§ 13. Магнітне поле струму. Індукція магнітного поля

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснювати взаємозв'язок електричних та магнітних явищ як прояв єдиної електромагнітної взаємодії, властивості магнітного поля, сутність його силової характеристики, зображати електричне поле струму за допомогою силових ліній.

ЕЛЕКТРИЧНА ТА МАГНІТНА ВЗАЄМОДІЇ. Магнітні явища людина почала використовувати для практичних потреб досить давно (перші компаси були створені кілька тисячоліть тому), проте їхня природа залишалася невідомою. Тривалий час магнітні та електричні взаємодії вважали різними сутностями, не пов'язаними між собою. Лише у XIX ст. було встановлено взаємозв'язок між ними та сформувалися уявлення про магнітне поле. У 1820 р. данський вчений Г. Х. Ерстед за допомогою магнітної стрілки виявив магнітне поле провідника зі струмом, уперше експериментально встановивши взаємозв'язок між електричними та магнітними явищами.

Магнітна стрілка є найпростішим індикатором магнітного поля.

У цьому ж році французький фізик А. Ампер спостерігав силову взаємодію двох провідників зі струмами і встановив закон взаємодії струмів. Якщо два гнучкі провідники приєднаємо до джерела струму так, щоб у провідниках виникли струми протилежного напряму (рис. 13.1, б). Провідники почнуть відштовхуватися один від одного.

Рис. 13.1. Схема досліду А. Ампера

Якщо струми одного напряму, то провідники притягуватимуться (рис. 13.1, а). Оскільки струм в одному з провідників не може безпосередньо діяти на струм в іншому провіднику, їх взаємодія відбувається завдяки магнітному полю. Так само, як навколо нерухомих електричних зарядів, існує електричне поле, навколо струмів існує магнітне поле. Електричний струм в одному з провідників створює магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику, та навпаки.

Таку взаємодію між провідниками зі струмом, тобто взаємодію між рухомими електричними зарядами, називають магнітною. Сили, з якими провідники зі струмом діють один на одного, називають магнітними силами.

Магнітне поле існує навколо будь-якого провідника зі струмом, тобто навколо рухомих електричних зарядів. Електричний струм і магнітне поле невідокремлювані один від одного.

Магнітне поле виникає навколо провідника, коли в ньому проходить електричний струм. Тому струм слід розглядати як джерело магнітного поля.

Магнітне поле — особливий вид матерії, яка забезпечує взаємодію між рухомими електрично зарядженими частинками.

Якщо навколо нерухомих електричних зарядів існує тільки електричне поле, то навколо зарядів, що рухаються (електричного струму) існує одночасно і електричне, і магнітне поле.

Отже, магнітне поле є окремим проявом електромагнітного.

Оскільки джерелами магнітного поля є рухомі електричні заряди (струми), то магнітне поле постійних магнітів також створюється електричними мікрострумами, які циркулюють всередині молекул речовини (гіпотеза Ампера). Правильність гіпотези Ампера підтверджується сучасними уявленнями про внутрішню електронно-ядерну будову атомів речовини. А з неї випливає важливий висновок: немагнітних речовин у природі не існує. Усі речовини тією чи іншою мірою є магнетиками (умовна назва речовини, магнітні властивості якої вивчають).

В. Г. Бар'яхтар, засновник та директор, почесний директор Інституту магнетизму НАН України, академік, Герой України, видатний учений у галузі теоретичної фізики, фізики твердого тіла та магнітних явищ

Перспективним напрямом сучасних досліджень з магнетизму є застосування матеріалів з унікальними магнітними властивостями. В Україні дослідження магнітних явищ здійснюються в Інституті магнетизму Національної Академії наук України, створеному в 1995 р. зусиллями відомого вченого в галузі теоретичної фізики, фізики магнітних явищ та твердого тіла, академіка В. Г. Бар'яхтара. Учені цієї потужної науково-дослідної установи розв'язують теоретичні та практичні проблеми магнетизму, створюють нові магнітні матеріали (магнітні носії з надвисокою щільністю запису інформації, матеріали з ефектом магнітної пам'яті), будують достовірні 3D-моделі різних геохімічних і геофізичних процесів (наприклад, розподілу радіоактивного забруднення місцевості), що є важливим інструментом із розроблення системи заходів для ліквідації наслідків таких екологічних катастроф світового масштабу, як аварія на Чорнобильській АЕС.

ІНДУКЦІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ. МАГНІТНЕ ПОЛЕ ПРЯМОГО ТА КОЛОВОГО СТРУМУ. Силова дія магнітного поля характеризується його індукцією. Індукція магнітного поля є векторною величиною і позначається літерою B. Подібною характеристикою електричного поля є напруженість E.

Індукція магнітного поля B — це фізична величина, яка характеризує силову дію магнітного поля.

Вектор магнітної індукції B визначає сили, що діють на струми або рухомі заряди в магнітному полі. За напрямок вектора B приймається напрям від південного S до північного полюса N магнітної стрілки, яка може вільно обертатися в магнітному полі. Напрямок вектора індукції магнітного поля струму в кожній точці простору можна визначити за допомогою магнітної стрілки або залізних ошурок. У магнітному полі ошурки намагнічуються, стають маленькими магнітними стрілочками та орієнтуються вздовж його силових ліній.

Якщо навколо прямого провідника зі струмом розташувати залізні ошурки або маленькі магнітні стрілки, то під час протікання електричного струму вони зорієнтуються так, що їх осі будуть напрямлені вздовж силових ліній магнітного поля, тобто концентричними колами (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Залізні ошурки (а) та магнітні стрілки (б) навколо прямого провідника із струмом

За напрямок силових ліній магнітного поля взято напрямок, який показує північний полюс магнітної стрілки у кожній точці магнітного поля. На рис. 13.3 розташування магнітних стрілок на площині, якщо на неї дивитися зверху: а) струм спрямований від нас, у площину рисунка, що умовно позначено знаком «плюс» у кружечку; б) струм у провіднику спрямований до нас, що умовно позначено кружечком з крапкою всередині.

Рис. 13.3. Магнітні стрілки в магнітному полі прямого провідника зі струмом

Отже, напрямок ліній магнітного поля струму пов'язаний з напрямом струму в провіднику. При зміні напряму електричного струму в провіднику всі магнітні стрілочки повертаються на 180°.

Оскільки за напрям електричного струму приймають напрям руху позитивно заряджених частинок (напрям від позитивно зарядженого полюса джерела струму до негативно зарядженого), то, знаючи напрям струму в провіднику, можна визначити напрямок силових ліній магнітного поля. Цей напрям збігається з напрямком вектора індукції магнітного поля _B у кожній точці магнітного поля. Для визначення напрямку силових ліній магнітного поля користуються т. зв. правилом свердлика (правилом гвинта) (рис. 13.4):

якщо свердлик закручувати в напрямку проходження струму, то напрям обертання його ручки вказує напрямок силових ліній магнітного поля.

Рис. 13.4. Визначення напрямку силових ліній магнітного поля за правилом свердлика

Відповідно, знаючи напрямок силових ліній магнітного поля, за правилом свердлика можна визначити напрям електричного струму в провіднику та полярність джерела струму:

якщо ручку свердлика обертати в напрямку силових ліній магнітного поля (напрямку його північного полюса), то напрямок поступального руху його вістря вказуватиме напрям струму в провіднику (від позитивно зарядженого полюса джерела струму до негативно зарядженого).

Під час проходження електричного струму в коловому провіднику навколо нього виникає магнітне поле, напрямок силових ліній якого можна визначити, якщо умовно розділити його на невеликі близькі до прямолінійних ділянки та скористатися правилом свердлика (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Магнітне поле колового струму

Магнітне поле окремого колового провідника зі струмом незначне. Якщо ж на каркас із ізоляційного матеріалу намотати велику кількість витків ізольованого дроту, то отримаємо котушку. При проходженні електричного струму магнітне поле окремих витків взаємно підсилюється і його дія виявляється значно сильніше. Тому котушка зі струмом має значно потужніше магнітне поле. Лінії магнітного поля котушки всередині її витків мають вигляд паралельних прямих, розташованих уздовж осі котушки (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Магнітне поле котушки зі струмом

Магніте поле, силові лінії якого максимально наближені до паралельних, отримують за допомогою соленоїдів (від грец. solen — трубка) — довгих прямих котушок зі струмом. Магнітне поле соленоїда вважають однорідним. У ньому напрямок магнітних ліній та вектора індукції магнітного поля збігаються.

Лінії магнітного поля котушки зі струмом, так само, як і постійного магніту, є замкнутими кривими. Поза котушкою силові лінії спрямовані від її північного полюса до південного (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Лінії магнітного поля котушки зі струмом, так само як і постійного магніту, є замкнутими кривими

Отже, лінії індукції магнітного поля завжди замкнені, вони не мають ні початку, ні кінця.

Поля із замкненими силовими лініями називають вихровими. Магнітне поле є вихровим, тобто не існує магнітних зарядів, на яких починалися б та закінчувалися лінії магнітної індукції, подібних до електричних зарядів.

У XIX ст. фізики намагалися створити теорію магнітного поля за аналогією з електростатикою, розглядаючи так звані магнітні заряди двох знаків. Проте експерименти показали, що ізольованих магнітних зарядів не існує.

Магнітне поле котушки зі сталим струмом в ній можна значно підсилити, якщо ввести в неї осердя з феромагнетику, наприклад, заліза. Така котушка легко притягує різноманітні залізні предмети.

Котушку із залізним осердям усередині називають електромагнітом.

Електромагніти широко використовують у техніці та на виробництві (http://peddumka.edukit.kiev.ua/Files/downloadcenter/QR-13_physics11.pdf).

! Головне в цьому параграфі

Магнітне поле породжується електричним струмом (рухомими зарядами). Воно виявляється за дією на електричний струм (рухомі заряди). Так само, як і електричне, магнітне поле існує реально, що підтверджується наявністю електромагнітних хвиль. Силовою характеристикою магнітного поля є індукція.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Які явища називають магнітними? 2. Як пов'язані між собою електричні та магнітні явища? 3. Що називають магнітним полем? 4. Що є джерелом магнітного поля? 5. Як взаємодіють між собою паралельні провідники зі струмами? Чим викликається їх взаємодія? 6. Чи може магнітне поле існувати окремо від електричного? 7. Які основні властивості магнітного поля? 8. Як визначають напрям магнітного поля (ліній магнітної індукції)? 9. У чому полягає основна відмінність магнітного поля від електростатичного?