Электродинамические силы и магнитная индукция

Тема 4. Магнитное поле

Если в некоторой части пространства, в которой неподвижный пробный заряд не подвергается никакому воздействию, на движущийся заряд действует сила, пропорциональная скорости его движения, то говорят, что в этой части пространства существует магнитное поле. Силу, действующую на движущийся заряд, называют электродинамической, или магнитной силой. Магнитные поля создаются проводниками, по которым протекает электрический ток, или намагниченными телами (постоянными магнитами)

Простейшей физической системой, в которой можно наблюдать действие электродинамических сил, является длинный прямолинейный провод с постоянным током. Рассмотрим как действует магнитное поле, возбужденное проводом с током, на пробный заряд, который движется в плоскости S проходящей через этот провод.

Опыт показывает, что положительный заряд, который движется вдоль провода в направлении тока, притягивается к проводу, а положительный заряд, который движется в противоположном направлении, отталкивается. Сила действующая на движущийся отрицательный заряд, имеет противоположное направление. Если заряд движется перпендикулярно к проводу, удаляясь от него, то действующая на заряд сила направлена вдоль провода в направлении тока. В любом случае сила перпендикулярна направлению движения заряда и нормали к плоскости, проходящей через провод и заряд. Если заряд пересекает эту плоскость под углом 𝛼 к нормам , то сила, действующая на заряд, уменьшается: , где f – максимальная сила, которая наблюдается, когда заряд движется в плоскости S. Если заряд движется по нормали к плоскости S, то он не подвергается действию электродинамической силы.

Все эти экспериментальные факты можно учесть с помощью формул

(1)

где вектор В направлен по нормали к плоскости, проведенной через провод с током и точку, в которой находится пробный заряд. Направление вектора В связано с направлением тока правилом правого винта (при изменении направления тока изменяется в противоположную сторону направление силы).

Опыт показывает также, что действующая на заряд сила пропорциональна току и обратно пропорциональна расстоянию заряда от провода:

Эти факторы характеризуют магнитное поле длинного прямолинейного провода с током

. (2)

Здесь – азимутальный вектор цилиндрической системы координат, ось которой совмещена с проводом, по которому течет ток. При изменении направления тока изменяется его знак и изменяется направление вектора В в противоположную сторону. Вектор В называется магнитной индукцией. Коэффициент пропорциональности между величиной магнитной индукции и током содержит магнитную постоянную , необходимую для согласования электрических и магнитных единиц измерения в системе единиц SI.