Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд средством электрического поля, электрический ток действует на другой ток средством магнитного поля. Действие магнитного поля на неизменные магниты сводится к действию его на заряды, перемещающиеся в атомах вещества и создающие микроскопичные радиальные токи.
Учение об электромагнетизме основано на 2-ух положениях:
- магнитное поле действует на перемещающиеся заряды и токи;
- магнитное поле появляется вокруг токов и перемещающихся зарядов.
Взаимодействие магнитов
Неизменный магнит (либо магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который показывает на север, именуется северным полюсом (N), а обратный конец — южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются ( рис. 1 ).
Если поделить полюса, разрезав неизменный магнит на две части, то мы найдем, что любая из них тоже будет иметь два полюса, т. е. будет неизменным магнитом ( рис. 2 ). Оба полюса — северный и южный, — неотделимые друг от друга, равноправны.
Магнитное поле, создаваемое Землей либо неизменными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-нибудь магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем стальные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются — у каждой из них возникает северный и южный полюсы. Обратные полюсы стремятся сблизиться вместе, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие полосы магнитного поля.
На рис. 3 показано размещение в поле прямого магнита опилок и малеханьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.
Опыт Эрстэда. Магнитное поле тока
Сначала XIX в. датский ученый Эрстэд сделал принципиальное открытие, найдя действие электрического тока на неизменные магниты. Он расположил длиннющий провод поблизости магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему ( рис. 4 ). Это можно было разъяснить появлением вокруг проводника магнитного поля.
Магнитные силовые полосы поля, сделанного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, находящиеся в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток ( рис. 5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:
Если винт крутить по направлению линий поля, он будет двигаться в направлении тока в проводнике .
Силовой чертой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. В каждой точке он ориентирован по касательной к полосы поля. Полосы электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, а сила, действующая в этом поле на заряд, ориентирована по касательной к полосы в каждой ее точке. В отличие от электрического, полосы магнитного поля замкнуты, что связано с отсутствием в природе «магнитных зарядов».
Магнитное поле тока принципно ничем не отличается от поля, сделанного неизменным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длиннющий соленоид — катушка из провода, длина которой существенно больше ее поперечника. Схема линий сделанного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , подобна такой для плоского магнита ( рис. 3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдающего, обозначены крестиками, а токи обратного направления — к наблюдающему — обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа ( рис. 7 а, б).
Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля снутри него также связаны правилом правого винта, которое в данном случае формулируется так:
Если глядеть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток делает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта ( рис. 8 )
Исходя из этого правила, просто сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным — левый.
Магнитное поле снутри соленоида является однородным — вектор магнитной индукции имеет там неизменное значение (B = const). Тут соленоид подобен плоскому конденсатору, снутри которого создается однородное электрическое поле.
Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током
Опытным методом было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B.
Направление силы определяется правилом левой руки:
Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь — перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник ( рис. 9 ).
Необходимо подчеркнуть, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, ориентирована не по касательной к его силовым линиям, подобно электрической силе, а перпендикулярна им. На проводник, расположенный вдоль силовых линий, магнитная сила не действует.
Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.
Отношение не находится в зависимости от параметров проводника и охарактеризовывает само магнитное поле.
Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.
Направление вектора магнитной индукции это
В 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед свершил выдающееся открытие – магнитное действие электрического тока. Эстафету исследовательских работ и открытий в области электромагнетизма схватили французские Исследователи: Араго, Био, Савар, и, конечно, Андре Мари Ампер.
Направление силовых линий магнитного поля
Эрстед нашел, что если проводник установить вертикально и вокруг него расположить маленькие магнитные стрелки на подставках, то при прохождении тока в проводнике, стрелки оборотятся так, что полюс какой-то из них будет ориентирован на обратный полюс другой. Если стрелки на уровне мыслей соединить линией, проходящей через полюсы, то линия окажется замкнутой окружностью. Это наблюдение позволяет делать вывод о вихревом нраве магнитного поля вокруг проводника с током (рис. 1).
Рис. 1. Магнитное поле вокруг проводника с током
Сейчас поглядим, что будет, если поменять направление тока. Стрелки как и раньше образуют круг, но развернулись на 180 градусов. Означает, можно гласить о направлении вихрей, которые образуют магнитные полосы.
Исследуя этот парадокс, Ампер предложил считать за направление силовых линий направление от северного полюса магнита к южному полюсу. Это предложение позволяет связать между собой направление магнитных линий вокруг проводника с током и направление тока в проводнике.
Соединим нижний конец проводника с положительным полюсом источника (+), а верхний – с отрицательным (–). Таким макаром, мы знаем направление тока в проводнике. Замкнем цепь. Обратим внимание, как расположились стрелки. Сейчас, если обхватить проводник пальцами правой руки по полосы, соединяющей северный полюс одной стрелки с южным полюсом другой стрелки, то отставленный вдоль проводника большой палец будет как раз указывать направление тока – от плюса к минусу.
Наверняка, примерно так рассуждая, Андре-Мари Ампер предложил правило «правой руки» (рис. 2).
Если обхватить проводник правой рукою, направив отогнутый большой палец по направлению тока, то направление обхвата проводника покажет направление линий магнитного поля.
Рис. 2. Правило правой руки
Очередной метод определения связи направления тока и направления линий магнитного поля именуется правилом буравчика (рис. 3).
Если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление движения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля.
Рис. 3. Правило буравчика
Взаимодействие токов. Закон Ампера
Одним из следующих суровых шагов Ампера было открытие взаимодействия 2-ух параллельных проводников.
Ампер узнал, что два параллельных проводника с током притягиваются, если токи в них ориентированы в одном направлении, и отталкиваются, если тоги ориентированы в различных направлениях (рис. 4).
Рис. 4. Взаимодействие параллельных проводников
Таким макаром, превосходный гипотеза Ампера о том, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия электрических токов, высказанная Ампером в 1-ый же денек знакомства с опытами Эрстеда, подтвердилась экспериментально.
Это открытие позволило Амперу изучить силу взаимодействия токов и вывести узнаваемый закон (закон Ампера). В более ординарном случае он имеет вид:
,
Сила взаимодействия 2-ух параллельных проводников с токами пропорциональна величинам токов в простых отрезках и назад пропорциональна расстоянию между элементами проводников.
Закон Ампера в ординарном его виде для прямых однородных проводников позволяет установить единицу силы тока на базе прямых измерений. Вправду, измеряя силы взаимодействия проводников и зная расстояние между ними, мы можем точно найти величину тока в проводниках и таким макаром установить ток в один ампер.
Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам нескончаемой длины и ничтожно малой площади радиального поперечного сечения, размещенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10 −7 ньютона.
В формуле коэффициент k – коэффициент пропорциональности, численное значение которого находится в зависимости от выбора системы единиц. В СИ этот коэффициент имеет следующее выражение: (тут «мю нулевое» – это магнитная неизменная).
Магнитное поле радиального тока (виток с током)
Потом Ампер изучил, как будет вести себя проводник, скрученный в кольцо – виток. Оказалось, что виток с током ведет себя подобно магнитной стрелке (рис. 5).
Рис. 5. Виток с током
Это означает, что на виток с током в магнитном поле, скажем, между 2-мя полюсами магнита, будет действовать момент сил, стремящийся развернуть виток с током так, дабы его плоскость была перпендикулярна магнитным линиям. Опыт указывает, что угол разворота рамки с током находится в зависимости от величины тока в рамке и от самих магнитов, либо силы магнитного поля. Поэтому, таковой виток с током, либо как молвят, радиальный ток, можно применять для анализа силовых параметров магнитного поля (рис. 6).
Рис. 6. Рамка с током в магнитном поле
Вектор магнитной индукции
Разместим виток с током в пространстве между полюсами магнитов. Вращающий момент , действующий на виток с током, будет прямо пропорционален площади витка и величине тока, проходящего по витку, что следует из опытов. Выходит, что отношение момента сил, действующих на виток, к произведению площади витка на величину тока остается величиной неизменной для данной пары магнитов.
Поэтому, величина, равная этому отношению, охарактеризовывает не виток с током, а силовые характеристики той области места, где действует магнитное поле на виток с током.
Данная величина именуется магнитной индукцией. Разумеется, это векторная величина. Вектор магнитной индукции является касательной к каждой точке магнитных линий (рис. 7).
Рис. 7. Вектор магнитной индукции
Размерность этой величины: – Ньютон разделять на ампер, умноженный на метр. Её название – Тесла.
Вектор магнитной индукции – это силовая черта магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке места. Виток с током ведет себя в магнитном поле подобно стрелке, поэтому, у самого витка с током есть свое магнитное поле. Направление вектора магнитной индукции вдоль оси витка можно найти по правилу правой руки.
Если 4-мя пальцами правой руки обхватить виток так, дабы пальцы указывали направление тока в витке, то отставленный на 90 градусов большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.
Величина вектора магнитной индукции в центре витка с током будет определяться только величиной тока и размерами самого витка
.
В заключение разглядим систему из нескольких витков – катушку, либо, как еще ее именуют, соленоид (рис. 8).
Броско то, что снутри соленоида магнитные полосы будут параллельными и прямыми линиями. Означает, магнитные полосы будут совпадать с вектором магнитной индукции. При всем этом значение модуля вектора магнитной индукции снутри соленоида будет одинаковым. Такое поле, как мы помним из электростатики, именуется однородным. Таким макаром, снутри катушки с током, либо, как молвят, соленоида, магнитное поле однородно.
Модуль вектора магнитной индукции будет зависеть не только лишь от величины тока, но и от числа витков и длины соленоида .
