3. Магнитное поле в вакууме (2 часа)

История магне­тизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивали друг друга. По названию местности такие образцы и стали называть «магнитами». До 1820г. учения об электричестве и магнетизме развивались раздельно. И если к этому моменту электричество действительно было наукой: изучено взаимодействие неподвижных зарядов, созданы конденсаторы – лейденские банки, определен электрический характер молнии, созданы источники тока и обнаружено его тепловое действие, то магнетизм фактически наукой не был. Природа магнетизма не была выяснена, и этим широко пользовались всякого рода шарлатаны.

Сегодня нам совершенно ясно, что между магнетизмом и электричеством существует тесная связь, впервые ее обнаружили в позапрошлом веке.

1. Опыт Эрстеда. Магнитное взаимодействие токов

В 1820 г. Эрстед обнаружил действие проводника с током на магнитную стрелку, ориентирующее стрелку в определенном направлении. Магнитная стрелка, как известно, отклоняется магнитным полем. Таким образом, Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле, и установил существование связи между электричеством и магнетизмом.

Вблизи прямолинейного проводника с током магнитная стрелка устанавливается по касательной к окружности, мысленно очерченной вокруг проводника (Рис. 3 .31). Иными словами, силовые линии магнитного поля проводника с током имеют вид окружностей, в центре которых находится проводник. Направление силовых линий указывается северным полюсом магнитной стрелки, как на Рис. 3 .31.

Рис. 3.31 Отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током

В том же 1820 г. Ампер экспериментально обнаружил, что параллельные проводники с одинаковым направлением токов притягиваются, а с противоположными направлениями токов отталкиваются (Рис. 3 .32).

Рис. 3.32 Два проводника с противоположно направленными токами отталкиваются

Сила взаимодействия, приходящаяся на единицу длины каждого из проводников, пропорциональна произведению силы тока в каждом проводнике и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками:

,

3.64

В этом выражении коэффициент k' зависит от выбора системы единиц. В СИ записывают коэффициент k' = ₀/4. Здесь ₀ – магнитная постоянная, или абсолютная магнитная проницаемость. Из закона взаимодействия токов ( 3 .64) определяют основную единицу силы тока – ампер. Если по двум параллельным проводникам, находящимся в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, протекают токи по 1 А, то сила взаимодействия, отнесенная к единице длины проводника (1 м), равна 210^-7 Н/м. Подставим эти значения в формулу ( 3 .64), чтобы найти значение магнитной постоянной: . Отсюда . Обычно размерность магнитной постоянной записывают иначе. Единицу силы, используя определение механической работы, расписывают как 1Дж/м, а единицу работы, в свою очередь, записывают через единицы электрических величин: 1 Дж= 1 ВАс. Получим таким образом, что , где - генри (единица измерения индуктивности). Итак, магнитная постоянная измеряется в генри на метр:

,

3.65