Силы, действующие на движущиеся заряды в магнитном поле.

В 18 столетии было известно много случаев перемагничивания молнией стрелок компасов на морских (океанских) кораблях. Их собрал в коллекцию французский физик Луи Араго. Но он не видел, как соединить молнию и магнетизм, электрические и магнитные явления.

В 1820 г. Эрстед, профессор Копенгагенского университета обнаружил, что поле, создаваемое током, оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку: она устанавливалась перпендикулярно проволоке, по которой шел ток. Поле, создаваемое током, Эрстед назвал магнитным.

Ампер высказал идею, что “спирали и завитки с током должны производить те же эффекты, что и магниты”. Было сделано заключение, что:

движущиеся заряды (ток) создают магнитное поле, покоящиеся – электрическое.

При изучении электростатики мы начали с закона Кулона для силы взаимодействия двух точечных зарядов. По силе, действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, мы определили напряженность электрического поля.

При взаимодействии параллельных токов один из них может служить пробным устройством для измерения силы, действующей со стороны другого тока или со стороны поля, создаваемого в пространстве этим током.

По аналогии с напряженностью электрического поля магнитное поле характеризуется величиной , названной магнитной индукцией. сила, действующая на метр длины единичного пробного тока, находящегося в определенной точке. Единицей служит , или Тесла (Тл).

Экспериментально в 1877 г. Роуландом, в 1901 г. Эйхенвальдом было установлено, что в магнитном поле на движущийся заряд действует сила:

, (3.3)

где - скорость заряда. измеряется в Кулонах (Кл). В случае, когда отличны от нуля, на заряд действует сила Лоренца:

. (3.4)

Поскольку опыты по действию магнитного поля проводились не с отдельными зарядами, а с токами, то из формулу (3.3) можно получить формулу силы, действующей на проводник с током в поле .

. (3.6)

Эта формула носит название закона Ампера.

На провод конечной длины в магнитном поле действует сила:

. (3.7)

Рассмотрим силы, действующие на рамку с током, находящуюся в магнитном поле .

1. лежит в плоскости рамки (рис.3.1).

Используем формулу (3.6). На участках АГ и СД вектор

параллелен и антипараллелен , т.е. . На участке ДГ вектор направлен вниз перпендикулярно плоскости витка; для АС – противоположно вверх:

. (3.8)

Вращающий момент, действующий на рамку:

. (3.9)

где - магнитный момент рамки.

 

2. Вектор перпендикулярен плоскости рамки (рис.3.2).

Ясно, что в этом случае лежит в плоскости витка, . Тогда в общем случае:

, (3.10)

. (3.11)

Рамка с током (виток с током) имеет магнитный момент, направленный перпендикулярно плоскости витка и зависящий от величины тока. Положительное направление определяется направлением нормали , т.е. правилом буравчика. Аналогом рамки с током является движение электрона по орбите в атоме.