Магнітне поле струму і магнітна індукція

Магнітне поле — це особлива форма матерії, яку створюють рухомі електричні заряди (тобто електричний струм) і постійні магніти. Воно діє на інші рухомі заряди, провідники зі струмом і магнітну стрілку. На відміну від електричного поля, яке існує навколо нерухомих зарядів, магнітне поле виникає лише тоді, коли заряди рухаються.

Дослід Ерстеда (1820)

Данський фізик Ганс Крістіан Ерстед уперше експериментально довів зв'язок між електрикою та магнетизмом. Він розташував магнітну стрілку паралельно до прямого провідника. Коли в провіднику вмикали електричний струм, стрілка поверталася, намагаючись стати перпендикулярно до провідника. Коли струм вимикали, стрілка поверталася в початкове положення. Це довело, що електричний струм створює навколо себе магнітне поле.

Дослід Ампера (1820)

Андре-Марі Ампер дослідив взаємодію двох паралельних провідників зі струмом. Він виявив, що:

• якщо струми в обох провідниках напрямлені однаково, провідники притягуються;

• якщо струми напрямлені протилежно, провідники відштовхуються.

Взаємодію передає саме магнітне поле: струм у першому провіднику створює поле, яке діє на другий провідник, і навпаки. Це явище називають взаємодією струмів, а закон, що описує силу такої взаємодії, — законом Ампера.

Вектор магнітної індукції

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції B⃗. Його напрям у даній точці збігається з напрямом, який указує північний полюс магнітної стрілки, поміщеної в цю точку. Одиниця магнітної індукції в SI — тесла (Тл).

Важливо розуміти, що природа магнітного поля постійного магніту й провідника зі струмом однакова. У постійному магніті поле створюють кругові струми всередині атомів — рух електронів навколо ядра. Докладніше про це йтиметься в юніті про магнітні властивості речовин.

Для наочного зображення магнітного поля використовують лінії магнітної індукції. Лінія магнітної індукції — це лінія, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямом вектора B⃗ у цій точці. Густота ліній показує модуль індукції: де лінії розташовані густіше, там поле сильніше.

Замкненість ліній магнітної індукції

Найважливіша властивість ліній магнітного поля — вони замкнені. Це означає, що лінії не мають ні початку, ні кінця. У цьому полягає головна відмінність від ліній електростатичного поля, які починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних. У природі не існує «магнітних зарядів» (монополів), на яких лінії могли б починатися або закінчуватися. Якщо розрізати постійний магніт навпіл, кожна половина знову матиме обидва полюси — північний і південний.

Правило свердлика для прямого провідника

Щоб визначити напрям ліній магнітної індукції навколо прямого провідника зі струмом, використовують правило свердлика (правило правого гвинта). Уяви, що ти вкручуєш свердлик (або загвинчуєш гвинт) так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму в провіднику. Тоді напрям обертання ручки свердлика покаже напрям ліній магнітної індукції.

Лінії магнітної індукції навколо прямого провідника — це концентричні кола, що лежать у площині, перпендикулярній до провідника. Що далі від провідника, то рідші лінії й слабше поле. В однорідному магнітному полі лінії паралельні й розташовані з однаковою густотою.

Як перенести напрям на рисунок

На плоских рисунках напрям струму позначають так:

• якщо струм напрямлений до глядача (із площини рисунка), ставлять крапку «·»;

• якщо струм напрямлений від глядача (за площину рисунка), ставлять хрестик «×».

За правилом свердлика:

• струм напрямлений від глядача (×) — лінії індукції йдуть за годинниковою стрілкою;

• струм напрямлений до глядача (·) — лінії індукції йдуть проти годинникової стрілки.

Котушка (соленоїд) — це провідник, намотаний у витки. Коли по ній тече струм, усередині довгої котушки виникає майже однорідне магнітне поле, а зовні поле має таку саму конфігурацію, як біля смугового постійного магніту. Один торець котушки поводиться як північний полюс, інший — як південний.

Правило свердлика для котушки

Для котушки правило свердлика застосовують інакше, ніж для прямого провідника. Уяви, що ти обертаєш ручку свердлика за напрямом струму у витках котушки. Тоді поступальний рух свердлика (напрям, у який він рухався б углиб) покаже напрям ліній магнітної індукції всередині котушки. Той торець, з якого лінії виходять назовні, є північним полюсом котушки.

Визначення полюсів за витками

Якщо дивитися на котушку з торця:

• струм у витках іде за годинниковою стрілкою — найближчий торець є південним полюсом (S);

• струм у витках іде проти годинникової стрілки — найближчий торець є північним полюсом (N).

Змінюючи напрям струму або бік намотування проводу, можна змінити полюси котушки. Якщо всередину котушки вставити залізне осердя, магнітне поле значно посилюється — так працюють електромагніти, які використовують у кранах, реле та динаміках.

Взаємодія паралельних струмів

Два паралельні провідники зі струмами взаємодіють через магнітне поле, яке кожен із них створює навколо себе. Результат залежить від напряму струмів:

Цю взаємодію вперше описав Ампер, і вона є прямим доказом того, що магнітне поле створюється струмом і діє на струм. Формулу для сили взаємодії ти вивчатимеш у юніті «Сила Ампера».

Приклад 1. Напрям ліній індукції навколо прямого провідника

Умова: Струм у прямому вертикальному провіднику напрямлений угору. Який напрям мають лінії магнітної індукції, якщо дивитися на провідник зверху?

Розв'язання: Застосуймо правило свердлика. Уяви, що ми вкручуємо свердлик угору (за напрямом струму). Ручка свердлика обертатиметься проти годинникової стрілки, якщо дивитися зверху. Отже, лінії магнітної індукції навколо провідника напрямлені проти годинникової стрілки.

Відповідь: проти годинникової стрілки.

Чому інші варіанти неправильні:

• «за годинниковою стрілкою» — це було б, якби струм ішов униз, а не вгору;

• «радіально від провідника» — лінії магнітної індукції не радіальні, а концентричні кола;

• «уздовж провідника» — лінії охоплюють провідник, а не йдуть паралельно йому.

Приклад 2. Полюси котушки зі струмом

Умова: У витках котушки, яку бачимо з торця, струм іде проти годинникової стрілки. Який полюс має найближчий до нас торець?

Розв'язання: За правилом свердлика для котушки: обертаємо ручку свердлика за напрямом струму у витках (проти годинникової стрілки). Поступальний рух свердлика буде напрямлений до нас (виходить із торця). Отже, лінії індукції виходять із цього торця — це північний полюс (N).

Відповідь: північний.

Чому інші варіанти неправильні:

• «південний» — струм проти годинникової стрілки дає північний полюс, а за годинниковою — південний;

• «обидва одночасно» — торець має один полюс, не може бути одночасно N і S;

• «полюсів немає» — котушка зі струмом має полюси, як і постійний магніт.

Приклад 3. Відповідність: дослід або явище — висновок

Умова: Установи відповідність між дослідом / явищем (1–3) і висновком (А–Д). Два висновки зайві.

Розв'язання:

• 1 — Б: дослід Ерстеда показав, що магнітна стрілка повертається біля провідника зі струмом, отже, струм створює магнітне поле.

• 2 — А: дослід Ампера показав, що паралельні струми однакового напряму притягуються, а протилежних — відштовхуються.

• 3 — В: усередині довгої котушки зі струмом поле майже однорідне.

Відповідь: 1–Б, 2–А, 3–В. Висновки Г і Д — зайві (Г хибний: навколо нерухомого заряду магнітного поля немає; Д стосується сили Лоренца, яку вивчають окремо).

Приклад 4. Взаємодія паралельних струмів

Умова: Два довгі паралельні провідники розташовані поруч. По одному з них струм тече вгору, по іншому — вниз. Як вони взаємодіють?

Розв'язання: Струми в провідниках мають протилежні напрями. Згідно з дослідом Ампера, паралельні струми протилежних напрямів відштовхуються. Механізм: магнітне поле, створене першим провідником, діє на другий провідник, і сила Ампера напрямлена так, що провідники віддаляються один від одного.

Відповідь: відштовхуються.

Чому інші варіанти неправильні:

• «притягуються» — це було б за однакового напряму струмів;

• «не взаємодіють» — будь-які два струми взаємодіють через магнітне поле;

• «обертаються навколо спільної осі» — обертання виникає лише в певних конфігураціях, а для паралельних провідників характер взаємодії — притягання або відштовхування.

• Шукати «магнітні заряди», на яких починаються або закінчуються лінії поля. Насправді лінії магнітної індукції замкнені — вони не мають ні початку, ні кінця. Магнітних монополів у природі не існує.

• Плутати напрям струму з напрямом ліній. Лінії магнітної індукції охоплюють провідник концентричними кільцями, а не йдуть уздовж нього. Струм — це поступальний рух зарядів, а лінії — це замкнені кола навколо провідника.

• Застосовувати правило лівої руки замість правила свердлика для визначення напряму поля. Правило лівої руки призначене для визначення напряму сили Ампера (або сили Лоренца), а не для напряму ліній індукції. Для напряму поля завжди використовуй правило свердлика.

• У котушці плутати, що показує поступальний рух свердлика. Поступальний рух свердлика вказує напрям ліній індукції всередині котушки. Лінії виходять із північного полюса (N) і входять у південний (S).

• Вважати, що електричний струм створює магнітне поле лише в металевому провіднику. Насправді поле створює будь-який напрямлений рух зарядів — у металах, електролітах, газах, плазмі, навіть у пучку електронів у вакуумі.

Програма НМТ з фізики (тема 3.4 «Магнітне поле») називає досліди Ерстеда й Ампера серед тих, які потрібно вміти пояснювати, а взаємодію струмів — серед змісту теми. Це означає, що ти маєш не просто знати факти, а й розуміти, який висновок випливає з кожного досліду.

Правила свердлика й лівої руки в довідкових матеріалах НМТ немає — їх треба знати напам'ять. Довідка містить лише формули сил Ампера й Лоренца. Тому визначення напряму поля за правилом свердлика — це навичка, яку ти приносиш на тест без підказок.

У демонстраційному варіанті НМТ 2026 року тему 3.4 представлено завданням № 9 (напрям сили Ампера, вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал). Щоб знайти напрям сили Ампера, спочатку треба визначити напрям магнітного поля. Тому впевнене застосування правила свердлика — база для розв'язування складніших задач.

Стратегія для тесту

Коли бачиш задачу на напрям поля або сили:

1. Намалюй схему: вид зверху або збоку залежно від умови.

2. Познач напрям струму, а також позначки «до глядача» (·) і «від глядача» (×).

3. Застосуй правило свердлика — визнач напрям ліній індукції.

4. Якщо далі треба знайти силу Ампера, використай правило лівої руки.

Пам'ятай: на НМТ оцінюють не лише знання формул, а й уміння застосовувати правила. Тренуйся визначати напрям поля на різних схемах — це зекономить час на тесті.

• Магнітне поле створюють рухомі заряди (струми); докази — досліди Ерстеда й Ампера.

• Лінії магнітної індукції замкнені; напрям вектора B⃗ — по дотичній до лінії, тобто як у північного полюса стрілки.

• Правило свердлика: поступальний рух — за струмом, обертання ручки — за лініями (у прямому провіднику).

• Для котушки: обертання за струмом у витках, поступальний рух — за лініями всередині; звідти лінії виходять — північний полюс.

• Паралельні струми одного напряму притягуються, протилежних — відштовхуються.