Магнітна взаємодія струмів

Магнітні явища були відомі ще у стародавньому світі. Компас був винайдений понад 4500 років тому. Він народився Європі приблизно XII столітті нової епохи. Однак лише в XIX столітті було виявлено зв'язок між електрикою та магнетизмом і виникло уявлення промагнітне поле.

Першими експериментами, які показали, що між електричними і магнітними явищами є глибокий зв'язок, були досліди датського фізика Х. Ерстеда (1820). Ці досліди показали, що на магнітну стрілку, розташовану поблизу провідника зі струмом, діють сили, які прагнуть повернути стрілку. У тому ж році французький фізик А. Ампер спостерігав силову взаємодію двох провідників із струмами та встановив закон взаємодії струмів.

За сучасними уявленнями, провідники зі струмом надають силову дію один на одного через навколишні магнітні поля.

Джерелами магнітного поля є електричні заряди (струми). Магнітне поле виникає в просторі, що оточує провідники зі струмом, подібно до того, як у просторі, що оточує нерухомі електричні заряди, виникає електричне поле.

Магнітне поле струмів принципово відрізняється від електричного поля тим, що надає силову діютільки на заряди, що рухаються (струми).

Для опису магнітного поля необхідно ввести силову характеристику поля, аналогічну вектор напруженості електричного поля. Такою характеристикою євектор магнітної індукції.

За позитивненапрямок вектора.приймається напрямок від південного полюса S до північного полюса N магнітної стрілки, що вільно встановлюється в магнітному полі. Таким чином, досліджуючи магнітне поле, створюване струмом або постійним магнітом, за допомогоюмаленької магнітної стрілки, можна в кожній точці простору визначити напрямок вектора Аналогічно силовим лініям в електростатиці можна побудуватилінії магнітної індукції, у кожній точці яких вектор спрямований по дотичній.

Лінії магнітної індукції завжди замкнуті, вони ніде не обриваються. Це означає, що магнітне поле немає джерел – магнітних зарядів. Силові поля, що мають цю властивість, називаютьсявихровими. Картину магнітної індукції можна спостерігати за допомогою дрібної залізної тирси, яка в магнітному полі намагнічується і, подібно до маленьких магнітних стрілок, орієнтуються вздовж ліній індукції.

На рис. наведена картина силових ліній кругового струму, отримана за допомогою магнітної тирси, – картина силових ліній магнітного поля довгої котушки-соленоїда, – прямого постійного магніту.

Найпростіше кількісно описати магнітне поле зробити, вносячи в досліджуване магнітне поле провідник зі струмом та вимірюючи силу, що діє на окрему прямолінійну ділянку цього провідника. Як показали досліди Ампера, сила, що діє на ділянку провідника, пропорційна силі струмуI, довжині Δlцієї ділянки та синусу кута між напрямками струму і вектора магнітної індукції:F

Ця сила називаєтьсясилою Ампера. Вона досягає максимального за модулем значенняFmax, коли провідник зі струмом орієнтований перпендикулярно лініям магнітної індукції. Модуль вектора визначається так:

Модуль вектора магнітної індукції дорівнює відношенню максимального значення сили Ампера, що діє на прямий провідник зі струмом, до сили струмуIу провіднику та його довжині Δl:

У випадку сила Ампера виражаєтьсяспіввідношенням:F=IBΔlsin α.

Це співвідношення прийнято називатизаконом Ампера.

У системі одиниць СІ за одиницю магнітної індукції прийнято індукцію такого магнітного поля, в якому на кожен метр довжини провідника при силі струму 1 А діє максимальна сила Ампера 1 Н. Ця одиниця називаєтьсятесла ( Тл).

Тесла – дуже велика одиниця. Магнітне поле Землі приблизно дорівнює 0,5 · 10 -4 Тл. Великий лабораторний електромагніт може створити поле трохи більше 5 Тл.

Сила Ампера спрямована перпендикулярно вектору магнітної індукції та напрямку струму, що тече по провіднику. Для визначення напрямку сили Ампера зазвичай використовуютьправило лівої руки : якщо розмістити ліву руку так, щоб лінії індукції входили в долоню, а витягнуті пальці були спрямовані вздовж струму, то відведений великий палець вкаже напрямок сили, що діє на провідник.

Одним із важливих прикладів магнітної взаємодії струмів є взаємодія паралельних струмів.

Закономірності цього явища експериментально встановлено Ампером. Якщо за двома паралельними провідниками електричні струми течуть в одну й ту саму сторону, то спостерігається взаємне тяжіння провідників. Якщо струми течуть у протилежних напрямках, провідники відштовхуються.

---