Лекция №14 - Магнітне поле

Загальні відомості

Ще в XIX столітті було встановлено, що спрямований рух елементарних носіїв зарядів призводить до появи електричного струму. Заряди, взаємодіючи між собою, викликають появу сили, яку називають електромагнітним полем. Тобто навколо будь-якого зарядженого тіла виникає два явища:

• магнітне;
• електричне.

Перше, на відміну від другого, можливо тільки при русі електричного заряду. Навіть якщо воно створене постійним магнітом, все одно причиною його появи є рух частинок.

 Основною характеристикою сили є вектор індукції. З його допомогою визначають дію магнітного поля в точці простору. Тобто параметр показує, з якою силою створюється вплив на заряд q, що переміщається зі швидкістю V.

Це векторна величина, формула для розрахунку якої має вигляд:

F = q * V * sin (a)

де

• a — значення кута між вектором швидкості і магнітної індукції.

При цьому напрямок сили може бути визначений за правилом гвинта. Напрямок буде завжди направлений перпендикулярно вектору швидкості. За одиницю виміру в СІ прийнята тесла (Тл).

Для магнітного поля характерні наступні властивості:

• При постійній його величині на диполь діє момент обертання: N = [p * B]. Як стрілка компаса розгортається уздовж дії поля, так і виток, по якому тече струм, прагне зайняти положення, при якому його площина буде паралельна лініям індукції.
• Виникнення індукції призводить до того, що траєкторія руху носія заряду приймає спіральний вигляд. Цей ефект проявляється в розподілі електричних частинок по перетину провідника.
  Поле, що змінюється в часі, змушує заряди приходити в рух, а струм, що з’являється при цьому, протидіє подальшій мінливості сили в часі.
• Сила, що діє в магнітному полі, переміщує диполь в напрямку градієнта. Це відбувається через розділення впливу в неоднорідній системі на два пучки.

Лінії магнітного поля

Електричне поле можна досліджувати за допомогою елементарних зарядів, з поведінки яких зручно судити про значення і напрямок матерії. Аналогом такої енергії є пробна частка, яку можна представити у вигляді стрілки, точніше компаса.

Наприклад, якщо взяти багато пристроїв, що вказують на магнітні полюси Землі, і розмістити їх в деякому геометричному просторі, то можна буде візуалізувати сили, що характеризують електромагнітне поле.

Але визначити напрямок матерії навколо провідників зі струмом різної форми або, так званий магнітний спектр, можна і практично. Для цього використовуються різні установки. Найпростішою з них є комплекс, що складається з:

• джерела живлення;
• діелектричної рамки;
• товстого мідного дроту, що здатен пропустити струм близько 20 ампер;
• залізної тирси.

У рамці через просвердлений отвір протягують провід, який підключають до джерела живлення. Зверху на дріт насипають стружки. Після подачі струму можна буде спостерігати, як утворюються ланцюжки, що повторюють форму поширення сили поля. Наприклад, навколо прямого проводу, розташованого перпендикулярно платівці, можна буде побачити кільцеві силові лінії.

Провівши експеримент, можна дізнатися в чому полягає особливість ліній магнітної індукції:

• По-перше, їх поширення нерівномірне. У деяких місцях вони густіші.
• По-друге, ці лінії ніколи не перетинаються і завжди замкнуті. З точки зору фізики, можна додати, що напрямок магнітного поля можливо з’ясувати за правилом гвинта. При цьому вектор індукції дотичний до кожної точки відрізка.

Дослід Ерстеда

Досить тривалий час електричні та магнітні поля вивчалися окремо. Їх взаємозв’язок був виявлений абсолютно випадково. Існує легенда, що Крістіан Ерстед показував учням на своїй лекції в університеті вплив товщини провідника на силу струму. При цьому на демонстраційному столі лежав компас, що залишився з попередньої лекції.

Під час розповіді Ерстеда про природу нагрівання дроту, один з його студентів звернув увагу, що стрілка компаса змінила положення. Цей ефект дозволив вченому стверджувати, що на магнітну стрілку, розташовану поблизу провідника струму, діють сили, які прагнуть її повернути.

Головний інтерес цього явища був у тому, що, крім зміни положення стрілки, ніяких ефектів більше не спостерігалося.

Щоб більш точно уявити, за яким принципом відбувається поворот магнітної стрілки поблизу провідника зі струмом, потрібно розглянути дріт з торця. Тоді можна буде вивчити два випадки:

• струм йде від спостерігача;
• заряди рухаються до спостерігача.

Якщо встановити безліч стрілок навколо провідника, то виявиться, що після пропускання струму вони вишикуються у своєрідну окружність. При цьому їх полюси будуть протилежні один одному.

Ці стрілки приймуть положення по дотичній до магнітних ліній. Таким чином, можна буде побачити, що лінії, що описують поширення поля, представляють коло. Їх же напрямки, в першому випадку, будуть за годинниковою стрілкою, а в другому — проти.

Цю важливу властивість магнітних ліній і спостерігав Ерстед. Ампер же зміг розвинути дослідження далі. Він встановив, що якщо взяти два провідники, розмістити їх паралельно і пустити по них струми в одному напрямку, то виникає сила притягування. Якщо ж в одному з них поміняти полярність — провідники почнуть відштовхуватися.

Виток і котушка

Визначити напрямок магнітного потоку можна за правилом, яке називається правило гвинта. Потрібно взяти провідник зі струмом і розташувати уздовж нього гвинт. При цьому треба домогтися того, щоб стрижень переміщався уздовж напрямку струму. Для цього знадобиться обертати гвинт в певну сторону, яка і буде показувати, куди направлене магнітне поле.

Аналогом цього способу є правило правої руки. Полягає воно в тому, що якщо поставити її великий палець у напрямку струму, то тоді інші чотири польці вкажуть сторону поширення дії сили.

Для проводу, зігнутого в виток, методика визначення зміниться. Вигнутий провідник можна уявити як безліч шматочків. Найцікавішими з них будуть два — розташовані на початку і в кінці.

Якщо скористатися правилом гвинта і намалювати напрямок, то можна побачити, що навколо кожного з кінців виникнуть протилежні один одному силові лінії. Вони будуть замкнуті і мати радіальну форму. Але особливість їх в тому, що в середині провідника сила дії поля буде набагато сильніша, ніж при віддалені від неї.

Якщо при прямому струмі обертання ручки, розташованої у напрямку переміщення частинок, вказує сторону поширення ліній, то для витка ситуація повторюється з точністю навпаки. Коли гвинт обертається у напрямку струму, то стрижень пристрою показує, куди направлене поле всередині витка.

Аналогічну картину можна отримати, якщо з дроту змотати котушку. В середині неї лінії будуть більш густо розташовані, ніж зовні. Цим і користуються для отримання сильного магнітного потоку.

Поняття природи магнітної індукції дозволило використовувати силу в технологічному прогресі людства. Наприклад, були створені поїзди, здатні розвивати величезну швидкість, оскільки вони рухаються на магнітній подушці. Вагони ковзають над поверхнею, не відчуваючи тертя.

Відкриття використовуються і при вивченні роботи головного мозку. Виявилося, що при його діяльності виникає слабке магнітне поле, дослідження якого допомагає зрозуміти принцип роботи нейронів.