Магнитное поле и его характеристики

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что проводник с током вызывает появление сил, действующих на магнитную стрелку. Если заменить металлическую проволоку стеклянной трубкой, наполненной каким-либо проводящим раствором, например раствором серной кислоты в воде, и присоединить проводящий столб раствора при помощи металлических проволок, опущенных в него, к полюсам источника тока, то магнитная стрелка также отклоняется. Отклонение стрелки наблюдается и в том случае, если вместо проволоки использовать газоразрядную трубку, питаемую постоянным током. Магнитное действие тока наблюдается во всех случаях независимо от природы проводника и является самым общим признаком тока. Существует и обратное явление: магниты действуют на токи. А в 1820 г. Ампером было открыто взаимодействие токов.

Опыты показывают, что взаимодействие контуров с током подобно действию токов на магниты и действию магнитов на токи, поэтому взаимодействие проводников с током назвали магнитным взаимодействием токов. Причина возникновения сил магнитного взаимодействия заключается в появлении вокруг проводников с током магнитного поля. Основное свойство магнитного поля заключается в том, что на проводники с током в магнитном поле действуют силы.

Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, то отсюда следует, что магнитное поле создается движущимися зарядами.

В опыте Эрстеда проволока, по которой протекал ток, была натянута над магнитной стрелкой, вращающейся на игле. При включении тока стрелка устанавливалась перпендикулярно к проволоке. Изменение направления тока заставляло стрелку повернуться в противоположную сторону. Из этих примеров следует, что магнитное поле имеет направленный характер и может быть охарактеризовано некоторой векторной величиной, которую обозначают и называют магнитной индукцией.

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции, т.е. индукция результирующего магнитного поля нескольких токов равна векторной сумме магнитных индукций полей отдельных токов:

= . (21.1)

Подобно тому, как при исследовании электростатического поля использовались точечные заряды, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к контуру. В качестве положительного направления нормали принимается направление, связанное с током правилом правого винта, т. е. за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке (рисунок 27).

Опыты показывают, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Этот результат связывается с определенным направлением магнитного поля. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке (рисунок 28). За направление индукции магнитного поля также принимают направление, совпадающее с направлением силы, которая действует на северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку (рисунок 28). Если контур повернуть так, чтобы направления нормали и поля не совпадали, возникает вращающий момент, стремящийся вернуть контур в равновесное положение. Модуль момента зависит от угла a между нормалью и направлением поля, достигая максимального значения М_max при a = p/2 (в этом случае ^ ); при a = 0 имеем ­­ , и момент равен нулю, как в случае на рисунке 28.

Поведение плоских контуров с током в магнитном поле удобно характеризовать с помощью вектора магнитного момента рамки с током:

= IS , (21.2)

где I – сила тока в контуре, S – его площадь, - положительная нормаль к контуру.

Единицей магнитного момента является ампер умноженный на квадратный метр (А×м²).

Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты, однако отношение М_max/р_m при фиксированном a для всех контуров оказывается одним и тем же. Поэтому отношение М_max/р_m может служить характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией:

В = . (21.3)

Итак, магнитная индукция есть векторная величина, модуль которой определяется выражением (21.3), а направление задается равновесным положением положительной нормали к контуру с током. Единица измерения величины магнитной индукции – тесла (Тл) равна магнитной индукции однородного поля, в котором на плоский контур с током, имеющим магнитный момент 1 А×м², действует максимальный вращающий момент 1 Н×м.

Рамкой с током можно воспользоваться также и для количественного описания магнитного поля. Так как рамка с током испытывает ориентирующее действие поля, то на нее в магнитном поле действует пара сил. Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки:

= . (21.4)

где - вектор магнитной индукции, являющейся количественной характеристикой магнитного поля, - вектор магнитного момента рамки с током.

Для графического изображения магнитного поля часто используют понятие силовых линий. Линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора , называют силовыми линиями магнитной индукции (линиями магнитной индукции). Величина магнитной индукции, пропорциональна числу силовых линий, пересекающих единицу площади.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током, поэтому магнитное поле называют вихревым полем. Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые являются разомкнутыми (начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах или уходят в бесконечность).