6. Магнитное поле в вакууме
6.1 Магнитное поле
Магниты были известны за 1000 лет до нашей эры, т.е., задолго до изучения электричества. Силы, действующие вблизи естественных и искусственных магнитов, называются магнитными подобно тому, как мы называем электрическими силы, действующие на электрические заряды. Законы взаимодействия магнитных полюсов были установлены Кулоном в том же 1785 г.
В 1820 (март) Эрстед сделал открытие: он обнаружил ориентирующее действие проводника с током на магнитную стрелку. Эрстед разместил проводник над магнитной стрелкой и наблюдал поворот стрелки перпендикулярно проводу при включении тока. При изменении направления тока стрелка поворачивалась в противоположную сторону.
Из опытов следует, что движущиеся заряды создают в окружающем их пространстве магнитное поле. Оно проявляется в силовом действии на движущиеся в нем заряды. Основную характеристику магнитного поля назвали индукцией В с единицей измерения Тл.
Для
магнитного поля, как и для электрического,
справедлив принцип суперпозиции: поле,
созданное несколькими источниками
равно векторной сумме полей, созданных
каждым из источников в отдельности.
.
Из трех свойств или проявлений электрического тока: тепловое, химическое действия и магнитное поле, последнее является наиболее характерным. Оно не зависит ни от каких свойств проводника и определяется лишь величиной и направлением тока в нем.
6.2 Взаимодействие проводников с током
Изучал А. Ампер в 1820 г. (осень) и установил, что сила взаимодействия токов, приходящаяся на единицу длины каждого из параллельных проводников, пропорциональна величинам токов в них и обратно пропорциональна расстоянию между ними:
,
здесь
2
-
коэффициент пропорциональности. На
основании этой формулы установлена
единица силы тока 1А – как постоянный
ток, который, проходя по двум параллельным
проводам бесконечной длины и ничтожно
малого сечения, расположенным на
расстоянии 1 м друг от друга в вакууме,
вызывает между ними силу взаимодействия
2 10-7
Н на метр длины.
В системе СИ эта формула выглядит так:
,
=4
-
магнитная постоянная, которую можно
найти из определения 1А.
Между
и скоростью света с
имеется глубокая связь. Найдем размерность
и числовое значение
.
,
,
а их произведение
.
Величина
8.85
10-12
4
10-7=
,
т.е. электродинамическая постоянная
с=1/
равна скорости света, что дало Максвеллу
основание предположить, что свет является
электромагнитной волной.
6.3 Магнитное поле движущегося заряда
Электростатическое поле неподвижного заряда в изотропном пространстве является сферически симметричным, т.к. все направления равноправны. При движении заряда появляется выделенное направление в пространстве – v, значит, магнитное поле движущегося заряда должно обладать осевой симметрией.
В
результате обобщения экспериментальных
данных было получено значение индукции
магнитного поля точечного заряда,
движущегося с постоянной скоростью
:
-
радиус – вектор, проведенный от заряда
к точке наблюдения,
рис.6.1,
конец его неподвижен, а начало движется
со скоростью
,
поэтому
зависит не только от положения точки
наблюдения, но и от времени.
Рис.6.1
Как
видно из формулы,
перпендикулярно плоскости, в которой
находятся векторы
и
.
Вектор
является аксиальным, т.е., псевдовектором.
Электрическое
поле движущегося в вакууме заряда со
скоростью
определяется законом Кулона:
,
с учетом этого:
.
Вид
зависимости
от параметров можно установить только
из опыта. Однако, из общих соображений
можно “сконструировать”
вектор
как
из скаляра
и
векторов
и
,
считая, что
и, что
.При
этом
не может быть пропорционален
,
т.е. расти с расстоянием, а скорее
ослабляется пропорционально
,
как для всех известных полей. Тогда
получается:
.