Магнитное поле в вакууме

1. Взаимодействие магнитов и токов

Рассмотрим два явления. Первое хорошо всем известное – это притяжение или отталкивание магнитов. Принято считать, что у магнита есть два полюса: северный, и южный. Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Здесь важно отметить, что по отдельности магнитные полюса существовать не могут Если мы разделим магнит, например, пополам, то у каждой половинки вновь образуется два полюса. Таким образом, имея под рукой стрелку компаса и магнит, мы можем определить полюса магнита. Важным во всех этих опытах является то, что один магнит или стрелка компаса, которая также является легким подвижным магнитом, определенным образом ”чувствуют” присутствие где-то рядом других магнитов и безошибочно точно определяют направление на них. Или другими словами один магнит действует на другой, даже если они находятся на расстоянии друг от друга.

Второе явление – это взаимодействие токов. На основании опытов Ампером было установлено, что два проводника, (рис. 1, а) притягиваются, если в них текут токи в одном направлении и отталкиваются, если направления токов противоположные (рис. 1, б).

Рис. 1. Взаимодействие токов и действие тока на магнитную стрелку

Сила, приходящаяся на единицу длины проводника, оказалась пропорциональна величине токов в проводниках и обратно пропорциональна расстоянию между ними:

F = k 2 I₁ I₂ / b. (1)

Уравнение (1) служит основанием для определения единицы сила тока. Так с системе СИ единица тока – ампер (А) это такой ток, при попускании которого через два бесконечно длинных проводника, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга возникает сила 2 10^-7 Н на метр. Уравнение (1) при этом записывается в рационализированной форме:

F = ₀ 2 I₁ I₂ / 4  b, (2)

Где ₀ – магнитная постоянная, равная 1,26 10^-6 генри на метр (Гн/м). Единица заряда – кулон (К) при этом определяется как заряд, протекающий через сечение проводника за одну секунду при силе тока 1 А.

Примерно в тоже время Эрстед обнаружил, что ток, протекающий по проводнику, оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку (рис. 1, в). Причем при изменении направлении тока стрелка поворачивается на 180. Таким образом, был сделан вывод о том, что на магнитную стрелку могут действовать не только находящиеся рядом другие магниты, но и проводники с током. Это указывает на одинаковую природу взаимодействия магнитов и проводников с током.

Теперь опыты с магнитами можно объяснить следующим образом. Первый магнит создает в пространстве около себя магнитное поле. Это поле действует на второй магнит или магнитную стрелку. Во втором опыте проводник, по которому протекает ток, создает вокруг себя магнитное поле и это магнитное поле действует на второй проводник с током или магнитную стрелку. Но в обоих опытах было замечено, что это магнитное поле имеет вполне определенноенаправление, т.е. является вектором. Поскольку магнитное поле невидимо, чтобы хоть как-то наглядно представить его себе, договорились графически изображать его в виде линий со стрелками, которые назвали магнитными силовыми линиями. Условились, что магнитные силовые линии выходят из северного полюса постоянного магнита и входят в южный полюс и вне магнита силовая линия направлена от северного полюса к южному. Магнитные линии не пересекаются между собой, рис. 2. Наглядную картинку силовых линий можно наблюдать, если на постоянный магнит положить лист бумаги и посыпать железный порошок.

Рис. 2. Примеры изображения магнитных полей

Основную количественную характеристику магнитного поля в каждой точке называют магнитной индукцией и обозначают буквой В.

Поскольку магнитное поле невидимо, чтобы хоть как-то наглядно представить его себе, договорились графически изображать его в виде линий со стрелками, которые назвали магнитными силовыми линиями. Условились, что магнитные силовые линии выходят из северного полюса постоянного магнита и входят в южный полюс и вне магнита силовая линия направлена от северного полюса к южному. Магнитные линии не пересекаются между собой. Наглядную картинку силовых линий можно наблюдать, если на постоянный магнит положить лист бумаги и посыпать железный порошок. Вектор магнитной индукции В в каждой точке будет направлен по касательной к силовой линии, а величина магнитной индукции будет пропорциональна количеству линий пересекающих единичную площадку, перпендикулярную им, рис. 2, а. На рис. 2 б, 2 в приведены силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника и поля в зазоре между двумя полюсами постоянного магнита.

Магнитное поле не оказывает действия на покоящиеся заряды и покоящимися зарядами не создается.

Для магнитных полей, как и для электрических справедлив закон суперпозиции:

В = В_i . (3)