Магнитное поле электрического поля. Вектор индукции и напряженности магнитного поля. Единицы измерения. Закон био-савара-лапласа.

Вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле. Движущиеся электрические заряды и изменяющиеся электрические поля создают в окружающем пространстве магнитное поле. Через магнитное поле осуществляются взаимодействия электрических токов, постоянных магнитов и токов с магнитами. Электрические взаимодействия токов пренебрежимо малы по сравнению с их магнитными взаимодействиями.

Магнитное поле прямолинейного тока наблюдают, продев сквозь расположенный горизонтально лист картона вертикальный прямолинейный провод, представляющий собой часть электрической цепи. Опилки-стрелочки при замыкании тока в цепи и после легкого постукивания по листу образуют цепочки в виде окружностей с общим центром на оси тока. Поэтому магнитное поле электрического тока графически изображают в виде линий магнитной индукции, аналогичных линиям напряженности электростатического поля. Линии магнитной индукции представляют собой окружности с центрами на оси тока, расположенные в плоскостях, перпендикулярных направлению тока. Их направление определяют по правилу правого винта: при поступательном движении винта в направлении тока его вращение указывает направление магнитного поля этого тока.
Различие между линиями магнитной индукции и линиями напряженности электростатического поля: первые замкнуты и окружают электрический ток; вторые – разомкнуты, начинаются на поверхности положительно заряженных тел и оканчиваются на поверхности отрицательно заряженных.

Магнитная индукция, вектор магнитной индукции В, основная характеристика магнитного поля (см. Индукцияэлектрическая и магнитная). Единицей М. и. в Международной системе единиц служит тесла (тл), в СГС системе единиц — гаусс (гс), 1 тл = 10⁴гс. Магнитометры, применяемые для измерения М. и., называют тесламетрами.

К измеряемым характеристикам магнитного поля относятся: вектор магнитной индукции В, напряжённость поля Н, поток вектора индукции (магнитный поток), градиент магнитного поля и другие. Магнитное состояние вещества определяется: намагниченностью J —величиной результирующего магнитного момента, отнесённого к единице объёма (или массы) вещества; магнитной восприимчивостью c,магнитной проницаемостью m, магнитной структурой. К важнейшим характеристикам наиболее распространённых магнитных материалов — ферромагнетиков — относятся: кривые индукции В (Н) и намагничивания J (Н),то есть зависимости В и J от напряжённости поля Н, коэрцитивная сила, потери энергии на перемагничивание (см. Гистерезис), максимальная магнитная энергия единицы объёма (или массы), размагничивающий фактор (коэффициент размагничивания) ферромагнитного образца.

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент d l которого создает в некоторой точке А (рис. 1) индукцию поля d B, равен

(1)

где d l - вектор, по модулю равный длине d l элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r - радиус-вектор, который проведен из элемента d l проводника в точку А поля, r - модуль радиуса-вектора r. Направление d B перпендикулярно d l и r, т. е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с направлением касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу правого винта: направление вращения головки винта дает направление d B, если поступательное движение винта совпадает с направлением тока в элементе.

Модуль вектора d B задается выражением

(2)

где α — угол между векторами d l и r.

Аналогично электрическому, для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:

(3)

Используя данные формулы для расчет характеристик магнитного поля (В и Н) в общем случае достаточно сложен. Однако если распределение тока имеет какую-либо симметрию, то применение закона Био — Савара — Лапласа совместно с принципом суперпозиции дает возможность просто рассчитать некоторые поля. Рассмотрим два примера.

1. Магнитное поле прямого тока — тока, текущего по тонкому прямому бесконечному проводу (рис. 2).

 

В произвольной точке А, удаленной на расстояние R от оси проводника, векторы d B от всех элементов тока имеют одинаковое направление, которое перпендикулярно плоскости чертежа («к вам»). Значит, сложение всех векторов d B можно заменить сложением их модулей. За постоянную интегрирования возьмем угол α (угол между векторами d l и r) и выразим через него все остальные величины. Из рис. 2 следует, что

(радиус дуги CD вследствие малости d l равен r, и угол FDC по этой же причине можно считать прямым). Подставив эти формулы в (2), получим, что магнитная индукция, которая создавается одним элементом проводника, равна

(4)

Поскольку угол α для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до π, то, согласно (3) и (4),

Значит, магнитная индукция поля прямого тока

(5)

2. Магнитное поле в центре кругового проводника с током (рис. 166). Как видно из рисунка, каждый элемент кругового проводника с током создает в центре магнитное поле одинакового направления - вдоль нормали от витка. Значит, сложение векторов d B также можно заменить сложением их модулей. Поскольку расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково и равно R и все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору (sinα=1), то, используя (2),

Тогда

Следовательно, магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током