Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие

План ответа

1. Опыты Эрстеда и Ампера.

2. Магнитное поле.

3. Магнитная индукция.

4. Закон Ампера.

5. Сила Лоренца.

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 18). В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одном направлении, и отталкивание, если токи текут в разных направлениях (рис. 19). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле — особый вид материи. Его источником является любое переменное электрическое поле.

С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей — электрического и магнитного — это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т. е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное электрическое поле всегда порождается переменным магнитным полем. Магнитное и электрическое поля взаимно перпендикулярны. Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются заряженные частицы — электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция — это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока: В = F/Il. Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). 1 Тл = 1 Н/(А • м).

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии магнитной индукции, — это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 20).

Ампер усиановил, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле, модулю вектора магнитной индукции и sin а, где а — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так: F_А = IlВ sin α. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (В = = В sin α) входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 21).

В конце XIX в. была создана электронная теория проводимости, и тогда стал ясен механизм возникновения силы Ампера. Он состоит в следующем. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы, создающие электрический ток. Их импульс меняется. При столкновении с узлами кристаллической решетки проводника заряженные частицы — электроны — передают им импульс. В соответствии со вторым законом Ньютона это и означает, что на проводник действует сила. Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, называют силой Лоренца.

Итак, сила Ампера F_A = E_Л N, где F — сила, действующая на частицу, а N — число частиц. Это соотношение позволяет определить F_Л = F_А/N. Заменив I в законе Ампера на nq₀vS и N = nSl, можно получить формулу для расчета силы Лоренца: F_Л = q₀Bvsin α, где α — угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Направление силы Лоренца F_Л определяют по правилу левой руки, только четыре вытянутых пальца должны совпадать с направлением вектора скорости v.