Тема 1. Магнітне поле

1. Магнітне поле.

2. Приклади магнітного поля.

3. Дія магнітного поля

Ключові слова: властивості магнітного поля, вектор магнітної індукції, напруженість магнітного поля, правило буравчика, лінії магнітної індукції, силові лінії магнітного поля, вихрове поле, соленоїд, сила Ампера, сила Лоренца, рух заряду в магнітному полі.

Магнітне поле.

У просторі, що оточує струми, виникає магнітне поле, яке є особливою формою матерії і за допомогою якого здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками або тілами. Основні властивості магнітного поля:

а) існує незалежно від нас, від наших знань про нього;

б) породжується електричним струмом (рухомими зарядами);

в) виявляється за дію на електричні струми (рухомі заряди), на магніти і на намагнічені тіла.

Подібно до електричного поля, магнітне поле має силову та енергетичну характеристики. Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції .

Модуль магнітної індукції рівний відношенню максимальної сили, з якою магнітне поле діє на рухомий позитивний заряд, до величини цього заряду і швидкості його руху: .

Або: модуль магнітної індукції рівний відношенню максимальної сили, з якою магнітне поле діє на провідник з постійним струмом (сила Ампера), до величини сили струму і довжини провідника: .

Або: модуль магнітної індукції рівний відношенню максимального моменту сил, якими магнітне поле обертає рамку з постійним струмом, до сили струму в рамці і площі, обмеженою рамкою: .

Одиниця вимірювання магнітної індукції в СІ - тесла: .

Напруженість магнітного поля пов'язана з вектором магнітної індукції співвідношенням В= _оН , де  - магнітна проникність середовища (таблична безрозмірна величина, що характеризує магнітні властивості середовища , де В – в однорідному середовищі, В_о – у вакуумі);

_о - магнітна постійна: _о = 12,56^.10^-7 Гн/м.

У системі СІ одиницею напруженості є - напруженість магнітного поля на відстані 1 м від прямолінійного нескінченно довгого провідника, по якому тече струм в 2 А.

Напруженість магнітного поля є векторною величиною . Поле, напруженість якого в різних крапках однакова за величиною і напряму, називають однорідним. Таке поле діє на обидва полюси магнітної стрілки з однаковими і протилежно спрямованими силами, що створюють пару сил. Тому однорідне магнітне поле може викликати тільки обертання магнітної стрілки.

Так само, як і для електричного поля, силові лінії дозволяють зображати графічно магнітне поле і характеризувати величину його напруженості. Силовими лініями магнітного поля називають лінії, в кожній точці яких дотичні спрямовані, так само як і вектор в даній точці. Кількість силових ліній, що проводяться через розташовану перпендикулярно до них площу в 1 см², повинна дорівнювати або бути пропорційним напруженості магнітного поля в даному місці. Фактично силові ліні магнітного поля співпадають з лініями магнітної індукції.

Якщо силові лінії електричного поля йдуть від заряду (+) до заряду (-), то магнітні силові лінії при будь-якій формі провідників (і магнітів) завжди замкнуті. Поле, силові лінії якого замкнуті, називається вихровим, тобто магнітне поле є вихровим полем, тоді як електричне поле - потенціальне.

Приклади магнітного поля.

1. Магніт. Вивчаючи магнітні явища, Кулон дійшов висновку про істотну відмінність електричних і магнітних явищ. Електричні заряди можна розділити так, щоб одержати тіло з надміром зарядів одного знаку (позитивних або негативних). При розділенні магніту ніколи не можна одержати магніт з одним полюсом.

Ампер припустив, що кожний елементарний магніт є круговим струмом, циркулюючим усередині частинок речовини (атомів, молекул і їх груп). Магнітна вісь такого струму завжди перпендикулярна площині струму. В ненамагніченому тілі всі елементарні струми розташовуються хаотично. Під впливом зовнішнього магнітного поля елементарні струми тіла шикуються певним чином, що приводить до появи результуючого магнітного поля і намагнічення тіла. З погляду цієї теорії зрозуміла неможливість розділення північного і південного полюсів магніту. Дійсно, кожний елементарний магніт є круговим витком струму, одна сторона якого відповідає північному полюсу, а друга - південному.

Полюс – це площина, що розділяє однорідне магнітне поле від неоднорідного.

Усередині магніту силові лінії направлені на північ N (north), а зовні магніту ці лінії виходять з північного полюса і входять в південний S (south, замикаючись усередині магніту.

У разі дії двох і більше магнітних полів сумарна напруженість визначається за правилом паралелограма (за принципом суперпозиції), що свідчить про незалежність дії магнітних полів.

Магніти взаємодіє між собою: різнойменними полюсами притягуються, а однойменними відштовхуються.

У зовнішньому магнітному полі магніти розвертаються таким чином, щоб силові лінії (тобто ) всередині магніту були спрямовані на північ.

2. Провідник із струмом. Навкруги провідника із струмом виникає магнітне поле. Для визначення напряму вектора магнітної індукції магнітного поля провідника із струмом можна скористатися магнітом або рамкою із струмом. Магніт і рамка із струмом в магнітному полі провідника із струмом розвертається так, щоб виконувалося правило свердлика.

Правило свердлика: якщо угвинчувати буравчик так, щоб його поступальна хода співпадала з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання його рукоятки вкаже напрям силових ліній магнітного поля і вектора магнітної індукції.

Навкруги провідника із струмом легкі магнітні стрілки розташовуються так, що північні полюси указують напрям вектора магнітної індукції. На малюнку зображення означає, що сила струму в провіднику направлена від нас.

Модуль на відстані r від провідника із струмом І: .

3. Замкнутий контур із струмом. Для кругового струму правило свердлика необхідно застосовувати до кожної елементарної ділянки провідника.

Напруженість магнітного поля в будь-якій крапці завжди пропорційна струму в провіднику. Проте даний струм приводить до появи магнітного поля з різною напруженістю в різних точках простору.

Напруженість магнітного поля Н в центрі кругового контуру із струмом I та радіусом r дорівнює: .

Замкнутий контур із струмом поводить себе як магніт. Напрям збігається з напрямом додатної нормалі, тобто напрямлена у той бік куди пересувається свердлик з правою нарізкою, якщо його обертати у напрямі струму в контурі.

4. Котушка із струмом. Якщо довжина соленоїда (котушки із струмом) значно перевищує його діаметр, магнітне поле в його середній частині практично однорідне, та напруженість поля усередині такого соленоїда прямо пропорційна силі струму і не залежить від діаметру соленоїда, проте збільшується із зростанням густини його витків:

Н =, де N - кількість витків соленоїда і l - його довжина.

Напруженість магнітного поля в центрі плоскої котушки, що складається з N витків: Н = .

Якщо до кожного витка застосувати правило свердлика та урахувати, що поля додаються, то можна визначити полюса котушки. Інший спосіб визначення північного полюса (N) – правило правої руки: правою рукою обхватити котушку таким чином, щоб чотири пальця вказували напрям струму у витках, тоді відігнутий великий палець вкаже північ.