Магнитные явления были известны еще в старом мире. Компас был придуман более 4500 лет тому вспять. Он появился в Европе примерно в XII веке новейшей эпохи. Но исключительно в XIX веке была найдена связь меж электричеством и магнетизмом и появилось представление о магнитном поле. Первыми тестами, показавшими, что меж электронными и магнитными явлениями имеется глубочайшая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда (1820 г.). Эти опыты проявили, что на магнитную стрелку, расположенную поблизости проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку.

В том же году французский физик А. Ампер следил силовое взаимодействие 2-ух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов. По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не конкретно, а через окружающие их магнитные поля. Источниками магнитного поля являются передвигающиеся электронные заряды (токи).

Магнитное поле появляется в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем недвижные электронные заряды, появляется электронное поле. Магнитное поле неизменных магнитов также создается электронными микротоками, циркулирующими снутри молекул вещества (догадка Ампера). Ученые XIX века пробовали сделать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так именуемые магнитные заряды 2-ух символов (к примеру, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Но, опыт указывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.

Магнитное поле токов принципно отличается от электронного поля. Магнитное поле, в отличие от электронного, оказывает силовое действие только на передвигающиеся заряды (токи). Для описания магнитного поля нужно ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности  электронного поля. Таковой чертой является вектор магнитной индукции Вектор магнитной индукции определяет силы, действующие на токи либо передвигающиеся заряды в магнитном поле. За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким макаром, исследуя магнитное поле, создаваемое током либо неизменным магнитом, при помощи малеханькой магнитной стрелки, можно в каждой точке места найти направление вектора Такое исследование позволяет представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно выстроить полосы магнитной индукции, в каждой точке которых вектор ориентирован по касательной. Пример линий магнитной индукции полей неизменного магнита и катушки с током приведен на рис. 4.16.1.

1

Набросок 4.16.1. Полосы магнитной индукции полей неизменного магнита и катушки с током. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.

Направьте внимание на аналогию магнитных полей неизменного магнита и катушки с током. Полосы магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это значит, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, владеющие этим свойством, именуются вихревыми. Картину магнитной индукции можно следить при помощи маленьких стальных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно небольшим магнитным стрелкам, ориентируются повдоль линий индукции. Для того, чтоб количественно обрисовать магнитное поле, необходимо указать метод определения не только лишь направления вектора да и его модуля. Проще всего это сделать, внося в исследуемое магнитное поле проводник с током и измеряя силу, действующую на отдельный прямолинейный участок этого проводника. Этот участок проводника обязан иметь длину Δl, довольно малую по сопоставлению с размерами областей неоднородности магнитного поля. Как проявили опыты Ампера, сила, действующая на участок проводника, пропорциональна силе тока I, длине Δl этого участка и синусу угла α меж направлениями тока и вектора магнитной индукции:

F ~ IΔl sin α.

  Эта сила именуется силой Ампера. Она добивается наибольшего по модулю значения Fmax, когда проводник с током нацелен перпендикулярно линиям магнитной индукции. Модуль вектора определяется последующим образом: Модуль вектора магнитной индукции равен отношению наибольшего значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине Δl:

  В общем случае сила Ампера выражается соотношением:

F = IBΔl sin α.

  Это соотношение принято именовать законом Ампера. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такового магнитного поля, в каком на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует наибольшая сила Ампера 1 Н. Эта единица именуется тесла (Тл).

  Тесла – очень большая единица. Магнитное поле Земли примерно равно 0,5·10–4 Тл. Большой лабораторный электромагнит может сделать поле менее 5 Тл. Сила Ампера ориентирована перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно употребляют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтоб полосы индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были ориентированы повдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 4.16.2).

2

Набросок 4.16.2. Правило левой руки и правило буравчика.

Если угол α меж направлениями вектора и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера более комфортно воспользоваться правилом буравчика: воображаемый буравчик размещается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор и проводник с током, потом его ручка поворачивается от направления тока к направлению вектора Поступательное перемещение буравчика будет демонстрировать направление силы Ампера (рис. 4.16.2). Правило буравчика нередко именуют правилом правого винта. Одним из принципиальных примеров магнитного взаимодействия токов является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Если по двум параллельным проводникам электронные токи текут в одну и ту же сторону, то наблюдается обоюдное притяжение проводников. В случае, когда токи текут в обратных направлениях, проводники отталкиваются. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле 1-го тока действует силой Ампера на другой ток и напротив. Опыты проявили, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I1 и I2 в проводниках, длине отрезка Δl и назад пропорционален расстоянию R меж ними:

  В Интернациональной системе единиц СИ коэффициент пропорциональности k принято записывать в виде:

k = μ0 / 2π,

  где μ0 – неизменная величина, которую именуют магнитной неизменной. Введение магнитной неизменной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно

μ0 = 4π·10–7 H/A2 ≈ 1,26·10–6 H/A2.

  Формула, выражающая закон магнитного взаимодействия параллельных токов, воспринимает вид:

  Отсюда несложно получить выражение для индукции магнитного поля каждого из прямолинейных проводников. Магнитное поле прямолинейного проводника с током должно владеть осевой симметрией и, как следует, замкнутые полосы магнитной индукции могут быть только концентрическими окружностями, размещающимися в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Это значит, что векторы и магнитной индукции параллельных токов I1 и I2 лежат в плоскости, перпендикулярной обоим токам. Потому при вычислении сил Ампера, действующих на проводники с током, необходимо в законе Ампера положить sin α = 1. Из закона магнитного взаимодействия параллельных токов следует, что модуль индукции B магнитного поля прямолинейного проводника с током I на расстоянии R от него выражается соотношением

  Для того, чтоб при магнитном содействии параллельные токи притягивались, а антипараллельные отталкивались, полосы магнитной индукции поля прямолинейного проводника должны быть ориентированы по часовой стрелке, если глядеть повдоль проводника по направлению тока. Для определения направления вектора магнитного поля прямолинейного проводника также можно воспользоваться правилом буравчика: направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора если при вращении буравчик перемещается в направлении тока (рис. 4.16.3).

3

Набросок 4.16.3. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

4

Набросок 4.16.4. Магнитное взаимодействие параллельных и антипараллельных токов.

Рис. 4.16.4 объясняет закон взаимодействия параллельных токов. Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током употребляется в Интернациональной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока – ампера: Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам нескончаемой длины и ничтожно малого радиального сечения, размещенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы меж этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2·10–7 H на каждый метр длины.