Глава XI. Магнитное поле

§118. Магнитное поле и его проявления. Магнитная индук­ция. Пространство вблизи магнита или проводника с током находится в особом состоянии, которое мы обозначили названием «магнитное поле» (§ 114). Название выражает мысль, что в этом пространстве проявляются механические силы, действующие на другие магниты или проводники с током. Однако эти действия не являются единственным проявлением магнитного поля. Можно указать еще боль­шое число других физических явлений, в которых сказы­вается влияние поля. Так, например, под действием маг­нитного поля изменяется электрическое сопротивление различных металлов; некоторые тела, помещенные в маг­нитное поле, изменяют свои размеры, и т. д.

Наиболее сильное влияние оказывает магнитное поле на электри­ческое сопротивление висмута, что позволило изготовить висмутовый «измеритель поля». Изменение размеров под действием магнитного поля больше всего проявляется у тел, которые сделаны из сильно намагни- _ чивающихся веществ (железо, никель, кобальт); это явление, именуе­мое магнитострикцией, получило важные технические применения: с его помощью возбуждают очень быстрые колебания железных стер­женьков, служащих источником очень коротких звуковых волн (ульт­развук).

Когда действие магнитного поля в разных его точках проявляется в различной степени, мы говорим, что поле в этих точках различно. Для установления количествен­ной меры магнитного поля мы могли бы использовать лю­бое его проявление. Практически оказывается наиболее удобным характеризовать поле теми механическими си­лами, с которыми оно действует на магниты и провод­ники с током.

В § 115 было выяснено,,что магнитное поле оказывает на магнитную стрелку или виток с током ориентирующее действие, стремясь установить стрелку или нормаль (т. е. перпендикуляр), к плоскости витка в определенном на­правлении. Это направление принимается за направление

магнитного поля. У магнитного поля Земли этим направ­лением является направление с севера на юг.

Рис. 210. Момент пары сил M=Ft\ 00' — ось, вокруг которой пара сил вызывает вращение

В томе I было-показано, что вращение тела вызыва- ■ ется действием момента сил (мы будем называть его вра­щающим моментом). Особенно наглядным делается по­нятие вращающего момента в случае пары' сил (рис. 210). Если каждая из сил ,F=1H, а пле­чо /=1 м, то вращающий момент равен

М = Л= 1 Н.м.

Опыт показывает, что вращающий момент М пропорционален синусу угла а между направлением поля и направлением магнитной стрелки (или нормали к витку). Следова­тельно, вращающий момент М мак­симален, когда а=я/2, и обраща­ется в нуль, если а=0 или я.

Подобно тому как электрическое поле характеризуется с помощью векторной величины Е, которая называется напряженностью поля (§ 14), для характеристики магнит­ного поля вводят векторную величину В, которую по историческим причинам назвали магнитной индукцией поля (правильнее было бы по аналогии с Е назвать эту величину напряженностью магнитного поля).

За направление^вектора В принимается направление, в котором устанавливается магнитная стрелка или нор­маль к витку с током. Модуль магнитной индукции оп­ределяется по максимальному вращающему моменту М_тах (наблюдающемуся при а=п/2; см." выше), действующему на стрелку или виток. В случае, когда магнитная индук­ция В во всех'точках одинакова по модулю и направле­нию, поле называется однородным (ср. § 17).

Если в однородное магнитное поле помещать изготов- . ленные из очень тонкой проволоки различные по разме­рам и форме замкнутые проводники (плоские контуры) с током и измерять действующий на них максимальный вращающий момент Л4_тах, то обнаруживается, что этот момент: а) пропорционален силе тока / в контуре; б) про­порционален площади контура 5; в) для контуров с оди­наковой площадью 5 не зависит от формы контура (т. е. одинаков для круговых, квадратных, треугольных и во­обще контуров любой неправильной формы). Таким об­разом, максимальный вращающий момент оказывается

пропорциональный, величине

(118.1)

Pm = IS,

которая называется магнитным моментом контура с током.

Указанные зависимости позволяют взять в качестве характеристики модуля вектора В значение вращающего момента М_тах, действующего на контур с магнитным моментом р_т, - равным единице. Следовательно, можно написать, что

_{B =} ^_s!ax_j (118.2)

Рт

где М_тах — максимальный вращающий момент, дейст­вующий в данном поле на контур с магнитным моментом р_т. Если поле неоднородно, то для определения числового значения В в некоторой точке нужно поместит^ в нее кон­тур размеров, малых по сравнению с расстояниями, на ко­торых поле заметно меняется, и определить действующий на него вращающий момент Л|_тах.