3.4. Магнитное поле

Также как вокруг электрических зарядов, возникает электрическое поле, так и вокруг токов или постоянных магнитов, возникает магнитное поле. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты.

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Магнитное поле действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды или на токи. Напомним – ток это направленное движение носителей заряда.

Характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы и от расположения проводника, по которому течет ток, и от направления тока.

Аналогично тому, как при исследовании электростатического поля использовались точечные ( пробные) заряды, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током). При этом линейные размеры рамки с током малы, по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле.

Опыты показывают, что магнитное поле оказывает на рамку с током силовое действие, поворачивая её. Ориентация контура в пространстве определяется направлением нормали к контуру, которая определятся правилом правого винта. За положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке.

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке.

Рамкой с током можно воспользоваться для количественного описания магнитного поля. Так как рамка с током испытывает ориентирующее действие поля, то на нее в магнитном поле действует пара сил. Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки и определяется формулой

М = [p_mB],

р_m — вектор магнитного момента рамки с током, В — вектор магнитной индукции, количественная характеристика магнитного поля.

Для плоского контура с током

р_m=ISn,

где S — площадь поверхности контура (рамки), n — единичный вектор нормали к поверхности рамки.

Направление р_m совпадает с направлением положительной нормали.

Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты, однако отношение М_макс/ р_m для всех контуров одно и то же и поэтому может служить характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией:

В= М_макс/ р_m.

Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля. (1Тл) магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 Н на 1 м длины проводника, расположенного перпендикулярно направлению поля с силой тока в 1 А:

В=.

Вектор В может быть выведен также из закона Ампера и из выражения для силы Лоренца.

Так как магнитное поле является силовым, то его изображают с помощью линии магнитной индукции — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В.

Их направление задается правилом правого винта: головка винта, ввинчивается по направлению тока. Направление вращения головки совпадает с направлением силовых линий магнитной индукции.

Опыты показали, что, разрезая магнит на части, его полюсы разделить нельзя. Это значит что в отличие от электрических зарядов свободные магнитные “заряды” не существуют, точнее пока не наблюдались, поэтому линии магнитной индукции не могут обрываться на полюсах.

Внутри постоянных магнитов имеется магнитное поле, аналогичное полю внутри соленоида. Линии магнитной индукции магнитного поля постоянных магнитов являются замкнутыми.

Магнитное поле вихревое. Линии магнитной индукции замкнуты и охватывают проводники с током. Для сравнения напомним, что линии напряженности электростатического поля являются разомкнутыми - начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных.

Ампер считал что, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах. Эти микроскопические (элементарные) токи создают своё магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков.

Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками вектор В в различных средах будет иметь разные значения.

Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности Н. Для однородной изотропной среды:

В=mm₀Н (А/м),

где m_о — магнитная постоянная, 4 p 10^-7 (Н/м²), m— безразмерная величина — магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды.

Сравнивая векторные характеристики электростатического (Е и D) и магнитного (В и Н) полей, видим, что аналогом вектора напряженности электростатического поля Е является вектор магнитной индукции В, так как векторы Е и В определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды.

Аналогом вектора электрического смещения D является вектор напряженности Н магнитного поля.

Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось французскими учеными Ж. Био и Ф. Саваром. Результаты этих опытов были обобщены выдающимся французским математиком и физиком П. Лапласом.