
- •Часть II. Магнетизм
- •Глава 6.
- •6.1. Магнитное поле. Вектор индукции магнитного поля
- •6.2. Магнетизм как релятивистский эффект
- •6.5. Магнитное поле тока.
- •6.6.2. Магнитное поле кругового тока
- •6.7. Действие магнитного поля на проводник током. Закон Ампера
- •6.8. Работа по перемещению проводника с током в
- •6.9. Основные уравнения стационарного магнитного поля в вакууме
- •6.10. Применение закона полного тока к расчету
- •6.10.1. Магнитное поле соленоида
- •6.10.2. Магнитное поле тороида
- •6.11. Движение заряженных частиц в магнитных полях
- •6.11.1. Особенности движения заряженной частицы в
- •6.11.2. Эффект Холла
6.6.2. Магнитное поле кругового тока
Используем закон Био – Савара – Лапласа для определения магнитного поля постоянного тока I, текущего по проводу в форме окружности радиуса R. Найдем индукцию магнитного поля на рас-
стоянии r от центра кругового тока. На рис. 5.5 изображен вектор dl, характеризующий малый элемент длины проводника с током, и вектор a, направленный от элемента dl к точке наблюдения Р. По определению векторного произведения из формулы (5.20) следует, что вектор dB магнитной индукции поля, создаваемого рассматриваемым элементом тока, перпендикулярен и вектору dl, и вектору
а. Таким образом, начало вектора dB находится в точке Р, а сам вектор направлен как показано на рис. 5.5.
Так как векторы dl, и a образуют прямой угол, для модуля вектора dB будем иметь
(6.23)
Разложим вектор
dB
на две составляющие: составляющую
– перпендикулярную оси симметрии
кольца, и составляющую
– совпадающую с осью симметрии кольца.
Из рис. 5.5. видно, что
Рис. 6. |


Для определения результирующего поля это выражение следует проинтегрировать по всему контуру:
Введем в рассмотрение
вектор
и назовем его магнитным моментом
контура. Этот вектор по модулю равен
площади контура, а его направление
совпадает с направлением нормали к
контуру. Используя это понятие и учитывая,
что для кругового витка S
= πR2
выражение (5.22) можно записать так:
(5.23)
Отметим, что направление вектора магнитной индукции круго-
Рис. 6. |
Линии вектора в пространстве имеют вид, показанный на рис. 5.6.
В центре кругового витка индукция магнитного поля будет
На очень большом расстоянии от центра (r << R) индукция магнитного поля
При этом во всех случаях вектор магнитной игндукции направлен так же, как и магнитный момент кольца (как показано на рис. 5.6).
6.7. Действие магнитного поля на проводник током. Закон Ампера
Предположим, что в однородном магнитном поле с индукцией B находится проводник произвольной формы, по которому протекает ток I. Найдем силу, действующую на этот проводник со стороны магнитного поля. Эту силу называют силой Ампера. Разобьем
Рис. 6 |
водника
dl
(рис. 5.7). На каждый
свободный электрон, движущийся через
этот элемент, действует сила Лоренца,
В отсутствие
тока электроны движутся хаотически,
поэтому все эти силы тоже направлены хаотически, и результирующая сила, действующая на указанный элемент, равна нулю. При наличии тока, все электроны движутся в одном направлении, в одном направлении будут действовать и силы, и, векторно складываясь, образуют результирующую силу, действующую на элемент dl. Поскольку элемент dl мал, силы, действующие на электроны, равны по величине и одинаковы по направлению. Поэтому результирующую силу, действующую на выделенный элемент, можно найти, умножив силу F1 на число электронов dN = nSdl в этом элементе. Следовательно,
dF
= F1dN
= ev
B
= Idl
Эту формулу называют формулой силы Ампера. Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: расположим ладонь левой руки так, чтобы линии вектора В входили в нее, а четыре вытянутых пальца направить вдоль направления силы тока, тогда отведенный в сторону большой палец покажет направление силы Ампера.
Силу, действующую на весь проводник, можно найти, проинтегрировав это выражение по длине проводника.
Вернемся
теперь к двум параллельным прямым
бесконечно длинным проводникам с током
Учитывая направление сил взаимодействия
проводников, формулу закона Ампера
можно записать в скалярном виде
Будем считать, что ток I1
находится в магнитном поле B2,
созданном вторым током I2.
Тогда эту формулу можно рассматривать
как силу действующую на проводник 1 со
стороны поля, созданного проводником
2. Подставив в нее значение
придем к формуле
(6.2).