4.5 Поле движущихся электрических зарядов

4.5.1 Поле зарядов, движущихся линейно с постоянной скоростью

Рассмотрим систему большого количества электрически заряженных частиц положительной и отрицательной полярности, причем одни из них могут свободно перемещаться. Например, отрезок металлической проволоки, в которой электроны проводимости свободно перемещаются между положительными ионами, образующими кристаллическую решетку.

Под действием тепловой энергии электроны совершают хаотические движения внутри металла. Может ли реализоваться ситуация, когда в какой – то части проволоки окажется электронов больше, чем в другой? Ответ будет отрицательным, поскольку электростатические силы настолько велики, что из области избытка положительного заряда немедленно (а точнее, со скоростью света в вакууме) будет распространяться электростатическое поле, которое притянет электроны, компенсирующие положительный заряд. Следовательно, в проволоке никаких диполей образоваться не может, и электрическое поле вне проволоки равно нулю.

Если к концам проволоки приложить внешнее электрическое поле, то электроны начнут, в дополнение к тепловому движению, перемещаться по направлению, заданному напряженностью поля. У каждого электрона составляющая скорости вдоль проволоки своя, но поскольку их очень много, то можно говорить о некоторой средней скорости v.

Поместив вне проволоки неподвижный электрический заряд, можно убедиться, что на него не действуют никакие силы, значит, внешнее электрическое поле отсутствует. Следовательно, в проволоке сохранилась равная плотность положительных и отрицательных зарядов.

Если же внешний заряд движется с постоянной скоростью параллельно проволоке (или если расположить параллельно вторую проволоку с движущимися зарядами), то возникает силовое взаимодействие систем зарядов: при движении в одном направлении они притягиваются, а в противоположных – отталкиваются.

По аналогии с электрическим полем, считают, что движущиеся заряды образуют в пространстве силовое поле, названное магнитным. В чем его отличие от электрического?

Во–первых, не существует магнитных частиц, которые создают соответствующее поле. Поэтому напряженность поля должна иметь замкнутую форму вокруг порождающих его движущихся электрических зарядов; опыты подтверждают это предположение.

Во–вторых, магнитное поле воздействует только на движущиеся электрические заряды.

Экспериментально установлено, что вектор напряженности магнитного поля, названный магнитной индукцией В, направлен перпендикулярно плоскости, в которой лежат вектора скорости электрических зарядов v и радиус – вектор r к точке, в которой наблюдается поле. На рисунке 4.4 показано направление векторов; буквой k обозначен коэффициент, равный k = μ₀/4πr³. Величина вектора индукции В, созданного зарядами q, движущимися линейно со скоростью v, равна

, (4.24)

где В - вектор магнитной индукции, величина которого имеет в системе СИ размерность тесла (Т);

μ₀ = 4π·10^-7 Г/м - коэффициент, называемый магнитная постоянная (Г – сокращение от единицы индукции генри);

e_r – единичный вектор по направлению вектора r.

С какой же силой действует магнитное поле на движущийся заряд q? Опыт показывает, что сила F по модулю пропорциональна величине заряда и его скорости, а по направлению перпендикулярна векторам скорости и магнитной индукции; в векторной форме эта зависимость имеет вид:

, (4.25)

где k – константа, зависящая от выбора системы единиц.

Если заряды движутся в проводе, намотанном в виде катушки, называемой соленоидом, то вектор магнитной индукции В внутри ее будет направлен по оси соленоида. С какой силой будет воздействовать магнитное поле на электрический заряд, движущийся вдоль той же оси? Поскольку в данном случае угол между направлением скорости v и направлением вектора индукции В равен нулю, то и их векторное произведение равно нулю; следовательно, магнитное поле соленоида не оказывает силового действия на заряд, движущийся по его оси.

Если же электрические заряды движутся перпендикулярно вектору магнитного поля, то сила воздействия поля максимальна и, согласно (4.25), будет направлена перпендикулярно плоскости, в которых лежат вектора скорости v и индукции В.