Из глубокой древности известны магнитные свойства некоторых железных руд, которые получили свое применение более чем за тысячу лет до нашей эры в устройстве магнитного компаса (устройства, в котором магнитная стрелка свободно вращается вокруг своей оси и показывает направление север — юг).
Практические опыты убеждают, что магниты (куски железных руд) способны создавать вокруг себя особое магнитное поле, которое способно влиять на другой находящийся в данном поле магнит.
Магнитные силы прямого магнита (прямолинейный стержень) сосредоточены в основном на его концах, которые называют полюсами магнита. Например, магнитная стрелка будет поворачиваться около концов магнита (направление вращения стрелки зависит от полюса), но будет оставаться неподвижной, если помещена у средней части магнита.
В магнитном поле магнит будет вести себя точно также как и электрический диполь в электростатическом поле – будет стремиться повернуться по полю. Но есть важный нюанс – если диполь можно разделить на положительный и отрицательный заряды, то при разломе магнита пополам получится два новых магнита, каждый из которых будет иметь свои полюса (северный и южный).
В 1820 году Эрстедом было установлено, что проводники, по которым проходят токи, также взаимодействуют с магнитной стрелкой. Положение магнитной стрелки, которую поместили рядом с проводником с током, также изменяется вместе с изменением величины и направления тока, но при этом стрелка совершенно не реагирует на неподвижные электрические заряды. Из этого явления был сделан вывод, что создавать магнитное поле могут лишь движущиеся электрические заряды (электрический ток), а вокруг неподвижных зарядов существует лишь электростатическое поле.
Магнитное поле, возникающее рядом с проводником с током, как и электрическое поле, обусловленное неподвижными электрическими зарядами, является одним из видов материи. У него имеются определенные физические свойства, такие как инерция, и характеризуется энергией.
Магнитное поле взаимодействует не только с магнитами, но и с электрическими зарядами, находящимися в движении, поскольку они способны сами создавать магнитное поле. Именно поэтому проводники, по которым протекает электрический ток, отталкиваются или притягиваются в зависимости от направления протекающего тока.
Вектор магнитной индукции В является основной характеристикой магнитного поля. Данная величина пропорциональна силе, которая действует на северный конец бесконечно маленькой магнитной стрелки, которая помещена в данную точку магнитного поля. В разных точках поля по направлению и величине индукция имеет различные значения.
Действия магнитного поля на проводник с током было исследовано Ампером. Отсюда и название – закон Ампера.
Если проводник с током помещен во внешнее магнитное поле, например между полюсами магнита, на этот проводник начнет действовать сила F (рисунок ниже), которую можно измерить:
Направление силы F, указанное на рисунке выше, соответствует тому случаю, когда вектор B направлен так, как указывают стрелки, а ток течет перпендикулярно «на нас». При этом было обнаружено, что действующая на прямолинейный проводник с током сила F, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике, его длине l, sin α (в данном случае α это угол между вектором В и направлением тока) и магнитной индукции В:
В данном случае k – коэффициент пропорциональности, который зависит от выбранной системы единиц.
Данная формула справедлива для случая однородного поля (в котором вектор В постоянен) и прямолинейного проводника.
В случае, когда поле неоднородно и проводник имеет произвольную форму, формула (1) примет вид:
Данное выражение носит название закон Ампера.
В системе СИ закон Ампера для прямолинейного проводника конечной длины l и однородного поля записывается в виде:
А для системы СГС выражение будет иметь вид:
Здесь с – электродинамическая постоянная, имеющая значение 3·1010 см/с, α – угол между вектором В и направлениями тока в проводнике.
Направление вектора В или силы F определяют с использованием правила левой руки (рисунок ниже):
Правило левой руки звучит так: если указательный палец левой руки направить по полю, а средний по направлению тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы, которая действует на проводник с током.
Подтверждением закона Ампера может служить следующий опыт. По свободно провисающему между двумя изоляторами проводнику протекает электрический ток (рисунок ниже):
Когда к проводнику подносят постоянный магнит, то он по мере приближения магнита отклоняется в сторону. Магнит действует на проводник с током с силой F. Проводник также действует на постоянный магнит с силой F, но направленной противоположно и приложенной в данном случае к северному полюсу магнита.
Так же как и электрическое поле, магнитное поле можно отображать графически с магнитных силовых линий или линий магнитной индукции.
Кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В в этих точках называют линиями магнитной индукции (линии поля В). В отличии от силовых линий электростатического поля линии магнитной индукции всегда замкнуты. Они выходят из северного полюса магнита, входят в южный, и замыкаются внутри магнита.
Линии поля магнита Вмагн. показаны на рисунке выше, а также на рисунке изображены линии поля, созданного проходящим по проводнику электрическим током (Втока). В случае прямолинейного проводника линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности (рисунок ниже):
Направление данных линий определяют с помощью правила буравчика – если по направлению тока ввинчивать буравчик (винт справа), то вращение рукоятки буравчика покажет направление линий B.
