Магнетизм и электромагнетизм — теория и задачи

Магнетизм и электромагнетизм — теория и задачи

В этой статье собраны ключевые понятия по магнетизму и электромагнетизму, практические приёмы решения задач и примеры. Текст рассчитан на школьников и преподавателей, готовящихся к ОГЭ и ЕГЭ, а также на всех, кто хочет систематизировать знания о магнитном поле, индукции и силе Лоренца.

Что такое магнетизм?

Магнетизм — это свойство веществ взаимодействовать с магнитными полями. В повседневной жизни мы встречаем магниты, компас и бытовую технику, в которой используются магнитные эффекты. В физике под магнетизмом понимают поведение токов и магнитных диполей, а также явления, связанные с образованием магнитных полей в веществах (ферромагнетизм, парамагнетизм и диамагнетизм).

Ключевые понятия: магнитный диполь, магнитное поле, магнитный поток, магнитная индукция.

Магнитное поле и магнитная индукция

Магнитное поле описывается вектором магнитной индукции B (измеряется в теслах, Т). Вектор B показывает направление и величину магнитного воздействия на передвигающиеся заряды и токи.

Для однородного поля магнитный поток через поверхность площади S определяется как

Φ = B · S · cosθ,

где θ — угол между вектором B и нормалью к поверхности.

Измеряемые и важные величины:

• B — магнитная индукция (Т);
• Φ — магнитный поток (вебер, Вб);
• I — электрический ток (А).

Сила Лоренца — формула и примеры

Сила Лоренца — это сила, действующая на заряд q, движущийся со скоростью v в магнитном поле B:

F = q (v × B).

Модуль этой силы при угле θ между v и B равен

|F| = q v B sinθ.

Для проводника длиной L с током I в магнитном поле справедливо:

F = I (L × B), |F| = I L B sinθ.

Примеры (с подробным расчётом — сила лоренца примеры):

Пример 1 — элементарная частица:

Пусть протон (q = 1.6·10^−19 Кл) движется со скоростью v = 2·10^6 м/с перпендикулярно магнитному полю B = 0.5 Т. Тогда

|F| = q v B = 1.6·10^−19 · 2·10^6 · 0.5 = 1.6·10^−13 Н.

Направление силы задаётся правилом правой руки (для положительного заряда).

Пример 2 — проводник с током:

Проводник длиной 20 см несёт ток I = 5 А и находится в поле B = 0.15 Т перпендикулярно проводнику. Тогда

F = I L B = 5 · 0.2 · 0.15 = 0.15 Н.

Электромагнитная индукция: закон Фарадея и типовые задачи

Электромагнитная индукция — процесс появления электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике при изменении магнитного потока через контур. Закон Фарадея:

ε = − dΦ/dt.

Отрицательный знак отражает закон Ленца: создаваемая индукционная ЭДС стремится предотвратить изменение потока.

Типичная задача (индукция задачи):

К катушке с N = 100 витков, площадью S = 2·10^−2 м^2, магнитное поле падает с 0.1 Т до 0 Т за Δt = 0.05 с. Определите модуль индукционной ЭДС.

ΔΦ = S·ΔB = 2·10^−2 · 0.1 = 2·10^−3 Вб;

ε = N · ΔΦ / Δt = 100 · 2·10^−3 / 0.05 = 4 В.

Знак определяется Ленцем — ток направлен так, чтобы его собственное поле противодействовало уменьшению внешнего поля.

Типовые задачи и стратегия их решения

Чаще всего в задачах требуется:

1. Определить, является ли заряженная частица движущейся (F = q v × B) или рассматривается ток в проводнике (F = I L × B).
2. Вычислить магнитный поток Φ и его изменение ΔΦ (для индукционных задач).
3. Применить закон Фарадея и Ленца для направления и знака ЭДС.
4. Использовать правила правой/левой руки для направления силы.

Полезные ресурсы и сборники задач: Сборник задач по физике 9 класса, Задачник для 10 класса. Для методики решения см. разделы: Методы решения задач по физике и Пошаговый решатель задач.

Лаборатории, симуляции и уроки электромагнетизм

Практическая отработка понятий помогает лучше понять магнетизм и электромагнетизм. Виртуальные лаборатории позволяют визуализировать линии поля, движение заряда и индукцию.

Рекомендованные материалы:

• Коллекция видео-уроков: Видео-уроки по физике (хаб) и Уроки по электромагнетизму — отличные примеры для наглядного объяснения тем (уроки электромагнетизм).
• Онлайн-симуляции: Виртуальные лаборатории.
• Быстрые шпаргалки и формулы: Cheat-sheet формул.

Также полезны каналы и ресурсы типа pavel-viktor-channel и foxford-physics для разбора типичных задач.

Таблица основных формул

Понятие	Формула	Единицы
Сила на заряд	F = q v B sinθ	Н (ньютон)
Сила на проводник	F = I L B sinθ	Н
Магнитный поток	Φ = B S cosθ	Вб
Индукционная ЭДС	ε = − dΦ/dt	В (вольт)
Момент силы на рамку	τ = μ × B, μ = I S	Н·м

Заключение и призыв к действию

Магнетизм и электромагнетизм — основополагающие разделы физики, которые связывают микроскопические свойства зарядов и макроскопические приборы повседневного пользования. Чтобы уверенно решать задачи (включая индукция задачи и вычисления силы Лоренца), изучайте формулы, тренируйтесь на типовых примерах и используйте визуальные симуляции.

Если вы готовитесь к контрольной или экзамену — начните с практики: решайте задачи из сборников, смотрите видеоуроки и пробуйте виртуальные опыты в симуляторах. Нужны готовые решения или пошаговый разбор — воспользуйтесь пошаговым решателем и шпаргалками на странице формул.

Хотите, чтобы мы подобрали конкретные задачи и разобрали их пошагово? Оставьте запрос в разделе вопросов и ответов или начните с подборки задач для вашего класса — переходите в наш раздел методы решения задач.

Удачи в изучении магнетизма и электромагнетизма!