В школьной физике в качестве источников магнитного поля рассматриваются постоянные магниты и проводники с током. Если постоянные магниты мы уже рассмотрели, то с проводниками давайте разберёмся в данном разделе. Простейшие формы проводников для расчёта магнитных полей:
- бесконечный прямолинейный проводник с током
- круговой виток с током (проводник в форме окружности)
Для каждого из этих проводников можно рассчитать напряжённость магнитного поля в точке.
Итак, движущийся заряд создаёт вокруг себя магнитное поле. Самый простой тип движущегося заряда — это обычный электрический ток. Вопрос только в том, как согнуть проводник:
- бесконечный прямолинейный проводник с током
![Магнитное поле бесконечного проводника](https://sp-ao.shortpixel.ai/client/to_auto,q_lossless,ret_img,w_203,h_300/https://www.abitur.by/wp-content/uploads/2017/07/Магнитное-поле-бесконечного-проводника-203x300.png)
Рис. 1. Магнитное поле бесконечного проводника
Итак, возьмём бесконечный прямолинейный проводник с током. Слово «бесконечный» в данном случае небольшое приближение. Так для любой точки, находящейся непосредственно вблизи любого линейного проводника, сам проводник «кажется» бесконечным. Пусть по нашему проводнику течёт ток (рис. 1). Прямолинейный проводник с током создаёт вихревое (круговое) магнитное поле вокруг себя. Направление вектора магнитной индукции задаётся правилом буравчика (правилом правой руки). Исходя из этого правила, найдём направление вектора (рис. 2).
![Магнитное поле бесконечного проводника (магнитная индукция)](https://sp-ao.shortpixel.ai/client/to_auto,q_lossless,ret_img,w_203,h_300/https://www.abitur.by/wp-content/uploads/2017/07/Магнитное-поле-бесконечного-проводника-магнитная-индукция-203x300.png)
Рис. 2. Магнитное поле бесконечного проводника (магнитная индукция)
Для подсчёта модуля вектора магнитной индукции поля вне прямолинейного бесконечного проводника с током можно использовать соотношение (рис. 3):
(1)
- где
— относительная магнитная проницаемость среды,
м*кг*
*
,
— сила тока, текущего по проводнику,
— константа,
— расстояние от центра проводника до точки наблюдения.
![Модуль вектора магнитной индукции бесконечного линейного проводника](https://sp-ao.shortpixel.ai/client/to_auto,q_lossless,ret_img,w_171,h_300/https://www.abitur.by/wp-content/uploads/2017/07/Модуль-вектора-магнитной-индукции-бесконечного-линейного-проводника-171x300.png)
Рис. 3. Модуль вектора магнитной индукции бесконечного линейного проводника
3D модели рисунков достаточно сложны для рассмотрения, поэтому введены условные обозначения для направлений векторов/токов в трёхмерном пространстве (рис. 4).
![Схематические отображения векторов](https://sp-ao.shortpixel.ai/client/to_auto,q_lossless,ret_img,w_300,h_118/https://www.abitur.by/wp-content/uploads/2017/07/Схематические-отображения-векторов-300x118.png)
Рис. 4. Схематические отображения векторов
Тогда перерисуем рисунок 3, в случае, если мы смотрим сверху провода (рис. 5.1). В этом случае ток течёт на нас, т.е. из рисунка. И в случае, когда мы смотрим на провод снизу вверх (рис. 5.2). В этом случае ток течёт от нас, т.е. внутрь рисунка.
![Поле проводника (вид сверху)](https://sp-ao.shortpixel.ai/client/to_auto,q_lossless,ret_img,w_300,h_181/https://www.abitur.by/wp-content/uploads/2017/07/Поле-проводника-вид-сверху-300x181.png)
Рис. 5. Поле проводника (вид сверху)
На рисунке 5 точечной линией обозначено магнитное поле прямолинейного тока (оно круговое). Направление вектора магнитной индукции () определяется правилом буравчика (правилом правой руки).
Правило буравчика для прямолинейного тока: правой рукой обхватываем проводник с током, отогнутый большой палец сонаправляем с током, тогда согнутые 4 пальца показывают направление вектора магнитной индукции.
- круговой виток с током (проводник в форме окружности)
Второй вариант системы, в которой достаточно просто рассчитать модуль вектора магнитной индукции, — это круговой виток с током. Т.е. сам проводник с током представляет собой окружность. По данному проводнику ток может течь как по часовой стрелке (рис. 6.1), так и против часовой (рис. 6.2).
![Круговой виток с током](https://sp-ao.shortpixel.ai/client/to_auto,q_lossless,ret_img,w_300,h_155/https://www.abitur.by/wp-content/uploads/2017/07/Круговой-виток-с-током-300x155.png)
Рис. 6. Круговой виток с током
В целом, магнитное поле такого проводника достаточно сложное, однако для центра витка нахождение модуля вектора магнитной индукции не представляет проблем:
(2)
- где
— относительная магнитная проницаемость среды,
м*кг*
*
,
— сила тока, текущего по проводнику,
— расстояние от центра проводника до точки наблюдения.
Немного о — относительной магнитной проницаемости среды. Это параметр, который описывает насколько сама среда воспринимает магнитное поле источника. В целом, это табличная величина.
Правило буравчика для кругового тока: обнимаем правой рукой провод, большой отогнутый палец правой руки направляем по току, тогда загнутые 4 пальца будут указывать направление вектора магнитной индукции.
Важно: для наших систем можно запомнить, что прямолинейный ток создаёт круговое магнитное поле (рис.5), а круговой ток создаёт прямолинейное магнитное поле (рис.6).
Вывод: для поиска модуля вектора магнитной индукции достаточно проанализировать систему в задаче и описать её через модель бесконечного прямолинейного или кругового проводника с током.