магнитных линий, по направлению вращения рукоятки буравчика можно безошибочно определить направление электрического тока в проводнике.

фундаментальное топологическое свойство магнитного поля: магнитные линии всегда непрерывны и замкнуты сами на себя, они нигде не начинаются и нигде не обрываются (в отличие от электростатических линий, берущих начало на положительных зарядах и оканчивающихся на отрицательных):

• 1. Линии постоянного магнита — вне магнита линии выходят из северного полюса ($N$) и входят в южный полюс ($S$), а внутри тела магнита продолжаются от южного полюса к северному, замыкаясь в неразрывные петли.

Железные опилки в магнитном поле намагничиваются через явление магнитной индукции. Каждая микроскопическая продолговатая крупинка железа мгновенно превращается в крошечную магнитную стрелку с собственными северным и южным полюсами.

Под действием сил магнитного поля эти микрострелки поворачиваются своими осями вдоль направлений магнитных сил поля и, притягиваясь разноимёнными полюсами друг к другу, выстраиваются в непрерывные осязаемые цепочки. В результате на поверхности картона или стекла формируется наглядный визуальный «спектр» (картина распределения) магнитных линий поля.

Железные опилки вокруг прямого вертикального проводника с током располагаются по концентрическим окружностям разного радиуса с единым центром на оси проводника.

Эти окружности лежат в плоскости листа картона, строго перпендикулярной прямолинейному проводнику. Вблизи проводника опилки притягиваются плотнее и образуют густые кольца (сильное поле), а по мере удаления от провода кольца становятся более разреженными (поле слабеет).

Магнитной линией (линией магнитного поля) называют воображаемую линию, проведённую в пространстве так, что касательная к ней в каждой точке совпадает с направлением оси маленькой магнитной стрелки, помещённой в эту точку поля.

За направление магнитной линии принимают направление, на которое указывает северный полюс ($N$) свободно ориентирующейся магнитной стрелки.

Описание опыта (по рис. 123 учебника):

• Вокруг вертикального проводника с током на равном расстоянии по кругу размещают несколько магнитных стрелок на подставках.
• При замыкании цепи стрелки мгновенно поворачиваются и выстраиваются по касательным к окружности в одном направлении (например, по часовой стрелке).
• Если переключить полярность источника питания и пустить ток в противоположном направлении, все магнитные стрелки синхронно разворачиваются ровно на $180^\circ$ и ориентируются против часовой стрелки.
• Вывод: направление линий магнитного поля проводника жестко и однозначно связано с направлением протекающего по нему электрического тока.

Правило буравчика (правило правого винта):

Если направление поступательного движения буравчика (или правого винта) совпадает с направлением электрического тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля, создаваемого этим током.

Представление о форме и топологии магнитного поля постоянного магнита можно получить экспериментальным методом с помощью железных опилок и магнитных стрелок:

• На полосовой или дугообразный магнит кладут пластину из оргстекла или гладкий лист белого картона и равномерно посыпают тонким слоем железных опилок.
• При легком постукивании по пластине опилки приходят в движение и ориентируются вдоль магнитных линий, образуя четкую дугообразную картину (магнитный спектр).
• Поместив в различные точки этого спектра миниатюрные магнитные стрелки, определяют направление линий: вне магнита стрелки показывают, что линии выходят из северного полюса ($N$) магнита и по плавным дугам входят в его южный полюс ($S$), замыкаясь внутри тела магнита.