Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Силы Ампера и Лоренца
1. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции
В природе встречаются вещества, которые обладают свойством притягивать предметы, содержащие железо. Изделия из этих веществ (в виде стержней, подков и т. д.) были названы магнитами. Магнитными свойствами наряду с железом обладает также ряд других веществ, например кобальт, никель, сплавы, содержащие марганец и хром, и др.
У магнита любой формы есть два конца, называемых полюсами. Мы знаем, что стрелка компаса всегда устанавливается в определенном положении, причем полюс, обращенный на север, называется северным полюсом магнита и обозначается буквой N, а противоположный — южным и обозначается буквой S. Сколь бы малым мы ни сделали кусочек магнита, нельзя разделить северный и южный полюса.
Известно, что одноименные полюса магнита отталкиваются, разноименные — притягиваются. Вокруг магнита возникает магнитное поле, которое так же, как и электрическое, можно изобразить векторными линиями — линиями магнитной индукции.
Линии магнитной индукции — линии, касательная в каждой точке которой совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке. Направление вектора магнитной индукции показывает северный полюс магнитной стрелки.
На рисунке 17.1 показано поле постоянного магнита. Очевидно, что в магнитном поле на стрелку действует момент сил, устанавливающий ее определенным образом. На рисунке 17.2 изображено магнитное поле Земли. Можно считать, что Земля представляет собой огромный полосовой магнит, полюса которого находятся вблизи северного и южного географических полюсов Земли. По определению северного полюса магнитной стрелки, магнитный полюс Земли в Северном полушарии является южным магнитным полюсом, а соответственно в Южном полушарии — северным магнитным полюсом.
Как видно из рис. 17.2, географические полюса Земли не совпадают в точности с ее магнитными полюсами. Магнитная ось Земли, т. е. прямая, проходящая через магнитные полюса, не проходит через центр Земли.
Наряду с постоянными магнитами источником магнитного поля является электрический ток. Вблизи проводника, по которому идет ток, магнитная стрелка устанавливается определенным образом (рис. 17.3). Также было об-
наружено, что направленно движущийся в вакуумной трубке пучок электронов (катодные лучи, см. шаг 16) создает в окружающем пространстве магнитное поле: магнитная стрелка отклоняется, как только через трубку начинают направленно двигаться электроны.
Если диэлектрик поместить между обкладками конденсатора, заряд пластин которого периодически изменять на противоположный, то это вызовет смещение в диэлектрике связанных зарядов, диполи будут поворачиваться, и вслед за измене
нием направления электрического поля конденсатора будет изменяться поляризация диэлектрика. Опыты показали, что
и эти токи, определяемые смещением связанных зарядов, также вызывают появление магнитного поля.
Появление магнитного поля было экспериментально обнаружено даже
в том случае, если диэлектрика между пластинами нет, а электрическое поле
между ними изменяется во времени.
При резком торможении движущегося массивного проводника электроны по инерции будут направленно двигаться. Такой ток называется конвективным. Конвективный ток также вызывает магнитное поле.
Итак, можно сделать вывод, что любой направленно движущийся заряд, а также переменное во времени электрическое поле вызывают появление в пространстве магнитного поля.
Наряду с магнитными стрелками магнитное поле можно обнаружить с помощью проводников с током, на которые поле так же, как и на магнитную стрелку, оказывает ориентирующее действие. Поместим в магнитное
поле контур с током. Геометрические размеры контура должны быть настолько малы, чтобы в его пределах поле не изменялось. На контур с током в магнитном поле действует механический вращательный момент М. Отношение максимального вращательного момента Мтах, действующего на контур с током в магнитном поле, к произведению площади S, ограниченной контуром, и силы тока I в нем, есть величина постоянная:
Этим отношением определяется основная характеристика магнитного поля — вектор магнитной индукции В. Произведение IS называется магнитным моментом контура с током: рм = IS. Магнитный момент — векторная величина.
Направление вектора магнитного момента рм совпадает с направлением вектора магнитной индукции поля, создаваемого в центре контура идущим по нему током. Направление векторов В и рм определяется по правилу правого винта: если направление вращения винта совпадает с направлением тока в контуре, то его поступательное дви
жение укажет направление магнитной индукции поля и, соответственно, магнитного момента (рис. 17.4).
Величина магнитной индукции определяется максимальным вращательным моментом, действующим на контур с током, магнитный момент которого равен единице:
Единицей магнитной индукции в СИ является тесла (Тл). Тесла — это магнитная индукция однородного магнитного поля, которое действует с максимальным вращательным моментом 1 Н • м на контур с током, магнитный момент которого равен 1 А ■ м2.
Вектор магнитной индукции — экспериментально измеряемая величина, зависящая от токов, создающих поле, и свойств среды, в которой оно создано. Магнитное поле, как мы говорили, изображается линиями магнитной индукции.
Если вектор В во всех точках одинаков, то поле однородное. Однородное магнитное поле изображается параллельными линиями, отстоящими на равном расстоянии друг от друга. Направление линий магнитной индукции, создаваемой прямолинейным проводником с током, определяется по правилу правого винта (буравчика)', если направление поступательного движения винта совпадает с направлением тока, то направление вращения головки винта укажет направление линий магнитной индукции (рис. 17.5, а, б).
На рисунке 17.5, в показан еще один способ определения направления линий индукции магнитного поля — правило правой руки.
Проводник мысленно обхватывают правой рукой, при этом большой палец должен указывать направление тока. Тогда загнутые пальцы показывают направление линий магнитной индукции.