40.Взаимодействие токов.Магнитное поле.Вектор магнитной индукции.Закон Био-Савара-Лапласа и его практическое применение.

Явление взаимного притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов во многом сходны с явлениями притяжения и отталкивания одноименных полюсов магнита. Однако попытки установить связь между электрическими и магнитными явлениями долгое время оставались безуспешными.

В 1820 г. датский физик X. Эрстед заметил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее. В том же году французский физик А. Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях.

На основании этих опытов Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока с магнитом и магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что внутри магнита существуют незатухающие молекулярные круговые токи. Тогда все магнитные явления объясняются взаимодействием движущихся электрических зарядов, никаких особых магнитных зарядов в природе нет.

Притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока называют магнитным взаимодействием токов или электродинамическим взаимодействием.

Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. Следовательно, магнитное взаимодействие — это взаимодействие упорядочение движущихся электрических зарядов.

Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения[1], магнитная составляющая электромагнитного поля[2]

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В (вектор индукции магнитного поля)[3][4]. С математической точки зрения B=B(x,y,z) - векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал.

Магнитное поле создается (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

Магни́тная инду́кция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью .

Более конкретно, — это такой вектор, что сила Лоренца , действующая со стороны магнитного поля на заряд , движущийся со скоростью , равна

Закон Био́—Савара—Лапла́са — физический закон для определения вектора индукции магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током. Был установлен экспериментально в 1820 году Био и Саваром и сформулирован в общем виде Лапласом. Лаплас показал также, что с помощью этого закона можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда (считая движение одной заряженной частицы током).

Закон Био—Савара—Лапласа играет в магнитостатике ту же роль, что и закон Кулона в электростатике, и глубоко аналогичен ему. Закон Био—Савара—Лапласа можно считать главным законом магнитостатики, получая из него остальные ее результаты (так же, как закон Кулона для электростатики, получая остальные ее результаты получить исходя из него).

В современной формулировке закон Био—Савара—Лапласа чаще рассматривают как следствие двух уравнений Максвелла для магнитного поля при условии постоянства электрического поля, т.е. в современной формулировке уравнения Максвелла выступают как более фундаментальные (прежде всего хотя бы потому, что формулу Био—Савара—Лапласа нельзя просто обобщить на общий случай полей, зависящих от времени).

Пусть постоянный ток I течёт по контуру (проводнику)γ, находящемуся в вакууме, — точка, в которой ищется поле, тогда индукция магнитного поля в этой точке выражается интегралом (в системе СИ)

где - вектор описывающий кривую проводника с током I, r – модуль , - вектор магнитной индукции, создаваемый элементом проводника .

Практическое применение:

Допустим требуется найти модуль магнитной индукции в центре катушки с числом витков N, по которой течет ток I. Найдём магнитную индукцию, создаваемую одним витком катушки. Из формулы

получим модуль магнитной индукции как

где r - как следствие, радиус катушки - константа, α - угол между вектором и (элемента витка), ввиду взаимной перпендикулярности, всегда равен . Проинтегрировав обе части получаем

Где - сумма длин всех элементов проводника витка или длина окружности, тогда

Так как в катушке содержится N витков, то суммарный модуль магнитной индукции равен