Магнитное поле тока и его проявления. Магнитная индукция и напряженность магнитного поля. Магнитный момент

Магнитные явления обнаружены и изучались издавна. Сначала люди обнаружили естественные магниты и их взаимодействие между собой и с магнитным полем Земли. Уже несколько столетий магнитный компас применяется для навигации, помогая ориентироваться на местности и особенно в океанских просторах. Для описания магнитных явлений было введсно — но аналогии с электрическим нолем — понятие магнитного поля. Прорыв в экспериментальном исследовании магнитных полей произошел в XIX в. Было установлено, что движущиеся заряды создают магнитное поле, а магнитное поле действует на движущиеся заряды. Французский физик Андре Мари Ампер в опытах в 1820 г. детально изучил взаимодействие двух параллельных токов. Ампер догадался, что этот процесс аналогичен отклонению стрелки компаса, просто в компасе все определяется микротоками в атомном масштабе.

Происхождение магнитного поля Земли предположительно связывают с протеканием токов в жидком металлическом ядре планеты. Токи создают магнитные поля, магнитные поля создают токи, причем в условиях естественной случайной асимметрии движений этот процесс в соответствии с теорией гидромагнитного динамо может оказаться при высоких температурах ядра (порядка нескольких тысяч кельвинов) самоподдерживающимся на достаточно интенсивном уровне.

Существенно, что Земля не является абсолютно стабильным и идеальным механическим и магнитным объектом и ее механический и магнитный моменты меняются со временем. Высказываются гипотезы о том, что механический момент может инвертировать свое направление на противоположное (подобно известному в механике волчку Томпсона, представляющему собой шарик со срезанной макушкой, к которой прикреплена ручка волчка).

Исследования остаточной намагниченности горных пород свидетельствуют о многократных в прошлом инверсиях магнитного поля Земли — сменах полюсов. За последнее столетие магнитные полюса переместились примерно на тысячу километров — в среднем на 10 км в год. Однако скорость дрейфа северного магнитного полюса в последние годы увеличилась до 60 км в год. При этом южный магнитный полюс вышел в Индийский океан, а северный магнитный полюс сместился в сторону Восточно-Сибирской магнитной аномалии. Этот процесс может в ближайшие десятилетия привести к очередной инверсии полюсов. Такая инверсия опасна тем, что должна привести к временному резкому падению магнитного поля Земли, защищающего жизнь на планете от космической радиации.

В последнее время вырос интерес к исследованиям естественных и искусственных магнитных полей. В частности, была выявлена четкая взаимосвязь электрических и магнитных полей. Они, по сути, представляют лишь частные состояния электромагнитного поля. Электромагнитное поле и его наличие определяются косвенно по воздействию на пробный заряд, вносимый в поле. Сила, действующая на заряд в электромагнитном поле, в общем случае состоит из двух слагаемых. Первое из них не зависит от скорости движения заряда и описывает электрическое взаимодействие. Второе слагаемое зависит от скорости движения заряда. Оно обращается в нуль, если скорость заряда равна нулю. Это слагаемое описывает магнитное взаимодействие. В общем случае электромагнитное поле, как и сила, включает обе составляющие.

Долгое время считалось, что электрическое и магнитное поля — равноправные физические явления и достаточно симметрично входят в физические законы. Однако электрические заряды существуют повсеместно, а магнитные заряды так и не обнаружены. К тому же с точки зрения преобразований Галилея взаимодействие не должно пропадать при переходе из одной инерциальной системы в другую — в частности, в систему, связанную с зарядом. Подсказку для решения этого противоречия дало то, что законы преобразования электромагнитного поля при переходе из одной системы в другую похожи на релятивистские преобразования Лоренца, хотя и несколько сложнее. Более того, вид преобразований электромагнитного поля дал в свое время мощный толчок теории относительности. Был сделан вывод о релятивистском электрическом (электродинамическом) происхождении магнитного поля. Электромагнитное поле с точки зрения логики правильней называть электродинамическим. Магнитное поле можно рассматривать как одну из форм проявления электрического поля, возникающую как релятивистский (динамический) эффект.

Ведь с точки зрения теории относительности проводник с током уже не может считаться электронейтральным. Расстояние между движущимися электронами претерпевает релятивистское сокращение (по сравнению с расстоянием между неподвижными ионами), и концентрация движущихся электронов начинает превышать концентрацию неподвижных ионов. Таким образом, даже между первоначально электронейтральными проводниками с током может действовать кулоновское взаимодействие. Впрочем, это упрощенная модель носит иллюстрационный характер, а количественное описание магнитного взаимодействия требует корректного релятивистского описания зависимости силы (как производной релятивистского импульса по времени) от скорости. Зависимость эта достаточно громоздкая, поэтому некоторые существенные формулы магнетизма для экономии времени будут даны ниже без вывода.

Все же в описании магнитного и электрического нолей немало аналогов. Аналогом напряженности электрического поля является магнитная индукция магнитного поля В — силовая характеристика магнитного поля, характеризующая взаимодействие поля с током или магнитоактивным веществом. В свою очередь аналогом электрического смещения является напряженность магнитного поля Н, не зависящая от магнитных свойств среды. Следует обратить здесь внимание на терминологическую путаницу с напряженностями, имеющую исторический характер. К тому же аналогия носит условный характер и требует внимательности при применении. Так, магнитная индукция связана с напряженностью формулой

где р0= 1,26-10~6 Гн/м — магнитная постоянная; р — магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков среды. Здесь генри (Гн) — единица индуктивности (см. ниже). В системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), а напряженность магнитного поля — в амперах на метр (А/м).

Магнитное поле (как и электрическое) является силовым, так что каждой точке пространства сопоставляется вектор силы, действующей на пробную частицу. Поэтому но аналогии с электрическим полем его можно отобразить с помощью линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции, и густота линий магнитной индукции пропорциональна модулю вектора. Отличием линий магнитной индукции является то, что они замкнуты, поскольку в природе нет магнитных зарядов. Так, если разделить магнит с двумя полюсами на две части, то каждая из этих частей все равно будет иметь два полюса - в отличие от электрического диполя, состоящего из положительного и отрицательного зарядов. Еще одно отличие магнитного поля от электрического проявляется в том, что магнитная сила действует в направлении, перпендикулярном силовой линии (подробнее см. ниже).

Сформулируем теперь основные уравнения, описывающие магнитные поля. При этом будем опираться в первую очередь на опытные данные.

Начнем с регистрации магнитного поля. Напомним, что наличие и величину электрического поля определяют но силе, действующей на пробный заряд. Аналогично наличие и величину магнитного поля определяют по моменту сил, действующих на небольшую рамку с током (такую рамку — но аналогии с электрическим диполем — называют магнитным диполем). При этом момент сил М равен векторному произведению магнитного момента рамки рт на магнитную индукцию:

Здесь величина магнитного момента рамки определяется током в рамке I и ее площадью S:

Рис. 22.1

а направление вектора магнитного момента определяется правилом правого винта, головка которого вращается по направлению тока рамки (рис. 22.1). Для прямоугольной рамки длиной а и шириной b имеем S = ab. Магнитный момент является важным параметром не только рамки с током, но и протонов, нейтронов, электронов, определяя поведение этих и других частиц в магнитном поле.

Максимальный момент сил имеет место, когда вектор магнитного момента перпендикулярен вектору магнитной индукции:

Отсюда можно определить магнитную индукцию:

Отметим, что в соответствии с формулой (22.2) направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением вектора магнитного момента в положении равновесия рамки (когда момент сил равен нулю).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >