Магнитное поле тока. Действие магнитного поля на проводник с током

Как вы уже знаете, между заряженными телами или частицами, кроме гравитационного взаимодействия, существует ещё и электромагнитное. Если заряды покоятся относительно определённой инерциальной системы отсчёта, то электромагнитное взаимодействие между ними называют электростатическим.

Однако при движении электрически заряженных частиц проявляется вторая составляющая электромагнитного взаимодействия — магнитная.

Что бы вспомнить, как связаны между собой электричество и магнетизм проведём такой опыт. Наэлектризуем эбонитовую палочку, потерев её о шерсть, и поднесём к магнитной стрелке. Как видим, стрелка осталась неподвижной: взаимодействия нет.

Повторим опыт, но уже с заряженной стеклянной палочкой. И опять, магнитная стрелка никак не реагирует. Получается, что никакой связи магнетизма и электричества не существует? Конечно нет. Между магнетизмом и электричеством существует теснейшая связь, что и показал в тысяча восемьсот двадцатом (1820) году Ханс Кристиан Эрстед. Его установка состояла из магнитной стрелки, укреплённой на острие, и прямого проводника, соединённого с вольтовым столбом (последний мы заменили привычным нам источником тока).

Итак, до включения тока магнитная стрелка располагается в магнитном поле Земли, ориентируясь с севера на юг. Замкнув цепь мы увидим, как магнитная стрелка тут же установится перпендикулярно проводнику с током. Разомкнём цепь — стрелка возвращается в своё исходное положение. Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то, замкнув цепь, мы увидим, как стрелка опять поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но уже в противоположном направлении.

Эрстед даже пытался экранировать стрелку от провода стеклом, деревом, смолой, гончарной глиной и камнями. Экранирование не состоялось — стрелка упорно отклонялась при протекании тока по проводнику. Отклонялась она даже тогда, когда её поместили в сосуд с водой.

Таким образом, можно говорить о том, что магнитная стрелка взаимодействует с проводником с током. Следовательно, вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое и совершает работу по повороту магнитной стрелки.

Согласно современным представлениям, магнитное поле — это особая форма материи, созданная движущимися (относительно определённой инерциальной системы отсчёта) электрическими зарядами или переменными электрическими полями.

На основании многочисленных опытов было установлено, что во всех случаях при движении заряженных частиц обязательно появляется магнитное поле, независимо от рода проводника или среды, в которой эти частицы движутся.

Существование магнитного поля вокруг проводника с током можно обнаружить множеством способов. Мы же вспомним такой опыт. Сквозь пластиковый экран, на котором установлены магнитные стрелки, пропустим проводник, соединённый с источником тока. При замыкании электрической цепи стрелки переориентируются, показывая картину линий магнитного поля или линий магнитной индукции. Если же мы изменим направление тока в проводнике, то все стрелки повернутся на 180^о.

Обратите внимание на то, что эти линии магнитного поля представляют собой замкнутые концентрические окружности, центром которых является сам проводник с током. Замкнутость этих линий представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля: оно свидетельствует о том, что магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет. Источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.

Исходя из результатов опыта, мы можем утверждать, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике. В настоящее время принято считать, что направление от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле, принимают за направление линий магнитного поля.

Направление линий магнитного поля можно определить и иначе, например, с помощью правила правой руки: если обхватить проводник с током ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был сонаправлен с током, то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного поля.

В физике для определения направления линий магнитного поля используют правило буравчика, или правило правого винта. Согласно ему, если вращать ручку буравчика (головку винта или шурупа с правой нарезкой) так, чтобы его остриё двигалось по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока. Причём, пользуясь правилом буравчика, надо помнить, что направление тока — это направление упорядоченного движения положительных зарядов.

На практике часто приходится иметь дело с магнитными полями электрических токов, проходящих по соленоидам. Напомним, что соленоид — это цилиндрическая катушка, на которую виток к витку намотан провод.

Если пропустить по соленоиду ток, то он приобретёт свойство притягивать к себе лёгкие металлические предметы. То есть в нём возникает магнитное поле, направление которого можно определить по правилу правой руки: если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы четыре пальца расположились по направлению тока, то отставленный большой палец укажет направление магнитного поля внутри катушки.

Если длина соленоида много больше его диаметра, то внутри центральной части соленоида линии индукции магнитного поля практически параллельны и направлены вдоль его оси́. Напомним, что такое магнитное поле называют однородным.

Увеличить силу магнитного поля катушки с током можно разными способами. Но чаще всего для этого используют сердечник из какого-либо металла, помещённый внутрь катушки. Напомним, что катушку с сердечником называют электромагнитом.

Многочисленные опыты по усовершенствованию электромагнитов показали, что если вставить в катушку с током сердечник из закалённой стали, то в отличие от большинства других металлов, он не размагничивается даже после выключения тока и способен долгое время сохранять намагниченность. Так вот, тела, способные длительное время сохранять намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами. Магниты могут иметь разнообразные форму и размеры. Но наиболее распространены полосовой и подковообразный магниты.

Давайте с вами вспомним, что у любого магнита принято различать два полюса — северный и южный. В них магнитное действие проявляется наиболее сильно. А вот середину магнита называют нейтральной зоной, так как там нет притяжения.

Взаимодействие магнитов имеет значительное сходство с взаимодействием электрически заряженных тел. В обоих случаях одноименные полюсы (или заряды) отталкиваются, а разноимённые — притягиваются.

Но у электрических и магнитных взаимодействий есть одно очень большое различие. Электрические заряды можно отделить друг от друга. А вот полюсы магнита неразделимы. Разрезая магнит на части (неважно, равные или неравные), вы будете получать новые магниты, каждый из которых будет иметь нейтральную зону и два полюса — северный и южный.

Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита, как и вокруг проводника с током, существует магнитное поле. Убедимся в его существовании, для чего воспользуемся железными опилками. Не трудно заметить, что опилки располагаются в виде цепочек, причём с разной плотностью вокруг полосового магнита.

Это говорит о том, что действия, которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее сильно оно проявляется возле полюсов магнита. Чем дальше от полюсов, тем слабее подобное действие и, следовательно, слабее магнитное поле.

Итак, мы уже с вами вспомнили, что магнитные поля, созданные постоянными магнитами или токами, действуют на помещённые в них магнитные стрелки. А поскольку магнитное поле проводника с током действует с определённой силой на магнит, то естественно предположить, что со стороны магнитного поля магнита на проводник с током также должна действовать какая-то сила. Рассмотрим более подробно действие магнитного поля на проводник с током. Кстати, напомним, что сила, действующая со стороны магнитного поля на находящийся в нём проводник с током или движущийся заряд, называется магнитной силой или силой Ампера.

Итак, подвесим к левому плечу коромысла рычажных весов линейный проводник и поместим его между полюсами магнита так, чтобы он был перпендикулярен силовым линиям магнитного поля. Последовательно с этим проводником включим амперметр и реостат, с помощью которого можно менять силу тока в нашем проводнике. Уравновесим весы и замкнём цепь: не трудно увидеть, что равновесие весов нарушилось. Чтобы его восстановить, на правую чашу весов придётся положить добавочный груз, вес которою будет равен силе, действующей на проводник вертикально вниз.

Теперь будем изменять ток в нашем проводнике в целое число раз. Как видим, увеличение силы тока в целое число раз приводит к увеличению в целое число раз и силы, действующей на проводник. То есть сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током прямо пропорциональна силе этого тока.

А теперь будем помещать в магнитное поле проводники разной длины при одном и том же токе. Как видим, сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, прямо пропорциональна длине части проводника, расположенной в магнитном поле.

На основании проведённых опытов мы с вами можем утверждать, что максимальная сила, действующая со стороны магнитного поля на участок проводника, по которому идёт ток, прямо пропорциональна произведению силы тока на длину участка проводника.

Однако, посмотрите, отношение этой силы к длине проводника и к току в нём есть величина постоянная, не зависящая ни от длины проводника, ни от тока в нём. Следовательно, величина этого отношения может служить характеристикой магнитного поля. Эту величину и называют индукцией магнитного поля или просто магнитной индукцией.

В системе единиц СИ индукция магнитного поля измеряется в теслах, в честь сербского инженера и изобретателя Николы Тесла:

Напомним вам, что индукция магнитного поля — это векторная величина. А её направление в данной точке совпадает с направлением силовой магнитной линии, проходящей через эту точку.

Зная индукцию магнитного поля, можно рассчитать максимальную силу Ампера, действующую на проводник с током со стороны магнитного поля:

.

В общем же случае сила Ампера будет зависеть ещё и от ориентации проводника в магнитном поле. Таким образом, в общем случае модуль силы Ампера равен произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции и элемента тока:

Это выражение называют законом Ампера, так как эта зависимость была установлена Адре Мари Ампером в 1820 году.

Чтобы определить направление действия силы Ампера в магнитном поле, можно воспользоваться правилом левой руки: левую руку необходимо расположить так, чтобы силовые линии поля перпендикулярно входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току. Тогда отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы.