Номер 20.50, страница 103 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 20. Магнитные взаимодействия. Магнитное поле - номер 20.50, страница 103.

Условие.

20.50. В книге Дж.Свифта «Путешествие Лемюэля Гулливера» написано: «Но главной достопримечательностью, от которой зависит судьба Лапуты, является огромный магнит, по форме напоминающий ткацкий станок... При помощи этого магнита остров может подниматься, опускаться и передвигаться с одного места на другое, ибо по отношению к подвластной монарху части земной поверхности магнит обладает с одного конца притягательной силой, а с другого — отталкивающей».

А что знаете вы о магнитном поле, его природе и характеристиках?

Решение.

В отличие от фантастического описания в книге Дж. Свифта, современная физика дает строгое научное объяснение магнитному полю, его природе и характеристикам.

Природа магнитного поля

Магнитное поле — это особая форма материи, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Оно является одной из составляющих единого электромагнитного поля.

• Источники поля: Основным источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (электрический ток). Согласно теории близкодействия, любой проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. В постоянных магнитах поле создается согласованным движением электронов в атомах (орбитальные и спиновые магнитные моменты). Эти микроскопические токи, ориентированные в одном направлении в доменах ферромагнетика, создают макроскопическое магнитное поле.

• Связь с электрическим полем: Магнитное и электрическое поля неразрывно связаны. Это две стороны единого электромагнитного поля. Изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле (явление электромагнитной индукции), а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. Эти взаимосвязи описываются системой уравнений Максвелла.

Характеристики магнитного поля

Для количественного описания магнитного поля используются следующие основные характеристики:

• Вектор магнитной индукции ($\vec{B}$): Это основная силовая характеристика магнитного поля. Она определяет силу, с которой поле действует на движущийся заряд. Эта сила называется силой Лоренца и вычисляется по формуле: $F_Л = |q|vB\sin\alpha$, где $\text{q}$ — заряд, $\text{v}$ — его скорость, а $\alpha$ — угол между векторами скорости $\vec{v}$ и магнитной индукции $\vec{B}$. В векторной форме: $\vec{F}_Л = q[\vec{v} \times \vec{B}]$. Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тесла (Тл).

• Линии магнитной индукции: Это воображаемые линии, используемые для наглядного представления магнитного поля. Они обладают следующими свойствами:

  • Касательная к линии в любой точке совпадает по направлению с вектором $\vec{B}$ в этой точке.

  • Они всегда замкнуты, то есть не имеют ни начала, ни конца. Это отражает фундаментальный факт отсутствия в природе магнитных зарядов (монополей). Математически это выражается как $\oint_S \vec{B} \cdot d\vec{S} = 0$.

  • Густота линий характеризует величину поля: где линии гуще, там поле сильнее.

  • По соглашению, вне магнита линии выходят из северного полюса (N) и входят в южный (S).

• Магнитный поток ($\Phi$): Это скалярная величина, характеризующая «количество» линий магнитной индукции, пронизывающих некоторую поверхность $\text{S}$. Для однородного поля, перпендикулярного поверхности, он равен $\Phi = B \cdot S$. В общем случае вычисляется как интеграл: $\Phi = \int_S \vec{B} \cdot d\vec{S}$. Единица измерения в СИ — Вебер (Вб).

• Принцип суперпозиции: Если магнитное поле создается несколькими источниками, то результирующий вектор магнитной индукции в любой точке пространства равен векторной сумме векторов индукции, создаваемых каждым источником в отдельности: $\vec{B} = \vec{B_1} + \vec{B_2} + ... + \vec{B_n}$.

Таким образом, идея Свифта об острове, который может подниматься и опускаться с помощью магнита, нереализуема в описанном виде. Магнитное поле Земли слишком слабо и неоднородно, чтобы поднять огромный остров, и оно не имеет отдельных "притягивающих" и "отталкивающих" концов по отношению к земной поверхности. Магнит может притягивать или отталкивать другой магнит или притягивать ферромагнитные материалы, но не может просто "отталкиваться" от немагнитной земной коры.

Ответ: Магнитное поле — это силовое поле, порождаемое движущимися электрическими зарядами (токами). Его природа неразрывно связана с электрическим полем, с которым оно образует единое электромагнитное поле. Основными характеристиками магнитного поля являются вектор магнитной индукции $\vec{B}$, определяющий силовое действие поля (силу Лоренца), и магнитный поток $\Phi$. Магнитное поле графически изображается с помощью замкнутых линий магнитной индукции и для него справедлив принцип суперпозиции.