To ciekawe

Z pewnością pamiętasz z dzieciństwa zabawę z magnesem – sterowanie ruchem szpilek, gwoździ, spinaczy biurowych za pomocą magnesu poruszanego pod stołem. Widoczne w tej zabawie są dwie cechy oddziaływania magnesu. Po pierwsze działanie zdalne – na odległość i efekt przyciągania drobnych stalowych przedmiotów. Te cechy wyjaśniamy użytecznym pojęciem, jakim jest pole magnetyczne. Mówimy, 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.

Pole magnetyczne ma jeszcze jedną „miłą” cechę – rozsypane wokół magnesu żelazne opiłki układają się wzdłuż linii pola w charakterystyczny wzór. Otrzymujemy obraz pola magnetycznego wytworzonego przez magnes (zobacz Rys. a.).

R166C0WcECX7P

Rys. a. Zdjęcie przedstawia magnes w kształcie podkowy pokazany od góry, leżący na poziomej powierzchni. Zaokrąglona część magnesu znajduje się z prawej strony, a końce z lewej. Jedna końcówka magnesu jest czerwona, a druga niebieska. Wokół magnesu rozsypano opiłki (małe drobinki) żelaza, które ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Najwięcej opiłków zgromadziło się wokół końcówek magnesu, gdzie ustawiły się prostopadłe do jego powierzchni i trochę wyglądają jak najeżone. Wewnątrz magnesu, bliżej zaokrąglonej części opiłki ułożyły się wzdłuż linii o kierunkach zbliżonych do prostopadłych do ramion magnesu. Bliżej lewego końca ramion linie te, biegnące od góry i od dołu, zakrzywiają się w lewo. W większej odległości od magnesu opiłki rozrzucone są bezładnie.

Jeśli przyjrzysz się dobrze zdjęciu, to zauważysz, że opiłki tworzą obraz linii pola nie tylko w płaszczyźnie kartki papieru, pod którą znajduje się magnes, ale także dają obraz przestrzenny (widoczny w pobliżu biegunów).

Powstaje w ten sposób wizualizacja pola magnetycznego – układ linii tego pola. Więcej dowiesz się, czytając ten e‑materiał.

Warto przeczytać

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

R15JvASkHGTAw

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia magnes sztabkowy pokazany od góry, leżący na poziomej powierzchni. Magnes ma kształt poziomego prostokąta, którego lewa część jest czerwona, a prawa niebieska. Wokół magnesu rozsypano opiłki, czyli małe drobinki żelaza, które ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Najwięcej opiłków zgromadziło się wokół końców magnesu, gdzie ustawiły się prostopadłe do jego powierzchni i wyglądają jak najeżone. Opiłki ułożyły się wzdłuż łukowatych linii pola magnetycznego łączących lewy i prawy koniec magnesu. Dwie takie linie pola narysowano czarnym kolorem nad magnesem. Na łuku, łączącym oba końce magnesu, zaznaczono punkt w połowie linii, leżący nad środkiem magnesu i oznaczono go wielką literą P. W tym punkcie przyłożono poziomy, czerwony wektor indukcji magnetycznej skierowany w lewo i oznaczony literą wielkie B. Czerwone wektory styczne do linii pola narysowano również w trzech innych miejscach. Jeden wektor znajduje się w pobliżu lewego końca magnesu i skierowany jest ukośnie w dół i w lewo. Drugi wektor znajduje się w pobliżu prawego końca magnesu i skierowany jest ukośnie w górę i w lewo. Narysowano jeszcze dwie linie pola wychodzące z prawego końca magnesu na prawo. Te linie skierowane są początkowo ukośnie w górę i w prawo, a dalej wyginają się w prawo. Na jednej z tych linii znajduje się czerwony wektor skierowany w górę i w prawo.

Na Rys. 1. zaznaczono również symbolicznie wektory indukcji magnetycznej $\vec{B}$. Indukcja magnetyczna to wektorowa wielkość fizyczna, opisująca pole magnetycznepole magnetycznepole magnetyczne w każdym punkcie przestrzeni. Jej wartość jest miarą „siły” pola. Wektory indukcji $\vec{B}$ są styczne do linii pola magnetycznego.

Możemy zauważyć, że zagęszczenie linii, a więc wartość indukcji na zewnątrz magnesu jest największa w pobliżu biegunów magnesu. Obowiązuje tu ta sama konwencja co dla pozostałych pól: grawitacyjnego i elektrycznego.

Widzimy, że linie pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego mają określony zwrot - 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.

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

RxNxfG9H1U9Tw

Rys. 2. Na rysunku pokazano schematycznie igłę magnetyczną, czyli cienki magnes o zaostrzonych końcach oparty w środkowym punkcie na pionowym szpikulcu, aby igła mogła swobodnie obracać się w płaszczyźnie poziomej. Lewa połowa igły magnetycznej jest czerwona, a prawa połowa niebieska.

Biegun północny igiełki magnetycznej zawsze pokazuje zwrot linii pola magnetycznego.

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.

Często w pracowni szkolnej można zobaczyć magnes, który ma kształt podkowy. Zachowanie opiłków wokół takiego magnesu przedstawiają Rys. 3a, 3b i 3c.

RVGsClA0xrMvy

Rys. 3a. Zdjęcie przedstawia magnes w kształcie podkowy leżący na poziomej powierzchni. Zaokrąglona część magnezu znajduje się z prawej strony , a końce z lewej. Jedna końcówka jest czerwona, a druga niebieska. Wokół magnesu rozsypano opiłki, czyli małe drobinki żelaza, które ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Najwięcej opiłek zgromadziło się wokół końców magnesu, gdzie ustawiły się prostopadłe do jego powierzchni i sterczą na wszystkie strony. Na zewnątrz magnesu od strony końców opiłki ułożone są wzdłuż linii łączących oba końce i łukowato wygiętych na zewnątrz. W większej odległości od magnesu opiłki rozrzucone są bezładnie.

RVmdy4QTZRvMe

Rys. 3b. Zdjęcie przedstawia magnes w kształcie podkowy ustawiony pionowo końcami do góry. Na magnesie położono sztywną kartkę posypaną opiłkami żelaza, które ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Najwięcej opiłek zgromadziło się wokół końców magnesu, gdzie stoją pionowo i tworzą zarys obwodu kwadratu, który stanowi przekrój poprzeczny końcówek magnesu. Wiele opiłek ułożyło się między końcami magnesu: wzdłuż linii prostej łączącej środki końcówek i wzdłuż linii łukowato wygiętych na zewnątrz. Na lewo od lewego końca magnesu linie opiłków skierowane są w lewo i dalej wyginają się. Linie w dolnej części wyginają się w dół, w górnej części w górę. Podobnie na prawo od prawego końca magnesu linie opiłków skierowane są w prawo i dalej wyginają się. Linie w dolnej części wyginają się w dół, w górnej części w górę. Linie biegnące od obu końców łączą się ze sobą.

R1eIs9Cj1sYGx

Rys. 3c. Zdjęcie przedstawia opiłki rozsypane na kartce ułożonej na magnesie podkowiastym ustawionym pionowo, jak na rysunku 3b, ale sfotografowane od góry, aby lepiej było widać kształt linii pola magnetycznego opisanych poprzednio.

Magnes podkowiasty jest używany jako źródło pola magnetycznego jednorodnego. To pole ma właśnie taki charakter w obszarze pomiędzy ramionami magnesu. Jest to widoczne w niewielkim stopniu na wyżej reprodukowanych zdjęciach. Zachowanie opiłków pozwala graficznie przedstawić pole magnetyczne w pobliżu magnesu podkowiastego w następującej postaci:

R1Kzq8UiO5T9y

Rys. 4. Rysunek przedstawia magnes w kształcie podkowy. Zaokrąglona część magnezu znajduje się z prawej strony , a bieguny z lewej. Na górnym biegunie zapisano literę wielkie N, na dolnym biegunie literę wielkie S. Wokół magnesu narysowano linie pola magnetycznego. Wewnątrz magnesu linie są pionowe ze strzałkami skierowanymi w dół. Na zewnątrz magnesu z lewej strony linie mają kształt łuków wygiętych w lewo. Łuki zaczynają się na biegunie wielkie N, kończą na biegunie wielkie S. Strzałki na nich skierowane są w dół. Nad górną częścią magnesu linie skierowane są w górę. Linie z lewej strony odchylają się w lewo, a linie z prawej strony odchylają się w prawo. Pod dolną częścią magnesu linie biegną z dołu i kończą się na magnesie. Linie z lewej i prawej strony odchylają się w kierunku środka magnesu.

Widzimy, że pomiędzy ramionami magnesu w obszarze bliskim „wyjścia” linie pola są do siebie równoległe. To tam właśnie pole jest jednorodne.

Słowniczek

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

Zdjęcie przedstawia magnes sztabkowy leżący pod poziomą powierzchnią, na gdzie rozsypano opiłki żelaza, które ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Najwięcej opiłków zgromadziło się wokół końców magnesu, gdzie ustawiły się prostopadłe do jego powierzchni. Opiłki ułożyły się wzdłuż łukowatych linii łączących lewy i prawy koniec magnesu.

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. Północnemu biegunowi geograficznemu odpowiada południowy biegun magnetyczny, i na odwrót.  Linia łącząca bieguny geomagnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt 9,98°.

RloWDNOpRWO8j

Na rysunku pokazano schematycznie kulę ziemską z zarysami kontynentów. Oś obrotu Ziemi jest pionowa, a biegun północny u góry. Na tle kuli ziemskiej narysowano duży magnes sztabkowy skierowany ukośnie w górę i prawo. Kąt między osią magnesu i osią obrotu Ziemi jest równy około dziesięciu stopni. Górny biegun magnesu oznaczono wielką literą S, a dolny biegun wielką literą N. Narysowano linie pola magnetycznego Ziemi, które łukami łączą oba bieguny magnetyczne.