Магнитные взаимодействия и поля. Магнитная индукция. Правило буравчика. Вихревой характер магнитного поля

Движущиеся электрические заряды и постоянные магниты создают в окружающем пространстве магнитное поле. С помощью магнитного поля электрические токи и постоянные магниты взаимодействуют между собой.

Постоянные магниты обладают способностью взаимодействовать с другими магнитами: притягивать или отталкивать их. Известно, что любой магнит обладает двумя полюсами – областями, где взаимодействие с другими магнитами оказывается наиболее выраженным. Стрелка компаса, способная свободно вращаться вокруг вертикальной оси, тоже является постоянным магнитом, и тот её полюс, который поворачивается к северу, называют северным полюсом и обозначают буквой N, а другой полюс – южным (S). Так как одноимённые полюса магнитов отталкиваются, а разноимённые притягиваются, то, используя стрелку компаса, можно определить, где у любого магнита находятся северный и южный полюса.

Земля является огромным магнитом, вытянутым вдоль оси вращения Земли. При этом южный (S) полюс земного магнита находится вблизи северного географического полюса, и поэтому северный (N) полюс стрелки компаса указывает на север. Однако пользоваться компасом вблизи полюсов Земли не рекомендуется, т.к. S -полюс земного магнита находится сейчас не точно на географическом полюсе, а на севере Канады.

Датский физик Х.Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается одним из своих полюсов к проводнику при пропускании через него электрического тока. При этом то, какой полюс стрелки притягивался к проводнику, зависело от направления тока в нём. Таким образом, было показано, что движущиеся заряды обладают магнитным действием на стрелку компаса. Последующие опыты французского физика А. Ампера подтвердили предположение Эрстеда о магнитном действии электрического тока. Ампер открыл взаимодействие между параллельными проводниками с током: если токи текут в одном направлении, то проводники притягиваются, а если в противоположных, то отталкиваются.

Взаимодействия между проводниками с током или движущимися электрическими зарядами называют магнитными. Согласно теории близкодействия, магнитные взаимодействия осуществляются посредством магнитного поля. А именно, проводник с током создаёт вокруг себя магнитное поле, которое и действует на движущиеся заряды в других проводниках с токами и магниты.

Из опытов Ампера следует, что проводник с током обладает свойствами постоянного магнита, а значит, этот проводник должен ориентироваться в соответствии с внешним магнитным полем, как стрелка компаса. Продемонстрируем это, поместив проволочную рамку, подвешенную на тонких проводах между полюсами постоянного магнита. После включения тока через рамку она установится так, что её плоскость станет перпендикулярной прямой, соединяющей полюса магнита. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, такое же, как и на стрелку компаса, ориентированную перпендикулярно плоскости рамки.

Возникновение магнитного поля вокруг постоянных магнитов объясняется только с позиций квантовой физики, где считается, что магнитное поле постоянных магнитов возникает «как бы» из-за вращения электронов вокруг собственной оси. В результате, каждый электрон магнита является некой рамкой с током, образующим вокруг себя магнитное поле. Когда ориентация магнитных полей электронов перестаёт быть хаотичной, и большинство электронов ориентируют свои магнитные поля в одну сторону, это вещество или предмет становятся постоянным магнитом.

Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции. Правило буравчика позволяет определить направление вектора магнитной индукции проводника с током. Все магнитные поля вихревые.

Характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции или индукции магнитного поля, обозначаемый В. За направление вектора магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, в котором указывает N- полюс свободно вращающейся магнитной стрелки. Ориентацию рамки с током в магнитном поле тоже можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции, так как её плоскость устанавливается в поле перпендикулярно вектору магнитной индукции. При этом направление вектора магнитной индукции определяют с помощью правила правого буравчика, согласно которому, если вращать ручку буравчика по направлению тока в рамке, то сам буравчик будет перемещаться в направлении вектора магнитной индукции. Направление, в котором перемещается правый буравчик, ещё называют положительной нормалью к плоскости рамки с током.

Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым имеют то же направление, что и вектор магнитной индукции в этой точке поля. Линии магнитной индукции служат силовыми характеристиками поля, как и силовые линии электрического поля. Очевидно, что, как и силовые линии электрического поля, линии магнитной индукции не могут пересекаться между собой. Картину линий магнитной индукции поля можно построить с помощью магнитной стрелки или рамки с током, помещая их в различные точки поля. Поля, характеризуемые замкнутыми силовыми линиями, называют вихревыми.