Сторінка
1

Магнітне поле

В 1820 р. Х.Ерстед відкрив магнітне поле електричного струму. При цьому поява магнітного поля супроводжувала будь-який рух заряджених точок : магнітне поле виникає навколо металевого провідника зі струмом (рух електронів у твердому тілі), біля ванни з електролітом, в якій протікає струм (рух іонів) і навіть в вакумі біля пучка катодних променів (рух електронів, що під дією термоелектронної емісії випромінюються катодом. При цьому магнітна стрілка (згадаємо :”пробний заряд” в електриці) завжди розташовується перпендикулярно струмові.

Тоді ж А.Ампер встановив основні закони магнітної взаємодії струмів. Він застосував у фізиці новий термін – “молекулярні струми”, що протікають в твердих речовинах. Наявністю таких струмів Ампер пояснив магнітні властивості речовин. Пізніше було встановлено, що роль молекулярних струмів в твердих тілах виконують електрони, які постійно рухаються по кругових орбітах навколо ядер.

Магнітне поле – складова частина, „електромагнітного поля”, що є окремим видом матерії. Особливість магнітного поля проявляється в його механічному діянні лише на рухомі електричні заряди або на тіла, які мають магнітний момент, незалежно від того, рухаються вони чи ні. Джерелами магнітного поля є рухомі електричні заряди, наприклад, струм у провідниках. Магнітне поле пов’язане з електричним полем. Цей зв’язок проявляється в тому, що при зміні одного з них виникає друге. Магнітне поле, що існують навколо магнічених тіл, в тому числі й магнітів, спричиняються рухом електричних частинок, з яких складаються тіла (електронів, нуклонів). Основними характеристиками магнітного поля є вектор напруженості Н в заданій точці поля (у вакуумі) та вектор магнітної індукції В (при наявності середовища). Ці величини є силовими характеристиками діяння магнітного поля на певні магнітики або на контури з електричним струмом. Напруженість магнітного поля обчислюють в ерстедах (в СГСМ системні одиниці) і в („ампер на метр”) в МКСА системі одиниць). Напрям вектора Н магнітного поля, створюваного електричним струмом у провіднику або контурі, можна визначити за правилом гвинта. Для наочної характеристики магнітного поля запроваджено поняття про лінії напруженості магнітного поля або лінії магнітної індукції, що є кривими лініями, дотичні до яких в кожній точці збігаються відповідно з напрямами векторів Н або В. самі ж величини цих векторів виражають густиною ліній напруженості чи індукції, тобто кількістю відповідних ліній, які перетинають перпендикулярну до них площину в 1 см2 або в 1 м2. Основним законом магнітних явищ вважають Біо-Савара закон.

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції В, який можна визначити за допомогою пробної прямокутної рамки КLNР із струмом І1 (рис.1). Проведемо через точку А (центр рамки) додатну нормаль п до площини, в якій лежить контур рамки. Додатний напрям нормалі збігається з поступальним рухом свердлика, якщо його рукоятку обертати в напрямі струму І1 у рамці. Нехай на ділянці КL струм І1 збігається за напрямом із струмом І, на ділянці NP – протилежний.

Магнітні поля обох струмів І й І1 взаємодіють, і, якщо дати можливість рамці повертатися відносно вертикальної осі, то вона встановиться так, що площина контуру КLNР суміститься з площиною, в якій лежить прямолінійний провідник із струмом І.

Магнітним моментом Рт замкнутого струму називається векторна фізична величина в напрямі додатної нормалі, яка вимірюється добутком величини струму в контурі на площу, яку охоплює цей контур, тобто Рт = І1 S де, де S —площа контура рамки. На рамку із струмом діє також механічний обертальний момент М пари сил. Вектор М має напрям вертикальної осі рамки і буде максимальний Мmax, якщо радіус-вектор r перпендикулярний до площини контура рамки. Усі досліди показують, що при r = const відношення — залишається незмінним.

Магнітна індукція визначається відношенням максимальної величини обертального механічного моменту рамки із струмом до її магнітного моменту: .

Магнітна індукція є величина векторна. Вектор та Рт мають напрям додатної нормалі п, якщо рамка перебуває в стані рівноваги М = 0.

Лініями магнітної індукції називають криві, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямом вектора В в цих точках поля. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті й охоплюють провідник із струмом. Для визначення напряму ліній магнітної індукції можна скористатися правилом свердлика:

якщо свердлик повертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму І, то обертальний рух рукоятки покаже напрям ліній магнітної індукції (рис. 2). Зручне також і правило обхвату правою рукою: якщо великий палець правої руки спрямувати в напрямі струму, а рештою пальців обхопити провідник із струмом, то вони вкажуть напрям ліній магнітної індукції (і вектора В). Для наочного зображення магнітного поля використовують магнітні стрілки або залізні ошурки (рис. 3).