Магнитное поле, его свойства

Магнитные явления, как и электрические, известны с древних времен. Известно свойство магнитного железняка притягивать железные предметы, в древнем Китае было известно свойство магнитной стрелки устанавливаться вдоль меридиана. Конец магнитной стрелки, указывающий на север, назовем северным, противоположный конец – южным. Стрелка должна вращаться без трения (свободно), поскольку магнитное поле земли весьма слабое. Вырезанный из магнитного материала стержень приобретает аналогичные свойства. Как бы его ни вырезали, один конец его становится северным полюсом, другой – южным. Два таких стержня будут взаимодействовать. Одноименные полюса отталкиваются друг от друга, разноименные – притягиваются. Причем сила их взаимодействия уменьшается при увеличении расстояния между ними. Это общее свойство сил в физике.

Изучение магнитных явлений шло отдельно от изучения электрических до 1820 года, когда ученый Эрстед обнаружил влияние проводника с током на магнитную стрелку.

Суть открытия состояла в том, что магнитные стрелки ориентировались вдоль окружностей, охватывающих прямой провод с током. Чем больше была сила тока в проводе, тем сильнее он влиял на стрелки. Чем дальше были стрелки от провода, тем слабее было влияние. Возникла идея. Если ток оказывает действие, аналогичное магниту, то токи должны взаимодействовать между собой. Причем эта сила – не электрическая.

Ведь в проводнике не накапливаются заряды одного знака – он электрически нейтрален. Чтобы изучать магнитные свойства тока стали использовать виток. Протекающие по подводящим к нему проводам токи противоположны, что эквивалентно нулевому суммарному току. Поэтому действие будет оказывать только замкнутый ток витка. Было выяснено, что два витка с сонаправленными токами взаимодействуют так же, как магниты с противоположными полюсами. Чтобы было понятно, в каком направлении на рисунке изображен ток витка, его ближняя к нам часть изображена жирной линией. Самое интересное то, что, изменив направление тока в одном витке, мы наблюдаем отталкивание витков. Таким образом, выяснено, что

• Полосовые магниты взаимодействуют аналогично виткам с током, то есть, у витка тоже можно определить северный и южный полюс
• Сонаправленные токи притягиваются, противоположно направленные - отталкиваются.

То есть, это взаимодействие не электрическое. Электрическое не зависит от направления движения зарядов, а лишь от их величины. Это взаимодействие назвали магнитным. При увеличении силы тока в проводнике, его магнитное действие возрастает.

Когда мы рассматривали электрическое поле, мы изображали его геометрически с помощью линий напряженности. Они проводились так, чтобы сила, действующая со стороны поля на помещенный в эту точку заряд, была направлена вдоль этой линии (по касательной). Магнитное взаимодействие тоже характеризуется полем. Свойства магнитного поля отличаются от электрического. Магнитное поле создается постоянными магнитами или проводниками с током. Математической характеристикой электрического поля была напряженность, то есть сила, действующая в данной точке поля на единичный заряд, помещенный в эту точку. Описание магнитного поля сложнее. Линиями магнитного поля назовем линии, вдоль которых выстраиваются маленькие магнитные стрелочки.

На рисунке показаны линии магнитной индукции витка с током и постоянного полосового магнита. Величина поля характеризуется вектором магнитной индукции. С помощью него можно вычислить силу, действующую со стороны магнитного поля на магнитную стрелку или проводник с током, помещенный в эту точку. Но это правило сложнее, чем для электрического поля. Линии напряженности электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Линии магнитной индукции всегда замкнуты (в магните они замыкаются внутри него). Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линиям.

Мы пришли к определению нового физического взаимодействия – магнитного, и описанию его с помощью вектора магнитной индукции. Магнитное поле создается движущимися зарядами. Пространство, в котором оно создано, отличается тем, что в каждой точке пространства на магнитную стрелку действует сила, устанавливающая ее в определенном направлении – магнитная сила.

Чтобы связать направление вектора индукции магнитного поля в центре витка с направлением тока в витке, используют правило буравчика (с правой нарезкой). Вращая его в направлении тока в витке, мы будем вкручивать его в направлении вектора индукции B. В этом направлении установится северный конец стрелочки. Для определения направления B прямого тока нужно использовать буравчик несколько иначе.

Величину вектора B вычислить сложно. Пока мы будем пользоваться формулой для величины B в центре витка с током. Эта величина пропорциональна силе тока и обратно пропорциональна радиусу витка (чем дальше источник поля, тем меньше поле), и вычисляется по формуле . Коэффициент μ₀ определяется выбором единицы силы тока, в системе СИ он равен μ₀=4π•10^-7= 1.257•10^-6 единиц СИ.

Прямой ток создает поле, убывающее по мере удаления от него. Если точка находится на расстоянии x от очень длинного прямого провода, то индукция вычисляется по формуле .

Как увеличить магнитное поле витка? Для этого можно намотать несколько близко расположенных витков. Их поля сонаправлены, поэтому будут усиливать друг друга. Во сколько раз поле двух близких витков с одинаковым током больше поля одного? Каждый ответит, что в два раза, хотя доказать это невозможно. Просто векторный характер нашего мира укоренился в подсознании. Ведь это – проявление принципа суперпозиции. Каждый виток создает поле независимо от другого, а потом два поля просто складываются.

Намотав большое количество витков, мы получим катушку – соленоид. Поля витков сложатся, и максимально усилят друг друга внутри катушки.

Внутри катушки поле будет однородным – одинаковым по величине и направлению во всех точках. Оно вычисляется по формуле . . Здесь I – сила тока в катушке, N – число ее витков, L – ее длина. То есть, n – число витков на единицу длины, их «густота».

Таким образом, постоянный магнит или проводник с током изменяют свойства пространства вокруг себя. В этом измененном пространстве на другой магнит или ток начинает действовать сила. Математически это действие описывается с помощью вектора магнитной индукции и линий магнитного поля. Магнитное поле движущихся зарядов намного слабее электрического поля этих зарядов, заметить его не так просто. К концу XIX века электрические и магнитные явления были объяснены единой теорией. Поэтому с современной точки зрения, электрическое и магнитное поле есть проявления единого поля, создаваемого зарядами. В тех или иных условиях проявляется то или иное поле. Например, в проводнике с током, заряд электронов в точности равен заряду ионов решетки (проводник электрически нейтрален), поэтому его магнитное действие становится заметным.