Лекція 16. Магнітне поле у вакуумі та речовині та його

характеристики.

План

1. Магнітне поле в вакуумі. Вектор магнітної індукції. Закон Ампера.

2. Закон Біо-Савара та його застосування до розрахунку магнітних полів.

3. Сила Лоренца. Рух зарядженої частинки в електричному та магнітному полях.

4. Сила та момент сили, що діють на контур зі струмом.

5. Робота при переміщенні контуру зі струмом.

6. Магнітне поле в речовині. Намагнічування речовини. Намагніченість.

7. Феро-, пара- та діамагнетики.

1. Магнітне поле в вакуумі. Вектор магнітної індукції. Закон Ампера.

Розділ фізики, який вивчає взаємодію рухомих електричних зарядів і явища, зумовлені магнітним полем таких зарядів, називається "Магнетизм". Основним поняттям його є поняття магнітного поля.

Л юди помітили прояви магнетизму за 10 століть до нової ери. За пере­казами, у пастухів на горі біля міста Магнеса (Маgnesia, зараз — Манісса, Туреччина) цвяхи взуття прилипали до землі. Під покривом грунту знаходився "магнітний камінь" (magnetis чи магнітний заліз­няк, тобто залізна руда Fе₃O₄). У Китаї в ті ж часи було створено прообраз сучасного магнітного компаса.

Аж до початку минулого століття був відомий магнетизм тілько "постій­них магнітів", тобто шматків залізної руди. Для експериментів корис­тувались легкими стрілочками, виготовленими з постійних магнітів. Така стрілка самочинно встановлюється в певному напрямі (як тепер відомо — у напрямку до магнітних полюсів Землі).

Т ільки в першій половині минулого століття було виявлено, що магніт­на взаємодія буває не тільки у постійних магнітів, але й: 1) у провідни­ка із струмом і магніту (а); 2) у провідників із струмом (б). Випадок (а) уперше спостеріг Ганс Ерстед (Данія), а випадок (б) — Андре Ампер (Франція).

"Підстрибування" цвяхів до магніту (як і підстрибування" шматочків паперу до наелектризованого тіла), тобто далекодія магнітних сил, — підстава для введення поняття магнітного поля як виду матерії, що є посередником у магнітній взаємодії.

Магнітним полем називається особливий вид матерії, що виникає навколо рухомих електричних зарядів і впливає на магнітні стрілки та рухомі заряди.

Оскільки електричний струм є впорядкованим рухом заряджених частинок, то джерелом та індикатором магнітного поля можуть виступати провідники зі струмом. Для розгляду зручно використовувати елемент струму – ідеальна модель провідника зі струмом. Елементом струму називають вектор , який дорівнює добутку сили струму в провіднику на елемент провідника, розміщений уздовж провідника в напрямі про бігання струму. З урахуванням розташування провідника в магнітному полі -

Обертання стрілки або рамки зі струмом спричинене дією сили з боку магнітного поля. Силовою характеристикою останнього є магнітна індукція.

Магнітна індукція ( індукція магнітного поля ) – фізична величина, що чисельно дорівнює силі, яка діє з боку магнітного поля на одиничний елемент струму

Д ля зображення магнітних полів використовують силові лінії – уявні лінії, в кожній точці яких вектор магнітної індукції напрямлений по дотичній. Уявлення про конфігурацію магнітного поля одержали за допомогою залізних ошурок, які виявили картину ліній магнітного поля. Вияви­лось, що:

а) ці лінії замкнені;

б) між різнойменними полюсами магніту ці лінії практично паралельні (тобто поле майже однорідне).

Напрям ліній поля пов'язали з напрямом північного кінця магніт­ної стрілочки, внесеної в поле.

Лінії вектора індукції поля прямолінійного провідника зі струмом (а) — концентричні кола, що охоплюють провідник (тут лінії виявлено залізними ошурками).

Лінії вектора поля, створеного струмом у одному круговому про­віднику (б) і в їх сукупності (в) (котушці чи соленоїді), перпендику­лярні площині витків всередині них і замикаються зовні.(Магнітні лінії поля котушки і поля стержневого постійного магніту однакові.

Напрям силових ліній магнітного поля визначають за правилом правого гвинта: якщо поступальний рух гвинта співпадає з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання його рукоятки співпадає з напрямом силових ліній магнітного поля.

Силу, з якою магнітне поле діє на елемент струму, поміщений в дану точку поля, називають силою Ампера. ЇЇ величина визначається законом Ампера: сила з якою магнітне поле діє на елемент струму, прямо пропорційна добутку індукції магнітного поля на елемент струму та залежить від взаємної орієнтації магнітного поля та елемента струму

, або в скалярній формі :

Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб силові лінії магнітного поля входили в долоню, чотири пальці співпадали з напрямом струму в провіднику, то п’ятий великий палець, відведений на 90⁰, покаже напрям сили Ампера.

Сила, яка діє з боку магнітного поля на провідник скінченної довжини визначається інтегруванням виразу по всій довжині провідника:

Ампером встановлений експериментально закон, що виражає силу взаємодії провідників зі струмом (загальний закон Ампера ):сила взаємодії двох елементів струмів прямо пропорційна добуткові елементів струмів, обернено пропорційна квадрату відстаней між ними і залежить від взаємної орієнтації цих елементів

Коефіцієнт пропорційності k залежить від вибору системи одиниць. В СІ .

µ₀ – магнітна стала.