Jeśli wokół magnesu sztabkowego rozsypiemy żelazne opiłki, to ułożą się one tworząc charakterystyczny wzór (Rys. a.). Pod wpływem pola magnetycznego wytworzonego przez magnes opiłki ulegają namagnesowaniu – same stają się małymi magnesami i ustawiają się wzdłuż linii pola magnetycznego. Dostajemy w ten sposób - doświadczalnie - wizualizację pola magnetycznego.
RZTB1XR1UjRBW
Rys. a. Ilustracja przedstawia negatyw zdjęcia, na którym zaprezentowano sposób układania się opiłków żelaza zanurzonych w cieczy wokół magnesu sztabkowego. W centralnej części ilustracji widoczny jest magnes sztabkowy w postaci szarego poziomego prostokąta. Opiłki żelaza widoczne w postaci ciemnych drobinek układają się wokół magnesu, tworząc linie odpowiadające liniom pola magnetycznego. Biegną one pomiędzy pionowymi krawędziami magnesu tworząc owalne krzywe zamknięte. Krzywe te biegną dookoła dłuższych, poziomych krawędzi magnesu sztabkowego. Największa koncentracja opiłków żelaza obserwowana jest w pobliżu prawej i lewej krawędzi magnesu.
Rys. a. Opiłki żelazne rozsypane wokół magnesu sztabkowego
W tym obrazie widzimy symetrię, która przypomina symetrię pola elektrycznego pochodzącego od dwóch przeciwnych ładunków, tj. od dipola elektrycznego. Wydaje się, że istnieją pewne analogie między polem elektrycznym i magnetycznym. Jeśli spojrzymy na dipol elektryczny (Rys. b.) z charakterystycznym układem linii pola i porównamy je do linii pola magnesu sztabkowego (Rys. c.), to zobaczymy podobieństwo. Dlatego magnes nazywamy dipolem magnetycznym.
RAR8jRtTLlATx
Rys. b. Na rysunku przedstawiono linie pola elektrycznego w pobliżu dwóch przeciwnych ładunków elektrycznych. Ładunki widoczne są w postaci dwóch kółek, czerwonego ze znakiem plus po lewej i niebieskiego ze znakiem minus po prawej stronie, ułożonych na tej samej wysokości. Pomiędzy ładunkami widoczne są linie pola elektrycznego narysowane czarną kreską. Jedna z linii biegnie dokładnie przez środki obu ładunków. Pozostałe linie pomiędzy ładunkami tworzą łuki wygięte w górę lub w dół i łączące oba ładunki. Linie pola elektrycznego mają różny stopień wypukłości. Kilka z widocznych linii biegnie na zewnątrz obszaru pomiędzy ładunkami. Tworzą one rozbieżne krzywe. Linie pola elektrycznego są skierowane od ładunku dodatniego ku ładunkowi ujemnemu. Zaznaczają to strzałki widoczne na liniach.
Rys. b. Linie pola elektrycznego w pobliżu dwóch przeciwnych ładunków
Linie pola wychodzą z pewnego miejsca dipola (ładunek dodatni, biegun N) i schodzą się w drugim miejscu (ładunek ujemny, biegun S).
R15txR1iZ0AMM
Rys. c. Rysunek przedstawia linie pola magnetycznego w pobliżu magnesu sztabkowego. Magnes sztabkowy przedstawiony jest w postaci poziomego prostokąta, którego lewa część jest czerwona i opisana jako biegun wielka litera S, a prawa strona jest niebieska i opisana jako biegun wielka litera N. Linie sił pola magnetycznego narysowano czarną kreską. Biegną na zewnątrz magnesu sztabkowego od bieguna wielka litera N do bieguna wielka litera S. Tworzą krzywe obiegające magnes z góry i z dołu. Część krótszych krzywych obrazujących linie pola magnetycznego jest zamknięta. Te, które tworzą krzywe obiegające magnes po większych łukach są rozbieżne przy wierzchołkach. Jedna z linii pola magnetycznego jest pozioma i pokrywa się z osią symetrii magnesu widocznego w postaci poziomego prostokąta. Wszystkie linie pola magnetycznego biegną poza obrębem magnesu.
Rys. c. Linie pola magnetycznego na zewnątrz magnesu sztabkowego
Jest to jednak podobieństwo pozorne: wewnątrz magnesu linie pola przebiegają od bieguna S do bieguna N (Rys. d.), inaczej niż w przypadku pola elektrycznego – tam linie pola przebiegają od ładunku dodatniego do ujemnego.
R7p54MsLyqXhP
Rys. d. Rysunek przedstawia linie pola magnetycznego w pobliżu magnesu sztabkowego. Magnes sztabkowy przedstawiony jest w postaci poziomego, szarego prostokąta. Linie sił pola magnetycznego narysowano czarną kreską. Biegną zarówno na zewnątrz magnesu sztabkowego jak i widoczne są w jego środku. Obok lewej krawędzi magnesu widoczny jest symbol bieguna wielka litera S. Obok prawej krawędzi magnesu widoczny jest symbol bieguna wielka litera N. Linie pola magnetycznego biegną od bieguna wielka litera N do bieguna wielka litera S. Tworzą krzywe obiegające magnes z góry i z dołu i są domknięte wewnątrz magnesu. Część krótszych krzywych obrazujących linie pola magnetycznego jest zamknięta. Te, które tworzą krzywe obiegające magnes po większych łukach są rozbieżne przy wierzchołkach. Jedna z linii pola magnetycznego jest pozioma i pokrywa się z osią symetrii magnesu widocznego w postaci poziomego prostokąta.
Rys. d. Sytuacja z Rys. c. z "ujawnionym" przebiegiem linii pola indukcji magnetycznej w środku namagnesowanej sztabki
Więcej o liniach pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes przeczytasz w e‑materiale „Badamy doświadczalnie przebieg linii pola magnetycznego różnych źródeł”.
Wygląda na to, że linie pola elektrycznego zaczynają się albo kończą na ładunkach, natomiast linie pola magnetycznego tworzą zamknięte pętle.
Zapoznając się dalej z tym e‑materiałem, przekonasz się, że rzeczywiście tak jest, a przebieg linii pola magnetycznego związany jest ściśle z pewnym prawem.
Twoje cele
objaśniesz, czym jest strumień indukcji magnetycznej,
zaargumentujesz, że strumień indukcji magnetycznej przez powierzchnię zamkniętą wynosi zero,
sformułujesz prawo Gaussa dla pola magnetycznego,
objaśnisz, co oznacza stwierdzenie, że pole magnetyczne jest bezźródłowe,
zastosujesz prawo Gaussa dla pola magnetycznego w pewnych szczególnych przypadkach.
