Магнитное поле и силовые характеристики

Источники магнитного поля

Неподвижный заряд создаёт электрическое поле, а движущийся заряд дополнительно создаёт магнитное. Электрический ток в проводнике представляет собой согласованное движение множества носителей, поэтому вокруг проводника возникает поле. Магнитное поле — часть электромагнитного поля, создаваемая движущимися зарядами и действующая на движущиеся заряды и токи.

Постоянный магнит обязан своим полем микроскопическим токам и магнитным моментам электронов в веществе. Поле не требует материальной среды и существует в вакууме. Его направление в каждой точке определяют по северному полюсу маленькой магнитной стрелки.

Ток направлен от наблюдателя в плоскость рисунка; концентрические магнитные линии ориентированы по часовой стрелке.

Магнитная индукция

Магнитная индукция $\vec{B}$ — векторная силовая характеристика магнитного поля. Единица индукции — тесла. Направление $\vec{B}$ совпадает с касательной к магнитной линии, а модуль определяет силу действия поля на заданный ток или движущийся заряд.

Для длинного прямого проводника с током в вакууме:

Поле ослабевает обратно пропорционально расстоянию, а направление находят правилом правой руки: большой палец направляют по току, согнутые пальцы показывают обход линий $\vec{B}$. В центре круглого витка $B={\mu }_{0}I/(2R)$, а внутри длинного соленоида $B\approx {\mu }_0\mu nI$.

Линии и суперпозиция

Магнитные линии всегда замкнуты: у поля нет обнаруженных отдельных магнитных зарядов, на которых линии могли бы начинаться или заканчиваться. Снаружи постоянного магнита они условно идут от северного полюса к южному, а внутри возвращаются обратно. Более густое изображение означает более сильное поле.

Поля нескольких токов складываются векторно:

Расчёт использует те же правила проекций, что и сложение сил или напряжённостей. Между параллельными проводниками с токами одного направления поля частично компенсируются, снаружи усиливаются; направление результирующего поля проверяют отдельно в каждой области.

Магнитный поток

Чтобы описать поле, проходящее через поверхность площадью $S$, вводят магнитный поток:

Угол $\alpha$ отсчитывают между $\vec{B}$ и нормалью к поверхности, а не между полем и самой плоскостью. Поток максимален, когда поле перпендикулярно поверхности, и равен нулю, когда поле лежит в её плоскости. Единица потока — вебер.

Поток может измениться из-за изменения $B$, площади или ориентации контура. Именно изменение, а не само наличие постоянного потока, станет причиной электромагнитной индукции.

Магнитная стрелка, Земля и электромагнит

В опыте Эрстеда ток в проводе отклоняет расположенную рядом магнитную стрелку. При изменении направления тока стрелка поворачивается в другую сторону, а после размыкания цепи снова ориентируется преимущественно по полю Земли. Опыт показывает связь электрических и магнитных явлений, а не действие нагретого провода.

Одноимённые полюса магнитов отталкиваются, разноимённые притягиваются. Разделение стержневого магнита даёт два меньших магнита, каждый со своими северным и южным полюсами. Катушка с током действует подобно магниту; сердечник из ферромагнетика существенно усиливает её поле. Изменением тока управляют подъёмным электромагнитом, реле и электрическим звонком.

Земное магнитное поле создаётся в основном движением проводящего вещества внешнего ядра. Оно отклоняет многие заряженные частицы солнечного ветра, а около полюсов их взаимодействие с атмосферой вызывает полярные сияния. Магнитные и географические полюса не совпадают, поэтому для точного ориентирования учитывают магнитное склонение.