Магнитное поле. 
Электромагнитная индукция

Магнитное поле — форма материи, посредством которой осуществляется связь и взаимодействие между движущимися электрическими зарядами в вакууме и веществе.

Любой движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле. Механизм магнитных явлений объясняется взаимодействием движущихся электрических зарядов.

Основные свойства магнитного поля:

• а) магнитное поле создается электрическими зарядами (движущимся зарядами), намагниченными телами (магнитами) и переменным во времени электрическим полем;
• б) магнитное поле непрерывно в пространстве и действует только на движущиеся электрические заряды (в отличие от электрического поля). Оно также действует на покоящиеся и движущиеся намагниченные тела;
• в) разноименные полюсы магнитов притягиваются, одноименные — отталкиваются. Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция В.

Магнитная индукция — векторная величина, модуль которой определяется отношением максимального значения силы F_max, действующей со стороны магнитного поля на прямой проводник с током, к силе этого тока I в проводнике и его длине I:

Единица магнитной индукции: тесла; 1 Тл = 1 Н/(А-м).

Для определения направления вектора магнитной индукции используется ориентирующее действие магнитного поля на малую рамку (контур) с током. За направление действия магнитной индукции В в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль п к свободно подвешенной рамке с током (замкнутый плоский контур с током), или направление, совпадающее с направлением, указываемым северным полюсом магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля (рис. 4.26). Положительное направление нормали п к контуру с током определяется правилом буравчика (или правого винта): положительная нормаль направлена в сторону, куда перемещался бы буравчик с правой резьбой, если рукоятку вращать по направлению тока в контуре (рамке).

Принцип суперпозиции магнитных полей: магнитная индукция В результирующего поля равна векторной сумме магнитных индукций В_ъ В₂,…, В" складываемых полей, образованных в этой точке каждым полем в отдельности:

где п — число токов, создающих поля.

В частном случае наложения двух магнитных полей, создаваемых двумя проводниками с токами Д и 1₂, которые текут в одном направлении и направлены перпендикулярно от нас, результирующий вектор В в точке А равен В = В_г + В₂, а модуль магнитной индукции B = + В| -г 2 В, В₂ cos а, где, а — угол между векторами В] и В₂ (рис. 4.27).

Для графического изображения магнитных полей используется представление о линиях магнитной индукции.

Линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля) — воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции В в этих точках.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты, либо идут из бесконечности. Замкнутость линий означает, что в природе отсутствуют свободные магнитные заряды.

Линии магнитной индукции прочерчивают с такой густотой, чтобы число линий, пересекающих единицу поверхности, перпендикулярной к ним, было равно (или пропорционально) величине модуля вектора индукции магнитного поля в данном месте. Поля с замкнутыми силовыми линиями называются вихревыми полями. Заметим, что линии напряженности электростатического поля являются разомкнутыми.

Направление вектора магнитной индукции поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током, определяется правилом буравчика (правилом правого винта): если поступательного движение буравчика с правой резьбой совпадает с направлением тока в проводнике, то направление движения конца рукоятки буравчика укажет направление вектора магнитной индукции (рис. 4.28).

Рис. 4.28.

Еще одно правило (правило правой руки) для определения направления вектора магнитной индукции бесконечно длинного прямого проводника с током: мысленно пальцами правой руки обхватить проводник с током так, чтобы большой палец указывал направление тока. Тогда полусогнутые пальцы укажут направление вектора магнитной индукции В.

Магнитная индукция поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током:

где |д₀ — магнитная постоянная; р — магнитная проницаемость среды; г — расстояние от оси проводника.

Направление вектора магнитной индукции, создаваемого проводником в форме кругового витка с током (рис. 4.29), определяют по правилу правой руки или по правилу буравчика: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в витке, то направление его поступательного движения укажет направление индукции магнитного поля.

Рис. 4.29.

Магнитная индукция поля в центре кругового витка с радиусом г, по которому протекает ток I:

На рис. 4.30 и 4.31 приведены, соответственно, линии магнитной индукции поля соленоида и поля полосового (постоянного) магнита.

Индукция магнитного поля в центре соленоида (вдали от краев соленоида) равна:

где N — число витков; I — длина соленоида; п = N/1 — число витков на единицу длины соленоида; I — сила тока в одном витке.

Закон Ампера.

Взаимодействие параллельных проводников

Сила Ампера — сила, действующая на прямолинейный проводник с током, помещенный в магнитное поле.

Закон Ампера: модуль силы Ампера равен произведению силы тока I, протекающего в проводнике, на модуль вектора магнитной индукции В, на длину проводника I и на синус угла, а между вектором В и проводником с током:

или в векторной форме.

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежит вектор магнитной индукции В и проводник с током.

Модуль силы Ампера F_A зависит от составляющей вектора В, перпендикулярной проводнику: В _L = Bsina (рис. 4.32, а). Тогда выражение для силы Ампера примет вид:

Направление силы Ампера подчиняется правилу правого буравчика: при вращении рукоятки буравчика от направления.

тока к вектору В по наименьшему углу поступательное движение буравчика происходит в направлении силы Р_А.

Направление силы Ампера можно определить и по правилу левой руки (рис. 4.32, б): если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входила перпендикулярная к проводнику составляющая В | вектора индукции В, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление силы Ампера.

Между двумя параллельными прямолинейными проводниками возникает сила взаимодействия: проводники притягиваются друг к другу, если по ним протекают токи и 1₂ одного направления (рис. 4.33, а), с токами разного направления — отталкиваются (рис. 4.33, б).

Рис. 4.33.

Сила взаимодействия двух параллельных проводников

с токами 1_Х и /₂, расположенных на расстоянии d друг от друга, рассчитанная на отрезок проводника длиною I, выражается формулой (рис. 4.33).