Линии магнитной индукции. Понятие о вихревом поле.

Как известно, магнитная стрелка, внесенная в магнитное ноле, поворачивается. Значит, на ее концы действуют магнитные силы, образующие пару сил (рис. 3, а). Когда стрелка установится неподвижно, эти силы должны быть направлены по одной прямой, вдоль которой расположена стрелка (рис. 3, б)

Э то означает, что с помощью магнитных стрелок можно определять расположение линий, вдоль которых магнитные силы действуют на магнитные стрелки.

Магнитное поле на схемах условно изображается магнитными силовыми линиями, которые с недавнего времени стали называть линиями индукции магнитного поля. Линией индукции магнитного поля называют такую линию, в каждой точке которой маленькие магнитные стрелки располагаются по касательной.

На практике картину расположения магнитных линий индукции в плоскости легко получить с помощью стальных опилок, так как каждая частица опилок, попав в магнитное поле, намагничивается и становится очень маленькой магнитной стрелкой, которая располагается вдоль линии индукции поля. На рис. 4 показан вид магнитного поля прямолинейного тока в плоскости, перпендикулярной к проводнику, полученный с помощью опилок и нескольких магнитных стрелок. Линии индукции считают направленными в ту сторону, в которую указывают северные полюсы стрелок, т. е. по часовой стрелке, если смотреть сверху (по направлению тока).

Через каждую точку пространства проходит только одна линия индукции, поэтому линии индукции нигде не пересекаются друг с другом.

Из рис.4 видно, что линии индукции магнитного поля замкнуты, т. е. не имеют ни начала, ни конца и всегда охватывают проводник с током. Это очень важное свойство линий индукции магнитного поля. Вспомним, что линии напряженности электрического поля имеют начало и конец на электрических зарядах (или в бесконечности). Поле, линии индукции которого всегда замкнуты, называется вихревым. В отличие от потенциального поля электрических зарядов, магнитное поле является вихревым.

Из всего изложенного выше можно сделать вывод, что магнитное поле и электрический ток всегда существуют совместно. В природе никогда не бывает магнитного поля без электрического тока и электрического тока без магнитного поля.

Магнитное поле прямолинейного тока, кругового тока и соленоида.

М агнитное поле проводника с током определяется силой и направлением тока, а также формой этого проводника.

М агнитные поля прямолинейных проводников с токами противоположных направлений схематически изображены на рис. 5. Как видно, эти поля отличаются только направлением линий индукции. Магнитное поле прямолинейного тока имеет вид концентрических окружностей, расположенных в плоскостях, пер­пендикулярных к проводнику. Направление линий индукции магнитного поля тока определяется правилом правого винта: если поступательное движение винта происходит по направлению тока в проводнике, то направление вращения головки винта показывает направление линий индукции магнитного поля.

Магнитное поле кругового тока показано на рис. 6. Направление линий индукции магнитного поля видно по положению магнитной стрелки. Оно определяется с помощью правила правого винта.

З аметим, что правило.правого винта для кругового тока можно использовать и по-другому: если вращать головку винта по направлению тока в контуре, то поступательное движение винта укажет направление линий индукции внутри контура.

М агнитное поле соленоида, представляющего собой катушку с током, показано на рис. 7, где видно, что внутри соленоида линии индукции параллельны и огибают его с наружной стороны. Направление линий индукции магнитного поля соленоида можно определить по правилу правого винта, как и для кругового тока.

Сила взаимодействия параллельных токов. Магнитная проницаемость среды.

Силы взаимодействия токов и магнитов в дальнейшем будем называть магнитными. Выясним, чем определяется сила взаимодействия двух параллельных токов (рис. 8). Если токи в проводниках I₁ и I₂ имеют одинаковые направления, то проводники притягиваются с равными по величине силами F₁ и F₂. Наличие этих сил объясняется тем, что второй проводник находится в магнитном поле первого проводника, которое и создает силу F₂. Очевидно, что сила F₁ в свою очередь создается магнитным полем второго проводника.

Изменяя силу тока в проводниках и расстояние а между ними, можно показать на опыте, что сила F, действующая на отрезок l длинного провода, прямо пропорциональна произведению сил токов, длине l и обратно пропорциональна расстоянию а:

*

Изменяя среду, в которой находятся проводники, можно установить, что сила F зависит от окружающей среды. Следовательно, коэффициент пропорциональности К зависит как от выбора единиц измерения, так и от среды. Для упрощения ряда формул этот коэффициент в СИ представляют в виде

Рис. 8

, и формула (*) принимает вид

**

Здесь μ_c по-прежнему определяется выбором единиц измерения и свойствами среды.

Величину μ_c, выражающую зависимость силы взаимодействия электрических токов от среды, называют магнитной проницаемостью среды.

Для силы взаимодействия токов в вакууме формулу (**) можно записать в виде

***

Здесь μ₀ называется магнитной постоянной; ее величина определяется выбором единиц измерения.

Если под F и F₀ подразумевать силы взаимодействия одних и тех же токов в какой-либо среде и в вакууме, то, разделив почленно (**) на (***), получим

****

где μ — относительная магнитная проницаемость среды — отвлеченное число. Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз сила взаимодействия токов в данной среде больше, чем в вакууме. Опыты показали, что среда может как усиливать взаимодействие токов, так и ослаблять его по сравнению с вакуумом. Поэтому величина μ может быть как больше, так и меньше единицы. Числовое значение μ определяют опытным путем и при расчетах берут из таблиц. Из (****) следует, что

*****