15

Лекция 3. Магнетизм §1. Магнитное поле. Опыт Эрстеда

Опыты показали, что вокруг проводников с током и постоянных магнитов существует магнитное поле, которое проявляется по силовому действию, оказываемому им на другие проводники с током или постоянные магниты (например, на магнитную стрелку).

Рис. 1 Опыт Эрстеда (пунктиром обозначено исходное положение магнитной стрелки до включения тока в проводнике)

Рассмотрим вначале магнитное поле, которое создает вокруг себя прямой проводник с током. Первые экспериментальные исследования в этом направлении были осуществлены в 1820 году датским физиком Х.Эрстедом (1777 – 1851). Эрстед поместил над магнитной стрелкой (см. рис. 1а) прямой провод параллельный стрелке (стрелка исходно ориентирована в пространстве за счет действия магнитного поля Земли). При пропускании по проводу электрического тока стрелка поворачивалась и устанавливалась перпендикулярно к проводу. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°. То же самое происходило, когда стрелка устанавливалась над проводом (рис. 1б). Таким образом была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рис.2 Ориентация в магнитном поле проводника магнитной стрелки и пробного контура с током

Впоследствии было экспериментально доказано, что магнитное поле создается не только током проводимости, но и конвекционным током, а также электронным пучком.

Магнитная стрелка как инструмент исследования магнитных полей может быть использована только для качественных исследований или относительных измерений. Для количественного изучения магнитных полей надо было найти другой инструмент, который был бы воспроизводим и имел бы количественную характеристику (аналогично тому, как это было сделано для исследования электрических полей при помощи пробного заряда известной величины). Оказалось, что вместо магнитной стрелки можно пользоваться контуром с током, который в магнитном поле ориентируется так, что характеризующий этот контур единичный вектор будет совпадать с направлением магнитной стрелки, помещенной в этом же месте магнитного поля (рис.2). Если пробный контур с током поместить в магнитном поле произвольным образом, то на него со стороны магнитного поля в общем случае будет действовать вращающий момент (момент сил). Величина М_max является силовой характеристикой магнитного поля в месте нахождения пробного контура с током.

Опытным путем было установлено, что величина М_max, действующая на пробный контур с током, зависит (причем прямо пропорционально) от площади контура S и силы тока I, текущего в контуре. Таким образом M_max ~ SI. Произведение P_m = IS является характеристикой пробного контура и называется магнитным моментом контура. Величина M_max зависит не только от магнитного поля, но и от магнитного момента пробного контура с током, введем однозначную силовую характеристику магнитного поля как отношение

(сравни ) (1)

Определенная соотношением (1) величина В называется магнитной индукцией магнитного поля. Чтобы задать не только величину силового магнитного поля, но и его направление в пространстве, определяют вектор магнитной индукции , модуль которого задается выражением (1), а направление совпадает с направлением вектора для установившегося в этом месте пробного контура.

Единицей измерения магнитной индукции в СИ является 1 Тесла. Это индукция такого магнитного поля, в котором на пробный контур, характеризующийся магнитным моментом 1 Ам², действует вращающий механический момент, максимальная величина которого равна 1 Нм:

Рис.3 Вид магнитных силовых линий прямого проводника с током

Магнитная индукция является своего рода аналогом напряженности электрического поля (несоответствие терминов обусловлено историческими причинами). Так же, как и в случае электрических полей, для магнитных полей вводят понятие магнитных силовых линий.

Силовые линии вектора – это такие линии, касательная в каждой точке которых совпадает с направлением вектора , а густота линий выбирается такой, чтобы количество линий, пересекающих единичную нормальную площадку, было равно модулю вектора В в этом месте поля.

Из опыта Эрстеда следует, что силовые линии магнитной индукции для прямого проводника с током должны иметь вид концентрических окружностей в плоскости, перпендикулярной проводнику, центром которых является точка пересечения проводником этой плоскости (рис.3).