Магнітні лінії навколо провідника зі струмом. §17
Магнітне поле електричного струму
Магнітне поле створюється як природними чи штучними , а й провідником, якщо з ньому проходить електричний струм. Отже, існує зв'язок між магнітними та електричними явищами.
Переконатися в тому, що навколо провідника, яким проходить струм, утворюється магнітне поле, неважко. Над рухомою магнітною стрілкою паралельно до неї помістіть прямолінійний провідник і пропустіть через нього електричний струм. Стрілка займе положення перпендикулярне провіднику.
Які ж сили могли змусити повернутись магнітну стрілку? Очевидно, сили магнітного поля, що виник навколо провідника. Вимкніть струм, і магнітна стрілка займе своє звичайне положення. Це говорить про те, що з вимкненням струму зникло магнітне поле провідника.
Таким чином, електричний струм, що проходить по провіднику, створює магнітне поле. Щоб дізнатися, в який бік відхилиться магнітна стрілка, застосовують правило правої руки. Якщо розташувати над провідником праву руку долонею вниз так, щоб напрям струму збігався з напрямом пальців, то відігнутий великий палецьпокаже напрямок відхилення північного полюса магнітної стрілки, поміщеної під провідником.Користуючись цим правилом і знаючи полярність стрілки, можна визначити напрямок струму в провіднику.
Магнітне поле прямолінійного провідникамає форму концентричних кіл.Якщо розташувати над провідником праву руку долонею вниз так, щоб струм виходив з пальців, то відігнутий великий палець вкаже на північний полюсмагнітна стрілка.Таке поле називається круговим магнітним полем.
Напрямок силових ліній кругового полязалежить від провідника і визначається так званим правилом «буравчика». Якщо буравчик подумки вкручувати за напрямом струму, то напрям обертання його ручки збігатиметься з напрямом магнітних силових ліній поля.Застосовуючи це правило, можна дізнатися про напрям струму в провіднику, якщо відомий напрям силових ліній поля, створеного цим струмом.
Повертаючись до досвіду з магнітною стрілкою, можна переконатися, що вона завжди розташовується своїм північним кінцем у напрямку силових ліній магнітного поля.
Отже, навколо прямолінійного провідника, яким проходить електричний струм, виникає магнітне поле. Воно має форму концентричних кіл і називається круговим магнітним полем.
Соленої д. Магнітне поле соленоїда
Магнітне поле виникає навколо будь-якого провідника незалежно від його форми за умови, що провідником проходить електричний струм.
У електротехніці ми маємо справу з , що складаються з низки витків. Для вивчення цікавого для нас магнітного поля котушки розглянемо спочатку, яку форму має магнітне поле одного витка.
Уявімо виток товстого дроту, що пронизує лист картону і приєднаний до джерела струму. Коли через виток проходить електричний струм, навколо кожної окремої частини витка утворюється кругове магнітне поле. За правилом «буравчика» неважко визначити, що магнітні силові лініїусередині витка мають однаковий напрямок (до нас або від нас, залежно від напрямку струму у витку), причому вони виходять з одного боку витка і входять в інший бік. Ряд таких витків, що має форму спіралі, є так званим соленоїд (котушку).
Навколо соленоїда при проходженні через нього струму утворюється магнітне поле. Воно виходить в результаті складання магнітних полів кожного витка і формою нагадує магнітне поле прямолінійного магніту. Силові лінії магнітного поля соленоїда, так само як і прямолінійному магнітівиходять з одного кінця соленоїда і повертаються в інший. Усередині соленоїда вони мають однаковий напрямок. Таким чином, кінці соленоїда мають полярність. Той кінець, з якого виходять силові лінії, є північним полюсомсоленоїда, а кінець, куди силові лінії входять, - його південним полюсом.
Полюси соленоїдаможна визначити за правилу правої рукиАле для цього треба знати напрям струму в його витках. Якщо накласти на соленоїд праву руку долонею вниз, так щоб струм виходив з пальців, то відігнутий великий палець вкаже на північний полюс соленоїда. З цього правила випливає, що полярність соленоїда залежить від напрямку струму в ньому. У цьому неважко переконатися практично, піднісши до одного з полюсів соленоїда магнітну стрілку і потім змінивши напрямок струму в соленоїді. Стрілка вмить повернеться на 180°, тобто вкаже на те, що полюси соленоїда змінилися.
Соленоїд має властивість втягувати в себе легкі залізні предмети. Якщо всередину соленоїда помістити сталевий брусок, через деякий час під дією магнітного поля соленоїда брусок намагнітиться. Цей спосіб застосовують при виготовленні.
Електромагніти
Є котушкою (соленоїд) з поміщеним всередину її залізним сердечником. Форми та розміри електромагнітів різноманітні, проте загальний устрій всіх їх однаковий.
Котушка електромагніту є каркасом, виготовленим найчастіше з пресшпану або фібри і має різні формиЗалежно від призначення електромагніту. На каркас намотаний у кілька шарів мідний ізольований дріт - обмотка електромагніту. Вона має різну кількість витків і виготовляється з дроту різного діаметра, залежно від призначення електромагніту.
Для запобігання ізоляції обмотки від механічних пошкоджень обмотку покривають одним або декількома шарами паперу або іншим ізолюючим матеріалом. Початок і кінець обмотки виводять назовні та приєднують до вивідних клем, укріплених на каркасі, або до гнучких провідників з наконечниками на кінцях.
Котушка електромагніту насаджена на сердечник з м'якого, відпаленого заліза або сплавів заліза з кремнієм, нікелем і т. д. Таке залізо має найменший залишковий. Сердечники найчастіше роблять складовими із тонких листів, ізольованих один від одного. Форми сердечників можуть бути різними залежно від призначення електромагніту.
Якщо по обмотці електромагніта пропустити електричний струм, навколо обмотки утворюється магнітне поле, яке намагнічує сердечник. Оскільки сердечник виготовлений з м'якого заліза, він намагнітиться миттєво. Якщо потім вимкнути струм, то магнітні властивості осердя також швидко зникнуть, і він перестане бути магнітом. Полюси електромагніту, як і соленоїда, визначаються за правилом правої руки. Якщо в обмотці електромагніта змінити, то відповідно до цього зміниться і полярність електромагніту.
Дія електромагніту подібна до дії постійного магніту. Однак між ними є велика різниця. Постійний магніт завжди має магнітні властивості, а електромагніт тільки тоді, коли по його обмотці проходить електричний струм.
Крім того, сила тяжіння постійного магніту незмінна, оскільки незмінний магнітний потікПостійний магніт. Сила ж тяжіння електромагніта перестав бути величиною постійної. Один і той же електромагніт може мати різною силоютяжіння. Сила тяжіння будь-якого магніту залежить від величини його магнітного потоку.
З мулу тяжіння, отже, та її магнітний потік залежить від величини струму, що проходить через обмотку цього електромагніта. Чим більший струм, тим більше сила тяжіння електромагніту, і, навпаки, що менше струм в обмотці електромагніта, то з меншою силою він притягує до себе магнітні тіла.
Але для різних за своїм пристроєм та розмірами електромагнітів сила їх тяжіння залежить не тільки від величини струму в обмотці. Якщо, наприклад, взяти два електромагніти однакового пристрою і розмірів, але один з невеликим числом витків обмотки, а інший - з набагато більшим, то неважко переконатися, що при тому самому струмі сила тяжіння останнього буде набагато більшою. Дійсно, ніж більше числовитків обмотки, тим більше при даному струмі створюється навколо цієї обмотки магнітне поле, оскільки воно складається з магнітних полів кожного витка. Отже, магнітний потік електромагніту, а отже, і сила його тяжіння буде тим більшою, ніж більша кількістьвитків має обмотка.
Є ще одна причина, що впливає на величину магнітного потоку електромагніту. Це – якість його магнітного ланцюга. Магнітним ланцюгом називається шлях, яким замикається магнітний потік. Магнітний ланцюг має певне магнітним опором. Магнітний опір залежить від магнітної проникності середовища, через яке проходить магнітний потік. Чим більша магнітна проникність цього середовища, тим менше його магнітний опір.
Оскільки магнітна проникність феромагнітних тіл (заліза, сталі) у багато разів більша за магнітну проникність повітря, тому вигідніше робити електромагніти так, щоб їх магнітний ланцюг не містив у собі повітряних ділянок. Добуток сили струму на число витків обмотки електромагніта називається магніторушійною силою. Магніторушійна сила вимірюється кількістю ампер-витків.
Наприклад, по обмотці електромагніта, що має 1200 витків, проходить струм силою 50 ма. Магніторушійна сила такого електромагнітудорівнює 0,05 х 1200 = 60 ампер-витків.
Дія магніторушійної сили аналогічна дії електрорушійної сили в електричного ланцюга. Подібно до того, як ЕРС є причиною виникнення електричного струму, магніторушійна сила створює магнітний потік в електромагніті. Точно так само, як в електричному ланцюзі зі збільшенням ЕРС збільшується струм у ціні, так і в магнітному ланцюзі зі збільшенням магніторушійної сили збільшується магнітний потік.
Дія магнітного опоруаналогічно дії електричного опоруланцюги. Як зі збільшенням опору електричного ланцюга зменшується струм, так і в магнітному ланцюгу Збільшення магнітного опору викликає зменшення магнітного потоку.
Залежність магнітного потоку електромагніту від магніторушійної сили та його магнітного опору можна виразити формулою, аналогічною формулі закону Ома: магніторушійна сила = (магнітний потік/магнітний опір)
Магнітний потік дорівнює магнитодвижущей силі, поділеної на магнітний опір.
Число витків обмотки та магнітний опір для кожного електромагніта є величина постійна. Тому магнітний потік даного електромагніту змінюється лише зі зміною струму, що проходить обмоткою. Так як сила тяжіння електромагніта обумовлюється його магнітним потоком, те щоб збільшити (або зменшити) силу тяжіння електромагніту, треба відповідно збільшити (або зменшити) струм в його обмотці.
Поляризований електромагніт
Поляризований електромагніт є з'єднанням постійного магніту з електромагнітом. Він улаштований таким чином. До полюсів постійного магніту прикріплені звані полюсні надставки з м'якого заліза. Кожна полюсна надставка служить осердям електромагніту, на неї насаджується котушка з обмоткою. Обидві обмотки з'єднуються між собою послідовно.
Так як полюсні надставки безпосередньо приєднані до полюсів постійного магніту, то вони мають магнітні властивості і за відсутності струму в обмотках; при цьому сила тяжіння їх незмінна та обумовлюється магнітним потоком постійного магніту.
Дія поляризованого електромагніта полягає в тому, що при проходженні струму по його обмотках сила тяжіння його полюсів зростає або зменшується в залежності від величини та напряму струму в обмотках. На цій властивості поляризованого електромагніту засновано дію та інших електротехнічних пристроїв.
Дія магнітного поля на провідник зі струмом
Якщо в магнітне поле помістити провідник так, щоб він був розташований перпендикулярно силовим лініям поля, і пропустити по цьому провіднику електричний струм, то провідник почне рухатися і виштовхуватиметься з магнітного поля.
Через війну взаємодії магнітного поля з електричним струмом провідник починає рухатися, тобто. електрична енергіяперетворюється на механічну.
Сила, з якою провідник виштовхується з магнітного поля, залежить від величини магнітного потоку магніту, сили струму у провіднику та довжини тієї частини провідника, яку перетинають силові лінії поля.Напрямок дії цієї сили, тобто напрям руху провідника, залежить від напрямку струму у провіднику і визначається по правила лівої руки.
Якщо тримати долоню лівої руки так, щоб до неї входили магнітні силові лінії поля, а витягнуті чотири пальці були звернені у напрямку струму у провіднику, то відігнутий великий палець вкаже напрямок руху провідника. Застосовуючи це правило, слід пам'ятати, що силові лінії поля виходять із північного полюса магніту.
Піднести магнітну стрілку, вона прагнутиме стати перпендикулярно площині, що проходить через вісь провідника і центр обертання стрілки. Це вказує на те, що на стрілку діють особливі сили, які називаються магнітними силами . Крім дії на магнітну стрілку, магнітне поле впливає на заряджені частинки, що рухаються, і на провідники зі струмом, що знаходяться в магнітному полі. У провідниках, що рухаються в магнітному полі, або в нерухомих провідниках, що перебувають у змінному магнітному полі, виникає індуктивна електрорушійна сила(е. д. с.).
Магнітне поле
Відповідно до вищесказаного ми можемо дати наступне визначеннямагнітного поля.
Магнітним полем називається одна із двох сторін електромагнітного поля, що збуджується електричними зарядамирухомих частинок та зміною електричного поляі що характеризується силовим впливом на заражені частинки, що рухаються, а отже, і на електричні струми.
Якщо просмикнути через картон товстий провідник і пропустити по ньому електричний струм, то сталева тирса, насипана на картон, розташуються навколо провідника по концентричних кіл, що є в даному випадкузвані магнітні індукційні лінії (рисунок 1). Ми можемо пересувати картон вгору або вниз по провіднику, але розташування сталевої тирси не зміниться. Отже, магнітне поле виникає навколо провідника по всій його довжині.
Якщо на картон поставити маленькі магнітні стрілки, то, змінюючи напрямок струму у провіднику, можна побачити, що магнітні стрілки повертаються (рисунок 2). Це показує, що напрямок магнітних індукційних ліній змінюється зі зміною напряму струму у провіднику.
Магнітні індукційні лінії навколо провідника зі струмом мають такі властивості: 1) магнітні індукційні лінії прямолінійного провідника мають форму концентричних кіл; 2) чим ближче до провідника, тим частіше розташовуються магнітні індукційні лінії; 3) магнітна індукція (інтенсивність поля) залежить від величини струму у провіднику; 4) напрямок магнітних індукційних ліній залежить від напрямку струму у провіднику.
Щоб показати напрямок струму у провіднику, зображеному в розрізі, прийнято умовне позначення, яким ми надалі користуватимемося. Якщо подумки помістити у провіднику стрілку за напрямом струму (рисунок 3), то провіднику, струм у якому від нас, побачимо хвіст оперення стріли (хрестик); якщо струм направлений до нас, побачимо вістря стріли (точку).
Малюнок 3. Умовне позначення напряму струму у провідниках
Правило буравчика дозволяє визначити напрямок магнітних індукційних ліній навколо провідника зі струмом. Якщо буравчик (штопор) з правим різьбленням рухатиметься поступово за напрямом струму, то напрям обертання ручки збігатиметься з напрямком магнітних індукційних ліній навколо провідника (рисунок 4).
Магнітна стрілка, внесена в магнітне поле провідника зі струмом, розташовується вздовж індукційних магнітних ліній. Тому визначення її розташування можна також скористатися "правилом буравчика" (рисунок 5). Магнітне поле є одне з найважливіших проявівелектричного струму і не може бути отримано незалежно та окремо від струму.
  |  |
| Малюнок 4. Визначення напрямку магнітних індукційних ліній навколо провідника зі струмом за "правилом буравчика" | Малюнок 5. Визначення напрямку відхилень магнітної стрілки, піднесеної до провідника зі струмом, за "правилом буравчика" |
Магнітна індукція
Магнітне поле характеризується вектором магнітної індукції, який має, отже, певну величину та певний напрямок у просторі.
Кількісне вираження для магнітної індукції в результаті узагальнення дослідних даних встановлено Біо та Саваром (рисунок 6). Вимірюючи по відхилення магнітної стрілки магнітні поля електричних струміврізної величини і форми, обидва вчені дійшли висновку, що кожен елемент струму створює на деякій відстані від себе магнітне поле, магнітна індукція якого Δ Bпрямо пропорційна довжині Δ lцього елемента, величині струму, що протікає I, синусу кута α між напрямком струму і радіусом-вектором, що з'єднує цікаву для нас точку поля з даним елементом струму, і обернено пропорційна квадрату довжини цього радіус-вектора r:
де K- Коефіцієнт, що залежить від магнітних властивостейсередовища та від обраної системи одиниць.
В абсолютній практичній раціоналізованій системі одиниць МКСА
де µ 0 - магнітна проникність вакуумуабо магнітна постійна в системі МКСА:
µ 0 = 4 × π × 10 -7 (генрі/метр);
генрі (гн) – одиниця індуктивності; 1 гн = 1 ом × сік.
µ – відносна магнітна проникність- безрозмірний коефіцієнт, що показує, у скільки разів магнітна проникність даного матеріалубільше магнітної проникності вакууму.
Розмір магнітної індукції можна знайти за формулою
Вольт-секунда інакше називається вебером (вб):
Насправді зустрічається дрібніша одиниця магнітної індукції – гаус (гс):
Закон Біо Савара дозволяє обчислити магнітну індукцію нескінченно довгого прямолінійного провідника:
де а- Відстань від провідника до точки, де визначається магнітна індукція.
Напруженість магнітного поля
Відношення магнітної індукції до твору магнітних проникностей µ × µ 0 називається напруженістю магнітного поляі позначається буквою H:
B = H × µ × µ 0 .
Останнє рівняння пов'язує дві магнітні величини: індукцію та напруженість магнітного поля.
Знайдемо розмірність H:
Іноді користуються іншою одиницею виміру напруженості магнітного поля – ерстедом (ер):
1 ер = 79,6 а/м ≈ 80 а/м ≈ 0,8 а/см .
Напруженість магнітного поля H, як і магнітна індукція B, є векторною величиною.
Лінія, що стосується кожної точки якої збігається з напрямом вектора магнітної індукції, називається лінією магнітної індукціїабо магнітною індукційною лінією.
Магнітний потік
Твір магнітної індукції на величину майданчика, перпендикулярному до напрямку поля (вектору магнітної індукції), називається потоком вектора магнітної індукціїабо просто магнітним потокомі позначається літерою Ф:
Ф = B × S .
Розмірність магнітного потоку:
тобто магнітний потік вимірюється у вольт-секундах або веберах.
Дрібнішою одиницею магнітного потоку є максвел (мкс):
1 вб = 108 мкс.
1мкс = 1 гс× 1 см 2.
Відео 1. Гіпотеза Ампера
Відео 1. Гіпотеза Ампера
Відео 2. Магнетизм та електромагнетизм
Можна показати, як користуватися законом Ампера, визначивши магнітне поле поблизу дроту. Задамо питання: чому одно поле поза довгим прямолінійного дротуциліндричного перерізу? Ми зробимо одне припущення, можливо, не настільки вже очевидне, але правильне: лінії поля йдуть навколо дроту по колу. Якщо ми зробимо таке припущення, закон Ампера [рівняння (13.16)] говорить нам, яка величина поля. З огляду на симетрії завдання поле має однакову величину у всіх точках кола, концентричної з проводом (фіг. 13.7). Тоді можна легко взяти лінійний інтеграл від . Він дорівнює просто величині, помноженої на довжину кола. Якщо радіус кола дорівнює ,
.
Повний струм через петлю є просто струм у дроті, тому
. (13.17)
Напруженість магнітного поля спадає назад пропорційно відстані від осі проводу. За бажання рівняння (13.17) можна записати в векторної форми. Згадуючи, що спрямовано перпендикулярно як , так і маємо
(13.18)
Фігура 13.7. Магнітне поле поза довгим дротом зі струмом.
Фігура 13.8. Магнітне поле довгого соленоїда.
Ми виділили множник, тому що він часто з'являється. Варто запам'ятати, що він дорівнює точності (у системі одиниць СІ), тому що рівняння виду (13.17) використовується для визначення одиниці струму, ампера. На відстані струм створює магнітне поле, рівне 
.
Якщо струм створює магнітне поле, то він діятиме з деякою силою на сусідній провід, яким також проходить струм. У гол. 1 ми описували простий досвід, що показує сили між двома проводами, якими тече струм. Якщо дроти паралельні, то кожен з них перпендикулярний до поля іншого дроту; тоді дроти відштовхуватимуться чи притягуватимуться один до одного. Коли струми течуть в одну сторону, дроти притягуються, коли струми протилежно спрямовані, вони відштовхуються.
Візьмемо інший приклад, який теж можна проаналізувати за допомогою закону Ампера, якщо ще додати деякі відомості про характер поля. Нехай є довгий провід, згорнутий тугу спіраль, перетин якої показано на фіг. 13.8. Така спіраль називається соленоїдом. На досвіді ми спостерігаємо, що коли довжина соленоїда дуже велика в порівнянні з діаметром, поле поза його дуже мало в порівнянні з полем всередині. Використовуючи цей факт і закон Ампера, можна знайти величину поля всередині.
Оскільки поле залишається всередині (і має нульову дивергенцію), його лінії повинні йти паралельно до осі, як показано на фіг. 13.8. Якщо це так, ми можемо використовувати закон Ампера для прямокутної «кривої» малюнку. Ця крива проходить відстань усередині соленоїда, де поле, скажімо, дорівнює , Потім йде під прямим кутом до поля і повертається назад зовнішньої областіде полем можна знехтувати. Лінійний інтеграл від уздовж цієї кривої дорівнює точності , і це має дорівнювати , помноженому на повний струм усередині , тобто . на (де - число витків соленоїда на довжині). Ми маємо
Або ж, вводячи - число витків на одиницю довжини соленоїда (так що), ми отримуємо
Фігура 13.9. Магнітне поле поза соленоїдом.
Що відбувається з лініями, коли вони доходять до кінця соленоїда? Очевидно, вони якось розходяться і повертаються в соленоїд з іншого кінця (фіг. 13.9). В точності таке ж поле спостерігається поза магнітною паличкою. Ну а що таке магніт? Наші рівняння стверджують, що поле виникає від присутності струмів. А ми знаємо, що звичайні залізні бруски (не батареї та не генератори) теж створюють магнітні поля. Ви могли б очікувати, що в правій частині (13.12) або (13.13) мали б бути інші члени, які мають «щільність намагніченого заліза» або якусь подібну величину. Але такого члена нема. Наша теорія каже, що магнітні ефекти заліза виникають від якихось внутрішніх струмів, які вже враховані членом .
Речовина влаштована дуже складно, якщо розглядати її з глибокої точкизору; у цьому ми вже переконалися, коли намагалися зрозуміти діелектрики. Щоб не переривати нашого викладу, відкладемо докладне обговорення внутрішнього механізму магнітних матеріалівтипу заліза. Поки доведеться прийняти, що будь-який магнетизм виникає за рахунок струмів і що постійному магніті є постійні внутрішні струми. У разі заліза ці струми створюються електронами, що обертаються навколо власних осей. Кожен електрон має такий спин, який відповідає крихітному циркулюючому струму. Один електрон, звичайно, не дає великого магнітного поля, але у звичайному шматку речовини містяться мільярди та мільярди електронів. Зазвичай вони обертаються будь-яким чином, тому сумарний ефект зникає. Дивно те, що в небагатьох речовинах, подібних до залози, більша частинаелектронів крутиться навколо осей, спрямованих в один бік, - у заліза два електрони з кожного атома беруть участь у цьому спільному русі. У магніті є велика кількість електронів, що обертаються в одному напрямку, і, як ми побачимо, їх сумарний ефект еквівалентний струму, що циркулює поверхнею магніту. (Це дуже схоже на те, що ми знайшли в діелектриках, - однорідно поляризований діелектрик еквівалентний розподілу зарядів на його поверхні.) Тому не випадково, що магнітна паличка еквівалентна соленоїду.
Електромагнітні явища відбивають зв'язок електричного струму з магнітним полем. Усі їх фізичні законидобре відомі, і ми не намагатимемося поправити їх; наша мета інша: пояснити фізичну природуцих явищ.
Одне нам уже ясно: ні електрика, ні магнетизм не можуть бути без електронів; і це вже проявляється електромагнетизм. Говорили ми і про те, що котушка зі струмом породжує магнітне поле. Затримаємось на останньому явищі та уточнимо – як воно відбувається.
Дивитимемося на котушку з торця, і нехай електричний струм нею йде проти годинникової стрілки. Струм є потік електронів, що ковзає по поверхні провідника (тільки на поверхні - відкриті жолоби, що присмоктують). Потік електронів захоплюватиме прилеглий ефір, і він почне також рухатися проти годинникової стрілки. Швидкість прилеглого до провідника ефіру визначатиметься швидкістю електронів у провіднику, а вона, у свою чергу, залежатиме від перепаду ефірного тиску (від електричної напругина котушці) та від прохідного перерізу провідника. Захоплюваний струмом ефір зачіпатиме сусідні шари, і вони також рухатимуться всередині та поза котушки по колу. Швидкість закрученого ефіру розподілиться так: найбільше її значення, зрозуміло, - у районі витків; при зміщенні до центру вона зменшується за лінійному закону, Так що в самому центрі вона виявиться нульовою; при віддаленні від витків на периферію швидкість також зменшуватиметься, але не за лінійним, а за складнішим законом.
Закручене струмом макрозавихрення ефіру почне орієнтувати електрони таким чином, що вони повернуться до паралельності осей обертання з віссю котушки; при цьому всередині котушки вони обертатимуться проти годинникової стрілки, а за її переділами - за годинниковою; одночасно електрони прагнутимуть співвісного розташування, тобто збиратимуться в магнітні шнури. Процес орієнтування електронів займе якийсь час, і після завершення його всередині котушки виникає магнітний пучок з північним полюсом у наш бік, а поза котушки, навпаки, північний полюс виявиться віддаленим від нас. Таким чином, ми довели справедливість відомого в електротехніці правила гвинта або свердла, що встановлює зв'язок між напрямом струму і напрямом народженого ним магнітного поля.
Магнітна сила (напруженість) у кожній точці магнітного поля визначиться зміною швидкості ефіру в цій точці, тобто похідною від швидкості видалення від витків котушки: чим крутіша зміна швидкості, тим більша напруженість. Якщо співвідносити магнітну силу котушки з її електричними і геометричними параметрами, вона має пряму залежність від величини струму і зворотну - від діаметра котушки. Чим більший струм і чим менший діаметр, тим більше можливостейзібрати електрони в шнури певного напрямку обертання і тим більше виявиться магнітна сила котушки. Про те, що напруженість магнітного поля може посилюватися або послаблюватися середовищем, уже йшлося.
Процес перетворення електрики постійного струмув магнетизм - не звернемо: якщо в котушку помістити магніт, то струм у ній немає. Енергія макрозавихрення, що існує навколо магніту, настільки мала, що не може змусити зміщуватися електрони по витках при найменших опорах для них. Ще раз нагадаємо, що в зворотному процесі макрозавихрення ефіру, що виконує роль посередника, лише орієнтувало електрони, і не більше, тобто тільки керувало магнітним полем, а сила поля визначалася кількістю односпрямованих магнітних шнурів.
Якщо до прямолінійного провідника зі струмом піднести магнітну стрілку, то вона буде прагнути стати перпендикулярно до площини, що проходить через вісь провідника і центр обертання стрілки (рис. 67). Це свідчить про те, що у стрілку діють особливі сили, які називаються магнітними. Іншими словами, якщо провідником проходить електричний струм, то навколо провідника виникає магнітне поле. Магнітне поле можна розглядати як особливий стан простору, що оточує провідники зі струмом.
Якщо просмикнути через карту товстий провідник і пропустити по ньому електричний струм, то сталева тирса, насипана на картон, розташуються навколо провідника по концентричних кіл, що є в даному випадку так звані магнітні лінії (рис. 68). Ми можемо пересувати картон вгору або вниз по провіднику, але розташування сталевої тирси не зміниться. Отже, магнітне поле виникає навколо провідника по всій його довжині.
Якщо на картон поставити маленькі магнітні стрілки, то, змінюючи напрямок струму у провіднику, можна побачити, що магнітні стрілки повертаються (рис. 69). Це показує, що напрямок магнітних лінійзмінюється зі зміною напряму струму у провіднику.
Магнітне поле навколо провідника зі струмом має такі особливості: магнітні лінії прямолінійного провідника мають форму концентричних кіл; чим ближче до провідника, тим щільніше розташовуються магнітні лінії, тим більша магнітна індукція; магнітна індукція (інтенсивність поля) залежить від величини струму у провіднику; напрямок магнітних ліній залежить від напрямку струму у провіднику.
Щоб показати напрямок струму у провіднику, зображеному в розрізі, прийнято умовне позначення, яким ми надалі користуватимемося. Якщо подумки помістити у провіднику стрілу у напрямку струму (рис. 70), то провіднику, струм у якому спрямований від нас, побачимо хвіст оперення стріли (хрестик); якщо струм направлений до нас, побачимо вістря стріли (точку).
Напрямок магнітних ліній навколо провідника зі струмом можна визначити за "правилом буравчика". Якщо буравчик (штопор) з правим різьбленням рухатиметься поступово за напрямом струму, то напрям обертання ручки збігатиметься з напрямком магнітних ліній навколо провідника (рис. 71).
Рис. 71. Визначення напрямку магнітних ліній навколо провідника зі струмом за "правилом буравчика"
Магнітна стрілка, внесена в поле провідника зі струмом, розташовується вздовж магнітних ліній. Тому визначення її розташування можна також скористатися " правилом буравчика " (рис. 72).
Рис. 72. Визначення напрямку відхилення магнітної стрілки, піднесеної до провідника зі струмом, за "правилом буравчика"
Магнітне поле є одним із найважливіших проявів електричного струму і не може бути отримано незалежно та окремо від струму.
У постійних магнітахмагнітне поле також викликається рухом електронів, що входять до складу атомів та молекул магніту.
Інтенсивність магнітного поля у кожній його точці визначається величиною магнітної індукції, яку прийнято позначати буквою В. Магнітна індукція є векторною величиною, тобто вона характеризується не тільки певним значенням, а й певним напрямом у кожній точці магнітного поля. Напрямок вектора магнітної індукції збігається з дотичною до магнітної лінії даної точки поля (рис. 73).
В результаті узагальнення дослідних даних французькі вчені Біо та Савар встановили, що магнітна індукція В (інтенсивність магнітного поля) на відстані r від нескінченно довгого прямолінійного провідника зі струмом визначається виразом
де r - радіус кола, проведеного через розглянуту точку поля; центр кола знаходиться на осі провідника (2πr – довжина кола);
I - величина струму, що протікає по провіднику.
Величина μ а, що характеризує магнітні властивості середовища, називається абсолютною магнітною проникністю середовища.
Для порожнечі абсолютна магнітна проникність має мінімальне значеннята її прийнято позначати μ 0 і називати абсолютною магнітною проникністю порожнечі.
1 гн = 1 ом⋅сек.
Відношення μ а / μ 0 показує, у скільки разів абсолютна магнітна проникність даного середовища більша за абсолютну магнітну проникність порожнечі, називається відносною магнітною проникністю і позначається буквою μ.
У Міжнародній системі одиниць (СІ) прийнято одиниці вимірювання магнітної індукції В - тесла або вебер на квадратний метр(Тл, вб/м 2).
У інженерної практикимагнітну індукцію прийнято вимірювати у гаусах (гс): 1 тл = 10 4 гс.
Якщо у всіх точках магнітного поля вектора магнітної індукції рівні за величиною та паралельні один одному, то таке поле називається однорідним.
Твір магнітної індукції на величину майданчика S, перпендикулярній напрямку поля (вектору магнітної індукції), називається потоком вектора магнітної індукції, або просто магнітним потоком, і позначається буквою Φ (рис. 74):
У Міжнародній системі як одиниця виміру магнітного потоку прийнятий вебер (вб).
У інженерних розрахункахмагнітний потік вимірюють у максвелах (мкс):
1 вб = 108 мкс.
При розрахунках магнітних полів користуються також величиною, яка називається напруженістю магнітного поля (позначається Н). Магнітна індукція і напруженість магнітного поля Н пов'язані співвідношенням
Одиниця виміру напруженості магнітного поля Н – ампер на метр (а/м).
Напруженість магнітного поля в однорідному середовищі, Як і магнітна індукція, залежить від величини струму, числа і форми провідників, якими проходить струм. Але на відміну магнітної індукції напруженість магнітного поля не враховує впливу магнітних властивостей середовища.
