Магнитное поле. Магнитные явления были известны еще в древнем мире

Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. Он появился в Европе приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло современное представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда(1820 г.). Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку. В том же году французский физик А. Ампернаблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов.

По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Источниками магнитного поля являютсядвижущиеся электрические заряды (токи).Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле.Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).

Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Однако опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов в природе не существует.

Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического поля, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи).

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Вектор магнитной индукции определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора . Такое исследование позволяет представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям вектора напряженности в электростатике, можно строить силовые линии магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен по касательной к силовой линии (рис. 13.1).

Рис. 13.1

Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов.Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми. Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.

Кроме маленькой магнитной стрелки, 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 (рис. 13.2).

Рис. 13.2

Опыты показывают, что, также как и на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирую­щее действие, поворачивая ее так, что направление нормали совпадает с направлением вектора ,как показано на рис. 13.2. Механический вращательный момент , действующий на рамку с током площадью , в однородном магнитном поле

, , (13.1)

где

(13.2)

- магнитный момент рамки, – угол между векторами и .

Кроме вектора магнитной индукции , магнитное поле характеризуется вектором напряженности . Связь между индукцией и напряженностьюмагнитного полядается формулой

, (13.3)

где ·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная вакуума, - относительная магнитная проницаемость вещества. Единица измерения магнитной индукции – 1 Тл, единица измерения напряженностимагнитного поля -1А/м.

Для магнитного поля, также как и для электрического поля, справедлив принцип суперпозиции:

. (13.4)

Магнитная индукция результирую­щего поля, создаваемого несколькими то­ками или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каж­дым током или движущимся зарядом в от­дельности.