§ 24. Магнітне поле77

Узагальнення вченими результатів теоретичних іекспериментальних досліджень різних взаємодій у природідали підстави зробити висновок, що матерія може існувати нелише у формі речовини, а й у формі поля. У попередніх кла­сах, вивчаючи фізику, ви дізналися про існування електрич­ного і магнітного полів, завдяки яким взаємодіють наелектри­зовані тіла. Роботи Дж. Максвелла, М. Фарадея та інших уче­них показали, що ці поля пов’язані між собою і фактично єпроявом єдиного, більш універсального електромагнітногополя. І лише вибір системи відліку визначає, що ми спостері­гаємо - електричне чи магнітне поле. Вивчити всі властивос­ті електромагнітного поля відразу дуже складно. Тому у фізи­ці вивчають поступово окремі прояви цього поля. Одним зетапів вивчення властивостей електромагнітного поля є ви­вчення магнітного поля, яке проявляється у випадку, колиелектрично заряджені частинки чи тіла в певній системі від­ліку рухаються рівномірно. У цьому розділі розглядаються нелише умови, за яких магнітне поле спостерігається, а й фізич­ні величини, що описують його властивості, закони, за якимивзаємодіють магнітні поля і речовинні об ’ єкти. Знання цихзаконів дає змогу здійснювати важливі для практики розра­хунки результатів взаємодії магнітного поля з різними фізич­ними тілами.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ

Явища, які ми називаємо магнітними, відомі людям давно.Незвичайні властивості магнетиту (одного з видів залізноїруди) використовувалися в Стародавньому Китаї, а потім і вінших країнах для виготовлення компасів. Магнітам припи­сувалися магічні властивості, їх дією пояснювали нерозгаданіявища природи, намагалися лікувати хвороби.

Систематичні дослідження магнітів провів англійський фі­зик У. Гільберт у XVI ст. Він не тільки дослідив взаємодіюпостійних магнітів, а й установив, що Земля - це велетенськиймагніт.

Учення про магніти тривалий час розвивалося відособлено,як окрема галузь науки, аж поки низка відкриттів і теоретич­них досліджень у X IX ст. не довели його органічний зв’язок зелектрикою.

Одним з фундаментальних дока­зів єдності електричних і магнітнихявищ є результат досліду Г .Х . Ер­стеда, данського фізика, який у1820 р. помітив, що магнітна стріл­ка змінює свою орієнтацію поблизупровідника зі струмом (мал. 2 . 1 ).

Очевидним було, що причиноюцього є електричний струм - на­

прямлений рух заряджених частинок у провіднику. З описомцього досліду ви ознайомлювалися в 9-му класі.

Магнітну дію рухомих заряджених тіл досліджував такожамериканський фізик Г. Роуланд у 1878 р. Основною части­ною його дослідної установки (мал. 2 .2 ) був ебонітовий диск,покритий тонким шаром золота 1 . Диск насаджувався на вал і міг вільно обертатися між двома скляними дисками 2. Надебонітовим диском підвішувалися на тонкій нитці дві намаг­нічені голки З, які були чутливими індикаторами магнітногополя. Коли диск зарядили і почали обертати, голки поверну­лись на певний кут, реєструючи наявність магнітного поля.При збільшенні швидкості обертання диска кут повертаннянамагнічених голок збільшувався.

Дослідами Г. Роуланда підтверджене відкриття Ерстедапро зв’язок магнітного поля з рухомими електрично зарядже­ними частинками або тілами.

Мал. 2.1. Дослід Ерстеда

Генрі Роуланд (1848-1901) - американський фізик; наукові праці у сфері електродинаміки, оптики, спек­троскопії і теплоти. Він установив, що заряджені тіла, якщо вони рухаються, викликають магнітну взаємо­дію.

§ 24. Магнітне поле

Магнітні явища хоча й пов’язаніз електричними, проте не тотожніїм. Це також підтверджується до­слідами.

Якщо взяти два довгі паралельніпровідники й приєднати їх до дже­рела струму, то помітимо, що про­відники, якими проходить струм упротилежних напрямах, відштовху­ються один від одного (мал. 2 .3-а).Якщо скласти коло так, щоб у про­відниках струми були одного на­пряму, то провідники притягувати­муться один до одного (мал. 2.3-6).

Дія провідника зі струмом намагнітну стрілку чи на інший про­відник зі струмом відбувається завідсутності безпосереднього контакту між ними, завдяки на­явності навколо провідника магнітного поля.

Магнітне поле має свої особливості, які вирізняють йогоз-поміж інших полів:

1 ) магнітне поле спостерігається завжди, коли є рухоміелектрично заряджені частинки або тіла;

2 ) магнітне поле діє лише на рухомі заряджені частинкиабо тіла.

Інші властивості магнітного поля будуть з ’ясовані далі.

Мал. 22. Головна частина установки Роуланда для

виявлення магнітного поля рухомого електрично

зарядженого диска

79

Мал. 23. Магнітна взаємодія провідників зі струмом

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ

1. Які явища свідчать про існування магнітного поля?2. Які досліди підтверджують зв'язок магнітного поля з рухом

заряджених частинок або тіл?3. Які досліди свідчать про відмінність магнітного поля від елек­

тричного?4. Які основні властивості магнітного поля?~і

§ 25. Магнітна індукціяСпостереження магнітних явищ у природі, у лабо­

раторії, на виробництві показують, що дія магнітного поля нафізичні тіла чи провідники зі струмом за одних і тих самихумов може бути різною.

Інтенсивність магнітної взаємодії може бути різною в різних умовах.

80 ̂ Якщо для виявлення дії магнітного поля Землі магнітну

стрілку компаса доводиться встановлювати на спеціальних опо­рах, які суттєво зменпіують силу тертя, то дія електромагніта,в обмотках якого проходить електричний струм, буде помітноюнавіть тоді, коли стрілка вільно лежатиме на поверхні стола.

По-різному взаємодіють і паралельні провідники зі стру­мом. Сила взаємодії цих провідників буде змінюватися, якщозмінювати силу струму в них або відстань між ними, - воназростатиме при збільшенні сили струму і наближенні їх одиндо одного.

в усіх таких і подібних випадках говорять про «слабке»або «сильне» поле. Подібне траплялося під час вивчення елек­тростатичного поля, коли йшлося про дію електричного поляна нерухомі заряди. Як відомо, силову дію електричного поляхарактеризує напруженість поля. Для характеристики діїмагнітного поля на провідники зі струмом застосовують фі­зичну величину, яку називають магнітною індукцією. Вона є векторною величиною, оскільки харастеризує силову дію маг­нітного поля. Її позначають буквою В. Подібно до напруже­ності електричного поля магнітна індукція є силовою харак­теристикою магнітного поля. Довгий час дослідження магніт­ного поля проводилися з використанням магнітної стрілки навістрі і магнітна індукція як характеристика магнітного полябула пов’язана з його дією на магнітну стрілку. Зокрема, до­мовилися, що за напрям магнітної індукції приймається на­прям, який указує північний полюс стрілки.

§ 25. Магнітна індукція

І Магнітна індукція - векторна величина і має напрям.

Дослідимо за допомогою стрілкимагнітне поле дротяного витка, уякому проходить електричнийструм. Замкнувши коло живленнявитка, почнемо обносити стрілкунавколо нього. Орієнтація стрілки впросторі буде змінюватися. У різ­них точка вона матиме різну орієн­тацію. Найвідчутнішою дія магніт­ного поля витка буде тоді, колистрілка перебуватиме в його центрі(мал. 2.4).

Отже, магнітна індукція полявитка чи прямокутної рамки зіструмом має максимальне значенняв центрі витка чи рамки. Поздовж­ня вісь магнітної стрілки буде перпендикулярною до площи­ни витка. Подібне спостерігається і тоді, коли замість виткавикористати прямокутну рамку або плоский контур зі стру­мом довільної форми.

На відміну від напруженості електричного поля, магнітнаіндукція як векторна величина не збігається з напрямом сили,що діє на провідник зі струмом. З’ясуємо, як напрям магнітноїіндукції залежить від напряму електричного струму у витку.

Мал. 2.4. Поздовжня вісь магнітної стрілки, яка

знаходиться в центрі витка зі струмом, перпендикулярна

до його площини

81

Магнітна індукція - це силова характеристика магнітного поля. Вона визначає силу, яка діє на провідник зі струмом чи рухому частинку.

Відмітивши орієнтацію стрілки при певному напрямі стру­му у витку, змінимо напрям останнього на протилежний.Магнітна стрілка повернеться на 180°, показуючи, що напряммагнітної індукції також змінився. Отже, напрям магнітноїіндукції витка залежить від напряму струму в ньому.

Аби щоразу, коли потрібно знати напрям магнітної індук­ції, не проводити спеціальні вимірювання, користуються пра­вилом правого гвинта (свердлика). Це правило полегшуєзапам’ятовування зв’язку між напрямом струму у витку і на­прямом магнітної індукції його поля. Для цього потрібноуявити, як буде рухатися правий гвинт, перпендикулярноприставлений до площини витка, при обертанні його головкиза напрямом струму у витку.

e-Rzlka, 11 кі

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ

Мал. 2.5. Визначення напряму магнітної індукції витка

зі струмом

і,Man. 2.6. Дослідження

магнітного поля прямогопровідника зі струмом за

допомогою пробного витка

Якщо напрям обертання правого гвинта, розміщеного в центрі витка зі струмом, збігається з напрямом струму, то його поступальний рух показує напрям магнітної індукції (мал. 2.5).

82 Магнітне поле існує також навколо прямого провідника зіструмом. На підтвердження цього магнітну стрілку будемообносити навколо провідника, не змінюючи відстані від ньо­го (мал. 2.6). У різних точках її орієнтація в просторі будерізною, але вісь стрілки завжди буде дотичною до траєкторії.

Відповідно й індукція магнітного поля провідника зіструмом у цих точках матиме такий самий напрям.

Зі зміною напряму струму в провіднику на протилежниймагнітна стрілка повернеться на 180° і покаже напрям маг­

нітної індукції, який також буде проти­лежний до попереднього.

Отже, напрям магнітної індукції пря­мого провідника залежить від напрямуструму в ньому. Для полегшення йоговизначення, як і в попередньому випад­ку, на основі аналізу результатів експе­рименту, сформульовано правило пра­вого гвинта (мал. 2 .7 ): якщо напрям по­ступального руху правого гвинта збігаєть­ся з напрямом струму в провіднику, тонапрям його обертання показує напряммагнітної індукції.

Для вимірювання магнітної індукціївикористовується одиниця, яка називаєть­ся тесла (Тл). Цю одиницю названо на честь відомого сербського вченого і вина­хідника Ніколи Тесли.,

Мал. 2.7. Визначення напряму магнітної

індукції поля прямого провідника

зі струмом за допомогою правогогвинта (свердлика)

_̂ 5̂̂ _Магнітн̂ ^

Ші'

Нікола Тесла (1856-1943) - уродженець Сербії, вина­хідник і фізик. ІНайбільш відомий своїми винахода­ми в галузі елею-ротехніки і радіотехніки; працював інженером на підприємствах Угорщини, Франції, США.

На практиці використовуються й менші одиниці:1 мілітесла = 1 мТл = 10 ® Тл,

1 мікротесла = 1 мкТл = 10 ® Тл.Значення магнітної індукції вимірюють приладами, які на­

зиваються індикаторами магнітної індукції, або магніто­метрами (мал. 2 .8 ).

У багатьох випадках замість прямих вимірювань користу­ються формулами, які пов’язують характеристики магнітногополя з характеристиками провідника. Таким прикладом можебути розрахунок модуля магнітної індукції прямого провід­ника зі струмом. Експериментальні дослідження показують,ш;о магнітна індукція поля прямого провідника пропорційнасилі струму в ньому і обернено пропорційна відстані від про­відника до досліджуваної точки поля:

М

83

Б =

ІИагнітна індукція прямого провідника зі струмом пропорційна силі струму в ньому і обернено пропорційна відстані від про­відника до точки спостереження.

Коефіцієнт пропорційності залежить від вибору системиодиниць вимірювання. У Міжнародній системі одиниць (СІ)він має значення k -

2 лде Цц - магнітна стала, числове зна­чення якої дорівнює 1,256 • 10'® Н/А^.

= 1,256 • 10 ® Н/А^

Тоді остаточно для розрахунківмодуля магнітної індукції поляпрямого провідника зі струмоммаємо формулу:

(І) 2 яг ’Мал. 2.8. Лабораторний

магнітометр для шкільних дослідів

ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ

де Цц - магнітна стала; І - сила струму в провіднику; г - від­стань від даної точки поля до провідника.

Задача. Яке значення модуля магнітної індукції в точціполя, віддаленій на З см від нескінченно довгого провідника,яким проходить струм 6 А ?

Д а н о :г = З см,/ = 6 А.

Р о з в ’ я з а н н яМагнітна індукція поля прямого провідника обчис­люється за формулою

2пг

84

В - 1

Підставивши значення фізичних величин, маємод 12,56 -10~^Н /А^-6 А

2 • 3,14 • З • 10“^м

= 4 - 1 0 - 5 4 - 1 0 - 5 г р д

А -мВідповідь: магнітна індукція поля прямого провідника до­

рівнює 4 • 10“® Тл.

1. Чому магнітна індукція вважається силовою характеристикоюмагнітного поля?

2.. Що спільного і відмінного між напруженістю електричного поля і магнітною індукцією?

3. Який напрям має магнітна індукція?4. Як визначити напрям магнітної індукції поля прямого провід­

ника зі струмом?5. Які одиниці вимірювання магнітної індукції?6. Як називається прилад для вимірювання магнітної індукції?7. Від чого залежить магнітна індукція поля прямого провідника зі

струмом?

В п р а ва 131. Визначити максимальну магнітну індукцію поля на від­

стані 10 см від осі провідника, яким проходить струм 600 А.2. Визначити силу струм у в прямому провіднику, якщ о

на відстані 1 0 см від осі провідника магнітна індукція до ­рівнює 4 • 10"® Тл.

3. На якій відстані від провідника, сила струм у в якому250 мА, магнітна індукція дорівнює 2 • 10"® Тл?