Магнитные поля и силовые линии
Поле Земли у поверхности составляет примерно от 25 до 65 микротесла; внутри соленоида больничного МРТ оно в десятки тысяч раз сильнее.
Карта сил
Магнит притягивает или отталкивает другой магнит, не касаясь его. Чтобы описать это действие на расстоянии, физики вводят магнитное поле вокруг магнита, поле B. В каждой точке у поля есть направление и величина. Направление определяют маленьким компасом: поле направлено туда, куда указывает северный конец стрелки. Компас достаточно мал, чтобы не искажать измеряемое поле.
Расставь компасы вокруг полосового магнита и соедини показанные ими направления: получатся силовые линии. OpenStax формулирует четыре правила. Во-первых, в каждой точке поле направлено вдоль линии, поэтому компас выстраивается по ней. Во-вторых, густота линий показывает величину поля: чем они гуще, тем поле сильнее. В-третьих, силовые линии не пересекаются, ведь в каждой точке у поля лишь одно направление. В-четвёртых, они образуют замкнутые петли без начала и конца: снаружи магнита идут от северного полюса к южному, а внутри продолжаются от южного обратно к северному.
Силовые линии служат способом изображения поля, а не нитями в пространстве. Но их рисунок можно увидеть, посыпав железные опилки на бумагу над магнитом. Каждая опилка становится крошечным магнитом и поворачивается вдоль поля, поэтому опилки образуют кривые, повторяющие силовые линии.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Измерение магнитного поля: тесла
Единица магнитной индукции в СИ называется тесла (Тл). Одна тесла соответствует сильному полю: на провод длиной 1 м с током 1 А, расположенный поперёк поля 1 Тл, действует сила 1 Н, поэтому 1 Тл = 1 Н/(А·м). Повседневные поля намного слабее, поэтому часто используют микротесла (мкТл, миллионные доли тесла) и нанотесла (нТл, миллиардные доли). Более старая единица, гаусс, по-прежнему распространена в геологии и на этикетках магнитов: 1 гаусс = 10⁻⁴ Тл = 100 000 нТл.
Полезно знать несколько ориентиров. Национальные центры экологической информации NOAA указывают для земного поля у поверхности примерно от 25 000 до 65 000 нТл, то есть от 25 до 65 мкТл, или от 0.25 до 0.65 гаусса. В OpenStax часто используют округлённое значение 5.0 × 10⁻⁵ Тл, или 50 мкТл. В разобранных примерах взяты 1.50 Тл для сильного лабораторного магнита и 2.01 Тл внутри большого соленоида, подобного применяемым в МРТ. Это примерно в 40 000 раз сильнее земного поля.
| Поле | Магнитная индукция |
|---|---|
| Поверхность Земли (диапазон NOAA) | От 25 до 65 мкТл |
| Земля, округлённое значение OpenStax | 50 мкТл = 5.0 × 10⁻⁵ Тл |
| Сильный лабораторный магнит (пример OpenStax) | 1.50 Тл |
| Большой соленоид, как в МРТ (пример OpenStax) | 2.01 Тл |
Два магнита: поля складываются
Когда рядом находятся два магнита, поле в каждой точке равно сумме их полей, сложенных как стрелки. Если северный полюс обращён к южному, линии идут через зазор от одного магнита к другому. Поле в зазоре сильное, и магниты притягиваются. Если два северных полюса обращены друг к другу, линии каждого отклоняются в стороны. Они вытесняются из зазора, а посередине между полюсами есть точка, где два поля взаимно компенсируются. У компаса точно в этой точке нет предпочтительного направления, и его ориентирует лишь слабое поле Земли.
Это же сложение объясняет, почему компас на столе может обмануть. Стальной каркас стола, магнит динамика или ток в проводке рядом создают собственное поле. Вблизи него оно может оказаться сильнее земных 25–65 мкТл. Тогда стрелка направлена вдоль суммарного поля, а не на север. Для верных показаний держи компас подальше от металлических предметов и электрооборудования.
| Направление B | Куда указывает северный конец стрелки компаса |
| Густые силовые линии | Сильное поле |
| Снаружи магнита линии идут… | От N к S |
| Тесла (Тл) | 1 Тл = 1 Н/(А·м) |
| 1 гаусс | 10⁻⁴ Тл = 100 000 нТл |
- Компас показывает направление поля: его северный конец указывает вдоль B.
- В каждой точке силовая линия направлена вдоль B; чем они гуще, тем поле сильнее. Они не пересекаются и образуют замкнутые петли, направленные снаружи от N к S.
- Единица СИ называется тесла; 1 гаусс = 10⁻⁴ Тл.
- Земное поле у поверхности составляет примерно от 25 до 65 мкТл.
- Снаружи полосового магнита силовые линии идут:
- От N к S
- От S к N
- По прямым от обоих полюсов
- По окружностям вокруг середины
- Где силовые линии полосового магнита расположены гуще всего?
- У полюсов
- Далеко от магнита
- Посередине боковой стороны
- Везде на одинаковом расстоянии
- Почему две силовые линии не могут пересекаться?
- В каждой точке у поля одно направление
- Линии отталкиваются
- Они состоят из железа
- Они существуют только внутри магнитов
- Сколько нанотесла в 1 гауссе?
- Поле Земли в некотором месте равно 50 000 нТл. Сколько это гауссов?
- Вырази 50 мкТл в тесла, в единицах 10⁻⁵ Тл (то есть 5.0 означает 5.0 × 10⁻⁵ Тл).
- Во сколько раз поле 2.01 Тл сильнее поля 50 мкТл? (округли до целого)
- Вдоль чего направлен северный конец стрелки компаса?
- Вдоль магнитного поля
- Всегда на географический Северный полюс
- На ближайший кусок железа
- Вдоль электрического поля
- Железные опилки над магнитом выстраиваются, потому что:
- Каждая опилка становится маленьким магнитом и поворачивается вдоль поля
- Они заряжены
- Их толкают воздушные потоки
- Сила тяжести тянет их к полюсам
- Внутри полосового магнита силовые линии идут:
- От S к N
- От N к S
- Никуда: они обрываются у полюсов
- По окружностям
Источники курса (16)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
- 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
- 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
- 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
- 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
- 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
- NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
- NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
- 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
- inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
- north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
- last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
- NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
- NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
- USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
- APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.
Проверено: 2026-10-17