Взаимодействие токов. Магнитный момент

     Проводники с токами, проводники с токами и магнит, два магнита взаимодействуют между собой. Это взаимодействие осуществляется посредством поля, которое называют магнитным. Магнитное поле возникает в результате упорядоченного движения зарядов. Вокруг неподвижных зарядов магнитное поле не возникает. В постоянных магнитах магнитное поле создается упорядоченным движением электронов в атомах. Магнитное поле обнаруживается по его действию на проводники с током или движущиеся заряды, а также по действию на магнитные стрелки. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.

    Для характеристики магнитного поля вводится векторная величина, называемая магнитной индукцией. Обозначается прописной латинской буквой В. Направление вектора индукции магнитного поля совпадает с направлением северного конца магнитной стрелки, помещенной в это поле. Величина силы, которая действует на проводник с током, помещенный в магнитное поле, определяется законом Ампера:

dF _A = I · B · dl · sin α.

Здесь I – сила тока в проводнике, dl – элемент длины проводника, В – индукция магнитного поля, α – угол между направлениями В и dl. Элемент длины проводника является вектором, направление которого совпадает с направлением тока. Произведение I · dl называют элементом тока. Индукция магнитного поля численно равна силе, с которой магнитное поле действует на единичный элемент тока I · dl = 1 А·м, расположенный перпендикулярно к вектору магнитной индукции. Магнитная индукция зависит от свойств среды. В системе СИ единицей измерения индукции является тесла: 1 Тл – это индукция такого поля, которое действует на единичный элемент тока, расположенный перпендикулярно вектору магнитной индукции, с силой в 1 ньютон. Другой векторной характеристикой магнитного поля является его напряженность. Обозначается прописной латинской буквой Н. Напряженность не зависит от среды, в которой существует магнитное поле. Фактически, напряженность должна равняться индукции магнитного поля в вакууме. Чтобы определить напряженность магнитного поля, необходимо удалить вещество из пространства, в котором имеется поле. Затем измерить силу, действующую на единичный элемент тока, расположенный перпендикулярно вектору индукции. Однако, в системе СИ индукция и напряженность магнитного поля измеряются в различных единицах. Размерность напряженности – ампер на метр (А/м). Поэтому связь между индукцией и напряженностью в вакууме определяется соотношением В = μ_о Н, где коэффициент пропорциональности μ_о = 4π·10^-7 Н·м²/Кл². Его называют магнитной постоянной. Если поле существует не в вакууме, а в некоторой среде, тогда отношение В / Н = μ_оμ, его называют абсолютной магнитной проницаемостью среды, μ – это относительная магнитная проницаемость. Как и диэлектрическая проницаемость ε, относительная магнитная проницаемость μ является безразмерной величиной. Напряженность магнитного поля – это векторная величина, в однородной среде она по направлению совпадает с вектором индукции. Направление силы Ампера, действующей на проводник с током, определяется правилом левой руки: если расположить ладонь левой руки так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее, а вытянутые пальцы указывали направление тока, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

    Два длинных прямолинейных параллельных проводника с токами взаимодействуют друг с другом. Если токи текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи текут в разных направлениях, то отталкиваются. Математическое выражение для силы их взаимодействия имеет следующий вид:

F / l = μ_оμ· I ₁ I ₂/4π a.

Здесь а – расстояние между проводниками, длина каждого из которых равна l, I ₁ и I ₂ – силы тока в них.

    На движущуюся со скоростью v частицу, несущую заряд q, в электромагнитном поле действует сила Лоренца. В общем случае она равна векторной сумме электрической и магнитной составляющих:

F _Л = F _э + F _м.

Часто силой Лоренца называют только ее магнитную составляющую, которую можно определить из соотношения

F = q [ v B ].

Из записанного векторного произведения очевидно, что магнитная сила перпендикулярна направлению скорости движения частицы и вектору магнитной индукции. Следовательно, магнитная сила не может изменить кинетическую энергию частицы, а значит и модуль ее скорости. Влетая в однородное магнитное поле под произвольным углом к вектору индукции В, заряженная частица начинает двигаться по спирали. Когда заряженная частица влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции, движение будет происходить по окружности.

    На плоский контур с током, помещенный в магнитное поле, действует момент сил: M = I · S · B · sin α, где I – сила тока, S – площадь контура, B – индукция поля, α – угол между нормалью к плоскости витка и вектором B. В записанном соотношении произведение I · S = p _м определяет модуль вектора магнитного момента контура. Направление магнитного момента находят по правилу правого винта (буравчика): если головку винта поворачивать по направлению тока в контуре, то поступательное перемещение винта будет совпадать с направлением вектора p _м. Положительное направление вектора внешней нормали к поверхности контура с током соответствует протеканию тока против часовой стрелки, если смотреть из конца этого вектора. Магнитный момент нескольких контуров с током равен векторной сумме их магнитных моментов.