2.3.6. Сила Лоренца. Сила Ампера

Магнитное поле не только порождается движущимися электрическими зарядами, но действует на движущиеся заряды.

Силой Лоренца называется сила, действующая на движущийся электрический заряд со стороны магнитного поля. Сила Лоренца равна произведению заряда q на векторное произведение скорости движения заряда и вектора магнитной индукции , т. е.

Модуль силы Лоренца равен

где α - угол между векторами и .

Поскольку ток - это упорядоченное движение электрических зарядов, то на проводник с током в магнитном поле тоже действует сила, которая называется силой Ампера.

Сила Ампера равна произведению силы тока на векторное произведение элемента проводника и вектора магнитной индукции

Модуль силы Ампера равен

где α   - угол между векторами    .

С помощью измерения силы можно найти модуль вектора магнитной индукции (формула (2.45)). Сила будет максимальной, если sinα = 1. Тогда по формуле (2.45)

.

Отсюда:

.

Тогда единица магнитной индукции тесла (Тл) равна ньютон (Н), деленный на ампер и на метр , т. е.

.

2.3.7. Поток вектора магнитной индукции

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью линий магнитной индукции.

Линиями магнитной индукции называются линии, касательные к которым направлены также, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля (рис. 2.14).

Рис. 2.14

Из рисунка видно, что линии магнитной индукции прямого тока (рис. 2.14 а) и кругового (рис. 2.14 б) представляют собой концентрические окружности в плоскостях, перпендикулярных току. Линии магнитной индукции всегда замкнутые. Это означает, что магнитное поле не имеет источников, подобных электрическим зарядам.

Хотя линии магнитной индукции всегда замкнутые, однако, на отдельных участках магнитное поле может быть однородным, т. е. линии, его изображающие, параллельны друг другу и их густота одинакова (например, поле внутри соленоида) (рис. 2.15).

Рис. 2.15

Важной характеристикой поля является магнитный поток или поток вектора магнитной индукции.

Магнитным потоком Ф через поверхность площади S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности и на косинус угла между вектором   и  - нормалью к поверхности (рис. 2.16), т. е.

Рис.2.16

Магнитный поток наглядно можно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих площадь поверхности S.

Единицей магнитного потока является вебер, .

 

2.3.8. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея - Ленца

Явление электромагнитной индукции было обнаружено опытным путем в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем. Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром. Этот ток называется индукционным.

Изменение магнитного потока можно производить разными способами (см. формулу (2.46)). Можно изменять:

1) модуль вектора магнитной индукции B;

2) направление вектора (т. е. изменять угол α );

3) перемещать проводники, составляющие контур (т. е. изменять площадь контура S).

Основываясь на законе сохранения энергии, петербургский профессор Э.Х. Ленц предложил правило, по которому определяется направление индукционного тока.

Согласно правилу Ленца, индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле противодействует изменениям внешнего магнитного потока.

Опыты по изучению электромагнитной индукции показали, что чем быстрее изменяется магнитный поток, тем большая сила тока возникает в контуре. Известно, что в проводнике появляется электрический ток в том случае, когда на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работу этих сил по перемещению единичного положительного заряда называют электродвижущей силой (ЭДС) (см. формулу (2.31)).

Закон электромагнитной индукции, закон Фарадея - Ленца, формулируется следующим образом.

ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего поверхность, охваченную контуром, взятой с обратным знаком, т. е.

Знак минус отражает соответствие направления индукционного тока правилу Ленца. Формула (2.47) справедлива для всех возможных случаев изменения магнитного потока, так как вывод этой формулы основан на универсальном законе природы - законе сохранения энергии.

При изучении явления электромагнитной индукции установлена теснейшая взаимосвязь между электрическими и магнитными полями. Изменяющееся по времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Это открытие послужило базой для создания единой теории электромагнитного поля и впоследствии стало одной из основ электротехники.