У 19 столітті досвідченим шляхом були досліджені закони взаємодії постійних магнітів і провідників, по яких пропускався електричний струм. Досліди показали, що подібно до того, як в просторі, що оточує електричні заряди, виникає електростатичне поле, так і в просторі, що оточує струми і постійні магніти, виникає силове поле, яке називається магнітним.
Були встановлені два експериментальних факту:
1) магнітне поле діє на рухомі заряди;
2) рухомі заряди створюють магнітне поле.
Цим магнітне поле істотно відрізняється від електростатичного, яке діє як на рушійні, так і на покояться заряди. Магнітне поле не діє на покояться заряди. Досвід показує, що характер впливу магнітного поля на струм залежить від форми провідника, по якому тече струм; від розташування провідника і від напрямку струму.
Сила взаємодії, що приходить на одиницю довжини кожного з паралельних провідників, пропорційна величинам струмів в них і обернено пропорційна відстані між ними:
де - коефіцієнт пропорційності, μ0 = 4π · 10 -7 Гн / м - магнітна постійна, b - відстань між провідниками.
Основною характеристикою магнітного поля визначають силу дії з боку поля на одиничний провідник з струмом, і називається магнітною індукцією B.
Магнітна індукція в даній точці однорідного магнітного поля визначається максимальним обертовим моментом, що діє на рамку з магнітним моментом, рівним одиниці, коли нормаль до рамки перпендикулярна напрямку поля:
Магнітне поле на відміну від електричного, не робить дії на спочивають заряд, тобто магнітне поле породжується рухомими зарядами. Ще однією характеристикою магнітного поля є напруженість Н.
Магнітна індукція B пов'язана з напруженістю H магнітного поля співвідношенням
де # 956; - відносна магнітна проникність середовища.
Досвід показує, що для магнітного поля, як і для електричного справедливий принцип суперпозиції. магнітна індукція результуючого поля, що породжується кількома рухомими зарядами (струмами), так само векторної сумі магнітних індукцій. створюваних кожним зарядом (струмом) окремо:
Якщо величина і напрямок вектора магнітної індукції у всіх точках деякої області простору однакові, то поле називається однорідним.
Для графічного зображення магнітного поля вводять поняття силових ліній вектора магнітної індукції (ріс.12.1), які проводять таким чином, що дотична до кожної точки простору збігається з вектором магнітної індукції в даній точці. Густота ліній визначається модулем магнітної індукції.
Розглянемо магнітне поле, створюване в деякій точці Р точковим зарядом q, що рухається з постійною швидкістю v (ріс.12.2).
Експериментально було показано, що при швидкостях набагато менше швидкості світла v < або в скалярною формі З формули (12.1.3) випливає, що вектор магнітної індукції в кожній точці Р направлений до площини, що проходить через напрям вектора v і Р. Одиницею виміру магнітної індукції в системі СІ називається Тесла (Тл). Розглянемо малий елемент проводу довжини dl (рис.12.3.). Введемо вектор. спрямований по осі елемента струму, в сторону, в яку тече струм. де - радіус - вектор, проведений з елемента струму в розглянуту точку поля, K - коефіцієнт пропорційності де - магнітна постійна. Із закону Біо-Савара-Лапласа випливає, що вектор магнітної індукції В в будь-якій точці С магнітного поля перпендикулярний площині, в якій лежать вектори dl і. і його напрямок таке, що з кінця вектора dB поворот вектора dl до суміщення з вектором г по найкоротшому шляху видно, що відбувається проти годинникової стрілки (рис.12.3). За допомогою закону Біо-Савара - Лапласа, застосовуючи принцип суперпозиції, можна обчислити магнітне поле будь-яких систем струмів. Розрахунок магнітного поля для прямого струму. Визначимо напрямок вектора магнітної індукції елемента струму dB в точці М. За правилом свердлика вектор dB спрямований перпендикулярно до площини, що проходить через елемент струму і точку, в якій обчислюється поле. Згідно із законом Біо-Савара-Лапласа, модуль вектора магнітної індукції елемента струму де # 945; - кут між векторами dl і r. Тоді закон Біо-Савара-Лапласа набуде вигляду Магнітна індукція всього провідника буде дорівнює сумі алгебри модулів векторів магнітної індукції або кут # 945; для кожного елемента нескінченно прямого струму змінюється в межах від 0 до π. отже, - магнітна індукція поля прямого струму. Лінії магнітної індукції поля прямого струму представляють собою систему охоплюють провід концентричних кіл. Магнітне поле діє не тільки на провідники зі струмом, а й на окремі електричні заряди, що рухаються в поле. На заряд, що рухається в магнітному полі, діє сила, яку називається магнітною. Ця сила визначається зарядом q, швидкістю його руху # 965; і магнітної індукції В. в тій точці, де знаходиться заряд в даний момент часу і називається силою Лоренца. Дослідним шляхом встановлено, що сила F, що діє на заряд, що рухається в магнітному полі, визначається формулою модуль сили Лоренца де - швидкість руху зарядів, # 945; - кут між векторами і. Сила Лоренца завжди направлена перпендикулярно швидкості зарядженої частинки, повідомляючи їй нормальне прискорення. Отже, сила Лоренца не робить роботи. Вона змінює тільки напрям швидкості руху частинки в магнітному полі. Модуль швидкості заряду і його кінетична енергія при русі в магнітному полі не змінюються.
У 1820 році трьома французькими вченими Біо, Саварен і Лапласом була отримана емпірична формула, яка визначає вектор магнітної індукції від провідника зі струмом:
Полем прямого струму називається поле, створене струмом, поточним по тонкому прямому провідникові нескінченної довжини. Обчислимо напруженість поля в точці М, що знаходиться на відстані R від цього провідника. Для цього виділимо нескінченно малий елемент струму dl. (Рис. 12.4)Схожі статті