6. Магнитное поле в вакууме

6.1. Магнитные явления. Магнитное поле

Магнитные явления были впервые обнаружены и изучены на естественных и искусственных магнитах. В 1820 г. Эрстед открыл экспериментально, что электрические токи действуют на магниты. В опыте Эрстеда впервые была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями. Эрстед поместил над магнитной стрелкой прямолинейный провод (см. рис. 6.1), параллельный стрелке. Стрелка могла свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Рис. 6.1. Схема опыта Эрстеда

При пропускании по проводу электрического тока стрелка устанавливалась перпендикулярно к проводу. При изменении направления тока на противоположное стрелка поворачивалась на 180⁰. Если провод переносился вниз, стрелка также поворачивалась на 180⁰.

Действие электрического тока на постоянный магнит (магнитное действие) наблюдается во всех случаях независимо от природы проводника и является общим свойством тока.

Магнитное действие тока применяют для измерения силы тока посредством магнитоэлектрических приборов. В них легкая проволочная рамка, укрепленная на пружине, помещается между полюсами магнита. При протекании тока рамка поворачивается на угол, величина которого пропорциональна силе тока. Значит, подобно тому, как электрические токи действуют на магниты, сами магниты действуют на электрические токи. Приборы, показания которых зависят от силы тока, называются гальванометрами.

Также в 1820 г. Ампер изучал экспериментально взаимодействие электрических токов. Ампер изучал взаимодействие проволочных рамок с электрическим током. Было установлено, что взаимодействие проводников с током между собой подчиняется тем же закономерностям, что и взаимодействие магнитов с проводниками с током, а также взаимодействие магнитов друг с другом.

Магнитное взаимодействие отличается от электрического. Электрическое взаимодействие проводников определяется их зарядами, а магнитное – токами, текущими в проводниках. Если заряженное тело поместить внутрь замкнутой металлической оболочки, то заряды, расположенные вне оболочки, не действуют на это тело. Напротив, если проводник с током окружить металлической оболочкой, то магнитное взаимодействие этого проводника с другими проводниками с током или магнитами сохраняется.

Магнитное взаимодействие тел может осуществляться на расстоянии. Материальная среда, посредством которой происходит это взаимодействие, называется магнитным полем. Магнитное поле проявляется в том, что на движущиеся в нем заряды (токи) действуют силы.

Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Значит, магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной.

6.2. Магнитная индукция

Для исследования электрического поля можно использовать пробный электрический заряд, измеряя силу, действующую на заряд в каждой точке поля. Для исследования магнитного поля можно использовать пробный ток, текущий в плоском замкнутом контуре пренебрежимо малых размеров (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2. К определению понятия магнитного диполя

Направление единичной нормали к плоскости контура связано с направлением тока в контуре по правилу правого винта. Такой виток с током называется магнитным диполем. Основной характеристикой магнитного диполя служит вектор дипольного магнитного момента

(6.1)

где - площадь витка с током .

В системе СИ единица измерения величины дипольного магнитного момента – 1 А·м².

Из опыта следует, что магнитное поле в каждой точке оказывает ориентирующее действие на магнитный диполь, помещенный в ту же точку. Ориентация достигается за счет вращающего момента силы , действующего на диполь со стороны магнитного поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля служит вектор индукции . Магнитное поле в каждой точке устанавливает вектор дипольного момента в определенном направлении. Это направление принимается за направление вектора индукции магнитного поля в той же точке.

Согласно опыту, максимальный вращающий момент действует на магнитный диполь со стороны поля, если . В качестве модуля вектора магнитной индукции принимается величина, равная

(6.2)

Единица измерения магнитной индукции называется тесла (Тл). Однородное магнитное поле имеет индукцию в 1 Тл, если на магнитный диполь с моментом в 1 А·м² действует максимальный вращающий момент силы в 1 Н·м.

Опыт дает, что магнитное поле, как и электрическое, удовлетворяет принципу суперпозиции:

Поле , порождаемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме полей , порождаемых каждым зарядом (током) в отдельности:

(6.3)