Магнитное поле

Были установлены два экспериментальных факта:

1) магнитное поле действует на движущиеся заряды;

2) движущиеся заряды создают магнитное поле.

Этим магнитное поле существенно отличается от электростатического, которое действует как на движущиеся, так и на неподвижные заряды.

Магнитное поле не действует на покоящиеся заряды.

Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток зависит от (1) формы проводника, по которому течет ток; от (2) расположения проводника и от (3) направления тока.

2. Рамка с током. Направление магнитного поля.

Аналогично тому, как при исследовании электростатического поля использовался точечный пробный заряд, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током), линейные 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 (правилом буравчика):

За положительное направление нормали принимается направление поступательного движения правого винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.

 

Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Это свойство используется для выбора направления магнитного поля.

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к свободно подвешенной рамке с током, или направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс (N) магнитной стрелки, помещенный в данную точку поля.

3. Вектор магнитной индукции.

Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки стоком и определяется векторным произведением:

,

где р_т - вектор магнитного момента рамки с током, В - вектор магнитной индукции - силовая характеристика магнитного поля. По определению векторного произведения скалярная величина момента:

где α -угол между векторами и .

Для плоского контура стоком I магнитный момент определяется:

где S - площадь поверхности контура (рамки), - единичный вектор нормали к поверхности рамки. В этом случае вращающий момент .

Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты,

но отношение для всех контуров одно и то же.

Аналогично тому, как силовая векторная характеристика электростатического поля - напряженность - определялась как сила, действующая на пробный заряд, силовая характеристика магнитного поля - магнитная индукция - определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

Графически магнитное поле, так же как электрическое, изображают с помощью линий магнитной индукции - линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током, в то время, как линии электростатического поля - разомкнуты (они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах).

4. Макротоки и микротоки.

В дальнейшем мы будем различать макроскопические токи, т.е. электрические токи, протекающие по проводникам в электрических цепях и микроскопические токи, обусловленных движением электронов в атомах и молекулах.

Намагниченность постоянных магнитов является следствием существованием в них микротоков.

Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее, упорядочивающее действие на эти микротоки. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле.

Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками.

Поэтому, при одном и том же макротоке, вектор в различных средах будет иметь разные значения.

Магнитное поле макротока описывается вектором напряженности

магнитного поля.

В среде магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков среды.

5. Связь между и .

Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции:

где _о - магнитная постоянная (см. п. 12), - магнитная прони­цаемость среды (п.39), безразмерная величина, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды.

6. Подобие векторных характеристик электростатического и магнитного полей.

Вектор магнитной индукции В - аналог вектора напряженности электро­статического поля Е. Эти величины определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды.

Аналогом вектора электрического смещения является вектор

напряженности магнитного поля.

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом.

7. Закон Био-Савара-Лапласа.

 

Элемент проводника dl с током I создает в некоторой точке А индукцию поля:

где - радиус-вектор, проведенный из элемента dl проводника в точку А.

Направление d перпендикулярно d и , и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Модуль вектора d определяется выражением:

где α- угол между векторами и .