Pole magnetyczne

Wstęp — magnes działa na odległość

W poprzedniej lekcji zauważyliśmy coś dziwnego: magnes przyciąga spinacz, zanim go dotknie. Wystarczy zbliżyć magnes, a spinacz sam „skacze" mu do ręki. Dwa magnesy też czują się nawzajem z pewnej odległości — jeden potrafi odepchnąć drugi bez żadnego kontaktu.

Jak to możliwe? Przecież między magnesem a spinaczem nie ma żadnego sznurka ani niczego, co można zobaczyć. A jednak coś tam jest — coś niewidzialnego, co przenosi oddziaływanie. Fizycy nazywają to polem magnetycznym.

W tej lekcji dowiesz się:

• czym jest pole magnetyczne i jak je sobie wyobrazić,
• co to są linie pola magnetycznego,
• jak działa igła magnetyczna i kompas,
• dlaczego kompas wskazuje północ — i co ma z tym wspólnego Ziemia.

Czym jest pole magnetyczne?

Pole magnetyczne to obszar wokół magnesu, w którym działa on na inne magnesy i na przedmioty z żelaza. Pola nie widać ani nie słychać, ale możemy je wykryć — właśnie po tym, że w tym obszarze coś zaczyna działać na magnes lub żelazo.

Wyobraź sobie pole magnetyczne trochę jak niewidzialną „strefę wpływu" wokół magnesu. Blisko magnesu jest ono silne, a im dalej, tym słabsze — dlatego spinacz z daleka leży spokojnie, a dopiero z bliska zostaje przyciągnięty.

Definicja: Pole magnetyczne to przestrzeń wokół magnesu (i wokół przewodnika z prądem), w której działają siły magnetyczne.

Linie pola magnetycznego

Skoro pola nie widać, jak je narysować? Fizycy używają pomysłowego triku — rysują linie pola magnetycznego. To linie, które pokazują, w którą stronę i jak gęsto „rozłożone" jest pole.

Linie pola magnetycznego mają kilka ważnych cech:

• na zewnątrz magnesu biegną od bieguna północnego (N) do południowego (S),
• nigdzie się nie przecinają,
• są najgęściej ułożone przy biegunach — bo tam pole jest najsilniejsze.

Rys. 1. Linie pola magnetycznego: na zewnątrz biegną od N do S, najgęściej przy biegunach.

Te linie można naprawdę zobaczyć! Wystarczy położyć magnes pod kartką papieru i posypać ją drobnymi opiłkami żelaza. Opiłki ułożą się wzdłuż linii pola, tworząc piękny wzór — dokładnie taki, jak na rysunku.

Zapamiętaj: Im gęściej narysowane są linie, tym silniejsze jest pole magnetyczne w danym miejscu.

Igła magnetyczna i kompas

Najprostszym „wykrywaczem" pola magnetycznego jest igła magnetyczna — mały, lekki magnes w kształcie strzałki, osadzony na ostrzu tak, żeby mógł się swobodnie obracać.

Gdy w pobliżu pojawi się pole magnetyczne, igła obraca się i ustawia wzdłuż linii pola. Jej czerwony koniec (biegun N igły) pokazuje kierunek pola.

Igła magnetyczna umieszczona w pudełku ze skalą to kompas — przyrząd, który od setek lat pomaga podróżnikom i żeglarzom wyznaczać strony świata.

Rys. 2. Kompas to igła magnetyczna, która ustawia się wzdłuż pola magnetycznego.

Poeksperymentuj — przesuwaj kompas wokół magnesu i obserwuj, jak igła obraca się, śledząc linie pola:

Dlaczego kompas wskazuje północ?

Kompas z dala od magnesów wcale się nie zatrzymuje w przypadkowym miejscu — jego igła zawsze ustawia się w kierunku północ–południe. To znaczy, że gdzieś musi być pole magnetyczne, które na igłę działa. Skąd ono się bierze?

Odpowiedź jest zaskakująca: cała Ziemia zachowuje się jak wielki magnes! W jej wnętrzu, głęboko pod nogami, płynne warstwy metalu wytwarzają ogromne pole magnetyczne otaczające całą planetę.

Rys. 3. Ziemia ma własne pole magnetyczne, dlatego igła kompasu ustawia się na północ.

Tu kryje się ciekawy szczegół. Igła kompasu ustawia się tak, że jej biegun N wskazuje północ. Ale przecież bieguny różnoimienne się przyciągają — więc blisko geograficznej północy Ziemi musi znajdować się magnetyczny biegun S. Tak właśnie jest! Nazwy trochę mylą, ale zasada działania jest prosta: N igły przyciąga się do S Ziemi, leżącego przy północy geograficznej.

Ciekawostka: Pole magnetyczne Ziemi działa też jak tarcza. Odbija groźne cząstki wysyłane przez Słońce (tzw. wiatr słoneczny), chroniąc życie na naszej planecie. Przy okazji powstają piękne zorze polarne.

Przykłady z życia

• Kompas turystyczny — pomaga znaleźć drogę w lesie czy w górach, gdy nie działa telefon.
• Kompas w telefonie — smartfon ma malutki czujnik pola magnetycznego, który działa jak elektroniczny kompas w mapach.
• Opiłki żelaza na lekcji fizyki — pokazują kształt linii pola magnetycznego.
• Ptaki wędrowne — wiele z nich wyczuwa pole magnetyczne Ziemi i dzięki niemu nie gubi drogi podczas dalekich wędrówek.

Zadanie krok po kroku

W którą stronę na rysunku linii pola porusza się igła kompasu ustawiona tuż obok bieguna N magnesu? Gdzie pole jest silniejsze: przy biegunie czy w połowie długości magnesu?

Krok 1. Przypominamy zasadę: na zewnątrz magnesu linie pola biegną od N do S. Igła ustawia się wzdłuż tych linii, a jej czerwony koniec (N) pokazuje kierunek linii — czyli „w stronę odejścia" od bieguna N magnesu.

Krok 2. Sprawdzamy gęstość linii. Przy biegunach linie są narysowane najgęściej, a bliżej środka magnesu — rzadziej.

Krok 3. Większa gęstość linii oznacza silniejsze pole.

Odpowiedź: Igła ustawi się wzdłuż linii pola (jej N skierowany zgodnie z linią wychodzącą z bieguna N). Pole jest silniejsze przy biegunie niż w połowie długości magnesu.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Pole magnetyczne można zobaczyć." Samego pola nie widać. Widzimy tylko jego skutki — na przykład ułożenie opiłków żelaza albo obrót igły kompasu.
2. „Linie pola się przecinają." Nie — linie pola magnetycznego nigdy się nie przecinają.
3. „Kompas wskazuje magnetyczny biegun N Ziemi." Uwaga: przy północy geograficznej znajduje się magnetyczny biegun S Ziemi. To on przyciąga biegun N igły.
4. „Pole jest wszędzie tak samo silne." Nie — pole jest najsilniejsze przy biegunach i słabnie z odległością od magnesu.

Podsumowanie

• Pole magnetyczne to obszar wokół magnesu, w którym działają siły magnetyczne; jest niewidzialne, ale wykrywalne.
• Linie pola na zewnątrz magnesu biegną od bieguna N do S, nie przecinają się i są najgęstsze przy biegunach.
• Im gęściej ułożone linie, tym silniejsze pole.
• Igła magnetyczna ustawia się wzdłuż linii pola; igła w obudowie ze skalą to kompas.
• Ziemia jest wielkim magnesem — dlatego kompas wskazuje północ. Przy geograficznej północy leży magnetyczny biegun S Ziemi.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — zadania z linii pola magnetycznego, igły kompasu i magnetyzmu Ziemi: Pole magnetyczne — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Magnesy trwałe — bieguny, przyciąganie i odpychanie magnesów.
• Zjawisko elektromagnetyzmu — jak płynący prąd wytwarza pole magnetyczne?