3.1.3. Експериментальні основи електродинаміки: взаємодія нерухомих зарядів, досліди Кулона; взаємодія струмів, досліди Ампера; електромагнітна індукція, досліди Фарадея.

Взаємодію заряджених тіл Кулон вивчав за допомогою скон­струйованих ним крутильних ваг. Основною частиною приладу є пружна металева нитка Н, що з'єднана одним кінцем з поворотною головкою К, по шкалі якої можна визначати кут закручу­вання нитки. До другого кінця прикріплено легке, виготовлене з ізо­ляційного матеріалу, коромисло. На кінцях коромисла закріплені металева заряджена кулька а і противага b. Скляний циліндр П захи­щає чутливу частину приладу від потоків повітря. Всередину приладу

крізь отвір на ізоляторі l вносили кульку d і визначали силу взаємодії залежно від від­стані між кульками а і d та значення їхнього заряду.

_{Закон взаємодії нерухомих точкових заря}­дів у вакуумі називається законом Куло­на. Він формулюється так: сила взаємодії F двох нерухомих точкових зарядів у вакуумі пря­мо пропорційна добуткові цих зарядів q₁ i q₂,і обернено пропорційна квадра­тові відстані r між ними і напрямлена вздовж прямої, яка сполучає ці заряди, тобто _{k – коеф. пропорційності.}

_{Сили взаємодії однойменних зарядів є силами відштовхування, а різнойменних – силами притягання. Сили відштовхування вважають додатними, сили притягання – від’ємними.}

У 1820 р. А. Ампер встановив закон ме­ханічної взаємодії двох елементів струмів, які містяться на певній відстані один від одного. Два паралельних про­відники, по яких проходять струми однакового напряму, притягу­ються один до одного. Зміна напряму одного із струмів зумовлює протилежну дію — відштовхування провідників зі струмом . Ця «дія на відстані» не має нічого спільного з електро­статичною взаємодією, оскільки поле рухомих електричних зарядів (електронів у провідниках) з високою точністю компенсується елек­тричним полем нерухомих позитивних зарядів атомів провідників. Отже, в цих дослідах спостережувана поведінка провідників зі стру­мом визначається силами іншої природи. Сили, зумовлені рухомими електричними зарядами, називають магнітними.

Електричний струм — це напрямлений рух електричних зарядів, тому навколо провідників, по яких рухаються ці заряди, виникає магнітне поле, крізь яке і взаємодіють між собою провідники зі стру­мом. Отже, всередині провідників, по яких проходить постійний струм, і в просторі, що оточує їх, існують як стаціонарне електричне, так і стаціонарне, незмінне в часі, магнітне поле.

В основі електродинаміки змінних полів лежить фундаментальний закон електромагнітної індукції, відкритий дослідно у 1831 р. видатним англійським вченим М. Фарадеєм. Спрощено суть цього закону по­лягає у виникненні струму в довільному замкненому провідному контурі при зміні магнітного потоку, що пронизує цей контур.

М. Фарадей у 1831 р. звернув увагу на те, що електричні ефекти ви­никають тільки під час зміни магнітного поля. Якщо в одному про­віднику змінювати електричний струм, то в сусідньому також вини­кає струм. Аналогічний результат одержують тоді, коли біля замкне­ного провідника переміщають магніт. Електричний струм в обох ви­падках наводиться (індукується) змінним магнітним полем. Такий струм називають індукційним, а явище виникнення струму в замкне­ному провіднику під дією змінного магнітного поля — явищем елек­тромагнітної індукції.

Розмістимо провідник АВ завдовжки l у полі постійного маг­ніту і до його кінців А і В приєднаємо чутливий гальванометр. Якщо провідник і магніт перебувають у відносному спо­кої, то стрілка гальванометра не відхилятиметься, вказуючи, що струму в замкненому провідному контурі немає. Як тільки провідник АВ у полі постійного магніту починають переміщати, то в колі з'яв­ляється індукційний струм і стрілка гальванометра відхилятиметься. При цьому напрям відхилення стрілки гальванометра, а отже, і на­прям струму залежать від напряму переміщення провідника АВ у маг­нітному полі.

Отже, відкриття М. Фарадея полягало в тому, що індукційний струм у замкненому контурі може виникнути під час руху провідного контуру в полі магніту, під час руху магніту відносно замкненого провідного контуру і під час зміни струму в котушці, яка створює магнітне поле. Все це зводиться до одного загального правила: індукційний струм у замкненому провідному контурі виникає кожного разу при зміні магнітного потоку, який пронизує провідний контур. Щоб електричні заряди (електрони в провіднику) прийшли в на­прямлений рух, на них має діяти електрична стороння сила, спричинена Е_ст, яка виникає там, де змінюється магнітне поле. Експеримен­тальні спостереження М. Фарадея сприяли відкриттю нового з а к о -н у про зв'язок електричного і магнітного полів: у тих областях, де змінюється магнітне поле, виникає електричне поле. Саме це елек­тричне поле спричиняє напрямлений рух електронів у провідному контурі, тобто зумовлює виникнення електрорушійної сили при всякій зміні магнітного потоку.