Страница 47 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Дайте определение понятия линий магнитной индукции.

Дайте определение понятия линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции (также называемые силовыми линиями магнитного поля) — это воображаемые линии, используемые для наглядного графического представления магнитного поля. Они определяются совокупностью следующих свойств:

Касательная, проведенная к линии магнитной индукции в любой точке, по направлению совпадает с вектором магнитной индукции $\vec{B}$ в этой точке. Условное направление линий показывает, как ориентировался бы северный полюс небольшой магнитной стрелки, помещенной в поле. Вне источника поля (например, постоянного магнита) линии направлены от северного полюса (N) к южному (S).

Густота линий (их количество на единицу площади перпендикулярной им поверхности) характеризует модуль вектора магнитной индукции. В тех областях пространства, где линии расположены гуще, магнитное поле сильнее, а где реже — слабее.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Они не имеют ни начала, ни конца. Это свойство отражает вихревой характер магнитного поля и является следствием отсутствия в природе магнитных зарядов (монополей). Внутри магнита линии продолжаются от южного полюса к северному, образуя замкнутый контур.

Линии магнитной индукции никогда не пересекаются друг с другом, поскольку в любой точке пространства вектор магнитной индукции имеет только одно определенное направление.

Ответ: Линии магнитной индукции — это воображаемые замкнутые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции $\vec{B}$, а их густота пропорциональна модулю этого вектора.

2. В чём состоит характерная особенность линий магнитной индукции?

Решение

Линии магнитной индукции (также называемые силовыми линиями магнитного поля) — это воображаемые линии, введённые для наглядного графического представления магнитного поля. Они обладают несколькими свойствами, но одна из них является ключевой и определяющей.

Характерная особенность линий магнитной индукции заключается в том, что они всегда замкнуты. У них нет ни начала, ни конца. Это означает, что любая линия, выходящая из одной области пространства, обязательно вернётся в неё, образуя замкнутый контур.

Это свойство фундаментально отличает магнитное поле от электростатического поля, силовые линии которого начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (или уходят в бесконечность). Причиной такого различия является отсутствие в природе магнитных зарядов (так называемых магнитных монополей), которые могли бы служить "источниками" или "стоками" магнитного поля, аналогично электрическим зарядам.

Например, у постоянного магнита линии магнитной индукции выходят из северного полюса (N), огибают магнит и входят в южный полюс (S), а затем продолжаются внутри магнита от южного полюса к северному, замыкаясь.

Это свойство математически описывается теоремой Гаусса для магнитного поля, которая является одним из уравнений Максвелла. В интегральной форме она гласит, что поток вектора магнитной индукции $ \vec{B} $ через любую замкнутую поверхность $S$ равен нулю:

$$ \oint_S \vec{B} \cdot d\vec{S} = 0 $$

В дифференциальной форме это же утверждение записывается как равенство нулю дивергенции магнитного поля:

$$ \nabla \cdot \vec{B} = 0 $$

Это математическое выражение того факта, что у магнитного поля нет источников. Такие поля называются соленоидальными (или вихревыми).

Ответ: Характерная особенность линий магнитной индукции заключается в их замкнутости. Они не имеют начала и конца, в отличие от линий напряжённости электростатического поля, что является следствием отсутствия в природе магнитных зарядов (монополей).

3. Почему линии индукции магнитного поля, создаваемого катушкой с током, имеют практически такую же конфигурацию, как и линии индукции магнитного поля полосового постоянного магнита?

Сходство конфигураций магнитных полей катушки с током (соленоида) и полосового постоянного магнита объясняется единой природой магнетизма. В обоих случаях источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды, то есть электрические токи.

В катушке с током по ее виткам протекает макроскопический электрический ток. Каждый виток является источником магнитного поля, и согласно принципу суперпозиции, эти поля векторно складываются. В результате формируется общее магнитное поле, которое внутри длинной катушки является практически однородным, а снаружи имеет такую же структуру, как поле магнитного диполя. У катушки появляются два полюса – северный и южный, между которыми во внешнем пространстве располагаются линии магнитной индукции.

В постоянном магните, согласно гипотезе Ампера, источником магнетизма являются микроскопические круговые токи внутри атомов. Эти токи обусловлены движением электронов по орбитам и их собственным вращением (спином). В намагниченном веществе (ферромагнетике) эти микротоки ориентированы согласованно, в одном направлении. Их суммарное действие создает макроскопическое магнитное поле. Совокупность этих упорядоченных микротоков эквивалентна макроскопическому току, который как бы течет по поверхности магнита.

Таким образом, и в катушке, и в постоянном магните источником поля является, по сути, система круговых токов. Поскольку характер источников поля оказывается практически одинаковым, то и создаваемые ими магнитные поля имеют очень похожую конфигурацию.

Ответ: Линии индукции магнитного поля катушки с током и полосового магнита имеют практически одинаковую конфигурацию, потому что в обоих случаях источником поля являются электрические токи. В катушке это макроскопический ток, текущий по проводам, а в постоянном магните — это совокупность упорядоченных микроскопических атомных токов, действие которых эквивалентно току, протекающему по поверхности магнита.

4. Какой полюс магнита называют северным; южным?

Названия полюсов постоянного магнита исторически связаны с их поведением в магнитном поле Земли. Если предоставить магниту возможность свободно вращаться, например, подвесив его на нити или установив на острие (как стрелку компаса), он всегда будет ориентироваться определенным образом относительно сторон света.

Северный полюс магнита

Северным полюсом магнита (обозначается буквой N, от английского North) называется тот его конец, который всегда поворачивается и указывает в направлении географического Северного полюса Земли. Из-за этого свойства его также называют «северо-ищущим» полюсом. Традиционно на схемах и на самих магнитах этот полюс окрашивают в красный цвет.

Интересный факт: так как в физике разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются, то с физической точки зрения вблизи географического Северного полюса Земли на самом деле находится южный магнитный полюс планеты.

Ответ: Северным полюсом магнита называют тот полюс, который при свободном вращении указывает на географический Северный полюс Земли.

Южный полюс магнита

Южным полюсом магнита (обозначается буквой S, от английского South) называется тот его конец, который, соответственно, поворачивается и указывает в направлении географического Южного полюса Земли. Этот полюс называют «юго-ищущим». Традиционно его окрашивают в синий цвет.

Аналогично северному, вблизи географического Южного полюса Земли расположен северный магнитный полюс нашей планеты, к которому и притягивается южный полюс любого магнита.

Ответ: Южным полюсом магнита называют тот полюс, который при свободном вращении указывает на географический Южный полюс Земли.

5. Чем, согласно гипотезе Ампера, вызван земной магнетизм?

Согласно гипотезе, выдвинутой французским физиком Андре-Мари Ампером в начале XIX века, природа любого магнетизма, в том числе и земного, связана с электрическими токами. Ампер предположил, что внутри нашей планеты существуют гигантские замкнутые (кольцевые) электрические токи, которые текут преимущественно в направлении с востока на запад, параллельно земному экватору.

Эти макроскопические токи создают вокруг себя магнитное поле, которое и является геомагнитным полем Земли. Таким образом, в рамках этой гипотезы, Земля уподобляется огромному соленоиду или электромагниту. Эта идея была фундаментальным шагом в понимании связи между электричеством и магнетизмом.

Важно отметить, что хотя гипотеза Ампера была гениальной для своего времени и её основной принцип (магнетизм порождается токами) является верным, современная научная модель (теория гидромагнитного динамо) значительно её уточняет. Сегодня считается, что эти токи генерируются в жидком металлическом внешнем ядре Земли благодаря сложным процессам, включающим конвекцию и вращение планеты. Однако сама идея о токовой природе земного магнетизма принадлежит именно Амперу.

Ответ: Согласно гипотезе Ампера, земной магнетизм вызван существованием гигантских кольцевых электрических токов, текущих внутри Земли с востока на запад.