Warto przeczytać

Spójrzmy na obraz, jaki dają nam opiłki rozrzucone w pobliżu magnesu. Już wiemy, że rozkładają się one wzdłuż linii pola. Możemy nawet naszkicować takie linie pola, co uczyniono na Rys. 1.

R15JvASkHGTAw
Rys. 1. Linie pola magnetycznego wytworzonego przez magnes sztabkowy.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Możemy zauważyć, że zagęszczenie linii, a więc wartość indukcji na zewnątrz magnesu jest największa w pobliżu biegunów magnesu. W tych miejscach powstają nawet na kartce „białe plamy”, bo magnes nie tylko obraca opiłki, ale silnie je przyciąga -”wysysa” z otoczenia. Zauważ, że bieguny magnesu są wręcz najeżone opiłkami.

Na rysunku zaznaczono symbolicznie wektory indukcji B. Widzimy, że linie pola wychodzą z bieguna N (północnego) magnesu, a wchodzą do bieguna S (południowego). Jest to oczywiście pewna umowa. Zwykle też biegun północny magnesu N jest oznaczony kolorem niebieskim, a biegun południowy czerwonym (w krajach anglosaskich kolorowanie jest odwrotne).

Dlaczego biegun, z którego wychodzą linie pola, nazywa się północnym? Igiełka magnetyczna, czyli mały zawieszony na podstawce (Rys. 2) magnesik, będzie odwracał się właśnie tym biegunem w kierunku geograficznym północnym. Tak działa kompas.

RxNxfG9H1U9Tw
Rys. 2. Igła magnetyczna.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Biegun północny igiełki magnetycznej zawsze pokazuje zwrot linii pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego. Wektor momentu magnetycznego igiełki skierowany jest od S do N wewnątrz magnesu. W polu magnetycznym o indukcji B na ten moment magnetyczny działa moment siły, obracający igiełkę do położenia równowagi, w którym wektory B są zgodnie skierowane. Sytuację pokazano na Rys. 3a i 3b.

ROXQLOX8JTIjN
Rys. 3. Zachowanie igły magnetycznej w polu magnetycznym.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Linie ziemskiego pola magnetycznegoziemskie pole magnetyczneziemskiego pola magnetycznego skierowane są od bieguna geograficznego południowego do północnego, bowiem północny biegun magnetyczny Ziemi znajduje się na południu. Stąd igła kompasu pokazując kierunek zgodny z liniami pola ustawia się biegunem N w stronę północy.

Metoda wizualizacji pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego za pomocą opiłków działa bardzo dobrze. Możemy oglądać pola magnetyczne wytworzone nie tylko przez różnego rodzaju magnesy, ale też przez przewodniki o różnych kształtach, w których płynie prąd. Spójrzmy na Rys. 4a i 4b. Przedstawiają one układ opiłków w płaszczyznach prostopadłych do prostoliniowego przewodnika z prądem (Rys. 4a) i wielokrotnej pętli z prądem (Rys. 4b).

R1EvSp2CAlr5g
Rys. 4a. Linie pola magnetycznego wytwarzanego przez przewodnik z prądem (jego oś wychodzi przed ekran).
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.
RXLkgtsjLi4ek
Rys. 4b. Linie pola mengetycznego wytwarzanego przez pętlę z prądem.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, dostępny w internecie: https://i.ytimg.com/vi/V-M07N4a6-Y/maxresdefault.jpg [dostęp 14.07.2022], licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Zauważamy, że gdy źródłem pola jest prostoliniowy przewodnik, to linie pola w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika tworzą współśrodkowe okręgi. W przypadku pętli z prądem tak nie jest – nie są to okręgi, ale z pewnością są to linie zamknięte. Czasem tylko nie mieszczące się na kartce.

Czy w przypadku magnesu sztabkowego linie pola również są zamknięte? Wróćmy do Rys. 1. Wydaje się, że linie zaczynają się na biegunie N a kończą na biegunie S. Tak nie jest! Zawodzi tu nasza „opiłkowa”metoda wizualizacji linii pola. Nie pokazuje ona tego,co się dzieje wewnątrz magnesu. Możemy spróbować do niego zajrzeć, np. przepiłowując magnes na pół i, po rozsunięciu dwóch połówek, znowu rozsypać opiłki. Zobaczymy wtedy obraz pokazany na Rys. 5.

RLK6t7O7P8E2a
Rys. 5.
Źródło: dostępny w internecie: https://etc.usf.edu/clipart/20100/20143/magpoles_20143_md.gif [dostęp 15.07.2022].

Widzimy, że w obszarze pomiędzy „oddzielonymi” biegunami magnesu przebiegają linie pola magnetycznego. Wygląda na to, że wewnątrz magnesu również jest pole.

Dokładne badania pokazują, że linie pola magnetycznego wewnątrz magnesu i wokół niego mają kształt przedstawiony na Rys. 6.

R1QbcGlf46QX4
Rys.6. Linie pola magnetycznego w pobliżu i w wewnątrz magnesu.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Uczeni przyjrzeli się dokładnie liniom pola magnetycznego pochodzącego od różnych źródeł. Dostrzegli charakterystyczną cechę tych linii. Przekonali się, że niezależnie od źródła pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego linie pola magnetycznego są zamknięte. Nigdzie nie zaczynają się i nigdzie nie kończą.

Jest to prawo fizyczne, które w innej formie zostało ujęte w prawie Gaussa dla pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego. Zobacz e‑materiał „Prawo Gaussa dla pola magnetycznego”.

Słowniczek

pole magnetyczne
pole magnetyczne

(ang.: magnetic field) stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły, zwanej siłą magnetyczną (Lorentza) na poruszający się ładunek umieszczony w tej przestrzeni bądź na obiekt obdarzony momentem magnetycznym; wielkością charakteryzująca pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej B;

magnes trwały
magnes trwały

(ang.: magnet) z tzw. materiału ferromagnetycznego twardego i wytwarza w otaczającej go przestrzeni stałe pole magnetyczne. Do opisu właściwości magnesu używa się umownie pojęcia biegunów magnetycznych - północnego N i południowego S. Ważną wielkością charakteryzującą magnes jest moment magnetyczny;

RNrJLlGnXl2Qs
Pole magnetyczne zwizualizowane za pomocą żelaznych opiłków.
Źródło: Maciej J. Mrowinski, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Magnetic_field_bar_magnet_(top).jpg [dostęp 5.12.2022], licencja: CC BY-SA 4.0.
nadprzewodnik
nadprzewodnik

(ang.: superconductor) materiał, charakteryzujący się zerową rezystancją (wartością oporu elektrycznego) poniżej pewnej temperatury, nazywanej temperaturą krytyczną.

ziemskie pole magnetyczne
ziemskie pole magnetyczne

(ang.: Earth’s magnetic field) - pole magnetyczne występujące naturalnie wewnątrz i wokół Ziemi. Odpowiada ono w przybliżeniu polu dipola magnetycznego z jednym biegunem geomagnetycznym w pobliżu geograficznego bieguna północnego i z drugim biegunem geomagnetycznym w pobliżu bieguna południowego. Linia łącząca bieguny geomagnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt 9,98°.

RloWDNOpRWO8j
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.