Розділ 1. Магнітне поле у вакуумі
§1. Магнітне поле і його характеристики
1.1 Магнітне поле
У 1820 році Ерстед встановив, що рухомі заряди взаємодіють не так як ті, що перебувають в стані спокою. У 1901 році Ейхенвальд показав, що коли заряджене тіло перебуває в спокої відносно спостерігача навколо нього існує електричне поле, а якщо почне тіло рухатися, то виникає магнітне поле.. Щоб виявити його наявність потрібно розмістити біля рухомого тіла магнітну стрілку і вона буде відхилятися на певний кут.
Ампер встановив, що будь-який електричний струм здатен взаємодіяти з іншим струмом з силою, яку неможливо пояснити кулонівською взаємодією. Згідно з теорією близькодії нерухомі електричні заряди взаємодіють через електричне поле.
Провідники зі струмом є електрично нейтральними, але якщо пропустити струм по двох паралельних провідниках, то вони будуть притягуватися або відштовхуватись.
Рис.1.1 Рис.1.2
Взаємодію між провідниками зі струмом (між рухомими електричними зарядами) називають магнітною взаємодією, а сили, з якими вони діють один на одного – магнітними силами.
Причиною магнітних взаємодій є магнітне поле – особлива форма матерії, через яку взаємодіють рухомі заряджені частинки, або тіла, які мають магнітний момент. Експериментальним доведенням існування магнітного поля є існування електромагнітних хвиль. Магнітне поле є окремим проявом електромагнітного поля.
Нерухомі заряди не створюють магнітного поля, його утворюють лише електричний струм і постійні магніти. При вивченні взаємодії постійних магнітів було встановлено, що постійні магніти мають два полюси (північний і південний), однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні притягуються. Це може привести до думки, що в природі можуть існувати магнітні заряди. Проте, якщо постійний магніт поділити на дві частини, то кожна частина все одно буде мати два полюси. Не може існувати магніт з одним полюсом.
Якщо окремі тіла можна зарядити позитивно або негативно, оскільки існує елементарний заряд, то ніколи не можна відокремити північний полюс магніту від південного. Отже, згідно з гіпотезою про елементарні магнітні струми Ампера, магнітні заряди в природі не існують. Всередині атомів і молекул циркулюють елементарні електричні струми. Якщо вони розміщені хаотично, то їх дія взаємно компенсується і магнітних властивостей тіло не має.
В намагніченому стані елементарні струми орієнтовані. Тоді магнітні властивості тіла пояснюються замкненими електричним струмами всередині нього. Таким чином, магнітна взаємодія – це взаємодія електричних струмів.
Щоб дослідити властивості магнітного поля використовують маленьку плоску рамку зі струмом, підвідні проводи до якої скручують так, щоб в них проходив той самий електричний струм, але в протилежних напрямах. Тому сили магнітного поля, які діють на проводи однакові, але протилежно направлені.
Рис.1.3
Розміри рамки і сила струму мають бути такими, щоб магнітне поле самої рамки не спотворювало досліджуване поле. Таку рамку називають пробним контуром.
Розмістимо провідник біля пробного контуру. Якщо струму в провіднику немає, рамка перебуває в стані байдужої рівноваги. Якщо струм є, то рамка повернеться так, щоб провідник опинився в площині рамки. Якщо змінити напрям струму в провіднику рамка повернеться на 180о. Тобто магнітне поле чинить орієнтуючу дію на пробний контур.
Пробний контур в магнітному полі зазнає дії обертального моменту сили М. Для певної точки магнітного поля максимальне значення обертального моменту дорівнює добутку сили струму, який протікає в контурі, на площу контуру.
.
Величину рс, що характеризує магнітні властивості контуру, називають магнітним моментом контуру. Він визначає поводження контуру в зовнішньому магнітному полі.
.
Рис.1.4
Магнітний момент контуру – векторна величина. Напрям вектора збігається з напрямом вектора позитивної нормалі n до площини контуру.
Додатній напрям нормалі збігається з напрямом переміщення правогвинтового свердлика, який обертається в напрямі протікання струму. Напрям вектора магнітного моменту показує північний полюс магнітної стрілки.
