Возьмем две одинаковые катушки, сделанные из металлических проводов, и подвесим так, чтобы их можно было включать в цепь, а их оси располагались на одной прямой (рисунок 1). Пропустив по катушкам токи одинакового направления, мы обнаружим, что катушки притягиваются (рисунок 1, а ). Если же создать в катушках токи противоположного направления, то они будут отталкиваться (рисунок 1, б ). Такое взаимодействие получается и между прямолинейными проводниками, расположенными параллельно.
Рисунок 1. а ) Проводники с токами одинакового направления притягиваются; б ) Проводники с токами противоположного направления отталкиваются
Итак, токи одинакового направления притягиваются, а противоположного – отталкиваются.
Следовательно, когда проводники с токами находятся на некотором расстоянии друг от друга, между ними существует взаимодействие, которое нельзя объяснить наличием электрического поля между ними, поскольку проводники при прохождении по ним тока остаются практически нейтральными. Это означает, что вокруг любого проводника с токами имеется какое-то другое поле, отличное от электрического, поскольку оно не действует на неподвижные заряды.
Условимся называть поле, посредством которого осуществляется взаимодействие , расположенных на расстоянии, .
Опыт показал, что магнитное поле создается либо движущимися электрическими зарядами, либо переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряды.
Итак, чтобы обнаружить магнитное поле в какой-либо области пространства, необходимо внести в эту область проводник с током или какие-либо другие движущиеся заряды. Впервые магнитное поле вокруг проводников с токами опытным путем обнаружил датский физик Ганс Эрстед в 1820 г.
Магнитные поля различных токов при наложении могут как усиливать, так и ослаблять друг друга. Покажем это на опыте. Если связать вместе две одинаковые катушки и создать в них токи противоположного направления (рисунок 2, а слева), то их общее поле становится настолько слабым, что не будет производить заметного действия на третью катушку с током. Это объясняет, почему нет магнитного поля вокруг шнура, сплетенного из двух проводов с токами противоположного направления. Если же в связанных катушках создать токи одинакового направления, то их действие на третью катушку заметно усиливается (рисунок 2, б ) по сравнению с опытом, описанным выше. Итак, усиление магнитного поля можно получить наложением магнитных полей токов одинакового направления, а ослабление поля – наложением полей токов противоположного направления.
Рисунок 2. а ) Магнитные поля токов противоположного направления ослабляют друг друга; б ) Магнитные поля токов одинакового направления усиливают друг друга
Если катушки перед началом опыта расположить так, чтобы их оси были не на одной прямой, то при включении в них тока катушки сами поворачиваются так, что токи в них текут в одинаковом направлении, и затем притягиваются друг к другу. В результате магнитное поле в окружающем пространстве усиливается.
Видео 1. Виток и катушка с током
Опыт показывает, что проводники, по которым текут электрические токи, взаимодействуют друг с другом. Так, например, два тонких прямолинейных параллельных проводника притягиваются друг к другу, если направления протекающих в них токов совпадают, и отталкиваются, если направления токов противоположны (рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие параллельных проводников с током.
Определяемая экспериментально сила взаимодействия проводников, отнесенная к единице длины проводника (т.е., действующая на 1м проводника) вычисляется по формуле:
,
где
и 
–
силы токов в проводниках, 
– расстояние между ними в системе СИ,
- так называемая, магнитная постоянная
(
).
Связь
между электрической
и магнитной
постоянными
определяется соотношением:
где
=
3·10 8
м/с
– скорость света в вакууме.
На
основании эмпирической формулы для 
установлена
единица
силы тока в системе СИ – Ампер (А)
.
Ампер – сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает силу взаимодействия между ними, равную 2·10 -7 Н на 1 м длины.
Итак, при протекании электрического тока по проводнику в окружающем его пространстве происходят какие-то изменения, что заставляет проводники с током взаимодействовать, а магнитную стрелку вблизи проводника с током поворачиваться. Таким образом, мы пришли к выводу, что взаимодействие между магнитами, проводником и током, между проводниками с током осуществляется посредством материальной среды, получившей название магнитного поля. Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер , поскольку угол поворота стрелки зависит от величины и направления протекающего тока. Это подтверждается также и опытами по взаимодействию проводников с током.
1.3. Индукция магнитного поля
Рассмотрим взаимодействие прямого проводника с током с магнитным полем подковообразного магнита. В зависимости от направления тока проводник втягивается или выталкивается из магнита (рис. 3).
Рис. 3. Взаимодействие прямого проводника с током с магнитным полем подковообразного магнита.
Мы
пришли к заключению, что на проводник
с током, помещенный в магнитное поле,
действует сила. Причем эта сила зависит
от длины проводника и величины протекающего
по нему тока, а также от его ориентации
в пространстве. Можно найти такое
положение проводника в магнитном поле,
когда эта сила
будет
максимальной.
Это и позволяет ввести понятие силовой
характеристики магнитного поля.
Силовой характеристикой магнитного поля является физическая величина, определяемая в данном случае как
,
Она
получила название индукции
магнитного поля
.
Здесь
- максимальная сила, действующая на
проводник с током
в магнитном поле,
-
длина проводника,
-
сила тока в нем.
тесла
.
1 Тл – индукция такого магнитного поля, которое действует с силой 1 Н на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно направлению поля, если по проводнику течет ток 1 А:
1 Тл=1 Н/(А·м).
Индукция
магнитного поля – величина векторная.
Направление вектора
магнитной индукции
в нашем случае связано с направлениями
и
правилом
левой руки
(рис.
4):
если
вытянутые пальцы направить по направлению
тока в проводнике,
а силовые линии
магнитного поля будут входить в ладонь,
то отогнутый большой палец укажет
направление силы
,
действующей
на проводник с током со стороны магнитного
поля.
Рис. 4. Правило левой руки
Численноезначение
вектора
можно
определить и через момент сил, действующих
на рамку с током в магнитном поле:
,
-
максимальный вращательный момент,
действующий на рамку
с током в магнитном
поле,
-
площадь рамки,
-
сила тока в ней.
За
направление вектора
Единица
измерения вектора магнитной индукции
– тесла
.
За
направление вектора
в
этом случае (рис. 5) принимается направление
нормали
к
плоскости витка, выбранное так, чтобы,
глядя навстречу
,
ток по витку протекал бы против часовой
стрелки.
Рис. 5. Ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током.
Силовые
линии магнитного поля
(линии
индукции магнитного поля
)
– это линии, в каждой точке которых
вектор
направлен
по касательной к ним.
Модуль магнитной индукции пропорционален густоте силовых линий, т.е. числу линий, пересекающих поверхность единичной площади, перпендикулярную этим линиям.
В таблице 1 приведены картины силовых линий для различных магнитных полей.
Так, например, направление линий магнитной индукции прямого провода с током определяется по правилу буравчика (или «правого винта») :
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
Таким образом, силовые линии магнитного поля бесконечного прямого проводника с током представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. С увеличением радиуса r окружности модуль вектора индукции магнитного поля уменьшается.
Для постоянного магнита за направление силовых линий магнитного поля принято направление от северного полюса магнита N к южному S.
Картина линий индукции магнитного поля для соленоида поразительно похожа на картину линий индукции магнитного поля для постоянного магнита. Это навело на мысль о том, что внутри магнита имеется много маленьких контуров с током. Соленоид тоже состоит из таких контуров – витков. Отсюда и сходство магнитных полей.
Таблица 1
Силовые линии магнитного поля
Таблица 1 (продолжение)
Принцип
суперпозиции для вектора
:
результирующая индукция поля в некоторой
точке равна векторной сумме индукций
отдельных полей:
.
Важная особенность линий магнитной индукции – они не имеют ни начала, ни конца, т.е. линии магнитной индукции всегда замкнуты . Этим магнитное поле отличается от электростатического. Его силовые линии имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле – вихревое поле . Замкнутость линий магнитной индукции – фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитных зарядов в природе нет . Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды .
Взаимодействие движущихся зарядов. Действие движущихся зарядов (электрических токов) друг на друга отличается от кулоновского взаимодействия неподвижных зарядов.
Взаимодействие движущихся зарядов называется магнитным.
Примеры проявления магнитного взаимодействия:
* притяжение или отталкивание двух параллельных проводников с током;
* магнетизм некоторых веществ, например, магнитный железняк, из которых изготавливаются постоянные магниты; поворот легкой стрелки, сделанной из магнитного материала, вблизи проводника с током
* вращение рамки с током в магнитном поле.
*
Магнитное взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля.
Магнитное поле - особая форма существования материи.
Свойства магнитного поля:
* порождается движущимися зарядами (электрическим током) или переменным электрическим полем;
* обнаруживается по действию на электрический ток или магнитную стрелку.
Вектор магнитной индукции. Опыты показывают, что магнитное поле производит на контур с током и магнитную стрелку ориентирующее действие, вынуждая их устанавливаться в определенном направлении. Поэтому для характеристики магнитного поля должна быть использована величина, направление которой связано с ориентацией контура с током или магнитной стрелки в магнитном поле. Эта величина называется вектором магнитной индукции В.
За направление вектора магнитной индукции принимается:
* направление положительной нормали к плоскости контура с током,
* направление северного полюса магнитной стрелки, помещенной в магнитное поле.
Модуль вектора В равен отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с током в данной точке поля, к произведению силы тока I и площади контура S.
В = Мmах/(I·S). (1)
Вращающий момент М зависит от свойств поля и определяется произведением I·S.
Значение вектора магнитной индукции, определяемое по формуле (1), зависит только от свойств поля.
Единица измерения В - 1 Тесла.
Графическое изображение магнитных полей. Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля). Линией магнитной индукции называют линию, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Линии магнитной индукции - замкнутые линии.
Примеры магнитных полей:
1. Прямолинейный проводник с током
Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике.
2. Круговой ток
Направление вектора магнитной индукции связано с направлением ток в контуре правилом правого винта.
3. Соленоид с током
Внутри длинного соленоида с током магнитное поле является однородным и линии магнитной индукции параллельны между собой. Направление В и направление тока в витках соленоида связаны правилом правого винта
Принцип суперпозиции полей. Если в какой-либо области пространства происходит наложение нескольких магнитных полей, то вектор магнитной индукции результирующего поля, равен векторной сумме индукций отдельных полей:
B = SBi
Открытие Ф.Араго заинтересовало его соотечественника А.Ампера (1775-1836), и он провёл опыты с параллельными проводниками с токами и обнаружил их взаимодействие (см. рисунок). Ампер показал, что если в проводниках идут токи одинаковых направлений, то такие проводники притягиваются друг к другу (левая часть рисунка). В случае же токов противоположных направлений, их проводники отталкиваются (правая часть рисунка). Как же объяснить такие результаты?
Во-первых, нужно было догадаться, что в пространстве, которое окружает постоянные токи и постоянные магниты, возникают силовые поля, называемые магнитными. Для их графического представления изображают силовые линии – это такие линии, в каждой точке которых магнитная стрелка, помещённая в поле, располагается по касательной к этой линии. Эти линии изображают более «густыми» или более «редкими» в зависимости от значения силы, действующей со стороны магнитного поля.
Во-вторых, нужно было проделать опыты и понять, что силовые линии прямого проводника с током представляют собой концентрические (расходящиеся от общего центра) окружности. Силовые линии можно «увидеть», если проводники пропустить сквозь стекло, на которое насыпать мелкие железные опилки. Более того, нужно было догадаться «приписать» силовым линиям определённое направление в зависимости от направления тока в проводнике. То есть ввести в физику «правило буравчика» или, что то же самое, «правило правой руки», см. рисунок ниже.
В-третьих, нужно было проделать опыты и ввести в физику «правило левой руки», чтобы определять направление силы, действующей на проводник с током, помещённый в магнитное поле, расположение и направление силовых линий которого известно. И лишь после этого, дважды воспользовавшись правилом правой руки и четырежды правилом левой руки, можно было объяснить опыт Ампера.
Силовые линии полей параллельных проводников с током представляют собой концентрические окружности «расходящиеся» вокруг каждого проводника, в том числе туда, где находится второй проводник. Поэтому на него действует магнитное поле, созданное первым проводником, и наоборот: магнитное поле, созданное вторым проводником, достигает первого и действует на него. Направление силовых линий определяется про правилу правой руки, а направление воздействия на проводник – по правилу левой руки.
Остальные, ранее рассмотренные опыты, объясняются аналогично: вокруг магнитов или проводников с током существует магнитное поле, по расположению силовых линий которого можно судить о направлении и величине магнитного поля, а также о том, как оно действует на проводники.
(C) 2011. «Физика.ru» при участии Краюхиной Т.Е. (Нижегородская обл., г. Сергач)
Электрические и магнитные явления известны человечеству с античных времен, ведь все же видели молнию, и многие древние знали о магнитах, притягивающих некоторые металлы. Багдадская батарейка, изобретенная 4000 лет назад - одно из свидетельств того, что задолго до наших дней человечество электричеством пользовалось, и судя по всему знало как оно работает. Тем не менее, считается, что до начала 19 века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга, принимались как несвязанные между собой явления, и относились к различным разделам физики.
Изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский учёный Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли.
Эрстед в своих экспериментах только в 1819 году обнаружил отклонение стрелки компаса, расположенного вблизи проводника с током, и тогда ученым был сделан вывод о том, что существует некая взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.
Спустя 5 лет, в 1824 году, Ампер сумел математически описать взаимодействие токонесущего проводника с магнитом, а также взаимодействие проводников между собой, так появился : «сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником».
Относительно действия магнита на ток, Ампер предположил, что внутри постоянного магнита присутствуют микроскопические замкнутые токи, которые и создают магнитное поле магнита, взаимодействующее с магнитным полем токонесущего проводника.
Например двигая постоянный магнит возле проводника, можно получить в нем пульсирующий ток, а подавая пульсирующий ток в одну из катушек, на общем железном сердечнике с которой находится вторая катушка, во второй катушке также появится пульсирующий ток.
Через 33 года, в 1864 году, Максвелл сумел обобщить математически уже известные электрические и магнитные явления, - он создал теорию электромагнитного поля , согласно которой электромагнитное поле включает в себя взаимосвязанные электрическое и магнитное поля. Так, благодаря Максвеллу, стало возможным научное математическое объединение результатов предшествующих экспериментов в электродинамике.
Следствием этих важных выводов Максвелла явилось его предсказание о том, что в принципе любое изменение в электромагнитном поле должно порождать электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве и в диэлектрических средах с некоторой конечной скоростью, которая зависит от магнитной и диэлектрической проницаемостей среды распространения волн.
Для вакуума эта скорость оказалась равна скорости света, в связи с чем Максвелл предположил, что свет - это тоже электромагнитная волна, и данное предположение позже подтвердилось (хотя еще за долго до экспериментов Эрстеда на волновую природу света указывал Юнг).
Максвелл же создал математическую основу электромагнетизма, и в 1884 году появились знаменитые уравнения Максвелла в современной форме. В 1887 году Герц подтвердит теорию Максвелла относительно : приемник зафиксирует посланные передатчиком электромагнитные волны.
Изучением электромагнитных полей занимается классическая электродинамика. В рамках же квантовой электродинамики электромагнитное излучение рассматривается как поток фотонов, в котором электромагнитное взаимодействие переносится частицами-переносчиками - фотонами - безмассовыми векторными бозонами, которые можно представить как элементарные квантовые возбуждения электромагнитного поля. Таким образом, фотон - это квант электромагнитного поля с точки зрения квантовой электродинамики.
Электромагнитное взаимодействие представляется сегодня одним из фундаментальных взаимодействий в физике, а электромагнитное поле - одно из фундаментальных физических полей наряду с гравитационным и фермионным.
Физические свойства электромагнитного поля
О наличии электрического, или магнитного, или и того и другого поля в пространстве можно судить по силовому действию со стороны электромагнитного поля на заряженную частицу или на ток.
Электрическое поле действует на электрические заряды, как на подвижные, так и на неподвижные, с определенной силой, зависящей от напряженности электрического поля в данной точке пространства в данный момент времени, и от величины пробного заряда q.
Зная силу (величину и направление), с которой электрическое поле действует на пробный заряд, и зная величину заряда, можно найти напряженность E электрического поля в данной точке пространства.
Электрическое поле создается электрическими зарядами, его силовые линии начинаются на положительных зарядах (условно проистекают от них), и заканчиваются на отрицательных зарядах (условно втекают в них). Таким образом, электрические заряды - это источники электрического поля. Еще одним источником электрического поля является изменяющееся магнитное поле, о чем математически свидетельствуют уравнения Максвелла .
Сила, действующая на электрический заряд со стороны электрического поля - это часть силы, действующей на данный заряд со стороны электромагнитного поля.
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), либо изменяющимися во времени электрическими полями (об этом свидетельствуют уравнения Максвелла), и действует только на движущиеся электрические заряды.
Сила действия магнитного поля на движущийся заряд пропорциональна индукции магнитного поля, величине движущегося заряда, скорости его движения и синусу угла между вектором индукции магнитного поля B и направлением скорости движения заряда. Данная сила часто называется силой Лоренца , однако является лишь «магнитной» ее частью.
На самом деле сила Лоренца включает в себя электрическую и магнитную составляющие. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами), его силовые линии всегда замкнуты и охватывают ток.
