To ciekawe

Pewnie wiesz już, że magnes wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Tak jak poznane przez Ciebie wcześniej pole elektryczne lub grawitacyjne, tak pole magnetyczne powoduje działanie siły na pewne umieszczone w nim ciała. Te ciała, czyli „próbniki” pola magnetycznego, to poruszające się ładunki elektryczne lub magnesy.

Magnes, który ma pewną swobodę ruchu - zawieszony w środku masy na nici albo oparty w tym miejscu na cienkim pręciku - będzie w polu magnetycznym obracał się i ustawi się wzdłuż linii tego pola. Jego biegun północny będzie skierowany zgodnie ze zwrotem linii pola magnetycznego. Taki lekki, niewielkich rozmiarów magnes, nazywany jest igłą magnetyczną (Rys. a).

RJkcIlqPFlFx0

Rys. a. przedstawia tzw. igłę magnetyczną. Na okrągłej podstawce koloru ciemnoszarego umieszczono cienką pionową "nóżkę" w kolorze jasnoszarym. Na czubku nóżki umieszczono bardzo cienki magnesik w kształcie dwóch równoramiennych trójkątów złączonych podstawami – jeden w kolorze czerwonym, drugi – w kolorze niebieskim.

Identycznie zachowują się żelazne opiłki – są jakby maleńkimi magnesikami. Tyle, że nie mają oznaczonych biegunów. Żelazne opiłki rozsypane wokół magnesu układają się wzdłuż linii pola w charakterystyczny wzór. Otrzymujemy dzięki nim obraz (wizualizację) pola magnetycznego wytworzonego przez magnes (zobacz Rys. b.).

RzQF5XqxQWdB5

Rys. b. przedstawia rozkład opiłków żelaza wokół magnesu sztabkowego. Magnes pokazano jako poziomy wąski prostokąt, którego lewa połowa jest koloru czerwonego i opisana wielką literą S, a prawa – koloru niebieskiego i opisana wielką literą N. Opiłki koloru czarnego tworzą charakterystyczny układ linii w kształcie łuków ułożonych symetrycznie względem magnesu.

R65hHbLKtnSQT

Rys. c. pokazuje przestrzenny rozkład pola magnetycznego za pomocą opiłków żelaza. Opiłki tworzą "najeżoną" strukturę w kolorze ciemnoszarym na tle jasnoszarej ściany.

Czasem udaje nam się otrzymać za pomocą opiłków przestrzenny obraz pola (Rys. c.). Na zamieszczonym zdjęciu widać jeszcze jedna cechę oddziaływania pola magnetycznego na opiłki. Są one nie tylko obracane, ale i przyciągane przez magnes (wciągane w obszar silniejszego pola).

Z obrazu „opiłkowego” pola można wyciągnąć wiele ciekawych wniosków, o czym przekonasz się studiując ten e‑materiał.

Warto przeczytać

Pole magnetyczne jest zdefiniowane jako stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły, zwanej siłą magnetyczną (Lorentza), na poruszający się ładunek umieszczony w tej przestrzeni lub na obiekt obdarzony momentem magnetycznym (np. magnes). Wielkością charakteryzującą pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej $\overrightarrow{B}$.

Ciekawy sposób obrazowania pola elektrycznego i magnetycznego wprowadził w 30 latach XIX w. Michael Faraday. Posłużył się tzw. liniami pola - krzywymi, do których w każdym ich punkcie styczne są wektory charakteryzujące dane pole. Te wektory to: dla pola grawitacyjnego - natężenie pola grawitacyjnego $\overrightarrow{\gamma }$, dla pola elektrycznego - natężenie pola elektrycznego $\overrightarrow{E}$, dla pola magnetycznego - indukcja magnetyczna $\overrightarrow{B}$.

Pole magnetyczne obraca ciała - takie jak igły magnetyczneIgła magnetycznaigły magnetyczne lub żelazne opiłkiOpiłki żelazneżelazne opiłki - ustawiając je zawsze równolegle do linii pola. Wobec tego na podstawie ustawienia opiłków możemy odtworzyć (narysować) linie pola, co uczyniono na Rys. 1.

Rkgli7su4aFHo

Rys. 1. przedstawia rozkład opiłków żelaza wokół magnesu sztabkowego. Magnes przedstawiono jako poziomy wąski prostokąt, którego lewa połowa jest koloru czerwonego i oznaczona wielką literą S, a prawa – koloru niebieskiego i oznaczona wielką literą N. Opiłki koloru szarego tworzą charakterystyczny układ linii w kształcie łuków ułożonych symetrycznie względem magnesu. Wyróżniono kilka linii za pomocą ciągłych krzywych w kolorze czarnym oraz zaznaczono kilka wektorów stycznych do tych linii w kolorze niebieskim. Wektory te to wektory indukcji pola magnetycznego.

Na rysunku zaznaczono również symbolicznie wektory indukcji magnetycznej $\overrightarrow{B}$. Indukcja magnetyczna to wielkość fizyczna opisująca pole magnetyczne w każdym punkcie przestrzeni. Jej wartość jest miarą siły pola. Wektory indukcji $\overrightarrow{B}$ są styczne do linii pola magnetycznego.

Przyjęto, dla wszystkich pól (również grawitacyjnego i elektrycznego), że gęstość linii jest wprost proporcjonalna do wartości wielkości charakteryzującej pole. Możemy zauważyć, że zagęszczenie linii na zewnątrz magnesu jest największe w pobliżu jego biegunów. Tam wobec tego największa jest wartość indukcji magnetycznej (poza samym magnesem).

Widzimy, że linie pola magnetycznego mają określony zwrot – wychodzą z bieguna N (północnego) magnesu, a wchodzą do bieguna S (południowego). Jest to oczywiście pewna umowa. Zwykle też w polskich podręcznikach biegun północny magnesu N jest oznaczony kolorem niebieskim, a biegun południowy czerwonym.

Ciekawie przedstawiają się linie pola pomiędzy magnesami sztabkowymi zwróconymi do siebie biegunami przeciwnymi bądź jednoimiennymi. Na Rys. 2. przedstawiono „opiłkowy” obraz pola magnetycznego pomiędzy magnesami zwróconymi do siebie biegunami S. Wydaje się, że pola „odpychają się”, co wizualnie wyjaśnia odpychanie się ich źródeł, czyli magnesów. Podobna sytuacja przedstawiona jest na Rys. 3., gdzie mamy do czynienia z przyciąganiem się magnesów zwróconych do siebie przeciwnymi biegunami.

R1L5FQx8IxPPd

Rys. 2. przedstawia rozkład opiłków żelaza w przestrzeni między dwoma magnesami zwróconymi do siebie biegunami jednoimiennymi oznaczonymi wielką literą S. Widoczne są jedynie fragmenty magnesów w postaci prostokątów koloru czerwonego. Opiłki koloru czarnego tworzą charakterystyczny układ linii w kształcie łuków. wyraźne zagęszczenie linii przy biegunach magnesów.

RtTkL2KSAsfc2

Rys. 3. przedstawia rozkład opiłków żelaza w przestrzeni między dwoma magnesami zwróconymi do siebie biegunami różnoimiennymi – na górze – oznaczony wielką literą S, na dole – wielką literą N. Widoczne są jedynie fragmenty magnesów w postaci prostokątów – górny koloru czerwonego i dolny koloru niebieskiego. Opiłki koloru czarnego tworzą charakterystyczny układ linii w kształcie łuków. wyraźne zagęszczenie linii przy biegunach magnesów oraz linie coraz bardziej równoległe do siebie w przestrzeni między biegunami.

Musimy jednak jedno uściślić - ten obrazek jest tylko pewnym złudzeniem, któremu łatwo ulegamy. Wcale nie wyjaśnia oddziaływania między magnesami. Być może jedynie pozwala lepiej zapamiętać, kiedy mamy do czynienia z przyciąganiem, a kiedy z odpychaniem. Prawda jest taka, że linie pola magnetycznego układają się zgodnie z polem wypadkowym pochodzącym od dwóch magnesów. To pole wypadkowe jest sumą wektorową indukcji magnetycznych od dwóch źródeł w poszczególnych punktach przestrzeni.

Słowniczek