Физика
Учебник для 10-11 классов

       

§ 4.2. Магнитное поле токов

  • Движущиеся заряды образуют электрический ток. Следовательно, магнитное поле — это поле, создаваемое электрическим током. Оно осуществляет взаимодействие электрических токов.

Взаимодействие токов

Наблюдать магнитное взаимодействие токов несложно. Надо взять два гибких проводника, укрепить их вертикально и присоединить к источнику тока (рис. 4.4).

Заметного притяжения или отталкивания не обнаружится, так как при ЭДС источника в несколько вольт и малой электроемкости проводников заряды проводников слишком малы.

Рис. 4.4

Кулоновские силы не проявляются. Но если другие концы проводников соединить так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться, (рис. 4.5).

Рис. 4.5

В случае токов одного направления между проводниками возникают силы притяжения (рис. 4.6). При изменении направления тока в одном из проводников притяжение между проводниками сменяется отталкиванием, и наоборот.

Рис. 4.6

Опыт показывает, что если ток идет только по одному проводнику, то силы взаимодействия между проводниками отсутствуют (рис. 4.7).

Рис. 4.7

Точно так же не обнаружится взаимодействия, если один из проводов свит из двух, по которым одинаковые токи текут в противоположных направлениях (рис. 4.8). Такой провод не оказывает влияния на магнитную стрелку, расположенную вблизи него. Другими словами, можно сказать, что близко расположенные равные, но противоположно направленные токи ведут себя так же, как проводник, в котором тока нет: они не обнаруживают магнитного действия.

Рис. 4.8

Магнитное поле

Согласно теории близкодействия токи не могут непосредственно действовать друг на друга. Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает, поле, называемое магнитным.

Каждый элемент тока в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на все элементы тока во втором проводнике.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.

Что же такое магнитное поле? Как и в случае электрического поля, ответить на этот вопрос можно так:

  • во-первых, поле материально: оно существует независимо от нас, от наших знаний о нем;
  • во-вторых, оно обладает определенными свойствами, которые могут быть найдены экспериментально.

Основные свойства магнитного поля таковы: магнитное поле порождается током (движущимися зарядами) и обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды). О других свойствах поля будет рассказано в дальнейшем.

Для того чтобы описать магнитные взаимодействия токов количественно, нужно решить три задачи:

  1. Ввести величину, количественно характеризующую магнитное поле.
  2. Установить закон, определяющий раслределение магнитного поля в пространстве в зависимости от тока.
  3. Найти выражение для силы, действующей на ток со стороны магнитного поля.

Сначала мы займемся решением первой задачи.

Замкнутый контур с током в магнитном поле

С помощью каких приспособлений можно изучать свойства магнитного поля и характеризовать поле количественно?

Для исследования электрического поля наиболее удобен небольшой по значению точечный заряд. Большой заряд брать нельзя, так как он вызвал бы перераспределение зарядов на других телах и тем исказил бы поле. Нельзя использовать и заряженное тело больших геометрических размеров, так как в этом случае можно найти лишь среднее значение напряженности поля в пространстве, занятом зарядом.

Для исследования магнитного поля мы тоже должны были бы взять очень малый элемент тока, т.е. малый отрезок тонкого проводника с током (рис. 4.9). Однако ток в отрезке не может существовать, потому что любая цепь, по которой течет постоянный ток, должна быть замкнута. Поэтому элемент тока создать нельзя и, следовательно, невозможно исследовать с его помощью магнитное поле.

Рис. 4.9

Для изучения свойств магнитного поля можно взять замкнутый контур с током и измерять суммарное действие поля на весь этот контур. Но поле неодинаково в различных точках пространства. Поэтому если контур большой, то его отдельные части испытывают различные действия со стороны поля и суммарное действие даст лишь среднюю характеристику поля в большой области.

Для исследования магнитного поля лучше всего взять контур малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы (рис. 4.10). Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу или сплести вместе. Так как по этим проводникам течет равный ток в противоположных направлениях, то на них в магнитном поле не будут действовать силы и сами они не окажут магнитного действия на другие проводники с током.

Рис. 4.10

Количество витков рамки может быть любым. Если, например, взять рамку из трех витков, то в каждой стороне рамки параллельно друг другу на близком расстоянии будут идти три тока (рис. 4.11), которые можно рассматривать как один ток, в три раза более сильный.

Рис. 4.11

Выяснить характер действия магнитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта. Подвесим на тонких гибких проводниках, сплетенных вместе, маленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков проволоки. На расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально расположим провод* (рис. 4.12, а). При пропускании электрического тока через провод и рамку рамка поворачивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки (рис. 4.12, б). При изменении направления тока в проводе рамка повернется на 180°.

Рис. 4.12

Это значит, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.

Ориентирующее действие магнитного поля можно наблюдать и на другом опыте. Если мы подвесим на гибких проводах рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее плоскость не установится перпендикулярно к линии, соединяющей полюса магнита (рис. 4.13).

Рис. 4.13

Результирующая сила, действующая на рамку с током в магнитном поле, равна нулю, если магнитное поле одинаково во всех точках пространства, где расположена рамка (однородное поле). В однородном магнитном поле на рамку действует лишь момент сил, который поворачивает рамку, располагая ее определенным образом по отношению к току или магниту, создающему магнитное поле.

Поведение пробного заряда в электрическом поле отличается от поведения рамки с током в магнитном поле. На пробный заряд в электрическом поле действуют силы, направленные по касательной к линиям напряженности.

Движущиеся заряды (электрический ток) создают магнитное поле. Обнаруживается магнитное поле по действию на электрический ток.


* Можно полагать, что при этом условии магнитное поле не меняется заметно в пределах поверхности, ограниченной рамкой.

 

Top.Mail.Ru
Рейтинг@Mail.ru