Теоретические сведения. Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле

 

Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и посто­янные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Особен­ностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся электрические заряды. Характер влияния магнитного поля на электрический ток зависит от формы проводника, его расположения и направления тока.

При исследовании магнитного поля используются магнитная стрелка или замкнутый плоский контур с током (рамка с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до проводника с током, образующего магнитное поле. Ориентация контура характеризуется направлением нормали к нему. В качестве положительного принимается направление, связанное с правилом пра­вого винта, т.е. направление поступательного движения винта, головка кото­рого вращается в направлении тока, идущего по рамке (рис. 1, а). За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная к рамке нормаль.

Рамка с током в магнитном поле испытывает ориентирующее влияние поля, т.к. на нее дей­ствует пара сил F (Рис. 1, б). Вращающий момент сил определяется векторным произведением , где d – плечо силы.

а б

Рис. 1

 

Силовой характеристикой поля служит индукция магнитного поля. Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля опре­деляется отношением максимального вращающего момента, действующего на рамку с током к величине магнитного момента этой рамки.

(1)

- вектор магнитного момента рамки с током; Для плоского контура с током

,

где I _P - сила тока в рамке; S - площадь контура; - единичный вектор нормали к поверхности рамки. За единицу магнитной индукции принята индукция такого поля, создаваемого внешним проводником с током I или постоянным магнитом, в котором на контур площадью 1м² при силе тока в рамке 1А со стороны поля действует максимальный момент сил 1 Н∙ м. Эта единица - тесла (Тл):

Линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора , называют силовыми линиями магнитной индукции. Величина маг­нитной индукции прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаю­щих единицу площади. Их направление определяется правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого в направлении тока, вращается в направлении линий магнитной индукции (рис. 2).

Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током, показаны на рис. 3.

Рис. 2 Рис. 3

 

Эти линии всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Поле, об­ладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.

Магнитное поле постоянных токов изучалось Био и Саваром; окончатель­ная формулировка найденного ими закона принадлежит Лапласу. Поэтому этот закон носит название закона Био-Савара-Лапласа.

Рис. 4

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент которого создает в некоторой точке А (рис. 4) индукцию поля d B записываются в виде:

, (2)

где - магнитная постоянная ; - магнитная проницае­мость среды; - вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током; - радиус-вектор, проведенный из эле­мента проводника в некоторую точку А поля. Направление перпендикулярно плоскости, натянутой на и .

Модуль вектора В определяется выражением

(3)

где - угол между вектором и радиус-вектором .

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: магнитная ин­дукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движу­щимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, созда­ваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности.

Согласно принципу суперпозиции

. (4)

Если распределение тока симметрично, то применение закона Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет довольно просто рас­считать индукцию магнитного поля.

Так, магнитная индукция в центре кругового проводника с током равна

,

где R – радиус кривизны проводника.

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

,

где r – расстояние от оси проводника до точки.

Согласно предположению Ампера в любом теле существуют микроскопи­ческие токи (микротоки), обусловленные движением электронов в атомах. Они создают свое магнитное поле и ориентируются в магнитных полях макротоков. Макроток - это ток в проводнике под действием ЭДС или разности потенциа­лов. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Магнитное поле макротоков описывается также и вектором напряженности . В случае однородной изо­тропной среды

 

вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности соотношением

, (5)

где μ ₀ - магнитная постоянная; μ - магнитная проницаемость среды, показы­вающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается или ослабляет­ся за счет микротоков среды. Иначе говоря, μ показывает, во сколько раз век­тор индукции магнитного поля в среде больше или меньше, чем в вакууме.

Единица напряженности магнитного поля - А/м. 1А/м - напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна Тл. Земля пред­ставляет собой огромный шарообразный магнит. Действие магнитного поля Земли обнаруживается на ее поверхности и в окружающем пространстве.

Магнитным полюсом Земли называют ту точку на ее поверхности, в кото­рой свободно подвешенная магнитная стрелка располагается вертикально. По­ложения магнитных полюсов подвержены постоянным изменениям, что обусловлено внутренним строением нашей планеты. Поэтому магнитные полюса не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли рас­положен у северных берегов Америки, а Северный полюс - в Антарктиде. Схе­ма силовых линий магнитного поля Земли показана на рис. 5 (пунктиром обо­значена ось вращения Земли): - горизонтальная составляющая индукции магнитного поля; N _r, S _r - географические полюсы Земли; N, S - магнитные по­люсы Земли.

Рис. 5

Направление силовых линий магнитного поля Земли определяется с по­мощью магнитной стрелки. Если свободно подвесить магнитную стрелку, то она установится по направлению касательной к силовой линии. Так как маг­нитные полюсы находятся внутри Земли, магнитная стрелка устанавливается не горизонтально, а под некоторым углом α к плоскости горизонта. Этот угол α называют магнитным наклонением. С приближением к магнитному полюсу угол α увеличивается. Вертикальная плоскость, в которой расположена стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана, а угол между магнитным и географическим меридианами - магнитным склонением.

Силовой характеристикой магнитного поля, как уже отмечалось, является магнитная индукция В. Ее значение невелико и изменяется от 0, 42∙ 10^-4 Тл на экваторе до 0, 7∙ 10^-4 Тл у магнитных полюсов.

Вектор индукции магнитного поля Земли можно разделить на две состав­ляющие: горизонтальную и вертикальную (рис. 5). Укрепленная на вертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизон­тальной составляющей Земли . Магнитное склонение , наклонение α и горизонтальная составляющая магнитного поля являются основными пара­метрами магнитного поля Земли.

Значение определяют магнитометрическим методом, который основан на взаимодействии магнитного поля катушки с магнитной стрелкой. Прибор, называемый тангенс-буссолью, представляет собой небольшую буссоль (ком­пас с лимбом, разделенным на градусы), укрепленную внутри катушки 1 из не­скольких витков изолированной проволоки (рис. 6, а).

Катушка расположена в вертикальной плоскости. Она создает добавочное магнитное поле .

В центре катушки помещается магнитная стрелка 2. Она должна быть не­большой, чтобы можно было принимать индукцию, действующую на ее полю­сы, равной индукции в центре кругового тока. Плоскость контура катушки ус­танавливается так, чтобы она совпадала с направлением стрелки и была пер­пендикулярна горизонтальной составляющей земного поля . Под действием индукции поля Земли и индукции поля катушки стрелка устанавливается по направлению равнодействующей индукции (рис. 6, б).

 

а б

Рис. 6

 

Из рис. 6 видно, что

(6)

Индукция магнитного поля катушки в центре

(7)

 

 

где N - число витков катушки; I - ток, идущий по ней; R - радиус катушки. Из (6) и (7) следует, что

,

или

(8)

Важно понять, что формула (8) является приближенной, т.е. она верна только в том случае, когда размер магнитной стрелки намного меньше радиуса контура R. Минимальная ошибка при измерении фиксируется при угле откло­нения стрелки ≈ 45°. Соответственно этому и подбирается сила тока в катушке тангенс-буссоли.