Магнитное поле токов

1. Магнитное поле и его характеристики

Подобно тому, как в пространстве, окружающем электри­ческие заряды, возникает электростатическое поле, в простран­стве, окружающем токи, возникает поле особого вида, называемое

магнитным полем. Это название происходит от того фак­та, что поле, создаваемое током, оказывает ориентирующее дей­ствие на магнитную стрелку (это было впервые обнаружено дат­ским физиком Хансом Христианом Эрстедом, профессором Ко­пенгагенского университета, в 1820 году). Важнейшая особен­ность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся электрические заряды. Наличие магнитного по­ля обнаруживается также по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты.

Подобно тому, как для исследования электрического поля использовались точечные заряды, для магнитного поля применя­ется пробный ток, текущий в плоском замкнутом контуре малых размеров — рамка с током (рис. 1).

Опыт показывает, что рамка с током поворачивается, так как на рамку действует пара сил. Причем вращающий момент ста­новится равным нулю, когда направление нормали к рамке со­впадает с направлением поля. Если рамку повернуть так, чтобы направление нормали к плоскости контура п и поля не совпадали, то возникает вращательный момент, стремящийся вернуть рамку в равновесное состояние.

Опыт показывает, что этот момент сил М пропорционален площади рамки S, току, текущему в рамке I, и синусу угла а между направлением вектора индукции В и нормалью п:

Тогда в данной точке поля отношение M/(IS sin а) будет постоян­ной величиной. Возьмем угол а = 90°, тогда sin а = 1 и назовем это отношение модулем вектора магнитной индукции В

Магнитная индукция численно равна вращательному моменту, действующему на рамку площадью 1 м² при силе тока в ней 1 А, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению магнитно­го поля. За направление вектора магнитной индукции В в данной точке принимают направление вектора нормали п к поверхности рамки с током, установившейся в положение равновесия в данной точке пространства. Вектор магнитной индукции В является си­ловой характеристикой магнитного поля.

В системе СИ его единицей измерения является тесла. Вос­пользуемся формулой (1):

Вспомогательной характеристикой служит вектор напряженно­сти магнитного поля Н. В отличие от индукции В, он не зависит от магнитных свойств окружающей среды. Связь индукции и на­пряженности выражается формулой:

где μ_о = 4π • 10^-7 Гн/м — магнитная постоянная, μ — магнит­ная проницаемость среды (подробнее эта формула и входящие в нее коэффициенты будут рассмотрены в лекции "Магнитные свойства вещества"). В системе СИ напряженность измеряется в амперах па метр; [Н] — А/м.

Для графического изображения магнитных полей вводятся линии индукции или силовые линии. Линиями магнитной индук­ции называются кривые, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением вектора В.

Магнитные силовые линии всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Поле, обладающее замкнутыми силовы­ми линиями, называется вихревым. Направление силовых линий определяется по "правилу буравчика". На рисунках 2 и 3 приве­ден вид силовых линий для прямолинейного проводника с током и катушки с током (соленоида).