Лекція 19. Магнітне поле електричного струму.

В 1820 р. Х.Ерстед відкрив магнітне поле електричного струму. При цьому поява магнітного поля супроводжувала будь-який рух заряджених точок : магнітне поле виникає навколо металевого провідника зі струмом (рух електронів у твердому тілі), біля ванни з електролітом, в якій протікає струм (рух іонів) і навіть в вакумі біля пучка катодних променів (рух електронів, що під дією термоелектронної емісії випромінюються катодом. При цьому магнітна стрілка (згадаємо :”пробний заряд” в електриці) завжди розташовується перпендикулярно струмові. Тоді ж А.Ампер встановив основні закони магнітної взаємодії струмів. Він застосував у фізиці новий термін – “молекулярні струми”, що протікають в твердих речовинах. Наявністю таких струмів Ампер пояснив магнітні властивості речовин. Пізніше було встановлено, що роль молекулярних струмів в твердих тілах виконують електрони, які постійно рухаються по кругових орбітах навколо ядер.

Магнітне поле – складова частина, „електромагнітного поля”, що є окремим видом матерії. Особливість магнітного поля проявляється в його механічному діянні лише на рухомі електричні заряди або на тіла, які мають магнітний момент, незалежно від того, рухаються вони чи ні. Джерелами магнітного поля є рухомі електричні заряди, наприклад, струм у провідниках. Магнітне поле пов’язане з електричним полем. Цей зв’язок проявляється в тому, що при зміні одного з них виникає друге. Магнітне поле, що існують навколо магнічених тіл, в тому числі й магнітів, спричиняються рухом електричних частинок, з яких складаються тіла (електронів, нуклонів). Основними характеристиками магнітного поля є вектор напруженості Н в заданій точці поля (у вакуумі) та вектор магнітної індукції В (при наявності середовища). Ці величини є силовими характеристиками діяння магнітного поля на певні магнітики або на контури з електричним струмом. Напруженість магнітного поля обчислюють в ерстедах (в СГСМ системні одиниці) і в („ампер на метр”) в МКСА системі одиниць). Напрям вектора Н магнітного поля, створюваного електричним струмом у провіднику або контурі, можна визначити за правилом гвинта. Для наочної характеристики магнітного поля запроваджено поняття про лінії напруженості магнітного поля або лінії магнітної індукції, що є кривими лініями, дотичні до яких в кожній точці збігаються відповідно з напрямами векторів Н або В. самі ж величини цих векторів виражають густиною ліній напруженості чи індукції, тобто кількістю відповідних ліній, які перетинають перпендикулярну до них площину в 1 см2 або в 1 м2. Основним законом магнітних явищ вважають Біо-Савара закон.

З іншого боку магнітне поле - це  форма  матерії,  через  яку  здійснюється взаємодія  між  рухомими  електрично зарядженими  частинками. Основні властивості магнітного поля, установлені експериментально:

1. Магнітне поле породжується електричним струмом (рухомими зарядами);

2. Магнітне поле виявляється за дією на струм (рухомі заряди).

Подібно до електричного поля магнітне поле існує реально, незалежно від нас, від наших знань про нього. Експериментальним доказом реальності магнітного поля, як і реальності електричного поля, є факт існування електромагнітних хвиль. Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику. А поле, створене другим струмом, діє на перший. Для дослідження магнітного поля, здавалося б, зручно взяти дуже малий  елемент струму, тобто малий відрізок тонкого провідника із струмом, подібно до того, як для дослідження електричного поля використовували невелике заряджене  тіло. Проте постійний струм у відрізку провідника не може існувати, бо будь-яке коло, по якому тече постійний струм, завжди замкнуте. Для вивчення магнітного поля найкраще взяти замкнутий контур малих розмірів (порівняно з відстанями, на яких магнітне поле помітно змінюється). Наприклад, можна взяти маленьку плоску дротяну рамку довільної форми. Провідники, що підводять струм, треба розмістити близько один до одного або сплести їх разом. Оскільки по цих провідниках тече однаковий струм, але в протилежних напрямах, результуюча сила, що діє з боку магнітного поля на ці провідники, дорівнює нулю.

Електричне поле характеризується векторною величиною — напруженістю електричного поля. Для характеристики магнітного поля треба ввести особливу фізичну величину. Ця величина називається вектором магнітної індукції і позна¬чається буквою В. Ми бачили, що в магнітному полі рамка із струмом на гнучкому підвісі, з боку якого не діють сили пружності, які заважають орієнтації рамки, повертається доти, поки не встановиться у певному положенні. З курсу фізики VII класу відомо, що так само поводить себе і магнітна стрілка. Стрілка — це маленький довгастий магніт з двома полюсами на кінцях— південним і північним. Орієнтуючу дію магнітного поля на магнітну стрілку чи рамку зі струмом можна використати для визначення напряму вектора магнітної ін¬дукції. За напрям вектора магнітної індукції, за означенням, беруть напрям  від південного полюса до північного  стрілки,  яка вільно установлюється в магнітному полі.  Цей напрям збігається з напрямом додатної нормалі до замкнутого контура із струмом. Додатна нормаль напрямлена у той бік, куди пересу-вається свердлик (правий гвинт), якщо його обертати у напрямі струму в рамці. Маючи рамку зі струмом або магнітну стрілку, можна ви¬значити напрям вектора магнітної індукції "в будь-якій точці поля.Напрям вектора магнітної індукції встановлюють за допомогою правила свердлика.

Правило свердлика (буравчика) формулюється так: якщо напрям поступального руху свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання ручки свердлика збігається з напрямом вектора магнітної індукції.

Напрям вектора індукції магнітного поля Землі визначаєкожний, хто орієнтується на місцевості за компасом.Однорідне магнітне поле не спричинює поступального руху рамки із струмом або магнітної стрілки. Згідно із законами механіки це означає, що сума сил, які діють на рамку або стрілку, дорівнює нулю. Але рамка не перебуває в рівновазі, якщо нормаль до рамки не збігається з напрямом вектора магнітної індукції. Це означає, що момент сил, які діють на рамку, не дорівнює нулю. Значення цього момента при заданій силі струму в рамці не є сталим. Воно залежить від орієнтації площини рамки від¬носно вектора В. Якщо площина рамки установилася перпенди¬кулярно до вектора магнітної індукції, момент сил дорівнює нулю.

Модулем вектора магнітної індукції нази¬вають відношення максимального момента сил, що діють на контур із струмом, до добут¬ку сили струму на площу контура.

Моментом сили називається добуток модуля сили на плече — перпендикуляр, опущений з осі на напрям сили. Моменти сил спричинюють обертання тіл. Магнітне поле діє на всі ділянки провідника із струмом. За¬кон, що визначає силу, яка діє на окрему ділянку провідника (елемент струму), в 1820 р. установив Ампер. Оскільки створити відокремлений елемент струму не можна, Ампер проводив досліди із замкнутими провідниками. Змінюючи форму провідників і їхнє розміщення, Ампер зумів установити вираз для сили, що діє на окремий елемент струму.

Закон Ампера. Нехай вектор В утворює з напрямом відрізка провідника із струмом (елементом струму) кут α. (За напрям еле¬мента струму беруть напрям, у якому по провіднику тече струм). Дослід показує, що магнітне поле, вектор індукції якого напрямлений уздож провідника із струмом, не діє на струм. Тому модуль сили залежить лише від модуля тієї складової вектора В,  яка  перпендикулярна  до  провідника,  тобто  від

В± = В sinα

і не зале¬жить від складової В, напрямленої вздовж провідника. Вираз для модуля сили F, що діє на малий відрізок провідника Δl, по якому тече струм I, з боку магнітного поля з індукцією В, що утворює з елементом струму кут α, має вигляд:

F = В|І| Δl sinα.

Цей вираз називають  законом Ампера.

Напрям сили Ампера. У розглянутому вище досліді вектор F перпендикулярний елементу струму і вектору В. Його напрям ви¬значають правилом лівої руки: якщо ліву руку розмістити так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора індукції В входила в долоню, а чо¬тири витягнутих пальці були напрямлені так само, як струм, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили, що діє на відрізок провідника.

Електричний струм — це сукупність заряджених частинок, які рухаються упорядковано. Тому дія магнітного поля на провідник із струмом є результат дії поля на рухомі заряджені частинки всередині провідника. Силу, що діє на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля, називають силою Лоренца.

Якщо ліву руку розмістити так, щоб складова магнітної індукції В, перпендикулярна до швидкості заряду, входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили Лоренца, що діє на заряд.