Лекция 8 «Электромагнетизм. Основы магнитостатики»

План лекции

1. Электростатика. Краткий обзор.

2. Магнитное взаимодействие электрических токов.

3. Магнитное поле. Закон Ампера. Индукция магнитного поля.

4. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей.

4.1. Магнитное поле прямолинейного тока.

4.2. Магнитное поле на оси кругового тока.

4.3. Магнитное поле движущегося заряда.

1. Электростатика. Краткий обзор.

Изучению магнитостатики предпошлём краткий обзор основных положений электростатики. Такое введение представляется уместным, потому что при создании теории электромагнетизма использовались методические приёмы, с которыми мы уже встречались в электростатике. Потому-то и нелишне их вспомнить.

1) Основной опытный закон электростатики — закон взаимодействия точечных зарядов — закон Кулона:

. (Э1)

Сразу после его открытия возник вопрос: каким образом на расстоянии взаимодействуют точечные заряды?

Сам Кулон придерживался концепции дальнодействия. Однако теория Максвелла и последующие экспериментальные исследования электромагнитных волн показали, что взаимодействие зарядов происходит с участием электрических полей, создаваемых зарядами в окружающем пространстве. Электрические поля — не хитроумное изобретение физиков, но объективная реальность природы.

2) Единственным проявлением электростатического поля является сила, действующая на заряд, помещённый в этот поле. Поэтому ничего нет неожиданного в том, что в качестве основной характеристики поля принят вектор напряжённости, связанный именно с этой силой:

, . (Э2)

3) Объединив определение напряжённости (Э2) и закон Кулона (Э1) найдём напряжённость поля, созданного одним точечным зарядом:

. (Э3)

4) Теперь — очень важный опытный результат: принцип суперпозиции электростатических полей:

. (Э4)

Этот «принцип» позволил рассчитывать электрические поля, созданные зарядами самых разнообразных конфигураций.

Этим можно, пожалуй, ограничить краткий обзор электростатики и перейти к электромагнетизму.

1. Магнитное взаимодействие электрических токов

Взаимодействие токов было открыто и подробно изучено Ампером в 1820 году.

На рис. 8.1. приведена схема одной из его экспериментальных установок. Здесь прямоугольная рамка 1 имеет возможность легко поворачиваться вокруг вертикальной оси. Надёжный электрический контакт при поворотах рамки обеспечивался ртутью, наливаемой в опорные чашечки. Если к такой рамке поднести другую рамку с током (2), то между ближними сторонами рамок возникает сила взаимодействия. Именно эту силу измерял и анализировал Ампер, считая, что силами взаимодействия удалённых рёбер рамок можно пренебречь.

Рис. 8.1.

Экспериментально Ампер установил, что параллельные токи одинакового направления (рис. 8.2., а), взаимодействуя, притягиваются, а противоположно направленные токи — отталкиваются (рис. 8.2., b). При взаимодействии параллельных токов на единицу длины проводника действует сила, пропорциональная произведению токов и обратно пропорциональная расстоянию между ними (r):

. (8.1)

Рис. 8.2.

Этот экспериментальный закон взаимодействия двух параллельных токов используется в системе СИ для определения основной электрической единицы — единицы силы тока 1 ампер.

1 ампер — это сила такого постоянного тока, течение которого по двум прямолинейным проводникам бесконечной длины и малого сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, сопровождается возникновением между проводниками силы, равной 2  10^–7 Н на каждый метр их длины.

Определив таким образом единицу силы тока, найдём значение коэффициента пропорциональности  в выражении (8.1):

.

При I₁ = I₂ = 1А и r = 1 м сила, действующая на каждый метр длины проводника = 2  10^–7 Н/м. Следовательно:

.

В рационализированной СИ  = , где ₀ — магнитная постоянная:

₀ = 4 = 410^–7 .

Очень короткое время оставалась неясной природа силового взаимодействия электрических токов. В том же 1820 году датский физик Эрстед обнаружил влияние электрического тока на магнитную стрелку (рис. 8.3.). В опыте Эрстеда над магнитной стрелкой, ориентированной по магнитному меридиану Земли, был протянут прямолинейный проводник. При включении тока в проводнике, стрелка поворачивается, устанавливаясь перпендикулярно проводнику с током.

Рис. 8.3.

Этот эксперимент прямо свидетельствует о том, что электрический ток создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Теперь можно предположить, что амперова сила взаимодействия токов имеет электромагнитную природу. Она возникает как результат действия на электрический ток магнитного поля, созданного вторым током.

В магнитостатике, как и в электростатике, мы пришли к полевой теории взаимодействия токов, к концепции близкодействия.