Магнитное поле и электрический ток тесно взаимосвязаны. Их взаимодействие лежит в основе работы многих электротехнических устройств, без которых невозможна современная жизнь. Давайте разберемся, как именно магнитное поле влияет на проводники с током.
История открытия явления
В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед провел знаменитый опыт. Он обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется, если рядом пропустить электрический ток по проводнику. Это наглядно продемонстрировало тесную связь между электричеством и магнетизмом.
Эрстед показал, что электрический ток в проводнике порождает вокруг себя магнитное поле, которое и взаимодействует с магнитной стрелкой.
Французский ученый Андре-Мари Ампер развил это открытие дальше. Он ввел само понятие "магнитное поле" и создал теорию электромагнитных явлений.
Сущность явления
Итак, что же такое магнитное поле? Это особая форма материи, которая возникает при движении электрических зарядов. Наличие магнитного поля проявляется в том, что на все находящиеся в нем заряженные частицы действует определенная сила.
Необходимо отметить, что магнитное поле зависит от выбранной системы отсчета - относительно какой системы движутся заряды. Если заряд покоится, то он создает только электростатическое поле. А если движется - то дополнительно возникает магнитное поле.
Доказательства существования
Как убедиться, что магнитное поле реально существует? Вот несколько веских доказательств:
- Сила, действующая на движущиеся заряды или проводники с током вблизи магнитов
- Отклонение электронного пучка в катодной трубке при поднесении магнита
- Вращение рамки с током или электродвигателя в магнитном поле
Таким образом, магнитное поле реально существует и оказывает воздействие на находящиеся в нем объекты.
Зависимость силы от параметров
Как уже отмечалось, магнитное поле действует на проводники с током определенной силой. Давайте разберемся, от каких величин зависит эта сила.
В 1820 году Андре-Мари Ампер вывел формулу для расчета силы F , с которой магнитное поле действует на проводник длиной L с током I , находящийся в магнитном поле с индукцией B :
F = B · I · L · sinα
Здесь α – угол между направлением тока в проводнике и направлением линий магнитной индукции.
Для определения направления действия силы Ампер предложил использовать так называемое правило левой руки . Если расположить левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили перпендикулярно в раскрытую ладонь, а 4 пальца указывали направление течения тока в проводнике, то отставленный на 90° большой палец укажет направление действия силы.
Что касается меры магнитной индукции, то в системе СИ она равна 1 тесла - это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый 1 метр проводника с током 1 А действует сила в 1 Н. Единица названа в честь изобретателя Николы Тесла.
Экспериментальная проверка
действие магнитного тока на проводник с током можно продемонстрировать с помощью простого опыта. Возьмем гибкий проводник и подвесим его между полюсами магнита. Как только по проводнику потечет ток, он отклонится в сторону.
Направление отклонения будет определяться согласно действию магнитного тока на рамку с током - по правилу левой руки. При этом оно будет меняться в зависимости от того, как расположены полюса магнита и в какую сторону течет ток.
То же действие магнитного тока на прямолинейный проводник с током лежит в основе работы электродвигателей. Здесь используется вращение рамки (катушки) с током в магнитном поле неподвижного электромагнита. При повороте рамки (якоря) на определенный угол ток в ней меняется, и она продолжает вращаться.
Такой принцип был впервые применен в 1834 году русским ученым Борисом Якоби, который открыл магнитное действие тока. Он сконструировал электродвигатель постоянного тока мощностью 15 Вт. С тех пор электродвигатели нашли широчайшее применение в технике и быту.
Применение явления
Где еще, кроме электродвигателей, используется магнитное действие тока? Этот эффект широко применяется в измерительных и регулирующих устройствах.
Измерительные приборы
В электроизмерительных приборах используется отклонение подвижной катушки с током в магнитном поле постоянного магнита или электромагнита. В зависимости от силы тока в катушке, она будет отклоняться на больший или меньший угол. Это передается стрелке прибора.
Релейные устройства
Магнитное поле катушки используется в реле - устройствах автоматики и телемеханики. При протекании тока через катушку она притягивает подвижный металлический якорь. Это приводит к замыканию или размыканию электрической цепи.
Системы оповещения
В электрических звонках и сиренах тоже используется магнитное действие тока. Протекание тока по катушке создает магнитное поле, которое притягивает якорь. При этом замыкается вторая электрическая цепь с сигнальным устройством.
Аналогии и противоположности
Магнитостатические явления имеют много общего с электростатическими, но в то же время существенно отличаются.
Оба типа полей описываются векторными величинами, действуют на заряженные частицы и подчиняются принципу суперпозиции. Однако если электростатические заряды существуют в виде дискретных частиц, то магнитных монополей в природе пока не обнаружено.
Магнитные монополи
Теоретически предсказывают существование магнитных монополей - частиц с магнитным зарядом. Однако экспериментально их до сих пор не удалось обнаружить. Возможно, при изучении микромира удастся это сделать в будущем.
Постоянные магниты и электромагниты
Еще одно различие в том, что электростатические поля создаются неподвижными зарядами, а магнитные - движущимися. Поэтому существуют постоянные магниты и электромагниты, в зависимости от источника магнитного поля.
