Тема 3. Магнітне поле. Електромагнітна індукція

3.1. Магнітне поле і його характеристики. Закон ампера

План лекції

3.1.1. Магнітне поле і його характеристики

3.1.2. Для магнітного поля на електричний струм. Сила Ампера

3.1.3. Магнітне поле постійного електричного струму. Закон Біо – Савара – Лапласа

3.1.4. Взаємодія двох прямих струмів

3.1.1. Магнітне поле і його характеристики

Датський фізик Ерстед помітив, що магнітна стрілка, розміщена поблизу провідника з струмом, відхиляється від початко­вого стану. Дослідження показали, що стрілка повертається і нама­гається розміститися так, щоб її вісь була перпендикулярна до провідника (рис. 3.1). Із зміною напряму струму змінюється і напрям повертання магнітної стрілки.

Рис. 3.1. Дія провідника зі струмом на магнітну стрілку

Відкриття Ерстеда мало принципове значення в розвитку науки. Воно вказувало на існування суттєвих зв'язків між електричними і магнітними явищами, а також на існування вихрового магнітного моля і пондеромоторних сил, відмінних від центральних сил притя­гання й відштовхування.

Пізніші дослідження показали, що при заміні металевого провід­ника з струмом відповідним струмом в електролітичній або газо­розрядній трубці останні проявляють на магнітну стрілку таку саму дію. А.Ф. Йоффе експериментальне показав, що таку саму дію мл магнітну стрілку спричинює електронний пучок, а О.О. Ейхенвальд встановив, що таку дію проявляє всяке рухоме заряджене тіло. Усі ці досліди стверджують, що навколо будь-якого електричного струму (рухомої зарядженої частинки) нерозривно існує магнітне поле, яке виявляється за впливом на магнітну стрілку.

Магнітне поле є вид матерії. Воно виявляється за дією на магнітну стрілку, провідник із струмом; воно намагнічує, деформує і змінює електричний опір тіл тощо.

Силовою характеристикою магнітного поля в кожній точці є вектор магнітної індукції . Напрям і величину вектора індукції визначають за дією магнітного поля на магнітну стрілку та провідник із струмом.

За напрям вектора магнітної індукції в заданій точці поля приймають напрям вектора сили, з якою поле діє на північний полюс нескінченно малої магнітної стрілки, розміщеної в цій точці. Звичайно для графічного зображення магнітного поля користую­ться лініями магнітної індукції.

Лініями магнітної індукції називають криві, дотичні, до яких у кожній точці збігаються з напрямом вектора в цих точках поля. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті й охоп­люють провідник із струмом. Для визначення напря­му ліній магнітної індукції користуються правилом свердлика: якщо свердлик повертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму І, то обертальний рух рукоятки покаже напрям ліній магнітної індукції (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Правило свердлика

3.1.2. Дія магнітного поля на електричний струм. Сила ампера

Якщо в магнітне поле внести провідник із струмом, то на нього діятиме сила (сила Ампера).

Експериментально Ампер встановив, що сила F_A, яка діє на прямо­лінійний провідник із струмом, що перебуває в однорідному магніт­ному полі, прямо пропорційна силі струму I, довжині провідника l, магнітній індукції В і синусові кута між напрямом струму і вектором В, тобто:

. (3.1.)

Коли магнітне поле неоднорідне, його можна розділити на об­ласті, в яких магнітне поле можна вважати однорідним, а елемент dl - прямолінійним. Тоді закон Ампера запишемо так:

. (3.2)

Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки розмістити так, щоб лінії індукції В входили в долоню, а витягнуті пальці показували напрям струму І, то відхилений великий палець покаже напрям сили Ампера. З формули (3.2) можна встановити зміст і одиницю магнітної індукції В. Якщо

то:

, (3.3)

тобто магнітна індукція вимірюється силою, з якою магнітне поле діє на одиницю довжини провідника, по якому проходить одиничний струм. Отже, вектор є силовою характеристикою магнітного поля. Одиниця В у СІ дорівнює 1 Тл (тесла).