Долгое время электрические и магнитные явления рассматривали как независимые. Впервые связь между ними установил датский физик Ханс Кристиан Эрстед. В 1820 г. в ходе опыта он заметил, что магнитная стрелка, размещенная либо над, либо под проводником (рис. 19, а), при замыкании цепи поворачивается и размещается почти перпендикулярно к проводнику (рис. 19, б).
Если электрическую цепь разомкнуть, то стрелка принимает прежнее положение.
Этот опыт свидетельствует о том, что электрический ток каким-то образом действует на магнитную стрелку. Следовательно, между электрическими и магнитными явлениями существует определенная связь.
В опыте Эрстеда впервые было выявлено магнитное поле тока. Действительно, если проводник с электрическим током действует на магнитную стрелку, то, вероятнее всего, вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле.
Поскольку электрический ток — это направленное движение электрически заряженных частиц, то приходим к выводу, что вокруг любой движущейся заряженной частицы существуют одновременно магнитное поле и электрическое поле. А вокруг неподвижных зарядов - только электрическое поле.
Для исследования магнитного поля тока воспользуемся методом спектров, которым мы выявляли магнитное поле постоянных магнитов.
Опыт 1. Через отверстие в горизонтально размещенном листе картона пропустим вертикальный проводник с током (рис. 20). Картон посыпаем металлическими опилками и замыкаем цепь. В результате видим, что опилки образовали вокруг проводника концентрические окружности. Если опилки заменить магнитными стрелками, то они размещаются так, как показано на рисунке 20, а.
Здесь изображен вид сверху на картон с цепочками опилок. Кружок в центре - поперечное сечение проводника с током. В нем крестиком обозначен ток в направлении за картон (как хвостовое оперение летящей от нас стрелы). Точкой в кружке обозначен ток в направлении из-за картона (как наконечник летящей на нас стрелы).
Из опыта следует, что свойства магнитного поля тока такие же, как у магнитного поля постоянного магнита. Поэтому можно повторить выводы о графическом изображении магнитного поля. При этом необходимо помнить, что его источником могут быть и постоянный магнит, и электрический ток.
Воображаемые линии, вдоль которых в магнитном поле размещаются продольные оси маленьких магнитных стрелок, называют линиями магнитного поля (магнитными силовыми линиями).
Направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление линии магнитного поля. В магнитном поле железные или стальные опилки показывают форму магнитных линий этого поля.
Линии магнитного поля тока — это замкнутые линии, окружающие проводник с током.
Выполним предыдущий опыт, изменив ток в проводнике на противоположное направление. Оказывается, что все магнитные стрелки поворачиваются на 180° (рис. 20, б). Направление линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, на практике его можно установить по правилу буравчика (рис. 20, в).
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением магнитных силовых линий.
Опыт 2. Длинный прямой изолированный провод намотаем на деревянную или пластмассовую катушку. Присоединим ее к источнику тока. В катушке будет проходить электрический ток, а к ее концам притягиваются железные предметы, например винт (рис. 21).
Опыт 3. Подвесим катушку с током на длинных тонких и гибких проводниках. Если рядом нет магнитных материалов или других магнитных полей, то катушка размещается в пространстве так же, как магнитная стрелка компаса: одна сторона катушки поворачивается на север, другая - на юг (рис. 22).
Катушка с током имеет два магнитных полюса: северный N и южный S.
Опыт 4. На пластинку из оргстекла (рис. 23, а) кладем железные опилки, по катушке пропускаем электрический ток. Опилки ориентируются в определенном порядке. Линии магнитного поля катушки с током также являются замкнутыми кривыми. Считают, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (рис. 23, б). Магнитное поле катушки с током подобно магнитному полю полосового магнита (рис. 23, в).
На рисунке 22, б показано, как отталкиваются постоянный магнит и катушка с током, поскольку они размещены одноименными полюсами друг к другу.
Выясним теперь, от чего зависит сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Опыт 5. Прикрепим катушку 1 (рис. 24) к чувствительному динамометру 3, разместив ее внутри неподвижной катушки 2 с сильным постоянным магнитным полем. Пропустим по обеим катушкам токи одинакового направления. Катушка 1 будет втягиваться внутрь катушки 2, пружина динамометра будет растягиваться, измеряя силу взаимодействия токов.
Будем пропускать через катушку 1 токи I, 21, 31 ... . Тогда сила, с которой действует на нее магнитное поле катушки 2, равна соответственно F, 2F, 3F ... . Следовательно, сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока в проводнике: F ~ I.
Изменяя длину проводника, намотанного на катушку 1, аналогично можно убедиться, что F ~ I, где I -длина проводника, размещенного в магнитном поле.
Кроме того, сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, зависит от свойств самого поля. Эта зависимость характеризуется величиной, получившей название индукции магнитного поля (обозначают буквой Б). Чем больше индукция магнитного поля, тем с большей силой оно действует на перпендикулярный проводник с током: F ~ В. Объединяя результаты опытов, получаем:
Из этого соотношения определяем индукцию магнитного поля:
Таким образом, индукция магнитного поля определяется силой, с которой магнитное поле действует на проводник длиной 1 м, по которому проходит ток 1 А. Тогда единицей индукции магнитного поля в СИ является:
За единицу индукции магнитного поля 1 тесла (1 Тл) принимается индукция такого магнитного поля, которое на каждый 1 м длины проводника с током 1 А действует с силой 1 Н.
Единица индукции магнитного поля названа в честь сербского физика и электротехника Николы Теслы (1856-1943).
Индукция магнитного поля является величиной векторной: она имеет не только числовое значение, но и направление. Определение направления индукции магнитного поля основывается на следующем опытном факте.
Как известно, магнитная стрелка в магнитном поле поворачивается под действием на нее сил. В состоянии покоя эти силы направлены по одной прямой, но в противоположные стороны. Поэтому за направление индукции магнитного поля принимают направление силы, действующей со стороны магнитного поля в направлении северного полюса магнитной стрелки.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Какие явления наблюдаются в цепях при протекании электрического тока?
2. Опишите суть опыта Эрстеда.
3. Как вы полагаете, что является единственным источником магнитного поля?
4. Почему для изучения магнитного поля используют железные опилки?
5. Как размещаются опилки в магнитном поле прямого тока?
6. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? В чем ее сходство с магнитной стрелкой?
7. От чего зависит сила, с которой действует магнитное поле на проводник с током?
8. Что такое индукция магнитного поля?
9. Какова единица индукции магнитного поля в СИ?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк