Магнитное поле — невидимая глазу сила, которая двигает поезда метро, стоит в колонках и том самом вентиляторе. И — спойлер — оно неразрывно связано с электричеством.
Магнитное поле создаётся движущимися зарядами — током. Понять это просто: именно поэтому провода с током притягиваются, отталкиваются, а сами магниты — это упорядоченные токи внутри материала.
Поле изображают линиями: выходят из северного полюса, заходят в южный. Направление линий вокруг прямого провода — «правило буравчика»: как закручивается винт, так и поле вокруг провода с током.
Всунь правый большой палец по направлению тока — согнутые пальцы покажут, куда крутятся линии магнитного поля. Тот же фокус для катушки: пальцы по току в витках — большой палец показывает, где северный полюс.
Индукция B — «сила поля», сколько магнитной мощи в области. Единица — тесла (Тл). Для сравнения: поле бытового магнитика ~0,01 Тл, МРТ-томограф — до 3 Тл, нейтронная звезда — миллиарды Тл.
Магнитный поток — «сколько поля пронизывает площадку». Чем больше поле, чем больше площадка и чем «перпендикулярнее» линия — тем больше потока.
Провод с током в магнитном поле ощущает силу. Это физическая основа электродвигателя!
Направление силы даёт «правило левой руки»: линии поля входят в ладонь, четыре пальца по току — оттопыренный большой палец покажет направление силы Ампера.
Одиночный летящий заряд в поле искривляется по кругу (или по спирали). Именно так работают ускорители частиц и северное сияние!
Солнечный ветер (заряженные частицы) влетает в магнитное поле Земли. Сила Лоренца гонит частицы к полюсам по спиралям, и там они светятся, ударяясь об атмосферу. Классика применения силы Лоренца.
Рамка с током в магнитном поле поворачивается (сила Ампера), доходит до вертикали, инерция и щётки переключают ток, рамка крутится дальше. Цикл повторяется — получается вращение: стиральная машина, вентилятор, электромобиль.
Скорость заряда перпендикулярна полю — он движется по окружности:
Это формула рулит циклотронами и объясняет, почему магнитное поле — единственное, что может «держать» плазму в токамаках — будущее термоядерной энергетики.
Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости! Значит, она меняет только направление, а скорость (и кинетическую энергию) не трогает. Энергию заряду дают электрические поля, а не магнитные.