Опыт показывает, что электрические токи взаимодействуют между собой. Например, два тонких прямолинейных параллельных проводника, по которым текут токи (мы будем называть их прямыми токами), притягивают друг друга, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкивают, если токи противоположны. Сила взаимодействия, приходящаяся на единицу длины каждого из параллельных проводников, пропорциональна величинам токов в них и обратно пропорциональна расстоянию Ь между ними:
По соображениям, которые станут ясными в дальнейшем, коэффициент пропорциональности мы обозначили через .
Закон взаимодействия токов был установлен в 1820 г. Ампером. Общее выражение этого закона, пригодное для проводников любой формы, будет дано в § 44.
На основании соотношения (39.1) устанавливается единица силы тока в СИ и в абсолютной электромагнитной системе единиц (СГСМ-системе). Единица силы тока в СИ - ампер - определяется как сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную Н на каждый метр длины.
Единицу заряда, называемую кулоном, определяют как заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника, по которому течет постоянный ток силой 1 А. В соответствии с этим кулон называют также ампеp-секундой (А с).
В рационализованном виде формула (39.1) записывается следующим образом:
где - так называемая магнитная постоянная (ср. с формулой (4.1)).
Чтобы найти числовое значение воспользуемся тем, что согласно определению ампера при сила получается равной Подставим эти значения в формулу (39.2):
Коэффициент k в формуле (39.1) можно сделать равным единице за счет выбора единицы силы тока. Так устанавливается абсолютная электромагнитная единица силы тока (СГСМ-ед. силы тока), которая определяется как сила такого тока, который, протекая по тонкому прямолинейному бесконечно длинному проводу, действует на равный и параллельный ему прямой ток, отстоящий на 1 см, с силой в 2 дин на каждый сантиметр длины.
В СГСЭ-системе k оказывается отличной от единицы размерной величиной. Согласно формуле (39.1) размерность к определяется следующим выражением:
Мы учли, что размерность есть размерность силы, деленная на размерность длины; поэтому размерность произведения равна размерности силы. Согласно формулам (3.2) и (31.7)
Подставив эти значения в выражение (39.4), найдем, что
Следовательно, в СГСЭ-системе к можно представить в виде
где с - имеющая размерность скорости величина, называемая электродинамической постоянной. Чтобы найти ее числовое значение, воспользуемся соотношением (3.3) между кулоном и СГСЭ-единицей заряда, которое Былбустановлено опытным путем. Сила в эквивалентна . Согласно формуле (39.1) с такой силой взаимодействуют токи по СГСЭ-единиц (т. е. 1 А) каждый при образом,
Значение электродинамической постоянной совпадает с величиной скорости скта в вакууме. Из теорнн Максвелла вытекает существование электромагнитных волн, скорость которых в вакууме равна электродинамической постоянной с. Совпадение с со скоростью света в вакууме дало Максвеллу основание предположить, что свет есть электромагнитная волна.
Значение k в формуле (39.1) равно 1 в СГСМ-системе и в СГСЭ-снстеме. Отсюда следует, что ток силой в 1 СГСМ-единицу эквивалентен току силой в 3-10° СГСЭ-единиц:
Умножив это соотношение на 1 с, получим
Магнитное поле (см. § 109) оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, испытываемый рамкой, есть результат действия сил на отдельные ее элементы. Обобщая результаты исследования действия магнитного поля на различные проводники с током, Ампер установил, что сила dF , с которой магнитное поле действует на элемент проводника dl с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике и векторному произведению элемента длиной dl проводника на магнитную индукцию В:
dF = I . (111.1)
Направление вектора dF может быть найдено, согласно (111.1), по общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток.
Модуль силы Ампера (см. (111.1)) вычисляется по формуле
dF = IB dl sin, (111.2)
где a - угол между векторами dl и В.
Закон Ампера применяется для определения силы взаимодействия двух токов. Рассмотрим два бесконечных прямолинейных параллельных тока I 1 и I 2 (направления токов указаны на рис. 167), расстояние между которыми равно R . Каждый из проводников создает магнитное поле, которое действует по закону Ампера на другой проводник с током. Рассмотрим, с какой силой действует магнитное поле тока I 1 на элемент dl второго проводника с током I 2 . Ток I 1 создает вокруг себя магнитное поле, линии магнитной индукции которого представляют собой концентрические окружности. Направление вектора b 1 задается правилом правого винта, его модуль по формуле (110.5) равен
Направление
силы dF
1 ,
с которой поле B
1 действует
на участок dl
второго тока, определяется по правилу
левой руки и указано на рисунке. Модуль
силы, согласно (111.2), с учетом того,
что угол
между элементами тока I
2
и вектором B
1
прямой,
равен
dF 1 =I 2 B 1 dl , или, подставляя значение для В 1 , получим
Рассуждая аналогично, можно показать, что сила dF 2 , с которой магнитное поле тока I 2 действует на элемент dl первого проводника с током I 1 , направлена в противоположную сторону и по модулю равна
Сравнение выражений (111.3) и (111.4) показывает, что
т. е. два параллельных тока одинакового направления притягиваются друг к другу с силой
Если токи имеют противоположные направления, то, используя правило левой руки, можно показать, что между ними действует сила отталкивания, определяемая формулой (111.5).
45. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии
Обобщая результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к количественному закону электромагнитной индукции. Он показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток; возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции. Значение индукционного тока, а следовательно, и э. д. с, электромагнитной индукции ξ i определяются только скоростью изменения магнитного потока, т. е.
Теперь необходимо выяснить знак ξ i . В § 120 было показано, что знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к контуру. В свою очередь, положительное направление нормали связано с током правилом правого винта (см. § 109). Следовательно, выбирая определенное положительное направление нормали, мы определяем как знак потока магнитной индукции, так и направление тока и э.д.с. в контуре. Пользуясь этими представлениями и выводами, можно соответственно прийти к формулировке закона электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре э.д.с.
Знак минус показывает, что увеличение потока (dФ/dt>0) вызывает э.д.с.
ξξ i <0, т. е. поле индукционного тока направлено навстречу потоку; уменьшение
потока (dФ/dt<0) вызывает ξ i >0,
т. е. направления потока и поля индукционного тока совпадают. Знак минус в формуле (123.2) является математическим выражением правила Ленца - общего правила для нахождения направления индукционного тока, выведенного в 1833 г.
Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
Закон Фарадея (см. (123.2)) может быть непосредственно получен из закона сохранения энергии, как это впервые сделал Г. Гельмгольц. Рассмотрим проводник с током I , который помещен в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура, и может свободно перемещаться (см. рис. 177). Под действием силы Ампера F , направление которой показано на рисунке, проводник перемещается на отрезок dx . Таким образом, сила Ампера производит работу (см.(121.1)) dA =I dФ, где dФ - пересеченный проводником магнитный поток.
Если полное сопротивление контура равно R , то, согласно закону сохранения энергии, работа источника тока за время dt (ξIdt ) будет складываться из работы на джоулеву теплоту (I 2 Rdt ) и работы по перемещению проводника в магнитном поле (I dФ):
где-dФ/dt=ξ i есть не что иное, как закон Фарадея (см. (123.2)).
Закон Фарадея можно сформулировать еще таким образом: э.д.с. ξ i электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Этот закон является универсальным: э.д.с. ξ i не зависит от способа изменения магнитного потока.
Э.д.с. электромагнитной индукции выражается в вольтах. Действительно, учитывая, что единицей магнитного потока является вебер (Вб), получим
Какова природа э.д.с. электромагнитной индукции? Если проводник (подвижная перемычка контура на рис. 177) движется в постоянном магнитном поле, то сила Лоренца, действующая на заряды внутри проводника, движущиеся вместе с проводником, будет направлена противоположно току, т. е. она будет создавать в проводнике индукционный ток противоположного направления (за направление электрического тока принимается движение положительных зарядов). Таким образом, возбуждение э.д.с. индукции при движении контура в постоянном магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника.
Согласно закону Фарадея, возникновение э.д.с. электромагнитной индукции возможно и в случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому в данном случае ею нельзя объяснить возникновение э.д.с. индукции. Максвелл для объяснения э.д.с. индукции в неподвижных проводниках предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. Циркуляция вектора Е В этого поля по любому неподвижному контуру L проводника представляет собой э.д.с. электромагнитной индукции:
47. . Индуктивность контура. Самоиндукция
Электрический ток, текущий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого, по закону Био - Савара-Лапласа (см. (110.2)), пропорциональна току. Сцепленный с контуром магнитный поток Ф поэтому пропорционален току I в контуре:
Ф= LI , (126.1)
где коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура.
При изменении силы тока в контуре будет изменяться также и сцепленный с ним магнитный поток; следовательно, в контуре будет индуцироваться э.д.с. Возникновение э.д.с. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией.
Из выражения (126.1) определяется единица индуктивности генри (Гн): 1 Гн - индуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе в 1 А равен 1 Вб:
1 Гн=1 Вб/А=1В с/А.
Рассчитаем индуктивность бесконечно длинного соленоида. Согласно (120.4), полный магнитный поток через соленоид
(потокосцепление) равен 0(N 2 I / l )S . Подставив это выражение в формулу (126.1), получим
т. е. индуктивность соленоида зависит от числа витков соленоида N , его длины l , площади S и магнитной проницаемости вещества, из которого изготовлен сердечник соленоида.
Можно показать, что индуктивность контура в общем случае зависит только от геометрической формы контура, его размеров и магнитной проницаемости той среды, в которой он находится. В этом смысле индуктивность контура - аналог электрической емкости уединенного проводника, которая также зависит только от формы проводника, его размеров и диэлектрической проницаемости среды (см. §93).
Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея (см. (123.2)), получим, что э.д.с. самоиндукции
Если контур не деформируется и магнитная проницаемость среды не изменяется (в дальнейшем будет показано, что последнее условие выполняется не всегда), то L =const и
где знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.
Если ток со временем возрастает, то
dI/dt>0 и ξ s <0, т. е. ток самоиндукции
направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и тормозит его возрастание. Если ток со временем убывает, то dI/dt<0 и ξ s > 0, т. е. индукционный
ток имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание. Таким образом, контур, обладая определенной индуктивностью, приобретает электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится тем сильнее, чем больше индуктивность контура.
59. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
Введение Максвеллом понятия тока смещения привело его к завершению созданной им единой макроскопической теории электромагнитного поля, позволившей с единой точки зрения не только объяснить электрические и магнитные явления, но и предсказать новые, существование которых было впоследствии подтверждено.
В основе теории Максвелла лежат рассмотренные выше четыре уравнения:
1. Электрическое поле (см. § 137) может быть как потенциальным (e q), так и вихревым (Е B), поэтому напряженность суммарного поля Е =Е Q +Е B . Так как циркуляция вектора e q равна нулю (см. (137.3)), а циркуляция вектора Е B определяется выражением (137.2), то циркуляция вектора напряженности суммарного поля
Это уравнение показывает, что источниками электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.
2. Обобщенная теорема о циркуляции вектора Н (см. (138.4)):
Это уравнение показывает, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.
3. Теорема Гаусса для поля D :
Если заряд распределен внутри замкнутой поверхности непрерывно с объемной плотностью , то формула (139.1) запишется в виде
4. Теорема Гаусса для поля В (см. (120.3)):
Итак,
полная
система уравнений Максвелла в
интегральной форме:
Величины, входящие в уравнения Максвелла, не являются независимыми и между ними существует следующая связь (изотропные не сегнетоэлектрические и не ферромагнитные среды):
D = 0 E ,
В= 0 Н,
j =E ,
где 0 и 0 - соответственно электрическая и магнитная постоянные, и - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости, - удельная проводимость вещества.
Из уравнений Максвелла вытекает, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.
Для
стационарных полей (Е=
const
и В
=const)
уравнения
Максвелла
примут
вид
т. е. источниками электрического поля в данном случае являются только электрические заряды, источниками магнитного - только токи проводимости. В данном случае электрические и магнитные поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрическое и магнитное поля.
Воспользовавшись известными из векторного анализа теоремами Стокса и Гаусса
можно
представить полную
систему уравнений Максвелла в
дифференциальной форме
(характеризующих
поле в каждой точке пространства):
Если заряды и токи распределены в пространстве непрерывно, то обе формы уравнений Максвелла - интегральная
и дифференциальная - эквивалентны. Однако когда имеются поверхности разрыва - поверхности, на которых свойства среды или полей меняются скачкообразно, то интегральная форма уравнений является более общей.
Уравнения Максвелла в дифференциальной форме предполагают, что все величины в пространстве и времени изменяются непрерывно. Чтобы достичь математической эквивалентности обеих форм уравнений Максвелла, дифференциальную форму дополняют граничными условиями, которым должно удовлетворять электромагнитное поле на границе раздела двух сред. Интегральная форма уравнений Максвелла содержит эти условия. Они были рассмотрены раньше (см. § 90, 134):
D 1 n = D 2 n , E 1 = E 2 , B 1 n = B 2 n , H 1 = H 2
(первое и последнее уравнения отвечают случаям, когда на границе раздела нет ни свободных зарядов, ни токов проводимости).
Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. Они играют в учении об электромагнетизме такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом - они образуют единое электромагнитное поле.
Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, смогла объяснить не только уже известные экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Одним из важных выводов этой теории явилось существование магнитного поля токов смещения (см. § 138), что позволило Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн - переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света с = 3 10 8 м/с. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны на опыте были получены немецким физиком Г. Герцем (1857-1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла. Таким образом, теория Максвелла была экспериментально подтверждена.
К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, так как факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью с не совместим с принципом относительности Галилея.
Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково, т. е. описываются одинаковыми уравнениями. Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца: их вид не меняется при переходе
от одной инерциальной системы отсчета к другой, хотя величины Е, В, D , Н в них преобразуются по определенным правилам.
Из принципа относительности вытекает, что отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если электрическое поле создается системой неподвижных зарядов, то эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, движутся относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной системы отсчета проводник с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных систем, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.
Таким образом, теория Максвелла, ее экспериментальное подтверждение, а также принцип относительности Эйнштейна приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.
44. . Диа- и парамагнетизм
Всякое вещество является магнетиком, т. е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.
Ради
простоты предположим, что электрон
в атоме движется по круговой орбите.
Если орбита электрона ориентирована
относительно вектора В произвольным
образом, составляя с ним угол а (рис.
188), то можно доказать, что она приходит
в такое движение вокруг В, при котором
вектор магнитного момента р
m ,
сохраняя постоянным угол а, вращается
вокруг направления В с некоторой угловой
скоростью. Такое движение в механике
называется прецессией.
Прецессию
вокруг вертикальной оси, проходящей
через точку опоры, совершает, например,
диск волчка при замедлении движения.
Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.
В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома (он равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов) равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi, Ag, Au, Cu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т. д.
Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные - вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.
У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Pt, Al и т. д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.
Из рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной (дипольной) поляризации диэлектриков с полярными молекулами (см. §87), только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничения.
Подводя итог качественному рассмотрению диа- и парамагнетизма, еще раз отметим, что атомы всех веществ являются носителями диамагнитных свойств. Если магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамагнетиком.
Ферромагнетики и их свойства
Помимо рассмотренных двух классов веществ - диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества - ферромагнетики - вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя - железа (от него и идет название «ферромагнетизм») - относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.
Определим силу, с которой взаимодействуют (притягиваются или отталкиваются) проводники с токами I 1 иI 2 (рис.3.19)
Взаимодействие токов осуществляется через магнитное поле. Каждый ток создает магнитное поле, которое действует на другой провод (ток).
Предположим, что оба тока I 1 иI 2 текут в одном направлении. ТокI 1 создает в месте расположения второго провода (с токомI 2) магнитное поле с индукцией В 1 (см.3.61), которое действует наI 2 с силойF:
(3.66)
Пользуясь правилом левой руки (см. закон Ампера), можно установить:
а) параллельные токи одного направления притягиваются;
б) параллельные токи противоположного направления отталкиваются;
в) непараллельные токи стремятся стать параллельными.
Контур с током в магнитном поле. Магнитный поток
Пусть в магнитном поле с индукцией В
находится контур площадью S,
нормаль
к которому составляет угол α с вектором
(рис.3.20). Для подсчета магнитного потока
Ф разобьем поверхностьSна бесконечно малые элементы так, чтобы
в пределах одного элементаdSполе можно считать однородным. Тогда
элементарным магнитным потоком сквозь
бесконечно малую площадкуdSбудет:
где B n – проекция вектора
на нормаль
.
Если площадка dSрасположена перпендикулярно вектору магнитной индукции, то α=1,cosα=1 иdФ =BdS;
Магнитный поток сквозь произвольную поверхность Sравен:
Если поле однородное, а поверхность Sплоская, то величинаB n =constи:
(3.67)
Для плоской поверхности, расположенной вдоль однородного поля, α = π/2 и Ф = 0. Линии индукции любого магнитного поля представляют собой замкнутые кривые. Если имеется замкнутая поверхность, то магнитный поток, входящий в эту поверхность, и магнитный поток, выходящий из нее, численно равны и противоположны по знаку. Поэтому магнитный поток сквозь произвольную замкнутую поверхность равен нулю:
(3.68)
Формула (3.68) есть теорема Гаусса для магнитного поля, отражающая его вихревой характер.
Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб): 1Вб = Тл · м 2 .
Работа перемещения проводника и контура с током в магнитном поле
Если проводник или замкнутый контур с током Iперемещаются в однородном магнитном поле под действием силы Ампера, то магнитное поле совершает работу:
A=IΔФ, (3.69)
где ΔФ-изменение магнитного потока через площадь контура или площадь, описываемую прямолинейным проводником при движении.
Если поле неоднородно, то:
.
Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея
Сущность явления электромагнитной индукции состоит в следующем: при любом изменении магнитного потока сквозь площадь, ограниченную замкнутым проводящим контуром, в последнем возникает Э.Д.С. и, как следствие, индукционный электрический ток.
Индукционные токи всегда противодействуют вызывающему их процессу. Это означает, что создаваемое ими магнитное поле стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которое этот ток вызвал.
Опытным путем установлено, что величина Э.Д.С. индукции ε i , наводимой в контуре, зависит не от величины магнитного потока Ф, а от скорости его измененияdФ/dtчерез площадь контура:
(3.70)
Знак «минус» в формуле (3.70) является математическим выражением правила Ленца : индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающему этот ток.
Формула (3.70) является выражением основного закона электромагнитной индукции.
Пользуясь формулой (3.70), можно вычислить силу индукционного тока I, зная сопротивление контураR, и величину зарядаQ , прошедшего за времяtв контуре:
Если в однородном магнитном поле перемещается отрезок прямого проводника длиной ℓ со скоростью V, то изменение магнитного потока учитывается через площадь, описываемую отрезком при движении, т.е.
Закон Фарадея может быть получен из закона сохранения энергии. Если проводник с током находится в магнитном поле, то работа источника тока εIdtза времяdtбудет затрачиваться на Ленц-Джоулево тепло (см. формулу 3.48) и работу по перемещению проводника в полеIdФ (см.3.69) можно определить:
εIdt=I 2 Rdt+IdФ (3.71)
тогда
,
где
и есть ЭДС индукции (3.70)
т.е. при изменении Ф в контуре возникает добавочная ЭДС ε i в соответствии с законом сохранения энергии.
Можно также показать, что ε i возникает в металлическом проводнике вследствие действия силы Лоренца на электроны. Однако на неподвижные заряды эта сила не действует. Тогда приходится предполагать, что переменное магнитное поле создает электрическое поле, под действием которого и возникает индукционный токI i в замкнутом контуре.
Взаимодействие неподвижных зарядов описывается законом Кулона. Однако закон Кулона недостаточен для анализа взаимодействия движущихся зарядов. В опытах Ампера впервые появилось сообщение о том, что движущиеся заряды (токи) создают в пространстве некоторое поле, приводя к взаимодействию этих токов. Было установлено, что токи противоположных направлений отталкиваются, а одного направления – притягиваются. Поскольку оказалось, что поле тока, действует на магнитную стрелку точно так же, как и поле постоянного магнита, то это поле тока называли магнитным. Поле тока называется магнитным полем. Впоследствии было установлено, что у этих полей одна и та же природа.
Взаимодействие элементов тока .
Закон взаимодействия токов был открыт экспереметально задолго до создания теории относительности. Он значительно сложнее закона Кулона, описывающего взаимодействие неподвижных точечных зарядов. Этим и объясняется, что в его исследовании приняли участие многие ученые, а существенный вклад внесли Био (1774 — 1862), Савар (1791 — 1841), Ампер (1775 — 1836) и Лаплас(1749 — 1827).
В 1820 г. Х. К. Эрстед (1777 — 1851) открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. В этом же году Био и Савар сформулировали закон для силы dF , с которой элемент тока I DL действует на магнитный полюс, удаленный на расстояние R от элемента тока:
DF I dL (16.1)
Где – угол, характеризующий взаимную ориентацию элемента тока и магнитного полюса. Функция вскоре была найдена экспериментально. Функция F (R ) Теоретически была выведена Лапласом в виде
F (R ) 1/r. (16.2)
Таким образом, усилиями Био, Савара и Лапласа была найдена формула, описывающая силу действия тока на магнитный полюс. В окончательном виде закон Био-Савара-Лапласа был сформулирован в 1826г. В виде формулы для силы, действующей на магнитный полюс, поскольку понятия напряженности поля еще не существовало.
В 1820г. Ампер открыл взаимодействие токов – притяжение или отталкивание параллельных токов. Им была доказана эквивалентность соленоида и постоянного магнита. Это позволило четко поставить задачу исследования: свести все магнитные взаимодействия к взаимодействию элементов тока и найти закон, играющий в магнетизме роль, аналогичную закону Кулона в электричестве. Ампер по своему образованию и склонностям был теоретиком и математиком. Тем не менее при исследовании взаимодействия элементов тока он выполнил очень скрупулезные экспериментальные работы, сконструировав ряд хитроумных устройств. Станок Ампера для демонстраци сил взаимодействия элементов тока. К сожалению, ни в публикациях, ни в его бумагах не осталось описания пути, каким он пришел к открытию. Однако формула Ампера для силы отличается от (16.2) наличием в правой части полного дифференциала. Это отличие несущественно при вычислении силы взаимодействия замкнутых токов, поскольку интеграл от полного дифференциала по замкнутому контуру равен нулю. Учитывая, что в экспериментах измеряется не сила взаимодействия элементов тока, а сила взаимодействия замкнутых токов, можно с полным основанием считать Ампера автором закона магнитного взаимодействия токов. Используемая в настоящее время формула для взаимодействия токов. Используемая в настоящее время формула для взаимодействия элементов тока была получена в 1844г. Грассманом (1809 — 1877).
Если ввести 2 элемента тока и , то сила, с которой элемент тока действует на элемент тока будет определяться следующей формулой:
, (16.2)
Точно также можно записать:
(16.3)
Легко видеть:
Так как векторы и имеют между собой угол не равный 180°, то очевидно 
, т. е. III-ий закон Ньютона для элементов тока не выполняется. Но если вычислить силу, с которой ток , текущий по замкнутому контуру , действует на ток , текущий по замкнутому контуру :
, (16.4)
А затем вычислить , то , т. е. для токов Ш-ий закон Ньютона выполняется.
Описание взаимодействия токов с помощью магнитного поля.
В полной аналогии с электростатикой взаимодействие элементов тока представляется двумя стадиями: элемент тока в месте нахождения элемента создает магнитное поле, которое действует на элемент с силой . Поэтому элемент тока создает в точке нахождения элемента тока магнитное поле с индукцией
. (16.5)
На элемент , находящийся в точке с магнитной индукцией , действует сила
(16.6)
Соотношение (16.5), которое описывает порождение магнитного поля током, называется законом Био-Савара. Проинтегрировав (16.5) получим:
(16.7)
Где — радиус-вектор, проведенный от элемента тока к точке, в которой вычисляется индукция .
Для объемных токов закон Био-Савара имеет вид:
, (16.8)
Где j – плотность тока.
Из опыта следует, что для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции, т. е.
Пример.
Дан прямой бесконечный ток J. Вычислим индукцию магнитного поля в точке М на расстоянии r от него.
= .
= 
= . (16.10)
Формула (16.10) определяет индукцию магнитного поля, созданного прямым током.
Направление вектора магнитной индукции Приведено на рисунках.
Сила Ампера и сила Лоренца.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера. Фактически эта сила
Или 
, где
Перейдем к силе, действующей на проводник с током длиной L
.
Тогда = и 
.
Но ток можно представить как , где — средняя скорость, n – концентрация частиц, S – площадь поперечного сечения. Тогда
, где . (16.12)
Так как , . Тогда , где 
— сила Лоренца, т. е. сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле. В векторном виде
При сила Лоренца равна нулю, т. е. она не действует на заряд, который движется вдоль направления . При , т. е. сила Лоренца перпендикулярна скорости: .
Как известно из механики, если сила перпендикулярна скорости, то частицы движутся по окружности радиуса R, т. е. ,
Сила взаимодействия параллельных токов. Закон Ампера
Если взять два проводника с электрическими токами, то они будут притягиваться друг к другу, если токи в них направлены одинаково и отталкиваться, если токи текут в противоположных направлениях. Сила взаимодействия, которая приходится на единицу длины проводника, если они параллельны, может быть выражена как:
где $I_1{,I}_2$ -- токи, которые текут в проводниках, $b$- расстояние между проводниками, $в\ системе\ СИ\ {\mu }_0=4\pi \cdot {10}^{-7}\frac{Гн}{м}\ (Генри\ на\ метр)$ магнитная постоянная.
Закон взаимодействия токов был установлен в 1820 г. Ампером. На основании закона Ампера устанавливают единицы силы тока в системах СИ и СГСМ. Так как ампер равен силе постоянного тока, который при течении по двум параллельным бесконечно длинным прямолинейным проводникам бесконечно малого кругового сечения, находящихся на расстоянии 1м друг от друга в вакууме вызывает силу взаимодействия этих проводников равную $2\cdot {10}^{-7}Н$ на каждый метр длины.
Закон Ампера для проводника произвольной формы
Если проводник с током находится в магнитном поле, то на каждый носитель тока действует сила равная:
где $\overrightarrow{v}$ -- скорость теплового движения зарядов, $\overrightarrow{u}$ -- скорость упорядоченного их движения. От заряда, это действие передается проводнику, по которому заряд перемещается. Значит, на проводник с током, который находится в магнитном, поле действует сила.
Выберем элемент проводника с током длины $dl$. Найдем силу ($\overrightarrow{dF}$) с которой действует магнитное поле на выделенный элемент. Усредним выражение (2) по носителям тока, которые находятся в элементе:
где $\overrightarrow{B}$ -- вектор магнитной индукции в точке размещения элемента $dl$. Если n -- концентрация носителей тока в единице объема, S -- площадь поперечного сечения провода в данном месте, тогда N -- число движущихся зарядов в элементе $dl$, равное:
Умножим (3) на количество носителей тока, получим:
Зная, что:
где $\overrightarrow{j}$- вектор плотности тока, а $Sdl=dV$, можно записать:
Из (7) следует, что сила, действующая на единицу объема проводника равна, плотность силы ($f$):
Формулу (7) можно записать в виде:
где $\overrightarrow{j}Sd\overrightarrow{l}=Id\overrightarrow{l}.$
Формула (9) закон Ампера для проводника произвольной формы. Модуль силы Ампера из (9) очевидно равен:
где $\alpha $ -- угол между векторами $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{B}$. Сила Ампера направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{B}$. Силу, которая действует на провод конечной длины можно найти из (10) путем интегрирования по длине проводника:
Силы, которые действуют на проводники с токами, называют силами Ампера.
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки (Левую руку надо расположить так, чтобы линии поля входили в ладонь, четыре пальца были направлены по току, тогда отогнутый на 900 большой палец укажет направление силы Ампера).
Пример 1
Задание: Прямой проводник массой m длиной l подвешен горизонтально на двух легких нитях в однородном магнитном поле, вектор индукции этого поля имеет горизонтальное направление перпендикулярное проводнику (рис.1). Найдите силу тока и его направление, который разорвет одну из нитей подвеса. Индукция поля B. Каждая нить разорвется при нагрузке N.
Для решения задачи изобразим силы, которые действуют на проводник (рис.2). Будем считать проводник однородным, тогда можно считать, что точка приложения всех сил - середина проводника. Для того, чтобы сила Ампера была направлена вниз, ток должен течь в направлении из точки А в точку В (рис.2) (На рис.1 магнитное поле изображено, направленным на нас, перпендикулярно плоскости рисунка).
В таком случае уравнение равновесия сил, приложенных к проводнику с током запишем как:
\[\overrightarrow{mg}+\overrightarrow{F_A}+2\overrightarrow{N}=0\ \left(1.1\right),\]
где $\overrightarrow{mg}$ -- сила тяжести, $\overrightarrow{F_A}$ -- сила Ампера, $\overrightarrow{N}$ -- реакция нити (их две).
Спроектируем (1.1) на ось X, получим:
Модуль силы Ампера для прямого конечного проводника с током равен:
где $\alpha =0$ -- угол между векторами магнитной индукции и направлением течения тока.
Подставим (1.3) в (1.2) выразим силу тока, получим:
Ответ: $I=\frac{2N-mg}{Bl}.$ Из точки А и точку В.
Пример 2
Задание: По проводнику в виде половины кольца радиуса R течет постоянный ток силы I. Проводник находится в однородном магнитном поле, индукция которого равна B, поле перпендикулярно плоскости, в которой лежит проводник. Найдите силу Ампера. Провода, которые подводят ток вне поля.
Пусть проводник находится в плоскости рисунка (рис.3), тогда линии поля перпендикулярны плоскости рисунка (от нас). Выделим на полукольце бесконечно малый элемент тока dl.
На элемент тока действует сила Ампера равная:
\\ \left(2.1\right).\]
Направление силы определяется по правилу левой руки. Выберем координатные оси (рис.3). Тогда элемент силы можно записать через его проекции (${dF}_x,{dF}_y$) как:
где $\overrightarrow{i}$ и $\overrightarrow{j}$ -- единичные орты. Тогда силу, которая действует на проводник, найдем как интеграл по длине провода L:
\[\overrightarrow{F}=\int\limits_L{d\overrightarrow{F}=}\overrightarrow{i}\int\limits_L{dF_x}+\overrightarrow{j}\int\limits_L{{dF}_y}\left(2.3\right).\]
Из-за симметрии интеграл $\int\limits_L{dF_x}=0.$ Тогда
\[\overrightarrow{F}=\overrightarrow{j}\int\limits_L{{dF}_y}\left(2.4\right).\]
Рассмотрев рис.3 запишем, что:
\[{dF}_y=dFcos\alpha \left(2.5\right),\]
где по закону Ампера для элемента тока запишем, что
По условию $\overrightarrow{dl}\bot \overrightarrow{B}$. Выразим длину дуги dl через радиус R угол $\alpha $, получим:
\[{dF}_y=IBRd\alpha cos\alpha \ \left(2.8\right).\]
Проведем интегрирование (2.4) при $-\frac{\pi }{2}\le \alpha \le \frac{\pi }{2}\ $подставив (2.8), получим:
\[\overrightarrow{F}=\overrightarrow{j}\int\limits^{\frac{\pi }{2}}_{-\frac{\pi }{2}}{IBRcos\alpha d\alpha }=\overrightarrow{j}IBR\int\limits^{\frac{\pi }{2}}_{-\frac{\pi }{2}}{cos\alpha d\alpha }=2IBR\overrightarrow{j}.\]
Ответ: $\overrightarrow{F}=2IBR\overrightarrow{j}.$
