Раздел 4. Магнетизм

Глава 21. Постоянное магнитное поле

21.1. Характеристики магнитного поля

Опыт показывает, что, подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем движущиеся заряды, токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связывают с фактом ориентации магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (явление было открыто в 1820 г. датским физиком Эрстедом: магнитная стрелка устанавливалась перпендикулярно к проволоке, по которой протекал ток).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся электрические заряды (токи).

Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника в пространстве и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток.

Подобно тому, как при исследовании электрического поля рассматривают точечные заряды, при исследовании магнитного поля рассматривают замкнутый плоский контур с током (рамку с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, создающих магнитное поле. Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к контуру. В качестве положительного направления нормали принимается направление, связанное с током правилом правого винта (направление поступательного движения винта (буравчика), рукоятка которого вращается по направлению тока, текущего в рамке) (рис. 21.1.1).

М агнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Пара сил, действующая на рамку в магнитном поле, создает вращающий момент, который зависит от свойств поля в данной точке и свойств рамки:

,

где вектор магнитной индукции, являющийся количественной характеристикой магнитного поля; вектор магнитного момента рамки с током, характеризующий магнитные свойства рамки. Для плоского контура с током

, (21.1.1)

где площадь рамки.

В скалярной форме

, (21.1.2)

где угол между векторами и .

Если в данную точку поля помещать рамки с различными магнитными моментами, то на них будут действовать различные вращающие моменты, однако отношение для всех рамок одним и тем же, поэтому может служить характеристикой магнитного поля. Это отношение называется магнитной индукцией:

. (21.1.3)

Следовательно, магнитная индукция в данной точке магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с собственным магнитным моментом, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

Единица магнитной индукции в СИ – Тесла (Т).

Пример 21.1.1. Проволочный виток диаметром в помещен в однородное магнитное поле, индукция которого . При пропускании по витку тока он повернулся на . Какой момент сил действовал на виток?