БИЛЕТ 16
Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, иллюстрирующие это действие. Магнитная индукция
План
- Опыты Эрстеда и Ампера
- Магнитное поле
- Магнитная индукция
- Сила Ампера
- Сила Лоренца
1. Опыт Эрстеда. Связь между электрическим током и магнитными свойствами была доказана в опытах Эрстеда (1820 г).
В своей установке Эрстед располагал проводник над осью магнитной стрелки. Проводник подключался к источнику тока, и с помощью ключа цепь могла замыкаться и размыкаться (рисунок 1). При замыкании цепи стрелка начинала поворачиваться на некоторый угол. При размыкании цепи стрелка возвращалась в первоначальное положение.
Опыт Эрстеда показал, что проводник с током взаимодействует с магнитом.
Результат: вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле. Магнитное поле стрелки взаимодействует с магнитным полем проводника с током.
Итак: электрическое поле порождает магнитное поле.
Схема магнитных взаимодействий
| Магнитные взаимодействия | |
| Г.Х. Эрстед (1820) | электрический ток  магнит
|
| А. Ампер (1826) | электрический ток электрический ток
|
Опыт Ампера.
Взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами. Называют магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.
Токи одного направления – притягиваются; токи разного направления – отталкиваются.
2. Магнитное поле и его свойства.
Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. Поле, созданное вторым током, действует на первый.
Магнитное поле представляет собой вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Перечислим основные свойства магнитного поля, установленные экспериментально:
1. магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами);
2. магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды);
3. магнитное поле действует только на подвижные заряды с определенной силой;
4. магнитное поле распространяется в пространстве со скоростью 3∙108 м/с.
Магнитное поле: - особый вид материи, существующий независимо от нашего сознания и обладающий двумя свойствами:
1) Порождается движущимися зарядами (электрическим током)
2) Обнаруживается под действием на движущиеся заряды (электрический ток).
3. Магнитная индукция.
Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током, вводится векторная величина (магнитная индукция 
).
Заметим, что сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.
Модуль магнитной индукции: 
. Единица индукции определяется как индукция такого магнитного поля, в котором на 1 м проводника при силе тока 1 А, действует максимальная сила Ампера 1 Н. 
(Тесла[1]).
Линии магнитной индукции. Направление вектора магнитной индукции [2]
Магнитное поле можно изображать графически при помощи линий. Для наглядного изображения магнитного поля различных источников используют линии магнитной индукции – модель для качественного представления магнитного поля. Касательные к этим линиям в любой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции . Поскольку не существует магнитных зарядов, магнитные силовые линии представляют собой замкнутые кривые.
Направление вектора магнитной индукции можно найти по двум правилам:
1) 
При помощи магнитной стрелки: За направление вектора магнитной индукции принимается направление от северного N полюса к южному S магнитной стрелки (представляет собой маленький продолговатый магнит), свободно устанавливающийся в магнитном поле (рисунок 3).
2) По правилу Буравчика или правого винта: Правый винт (буравчик) вкручивается по направлению тока, тогда направление головки винта покажет направление вектора магнитной индукции.
Так как в любой точке имеет одно-единственное направление, то линии магнитной индукции не пересекаются. Это доказывает вихревой характер магнитного поля.
При изображении магнитного поля с помощью силовых линий (линий магнитной индукции), эти линии наносятся так, чтобы их густота в любом месте была пропорциональна значению модуля магнитной индукции. По картине силовых линий, можно наглядно представить, как меняется в пространстве магнитная индукция.
Принцип суперпозиции полей. Магнитное поле, как и электростатическое, подчиняется принципу суперпозиции полей.
Результирующий вектор магнитной индукции в точке от нескольких магнитных полей равен геометрической сумме векторов магнитных индукций, создаваемых этими полями в той же точке: 
.
Магнитное поле, во всех точках которого величина и направление 
одинаковы, называют однородным.
- Сила Ампера.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера 
. Из определения модуля вектора магнитной индукции следует, что:
если проводник расположен в магнитном поле перпендикулярно вектору магнитной индукции, сила Ампера: 
, где I – сила тока в проводнике, ℓ – длина проводника, В – модуль вектора магнитной индукции.
Законом Ампера: Сила Ампера равна произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями векторов магнитной индукции и тока
Магнитное поле не действует на проводник с током, если он параллелен вектору магнитной индукции. Это следует из закона Ампера, т.к. если 
, то 
.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки (рисунок 5):
если раскрытую ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор магнитной индукции (перпендикулярная составляющая) входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый в плоскости ладони на 900 большой палец покажет направление силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля (силу Ампера).
- Сила Лоренца.
-
Силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, называют силой Лоренца. Модуль силы Лоренца: 
, где q – модуль заряда частицы, υ – модуль ее скорости, В – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между скоростью частицы и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, определяют с помощью правила левой руки (рисунок 6):
если раскрытую ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор магнитной индукции (перпендикулярная составляющая) входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости движения положительно заряженной частицы, то отогнутый в плоскости ладони на 900 большой палец покажет направление силы, действующей на частицу со стороны магнитного поля (силу Лоренца).
На движущуюся отрицательно заряженную частицу (например, электрон), сила Лоренца действует в противоположном направлении.
Если 
, то частица движется по окружности: 
; 
; 
.
Т – период обращения частицы:
(рисунок 7).
Частица описывает траекторию в виде винтовой линии, если угол α между направлением скорости частицы и направлением вектора магнитной отличен от 900 (рисунок 8).
Если частица движется вдоль силовых линий, то магнитное поле на такую частицу не действует.
Сила Лоренца является центростремительной силой, т.е. сила Лоренца не изменяет кинетическую энергию (не изменяет скорость по величине) частицы, но изменяет направление движения частицы.
Электрическое поле действует на заряд +q с силой 
, следовательно, если есть электрическое и магнитное поля, то полная сила, действующая на заряд равна:
.
[1] Никола Тесла – изобретатель и ученый, серб по происхождению.
[2] За направление вектора магнитной индукции принимают направление, в котором указывает северный полюс свободно вращающейся магнитной стрелки.