Часть IV. Магнитное поле

1. Вращающий момент. Основные характеристики магнитного поля.

В 1820 г. датский физик Х.Эрстед обнаружил, что вокруг проводников с током возникает силовое поле, которое назвали магнитным. Это поле оказывает ориентирующее действие на внесенные в него магнитные стрелки и проводники с током. Оно действует также на движущиеся заряды.

Магнитное поле можно исследовать с помощью замкнутого плоского контура с током (рамки с током), размеры которого должны быть малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле. К плоскости контура с током проведем нормаль, направление которой будет характеризовать ориентацию контура в пространстве. Положительное направление нормали связано с током правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, протекающего через рамку (рис 20.1) Если рамку с током внести в магнитное поле, то ориентирующее действие поля приведет к тому, что

I

Рис.20.1

положительная нормаль установится в определенном направлении, которое принимают за направление магнитного поля. Если направления магнитного поля и нормали не совпадают, то возникает вращающий момент пары сил, стремящийся вернуть контур в равновесное положение. Величина вращательного момента сил зависит от угла  между нормалью и направлением поля. Момент сил максимален при: . Опыт показывает, что величина максимального момента пропорциональна силе тока  в контуре, площади контура S и совершенно не зависит от формы контура:

M_max ~ I · S

Произведение P=I·S называют магнитным моментом контура. Магнитный момент – вектор.

, (4.1.1)

где - единичный вектор нормали к поверхности рамки. Направление совпадает с . Вращающий момент сил зависит не только от свойств рамки, но и от свойств самого поля. С учетом этой зависимости имеем:

, (4.1.2)

где - вектор магнитной индукции, являющейся количественной характеристикой поля.

В данной точке поля на различные контуры (разные ) действуют различные по величине вращающие моменты, однако отношение для всех контуров одно и тоже и поэтому оно является характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией:

. (4.1.3)

И так, магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку, магнитный момент которой равен единице. Магнитное поле - поле силовое, поэтому его можно изобразить графически с помощью линий магнитной индукции, линий касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором . Направление линий индукции может быть определенно с помощью известного правила правого винта: если винт ввинчивать по направлению

а) в) с)

Рис. 20.2

тока в проводнике, то направление вращения его рукоятки укажет направление линий магнитной индукции. На рисунках (4.3.2, а,в,с, ) показаны линии индукции прямого тока, соленоида и постоянного магнита.

Линии индукции всегда замкнуты и охватывают проводник с током. Это имеет место для любого магнитного поля, вызванного какими угодно контурами с током. Поля, силовые линии которых замкнуты, называются вихревыми. Магнитное поле - поле вихревое. В этом его коренное отличие от электрического поля, являющегося потенциальным (линии электрического поля начинаются и кончаются на электрических зарядах). Замкнутость силовых линий магнитного поля говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов.

Наряду с вектором магнитной индукции для описания магнитного поля вводится величина, называемая напряженностью магнитного поля . Для среды однородной и изотропной связь между и дается соотношением

, (4.1.4)

где ₀ - магнитная постоянная,  - магнитная проницаемость среды. В вакууме  = 1.