Отримання знань

 Магнітна взаємодія струмів. Магнітне поле 

Магнітні явища були відомі ще в стародавньому світі. Компас був винайдений більше 4500 років тому. У Європі він з'явився приблизно в XII столітті нової ери. Проте тільки в XIX столітті був виявлений зв'язок між електрикою і магнетизмом і виникло уявлення про магнітне поле.

Першими експериментами (проведені в 1820 р.),які показали, що між електричними і магнітними явищами є глибокий зв'язок, були досліди данського фізика Х. Ерстеда.  Ці досліди показали, що на магнітну стрілку, розташовану поблизу провідника із струмом, діють сили, які насмагаються  її повернути. У тому ж році французький фізик А. Ампер спостерігав силову взаємодію двох провідників із струмами і встановив закон взаємодії струмів.

За сучасними уявленнями  провідники із струмом  діють  один на одного не безпосередньо, а через те, що  їх оточують  магнітні поля.

Джерелами магнітного поля є рухомі електричні заряди (струми). Магнітне поле виникає в просторі, що оточує провідники із струмом, подібно до того, як в просторі, що оточує нерухомі електричні заряди, виникає електричне поле. Магнітне поле постійних магнітів також створюється електричними мікрострумами, циркулюючими усередині молекул речовини (гіпотеза Ампера).

Учені XIX століття намагалися створити теорію магнітного поля по аналогії з електростатикою, вводячи в розгляд так звані магнітні заряди двох знаків (наприклад, північний N і південний S полюси магнітної стрілки). Проте дослід показує, що ізольованих магнітних зарядів не існує.

Магнітне поле струмів принципово відрізняється від електричного поля. Магнітне поле, на відміну від електричного, надає силову дію тільки на рухомі заряди (струми).

Для опису магнітного поля необхідно ввести силову характеристику поля, аналогічну вектору напруженості  електричного поля. Такою характеристикою є вектор магнітної індукції який визначає сили, що діють на струми або рухомі заряди в магнітному полі.

За позитивне напрям вектора приймається напрям від південного полюса S до північного полюса N магнітної стрілки, що вільно орієнтується в магнітному полі.

 Таким чином, досліджуючи магнітне поле, що створюється струмом або постійним магнітом, за допомогою маленької магнітної стрілки, можна в кожній точці простору визначити напрям вектора Таке дослідження дозволяє наочно представити просторову структуру магнітного поля. Аналогічно силовим лініям у електростатиці можна побудувати лінії магнітної індукції у кожній точці яких вектор направлений по дотичній. Приклад ліній магнітної індукції полів постійного магніта і котушки із струмом наведений на мал. 1.

Малюнок 1. Лінії магнітної індукції полів постійного магніта і котушки із струмом. Індикаторні магнітні стрілки орієнтуються по напряму дотичнихдо ліній індукції

Звернете увагу на аналогію магнітних полів постійного магніту і котушки із струмом. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті, вони ніде не обриваються. Це означає, що магнітне поле не має джерел – магнітних зарядів. Силові поля, що володіють цією властивістю, називаються вихровими. Картину магнітної індукції можна спостерігати за допомогою дрібної залізної тирси, яка в магнітному полі намагнічується і, подібно до маленьких магнітних стрілок, орієнтуються уздовж ліній індукції.

Для того, щоб кількісно описати магнітне поле, потрібно вказати спосіб визначення не лише напряму вектора але і його модуля. Найпростіше це зробити, вносячи до досліджуваного магнітного поля провідник із струмом і вимірюючи силу, що діє на окрему прямолінійну ділянку цього провідника. Ця ділянка провідника повинна мати довжину Δl , достатньо малу в порівнянні з розмірами областей неоднорідності магнітного поля. Як показали досліди Ампера, сила, що діє на ділянку провідника, пропорційна силі струму I довжині Δl цієї ділянки і синуса кута α між напрямами струму і вектора магнітної індукції:
 

Ця сила називається силою Ампера. Вона досягає максимального по модулю значення F_max, коли провідник із струмом орієнтований перпендикулярно  до ліній магнітної індукції. Модуль вектора визначається таким чином:

Модуль вектора магнітної індукції дорівнює відношенню максимального значення сили Ампера, що діє на прямій провідник із струмом, до сили струму I у провіднику і його довжині Δl:
 

У загальному випадку сила Ампера виражається співвідношенням:
 

Це співвідношення прийнято називати законом Ампера.

У системі одиниць СІ за одиницю магнітної індукції прийнята індукція такого магнітного поля, в якому на кожен метр довжини провідника при силі струму 1 А діє максимальна сила Ампера 1 Н.Ця одиниця називається тесла (Тл).
 

Тесла – дуже велика  одиниця. Магнітне поле Землі приблизно ріве   0,5·10^–4 Тл. Великий лабораторний електромагніт може створити поле не більш 5 Тл.

Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнітної індукції і напряму струму, що протікає по провідникуі. Для визначення напряму сили Ампера зазвичай використовують правило лівої руки: якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії індукції входили в долоню, а витягнуті пальці були направлені уздовж струму, то відведений великий палець вкаже напрям сили, що діє на провідник (мал.2).

Малюнок 2. Правило лівої руки і правило правого гвинта

Якщо кут α між напрямами вектора і струму в провіднику відмінний від 90°то для визначення напряму сили Ампера  зручніше користуватися правилом правого гвинта: уявний гвинт (свердлик)  розташовується перпендикулярно площиніі, що містить вектор і провідник із струмом, потім його ручка повертається від напряму струму до напряму вектора Поступальне переміщення свердлика показуватиме напрям сили Ампера (мал. 2).

Одним з важливих прикладів магнітної взаємодії є взаємодія паралельних струмів. Закономірності цього явища були експериментально встановлені  Ампером. Якщо по двом паралельним провідникам електричні струми протікають в одну і ту ж сторону, то спостерігається взаємне притягання провідників. У разі, коли струми течуть в протилежних напрямах, провідники відштовхуються.

Взаємодія струмів викликається їх магнітними полями: магнітне поле одного струму діє з силою  Ампера на інший струм і навпаки.

Досліди показали, що модуль сили, що діє на відрізок завдовжки Δl кожного з провідників, прямо пропорційний силам струму I₁ і I₂ у провідниках, довжині відрізку Δl і назад пропорційний відстані R між ними:
 

У Міжнародній системі одиниць СІ коефіцієнт пропорційності до прийнято записувати у вигляді:
 

де  μ₀ – постійна величина, яку називають магнітною постійною. Введення магнітною постійною в СІ спрощує запис ряду формул. Її чисельне значення рівне
 

Формула, що виражає закон магнітної взаємодії паралельних струмів, набирає вигляду:
 

Звідси неважко отримати вираз для індукції магнітного поля кожного з прямолінійних провідників. Магнітне поле прямолінійного провідника із струмом повинно мати осьову симетрію і, отже, замкнуті лінії магнітної індукції можуть бути тільки концентричними колами, розташованими в площиніі,  що перпендикуляра  провіднику.  Це означає, що вектори і магнітній індукції паралельних струмів I₁ і I₂ лежать в площині, перпендикулярній обом струмам. Тому при обчисленні сил Ампера, що діють на провідники із струмом, в законі Ампера потрібно покласти sin α = 1. Із закону магнітної взаємодії паралельних струмів виходить, що модуль індукції B магнітного поля прямолінійного провідника із струмом I на відстані R від нього виражається співвідношенням
 

Для того, щоб при магнітній взаємодії паралельні струми притягувалися, а антипаралельні відштовхувалися, лінії магнітної індукції поля прямолінійного провідника мають бути направлені за годинниковою стрілкою, якщо дивитися уздовж провідника по напряму струму.

Малюнок .3. Магнітне поле прямолінійного провідника із струмом

Малюнок 4. Магнітна взаємодія паралельних і антипаралельних струмів

Мал. .4 пояснює закон взаємодії паралельних струмів.

Магнітна взаємодія паралельних провідників із струмом використовується в Міжнародній системі одиниць (СІ) для визначення одиниці сили струму – ампера:

Ампер – сила струму,  який при проходженні по двох паралельним провідникам нескінченної довжини і  малого перерізу, розташованим на відстані 1 м один від одного у вакуумі, викликав би між цими провідниками силу магнітної взаємодії, рівну 2·10^–7 Н на кожен метр довжини.