5. Магнітне поле

Взимку 1819/20 р. Ганс Християн Ерстед читав у Копенгагенському університеті студентам старших курсів лекції з електрики, гальванізму і магнетизму. Електрика означала тоді електростатику; гальванізмом називалися явища, що спричиняються постійним струмом, отриманим від батарей; у магнетизмі розглядали давно відомі властивості залізних руд, стрілки компаса, магнітне поле, створене земною кулею. Ерстед мав, однак, може бути, неясну, але настирливу думку про те, що магнетизм, так само, як і гальванічний струм, може виявитися однією з „прихованих форм” електрики. У пошуках такого зв’язку він намагався виконати перед аудиторією дослід з пропусканням струму по дроту, підвішеному над стрілкою компаса під прямим кутом до неї. Дослід не дав ніякого ефекту. Після лекції щось спонукало його продовжити дослід, але з дротом, паралельним стрілці компаса. Стрілка дуже відхилилася, а коли гальванічний струм був пущений в зворотному напрямі, вона відхилилася в інший бік. Отже, можна зробити висновок, що при проходженні по провіднику електричного струму у просторі, що оточує провідник, виникає особливого роду поле, яке діє на магнітну стрілку, розміщену в цьому полі. Це поле називають магнітним полем. Струм у провіднику являє собою впорядкований рух електричних зарядів. Тому на підставі наведених дослідів природно вважати, що навколо будь-якого рухомого заряду має бути магнітне поле.

Термін „магнітне поле” впровадив у 1845 р. англійський фізик М. Фарадей. Класична теорія електромагнітного поля була створена Джемсом Максвеллом.

1. Магнітна індукція

Досвід показує, що сила , яка діє з боку магнітного поля на заряджену частинку, що рухається в цьому полі, підлягає наступним закономірностям:

а) сила завжди перпендикулярна до вектора швидкостічастинки;

б) відношення не залежить ані від зарядучастинки, ані від модуля її швидкості;

в) при зміні напряму швидкості частинки в точці A поля модуль сили змінюється від 0 до максимального значення , яке залежить не тільки від, але також від значення в точціA силової характеристики магнітного поля – вектора , що дістала назвумагнітної індукції поля.

За означенням, модуль вектора дорівнює:

. (5.1)

Модуль вектора дорівнює відношенню сили, що діє на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля, до добутку модуля заряду і швидкості частинки, якщо напрям швидкості є таким, що ця сила максимальна. Векторнапрямлений перпендикулярно до вектора сили, що діє на позитивно заряджену частинку, і до вектора швидкостічастинки так, що з кінця векторанайкоротший поворот від напряму силидо напряму швидкостіздається таким, що відбувається проти руху годинникової стрілки. Інакше кажучи, вектори,іскладають праву трійку (див. рис. 5.2).

Магнітне поле називають однорідним, якщо в усіх його точках вектори магнітної індукції однакові як за модулем, так і за напрямом. У противному випадку поле називають неоднорідним.

Лініями магнітної індукції (силовими лініями магнітного поля) називають лінії, проведені в магнітному полі так, що дотичні до них в кожній точці збігаються з напрямом вектора магнітної індукції в цій точці.

Лінії магнітної індукції найпростіше спостерігати за допомогою дрібних залізних ошурків. У магнітному полі кожний з шматочків заліза, насипаних на аркуш картону, намагнічується і поводить себе як маленька магнітна стрілка (вільна магнітна стрілка встановлюється в магнітному полі так, що вісь стрілки, що з’єднує її південний полюс з північним, збігається з напрямом вектора ). Наявність такої великої кількості стрілок дає змогу у великій кількості точок визначити напрям магнітного поля і, отже, точніше з’ясувати розташування ліній індукції. Деякі з картин магнітного поля зображено на рис. 5.3 – 5.5. Лінії магнітної індукції для магнітного поля прямолінійного провідника зі струмом являють собою концентричні кола, що лежать у площині, перпендикулярній до струму (див. рис.5.3). Центр кіл розташований на осі провідника.

Лінії індукції магнітного поля струму ні в яких точках не можуть обриватися, тобто вони не мають ані початку, ані кінця. Вони завжди замкнені або нескінченно навиваються на певну поверхню, усюди щільно заповнюють її, але ніколи не повертаються вдруге в будь-яку точку поверхні. Згадаймо, що з електростатичним полем справа відбувалася інакше. Лінії напруженості електростатичного поля (силові лінії) незамкнені. Вони починаються на позитивних зарядах, закінчуються на негативних і зовні перпендикулярні до поверхні зарядженого провідника. Замкненість силових магнітних ліній являє собою фундаментальну властивість магнітного поля. Поле такого типу називають вихровим.

Поле соленоїда, тобто довгої котушки зі струмом (рис. 5.5) подібне до магнітного поля штабового магніту (рис. 5.4). Така аналогія наштовхнула Ампера на гіпотезу, що магнітні властивості постійних магнітів визначаються замкненими електричними мікрострумами всередині них.