1. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля

Магнетизм известен, по крайней мере, с 5 века до нашей эры. Некоторые камни, найденные вблизи города Магнезия (теперь Манисса) в Турции, обладали тем свойством, что, будучи свободно подвешены, всегда ориентировались в определенном направлении. Куски такой магнитной руды использовались мореплавателями в качестве указателя направления. Китайцами был создан компас, т. е. свободно вращавшаяся магнитная стрелка. В 1600 году Гильберт, с целью объяснить магнетизм Земли, изготовил шар из магнитной руды и исследовал, каким образом шар действует на маленькую железную стрелку. Он обнаружил сходство поведения этой стрелки с поведением стрелки компаса вблизи Земли и пришел к заключению, что Земля представляет собой гигантский магнит.

В 1820 году Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током. Он поместил компас вблизи от проволоки и, когда по проволоке пошел ток, стрелка компаса отклонилась и установилась перпендикулярно проволоке. Этот простой опыт послужил началом учения об электромагнетизме.

Несмотря на то что магнитные свойства веществ были известны давно, природа этих свойств была не ясна. После опыта Эрстеда Ампер выдвинул гипотезу о том, что свойства постоянных магнитов обусловлены циркулирующими в их толще постоянными круговыми токами (молекулярными токами). Эта гипотеза подтвердилась в дальнейшем, сейчас мы знаем, что электроны вращаются вокруг ядра и это движение можно рассматривать как круговой ток.

Таким образом магнетизм обусловлен движущимися зарядами. Движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства – создают в нем магнитное поле. Это поле проявляется в том, что на магнитную стрелку и на проводники с током действуют силы.

Для обнаружения и исследования электростатического поля используется пробный точечный заряд. Для обнаружения и исследования магнитного поля применяется замкнутый контур с током малых размеров. Внеся такой пробный контур в магнитное поле, мы обнаружим, что он установится определенным образом, т. е. поле оказывает на контур ориентирующее действие. Это можно использовать для определения направления магнитного поля. Для этого надо условиться, как характеризовать ориентацию контура в пространстве. Проведем нормаль к контуру, связанную с направлением тока в контуре правилом правого винта (буравчика). Такую нормаль будем называть положительной.

За направление магнитного поля в месте расположения контура принимается то направление, вдоль которого располагается положительная нормаль контура.

Пробный контур можно использовать и для количественной оценки магнитного поля. Если контур повернуть так, чтобы направление нормали и поля не совпадали, возникает вращающий момент, стремящийся вернуть контур в равновесное положение.

Вращающий момент зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств контура. Внося в одну и ту же точку разные пробные контуры, мы обнаружим, что , где - ток в контуре, - площадь контура, - угол между положительной нормалью и направлением поля. Величина называется магнитным моментом контура.

( - единичный вектор положительной нормали).

Следовательно, .

На пробные контура, отличающиеся значением действуют в данной точке поля разные по величине вращающие моменты (=const). Однако отношение будет для всех контуров одно и тоже и может быть принято для количественной характеристики поля. Физическую величину , пропорциональную этому отношению, называют магнитной индукцией.

Магнитная индукция – вектор, направление которого определяется направлением положительной нормали к пробному контуру.

Введя коэффициент пропорциональности можно записать равенство:

В СИ .

Как и в случае электрического поля можно ввести для наглядности линии индукции магнитного поля. Линии магнитной индукции – это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

Помимо макроскопических токов, текущих в проводниках, в любом теле существуют микроскопические токи, создаваемые движением электронов в атомах и молекулах. Эти микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях внешних токов. Если возле какого-либо тела поместить проводник с током (макроток), создающий вокруг себя магнитное поле, то под действием этого поля микроскопические токи во всех атомах будут определенным образом поворачиваться и создадут в теле дополнительное поле. Таким образом, вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми микро и макро токами. При одном и том же токе в проводнике величина вектора в различных средах будет иметь разные значения.

Для характеристики магнитного поля, создаваемого самим макротоком вводится вспомогательное понятие вектора напряженности магнитного поля , не зависящего от свойств среды. В СИ:

,

где _о- магнитная постоянная, - магнитная проницаемость среды (для вакуума =1).

;

Магнитная проницаемость среды  показывает во сколько раз магнитное поле макроскопических токов усилено за счет поля микроскопических токов среды. В СИ .

.