Магнитное взаимодействие токов

Магнитное взаимодействие токов

    Магнитные явления известны людям еще с древнего мира. Компас появился свыше 4,5 тысяч лет назад. В Европе его изобрели примерно в XII веке н.э. Но только в XIX веке ученые обнаружили связь между электричеством и магнетизмом, благодаря чему появились первые представления о магнитном поле.

    Датский физик Х. Эрстед в 1820-м году в своих первых экспериментах выявил глубокую связь между электрическими и магнитными явлениями. Опыты ученого показали: на магнитную стрелку, которая находится рядом с электрическим проводником, действуют силы, стремящиеся ее повернуть. В это же время французский физик А. Ампер проводил наблюдения над силовым взаимодействием 2-х проводников с токами и открыл закон взаимодействия токов.

    С точки зрения современной науки, проводники с током взаимодействуют друг с другом не непосредственно, а при помощи окружающих их магнитных полей.

    Определение 1

    Электрические заряды или токи – это источники магнитного поля. Магнитные поля возникают в пространстве, окружающем проводники с током, так же, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникают электрические поля. Магнитные поля постоянных магнитов тоже создаются электрическими микротоками, которые циркулируют внутри молекул вещества (согласно гипотезе Ампера).

    Ученые в XIX веке пытались разработать теорию магнитного поля аналогично теории электростатики, вводя в наблюдения магнитные заряды 2-х знаков: северного N и южного S полюсов магнитной стрелки. Но эксперименты показали, что изолированные магнитные заряды не существуют.

    Магнитные поля токов принципиально не такие, как электрические поля. Магнитные поля, в отличие от электрических, оказывают силовое действие лишь на движущиеся заряды (токи).

    Определение 2

    Для описания магнитных полей введем силовую характеристику поля, которая аналогична вектору напряженности E электрических полей. Данной характеристикой будет вектор магнитной индукции B он определяет силы, действующие на токи либо движущиеся заряды в магнитных полях.

    Определение 3

    Положительным направлением вектора B будет направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно ориентирующееся в магнитном поле. Так, при исследовании магнитных полей, создаваемых током или постоянным магнитом, при помощи маленькой магнитной стрелки, в каждой точке пространства определяется направление вектора B. Данный опыт позволяет наглядно воспроизвести пространственную структуру магнитных полей.

    Линии магнитной индукции

    Определение 4

    По аналогии построения силовых линий в электростатике строятся линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор B направляется по касательной.

    Пример 1

    Смотрите пример линий магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током на рисунке 1.16.1.

    Рисунок 1.16.1. Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.

    Обращаем внимание, что линии магнитной индукции все время замкнутые, и ни в каком месте не обрываются. Из этого следует, что у магнитных полей нет источников – магнитных зарядов.

    Определение 5

    Вихревые силовые поля – это поля, обладающие свойством магнитной индукции.

    Пример 2

    Мы можем наблюдать картину магнитной индукции при помощи мелких опилок железа, которые в магнитном поле намагничиваются и, наподобие маленьких магнитных стрелок, ориентируются вдоль линий индукции.

    Чтобы дать количественную оценку магнитному полю, укажем способ определения направления вектора B а также его модуля. Для этого внесем в рассматриваемое магнитное поле проводник с током и измерим силу, оказывающую действие на отдельный прямолинейный участок данного проводника. Длина участка проводника Δl должна быть достаточно мала по сравнению с размерами областей неоднородности магнитного поля. Согласно опытам Ампера, действующая на участок проводника сила пропорциональна силе тока I, длине Δl данного участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции.

    Закон Ампера

    Определение 6

    Сила Ампера равна F~IΔl sin α. Максимальное по модулю значение Fmax  сила Ампера достигает, когда проводник с током находится перпендикулярно линиям магнитной индукции.

    Определение 7

    Модуль вектора магнитной индукции B равняется отношению максимального значения силы Ампера, которая действует на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и длине Δl: B=FmaxIl.

    В общем случае сила Ампера вычисляется по формуле, которая является законом Ампера:

    F=IBΔl sin α.

    Определение 8

    Тесла (Тл) - единица измерения магнитной индукции в СИ. Она показывает, что максимальная сила Ампера 1 Н действует на каждый метр длины проводника с силой тока 1 А:

    1 Тл=1НА·м

    Пример 3

    Тл – крупная единица измерения. Например, магнитное поле нашей планеты приближенно равняется 0,5·104 Тл. Для сравнения, большой лабораторный магнит создает поле не более, чем  5 Тл.

    Правило левой руки и правило Буравчика

    Согласно закону Ампера, сила Ампера находится перпендикулярно вектору магнитной индукции B и направлению тока, проходящего по проводнику. Чтобы определить направление силы Ампера часто используют одно правило. Вот его пример.

    Пример 4

    Правило левой руки: расположите левую руку таким образом, чтобы линии индукции B входили в ладонь, а вытянутые пальцы направлялись вдоль тока, тогда отведенный большой палец покажет направление силы, которая действует на проводник (рисунок 1.16.2).

    Рисунок 1.16.2. Правило левой руки и правило буравчика.

    Если угол α между направлениями вектора B и тока в проводнике. Больше или меньше 90°, тогда для выяснения направления силы Ампера F удобнее использовать правило буравчика.

    Пример 5

    Воображаемый буравчик находится перпендикулярно плоскости с вектором B и проводником с током, потом его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора B. Поступательное перемещение буравчика укажет направление силы Ампера F (рисунок 1.16.2). Данный способ определения направления силы Ампера также известен, как правило правого винта.

    Магнитное взаимодействие параллельных токов

    Пример 6

    Важный пример магнитного взаимодействия – это взаимодействие параллельных токов. Закономерности данного явления экспериментально установил Ампер. Если по 2-м параллельным проводникам электрические токи протекают в одну сторону, то происходит взаимное притяжение проводников. Если электрические токи протекают в противоположных направлениях, то в таком случае проводники отталкиваются друг от друга.

    Определение 9

    Взаимодействие токов вызвано их магнитными полями: магнитное поле 1-го тока действует силой Ампера на 2-ой ток и наоборот.

    Как демонстрируют опыты, модуль силы, которая действует на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силе тока I1 и I2 в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

    F=kI1I2tR

    Определение 10

    В Международной системе единиц измерения коэффициент пропорциональности k записывают следующим образом:

    k=μ02π,

    где μ0 – это постоянная величина, которая называется магнитной постоянной.

    Введение магнитной постоянной в систему измерения упрощает запись нескольких формул. Ее числовое значение равняется:

    μ0=4π·107 HA2 1,26·106 HA2.

    Определение 11

    Формула, которая выражает закон магнитного взаимодействия параллельных токов, имеет вид: F=μ0I1I2l2πR

    Из нее легко вывести формулу для определения индукции магнитного поля каждого из прямолинейных проводников. Магнитное поле прямолинейного проводника с током обладает осевой симметрией и, значит, замкнутые линии магнитной индукции могут выступать лишь в качестве концентрических окружностей, располагающихся в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Данный факт означает, векторы B1 и B2 магнитной индукции параллельных токов I1 и I2 располагаются в плоскости, перпендикулярной 2-м токам. Потому при исчислении сил Ампера, действующих на проводники с током, в законе Ампера предполагаем sin α=1. По закону магнитного взаимодействия параллельных токов выходит, что модуль индукции B магнитного поля прямолинейного проводника с током I на расстоянии R равен соотношению

    B=μ0I2πR

    Чтобы добиться притяжения параллельных токов при магнитном взаимодействии и отталкивания антипараллельных токов, необходимо расположить линии магнитной индукции по направлению часовой стрелки, если смотреть вдоль проводника по направлению тока. Для выявления направления вектора B магнитного поля прямолинейного проводника тоже используется правило буравчика: направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора B если при поворотах буравчик перемещается в направлении тока (рисунок 1.16.3).

    Рисунок 1.16.3. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

    Рисунок 1.16.4. Магнитное взаимодействие параллельных и антипараллельных токов.

    Рисунок 1.16.4 наглядно объясняет закономерность взаимодействия параллельных токов.

    Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током применяется в СИ для вычисления единицы силы тока – ампера.

    Определение 12

    Ампер – это сила неизменяющегося тока, который при протекании по 2-м параллельным проводникам бесконечной длины и очень маленького кругового сечения, расположенным на одном метре друг от друга в вакууме, вызвал бы между данными проводниками силу магнитного взаимодействия величиной 2·107 Н на каждый метр длины.

    Рисунок 1.16.5. Модель взаимодействия параллельных токов.

    Рисунок 1.16.6. Модель рамки с током в магнитном поле.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,4 из 5 (16 голосов)