Взаємодія струмів викликається їх магнітними полями: магнітне поле одного струму діє силою Ампера на інший струм і навпаки.
Тема: 3.3 Магнітне поле. Постійне магнітне поле в речовині.
Мета: формувати основні поняття про основні характеристики магнітного поля;
розвивати логічне мислення, вміння аналізувати, порівнювати та робити висновки;
План
1. Поняття про магнетизм. Магнітне поле електричного струму.
2. Магнітна взаємодія струмів. Магнітне поле прямого, колового і соленоїдного струмів. Напруженість магнітного поля
3. Магнетики та їх намагнічування.. Діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики. Магнітний гістерезис.
1. Магнітні явища були відомі ще в стародавньому світі. Компас був винайдений більше 4500 років тому. У Європі він з’явився приблизно в XII столітті нової ери. Проте тільки в XIX столітті був виявлений зв’язок між електрикою і магнетизмом і виникло уявлення про магнітне поле.
Перші експерименти (проведені в 1820 р.), показали, що між електричними і магнітними явищами є тісний зв’язок, це були досліди датського фізика Х.Ерстеда. Ці досліди показали, що на магнітну стрілку, розташовану поблизу провідника із струмом, діють сили, які прагнуть її повернути. У тому ж році французький фізик А. Ампер спостерігав силову взаємодію двох провідників із струмами і встановив закон взаємодії струмів.
За сучасними уявленнями, провідники із струмом діють з певною силою один на одного не безпосередньо, а через магнітні поля, що їх оточують.
Джерелами магнітного поля є рухоміелектричні заряди (струми) Магнітне поле виникає в просторі, що оточує провідники із струмом, подібно до того, як в просторі, що оточує нерухомі електричні заряди, виникає електричне поле. Магнітне поле постійних магнітів також створюється електричними мікрострумами, циркулюючими всередині молекул речовини (гіпотеза Ампера).
Учені XIX століття намагалися створити теорію магнітного поля по аналогії з електростатикою, вводячи в розгляд так звані магнітні зарядидвох знаків (наприклад, північний N і південний S полюса магнітної стрілки). Проте досвід показує, що ізольованих магнітних зарядів не існує.
Магнітне поле струмів принципово відрізняється від електричного поля. Магнітне поле, на відміну від електричного, надає силову діє тількина рухомі заряди (струми).
Для опису магнітного поля необхідно ввести силову характеристику поля, аналогічну вектору напруженості 
електричного поля. Такою характеристикою є вектор магнітної індукції 
який визначає сили, що діють на струми або рухомі заряди в магнітному полі.
За позитивний напрям вектора приймається напрям від південного полюса S до північного полюса N магнітної стрілки, що вільно орієнтується в магнітному полі. Таким чином, досліджуючи магнітне поле, що створюється струмом або постійним магнітом, за допомогою маленької магнітної стрілки, можна в кожній точці простору визначити напрям вектора Таке дослідження дозволяє наочно представити просторову структуру магнітного поля. Аналогічно силовим лініям у електростатиці можна побудувати лінії магнітної індукції, в кожній точці яких вектор направлений по дотичній. Приклад ліній магнітної індукції полів постійного магніта і котушки із струмом приведений на рис. 1.
|
| Рисунок 1. Лінії магнітної індукції полів постійного магнітна і котушки із струмом. Індикаторні магнітні стрілки орієнтуються по напряму дотичних до ліній індукції |
Магнітні поля постійного магнітна аналогічні магнітним полям котушки із струмом . Лінії магнітної індукції завжди замкнуті, вони ніде не обриваються. Це означає, що магнітне поле не має джерел - магнітних зарядів. Силові поля, що мають цю властивість, називаються вихровими. Картину магнітної індукції можна спостерігати за допомогою дрібної залізної тирси, яка в магнітному полі намагнічується і, подібно до маленьких магнітних стрілок, орієнтуються уздовж ліній індукції.
Для того, щоб кількісно описати магнітне поле, потрібно вказати спосіб визначення не тільки напряму вектора але і його модуля. Найпростіше це зробити, вносячи до досліджуваного магнітного поля провідник із струмом і вимірюючи силу, що діє на окрему прямолінійну ділянку цього провідника. Ця ділянка провідника повинна мати довжину l, достатньо малу в порівнянні з розмірами областей неоднорідності магнітного поля. Як показали досліди Ампера, сила, що діє на ділянку провідника, пропорційна силі струму I, довжині l цієї ділянки і синусу кута між напрямами струму і вектора магнітної індукції:
| F ~ Il sin . |
Ця сила називається силою Ампера. Вона досягає максимального по модулю значення Fmax, коли провідник із струмом орієнтований перпендикулярно лініям магнітної індукції. Модуль вектора визначається таким чином:
Модуль вектора магнітної індукції дорівнює відношенню максимального значення сили Ампера, що діє на прямолінійний провідник із струмом, до сили струму I в провіднику і його довжини l:
|
У загальному випадку сила Ампера виражається співвідношенням:
|
Це співвідношення прийнято називати законом Ампера.
У системі одиниць СІ за одиницю магнітної індукції прийнята індукція такого магнітного поля, в якому на кожен метр довжини провідника при силі струму 1 А діє максимальна сила Ампера 1 Н. Ця одиниця називається тесла (Тл).
|
Тесла - дуже крупна одиниця. Магнітне поле Землі наближено дорівнює рівного 0,5·10–4 Тл. Великий лабораторний електромагніт може створити поле не більш 5 Тл.
Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнітної індукції і напряму струму, що проходить через провідник. Для визначення напряму сили Ампера зазвичай використовують правило лівої руки: якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії індукції входили в долоню, а витягнуті пальці були направлені уздовж струму, то відігнутий на 90° великий палець вкаже напрям сили Ампера(рис. 2).
|
| Рисунок 2. Правило лівої руки і правило свердлика |
Якщо кут між напрямами вектора і струму в провіднику відмінний від 90°, то для визначення напряму сили Ампера 
зручніше користуватися правилом свердлика: уявний свердлик розташовується перпендикулярно площині, що містить вектор і провідник із струмом, потім його рукоятка повертається від напряму струму до напряму вектора . Поступальне переміщення свердлика вкаже напрям сили Ампера (рис. 2). Правило буравчика часто називають правилом правого гвинта.
Одним з важливих прикладів магнітної взаємодії є взаємодія паралельних струмів. Закономірності цього явища були експериментально встановлені Ампером. Якщо у двох паралельних провідниках електричні струми спрямовані в одну і ту ж сторону, то спостерігається взаємне притягання провідників. У разі, коли струми спрямовані в протилежних напрямах, провідники відштовхуються.
Взаємодія струмів викликається їх магнітними полями: магнітне поле одного струму діє силою Ампера на інший струм і навпаки.
Досліди показали, що модуль сили, що діє на відрізок завдовжки l кожного з провідників, прямо пропорційний силам струму I1 і I2 в провідниках, довжині l і обернено пропорційний відстані R між:
|
У Міжнародній системі одиниць СІ коефіцієнт пропорційності k принято записувати у вигляді:
| k = 0 / 2, |
де 0 – постійна величина, яку називають магнітною постійною. Введення магнітної постійної в СІ спрощує запис ряду формул. Її числове значення дорівнює
| 0 = 4·10–7 H/A2 1,26·10–6 H/A2. |
Формула, що виражає закон магнітної взаємодії паралельних струмів, набирає вигляду:
|
Звідси неважко отримати вираз для індукції магнітного поля кожного з прямолінійних провідників. Магнітне поле прямолінійного провідника із струмом повинне мати осьову симетрію і, отже, замкнуті лінії магнітної індукції можуть бути тільки концентричними колами, розташованими в площині, перпендикулярній провідникові. Це означає, що вектори 
і 
магнітні індукції паралельних струмів I1 і I2 лежать в площині, перпендикулярній обом струмам. Тому при обчисленні сил Ампера, що діють на провідники із струмом, в законі Ампера потрібно вважати sin = 1. Із закону магнітної взаємодії паралельних струмів виходить, що модуль індукції B магнітного поля прямолінійного провідника із струмом I на відстані R від нього виражається співвідношенням
|
Для того, щоб при магнітній взаємодії паралельні струми притягувалися, а антипаралельні відштовхувалися, лінії магнітної індукції поля прямолінійного провідника мають бути направлені за годинниковою стрілкою, якщо дивитися уздовж провідника по напряму струму. Для визначення напряму вектора магнітного поля прямолінійного провідника також можна користуватися правилом свердлика: напрям обертання рукоятки свердлика збігається з напрямом вектора якщо при обертанні свердлик переміщується у напрямі струму (рис. 3).
|
| Рисунок 3. Магнітне поле прямолінійного провідника із струмом |
|
| Рисунок 4. Магнітна взаємодія паралельних і антипаралельних струмів |
Рис. 4 пояснює закон взаємодії паралельних струмів.
Магнітна взаємодія паралельних провідників із струмом використовується в Міжнародній системі одиниць (СІ) для визначення одиниці сили струму - ампера:
Ампер - сила струму, що не змінюється, який при проходженні по двох паралельних провідниках нескінченної довжини і досить малого кругового перерізу, розташованим на відстані 1 м один від одного ввакуумі, викликав би між цими провідниками силу магнітної взаємодії, рівну 2·10–7 Н на кожен метр довжини.
2. Магнітне поле постійних струмів різної конфігурації вивчалося експериментально французькими ученими Ж. Біо і Ф. Саваром (1820 р.). Вони прийшли до висновку, що індукція магнітного поля струмів, що проходять по провіднику, визначається сумісною дією всіх окремих ділянок провідника. Магнітне поле підкоряється принципу суперпозиції: