4. Магнитное поле в вакууме

4.1. Магнитная индукция. Закон Ампера.

В 1920 г. Ампером было установлено, что электрические токи взаимодействуют между собой. Пусть имеются два тонких длинных параллельных проводника с током (рис.4.1). Проводники притягиваются, если токи текут в одном направлении и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях. Сила их взаимодействия, приходящаяся на единицу длины проводника, пропорциональна произведению сил токов, текущих в проводниках и обратно пропорциональна расстоянию между ними:

.

Это взаимодействие было названо магнитным.

Причина возникновения сил магнитного взаимодействия заключается в появлении вокруг проводников с током магнитного поля.

В частности, в рассмотренном случае ток, текущий в первом проводнике, создает магнитное поле, которое действует на 2-й проводник с током (и наоборот).

Отметим следующие физические свойства магнитного поля:

• оно создается токами и движущимися зарядами;

• действует на токи и движущиеся заряды.

Примечание. Мы знаем, что электрический заряд, является источником электрического поля. Если заряд движется, то он создает еще и магнитное поле. Забегая вперед, отметим, что есть основание считать эти поля появлением единого электромагнитного поля.

Способность магнитного поля оказывать силовое воздействие на токи и движущиеся заряды можно описать количественно с помощью. вектора магнитной индукции .

Рассмотрим элемент тока . Здесь - элемент длина проводника - вектор, направленный в сторону протекания тока.

Сила, действующая на элемент тока в магнитном поле, равна:

. (4.1)

Соотношение (4.1) называют законом Ампера.

В соответствии с правилами для векторного произведения, вектор перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектора и , и его направление связано с направлением и правилом правого винта: при кратчайшем повороте винта от к его поступательное движение указывает направление вектора (рис.4.2).

Модуль вектора силы равен

. (4.2)

Если , то , тогда

. (4.3)

В этом случае

. (4.4)

Закон Ампера позволяет определить физический смысл магнитной индукции, исходя из формулы (4.4), следующим образом.

Вектор магнитной индукции (в данной точке поля) численно равен силе Ампера, действующей на единичный элемент тока, помещенный в эту точку поля перпендикулярно к направлению поля.

Магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля. Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является «Тесла» (сокращенно Тл).

Из формулы (1.4) следует связь между единицами измерения

.

Примечание. Для описания магнитных полей наряду с магнитной индукцией используют также другую векторную величину: напряженность магнитного поля . Её особенность: напряженность магнитного поля - величина, не зависящая от свойств среды.

Между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля существует следующая связь:

. (4.5)

Здесь - магнитная постоянная. Она равна Гн/м^.

Безразмерная величина называется относительной магнитной проницаемостью вещества. Для вакуума =1. Единицей измерения напряженности магнитного поля в системе СИ является А/м.

Для магнитных полей (так же как и для электрических) справедлив принцип суперпозиции:

. (4.6)

Магнитная индукция поля, создаваемого несколькими токами равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током в отдельности.