V. ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
( 53. Магнітне поле. Магнітна індукція. Закон Ампера
Досліди показали, що навколо провідників зі струмом і постійних магнітів існує магнітне поле, яке легко виявити за силовою дією, якою воно впливає на інші провідники зі струмом або постійні магніти.
Щоб вивчити основні властивості магнітного поля і способи його створення, розглянемо два досліди.
1. Взаємодія між нерухомими електричними зарядами і магнітною стрілкою
Підвісимо на нитці коло магнітної стрілки кульку з діелектрика і надамо їй електричного заряду. Не помітимо будь-якої дії з боку нерухомих електричних зарядів кульки на магнітну стрілку. У свою чергу, магнітне поле стрілки не діє на заряджену кульку. Отже, нерухомі електричні заряди не створюють магнітного поля і постійне магнітне поле не діє на нерухомі електричні заряди.
2. Взаємодія між постійним електричним струмом і магнітною стрілкою
Якщо пропустити постійний струм І через провідник, то магнітна стрілка повернеться навколо своєї осі так, щоб стати перпендикулярно до провідника зі струмом (рис. 102). Це явище відкрив Г. Ерстед. Він виявив, що напрямок повороту північного полюсу стрілки змінюється на протилежний, якщо поміняти напрямок струму в провіднику.
Струм у провіднику – впорядкований рух електричних зарядів. Навколо всякого рухомого заряду існує магнітне поле. При цьому матерял провідника і характер його провідності, а також процеси, що відбуваються в ньому, ніякої ролі не відіграють.
Навколо будь-якого рухомого заряду, чи то буде електрон, іон або заряджене тіло, крім електричного поля, існує також і магнітне поле. Електричне поле діє як на рухомі, так і на нерухомі заряди. Магнітне поле діє лише на рухомі в цьому полі електричні заряди.
Щоб охарактеризувати магнітне поле, треба розглянути його дію на певний струм. Розглянемо замкнений плоский контур зі струмом, розміри якого малі порівняно з відстанню до струмів, що утворюють поле. За позитивний напрямок нормалі приймається напрямок поступального руху свердлика, головка якого обертається в напрямку струму, що тече в контурі (рис. 103). Контур зі струмом характеризується магнітним моментом , який дорівнює добутку сили струму , що протікає у контурі, на площу поверхні контуру :
,
де – одиничний вектор нормалі до поверхні рамки. Напрямок вектора збігається з напрямком позитивної нормалі рамки.
Контуром зі струмом можна скористатись і для кількісного опису магнітного поля. На контур у магнітному полі діє пара сил. Обертальний момент сил залежить від властивостей контуру:
.
Якщо контур зі струмом повернути на від рівноважного положення, то на нього буде діяти максимальний обертальний момент .
Якщо в дане місце магнітного поля поміщати контури з різними магнітними моментами, то на них діятимуть різні обертальні моменти, але відношення для всіх контурів однакове і є кількісною характеристикою магнітного поля:
.
Магнітна індукція в даному місці магнітного поля визначається максимальним обертальним моментом, що діє на контур з одиничним магнітним моментом.
Одиниця магнітної індукції – тесла: 1 Тл – магнітна індукція такого магнітного поля, в якому на рамку з магнітним моментом 1 А(м2 діє максимальний момент сили 1 Н(м.
За напрямок індукції магнітного поля приймається напрямок магнітного момента поля, який знаходиться в рівноважному положенні у цьому полі.
Для графічного зображення магнітних полів зручно користуватись лініями магнітної індукції. Лініями магнітної індукції називають лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком вектора в цих точках поля.
Напрямок ліній індукції магнітного поля струму визначається за правилом свердлика: якщо вкручувати свердлик за напрямком руху струму в провіднику, то напрямок руху його рукоятки покаже напрям ліній магнітної індукції.
Лінії магнітної індукції можна спостерігати за допомогою металевих ошурків, які в магнітному полі поводять себе як маленькі магнітні стрілки.
Узагальнюючи результати дослідження дії магнітного поля на різні провідники зі струмом, Ампер встановив, що сила , з якою магнітне поле діє на елемент довжини провідника зі струмом, що знаходиться в магнітному полі, прямо пропорційна до сили струму І в провіднику і до векторного добутку елемента довжини на магнітну індукцію :
.
Напрямок сили можна знайти за правилом векторного добутку і за правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки поставити так, щоб у неї входили лінії магнітної індукції, а чотири витягнуті пальці спрямувати в напрямку електричного струму в провіднику, то відставлений на великий палець покаже напрямок сили, що діє на провідник з боку поля. Правило зручне, коли елемент провідника зі струмом перпендикулярний до напрямку магнітного поля.
В загальному випадку для визначення напрямку сили Ампера слід скористатись правилом векторного добутку: вектор напрямлений перпендикулярно до площини, утвореної векторами і так, щоб з кінця вектора обертання від вектора до вектора найкоротшим шляхом відбувалося проти годинникової стрілки (рис. 104).
Модуль сили Ампера розраховується за формулою
dF=IBdlsin( ,
де ( – кут між векторами і .
Якщо елемент провідника із струмом І перпендикулярний до напрямку магнітного поля (sin(=1), тоді закон Ампера можна записати у вигляді:
.
Отже, магнітна індукція є силовою характеристикою магнітного поля.
( 54. Закон Біо – Савара – Лапласа
У 1920 р. французькі вчені Ж. Біо і Ф. Савар дослідили магнітні поля, створені в повітрі прямолінійним струмом, коловим струмом, котушкою із струмом тощо. На основі численних дослідів вони дійшли таких висновків:
а) у всіх випадках індукція В магнітного поля електричного струму пропорційна до сили струму І;
б) магнітна індукція залежить від форми і розмірів провідника із струмом;
в) магнітна індукція В у будь-якій точці поля залежить від розташування цієї точки відносно провідника зі струмом.
Біо і Савар намагалися знайти загальний закон, який дав би змогу обчислити магнітну індукцію в кожній точці поля, створеного електричним струмом, що протікає по провіднику будь-якої форми. Однак зробити це їм не вдалося. Розв’язав це завдання П. Лаплас.
Лаплас узагальнив результати експериментів Біо і Савара у вигляді такого диференціального закону, який називається законом Біо – Савара – Лапласа:
,
де – вектор, що числово дорівнює довжині dl елемента провідника і збігається за напрямком з електричним струмом, – радіус-вектор, проведений від елемента провідника dl до точки поля А, що розглядається (рис. 105), – магнітна стала.
Модуль індукції магнітного поля малого елемента провідника зі струмом прямо пропорційний до сили струму І, довжини елемента провідника, обернено пропорційний до квадрата відстані r від елемента провідника до розглядуваної точки поля, а також залежить від кута між напрямками струму і радіус-вектора (рис. 105):
.
Напрямок вектора перпендикулярний до і , тобто перпендикулярний до площини, в якій вони лежать, і збігається з дотичною до лінії магнітної індукції. Напрямок визначається з векторного добутку і може бути знайдений за правилом свердлика.
Дослід показує, що для магнітного поля справедливий принцип суперпозиції: індукція магнітного поля, створеного декількома струмами або рухомими зарядами, дорівнює векторній сумі магнітних полів, що створені кожним струмом або рухомим зарядом окремо.
Відповідно до принципу суперпозиції магнітна індукція у будь-якій точці магнітного поля провідника зі струмом І дорівнює векторній сумі індукцій елементарних магнітних полів, створених окремими ділянками цього провідника:
.
Необмежено збільшуючи кількість ділянок n і переходячи до границі при n, що прямує до нескінченності, можна замінити суму інтегралом:
.
Отже, магнітна індукція поля, яке створене у вакуумі струмом І , що тече по провіднику скінченної довжини і довільної форми, дорівнює
Розрахунок характеристик магнітного поля за наведеними формулами в загальному випадку досить складний. Однак, якщо розподіл струму має певну симетрію, то застосування закону Біо – Савара – Лапласа разом з принципом суперпозиції дає змогу досить просто розрахувати магнітну індукцію конкретних полів (приміром, в центрі кола).
( 55. Закон повного струму для магнітного поля у вакуумі.Вихровий характер магнітного поля
Введемо циркуляцію вектора магнітної індукції. Циркуляцією вектора по замкненому контуру називається інтеграл
,
де – вектор елемента довжини контуру, напрямлений вздовж обходу контуру, – проекція вектора на дотичну до контуру, – кут між векторами і .
Розглянемо магнітне поле нескінченного прямолінійного провідника зі струмом І, що знаходиться у вакуумі (рис. 106). Лінії магнітної індукції цього поля є кола, площини яких перпендикулярні до провідника, а центри лежать на осі провідника. Знайдемо циркуляцію вектора вздовж кола радіуса r. У всіх точках кола вектор числово дорівнює і напрямлений по дотичній до кола, тому .
Тоді
Звідси можна зробити два висновки:
магнітне поле прямолінійного струму – вихрове поле, бо циркуляція вектора вздовж ліній індукції не дорівнює 0;
циркуляція вектора магнітної індукції поля прямолінійного струму однакова вздовж будь-якої лінії індукції і дорівнює .
Цю формулу можна використати до замкненого контуру L довільної форми, який охоплює нескінченно довгий прямолінійний провідник зі струмом І .
Якщо контур не охоплює провідник зі струмом, то
.
У всіх випадках, які розглядались вище, кут гострий, тобто з кінця вектора густини струму , напрямленого по осі провідника в бік струму, обхід по контуру L відбувається проти стрілки годинника. При протилежному напрямку обходу контуру L або при протилежному напрямку струму в провіднику отримуємо
.
Надалі використовуватимемо таке правило знаків струмів: позитивним вважається струм, напрямок якого зв’язаний з напрямком обходу по контуру правилом свердлика; струм протилежного напрямку вважається негативним.
На практиці магнітне поле, переважно, створюється кількома провідниками, по яких проходять струми тощо. На основі принципу суперпозиції магнітна індукція результуючого поля дорівнює
.
Тоді
.
Кожен з інтегралів, що стоїть під знаком суми, дорівнює або , якщо струм охоплюється контуром, або 0, якщо струм не охоплюється контуром.
Отже,
,
де n – кількість провідників зі струмами, що охоплюються контуром L довільної форми.
Рівняння є математичним виразом закону повного струму для струмів провідності:
циркуляція вектора по довільному замкненому контуру дорівнює добутку магнітної сталої на алгебраїчну суму струмів, що охоплюються цим контуром.
Отриманий вираз закону повного струму справедливий лише для магнітного поля у вакуумі, оскільки для поля у речовині слід враховувати молекулярні струми.
( 56. Сила Лоренца
Виникнення макроскопічної сили Ампера, що діє на провідник із струмом у магнітному полі, можна пояснити так. При проходженні струму носії заряду в провіднику рухаються напрямлено. Тому магнітне поле відхиляє їх в один бік. При цьому вони стикаються з кристалічною ґраткою металу і передають їй певний імпульс, якого набули під дією магнітного поля. Макроскопічним результатом елементарних процесів зіткнення окремих носіїв заряду з кристалічною ґраткою провідника є виникнення сили Ампера.
Магнітне поле діє на вільні електрони в металі і без електричного струму в провіднику. Оскільки електрони в цьому випадку рухаються тільки хаотично, то сумарний імпульс, який вони надають кристалічній ґратці провідника, дорівнює нулю і провідник залишається нерухомим.
Для обчислення сили, що діє на рухомий заряд в магнітному полі, розглянемо елемент провідника зі струмом І у магнітному полі з індукцією . На цей елемент діє сила Ампера . Якщо елемент містить dN вільних носіїв заряду, то сила F, що припадає на один електрон, дорівнює:
,
де – сила Лоренца.
Кількість носіїв заряду dN в елементі провідника запишемо через їх концентрацію n та об’єм dV елемента:
dN = ndV = nS, S – площа поперечного перерізу провідника. Тоді
.
Оскільки за електронною теорією , то
,
або
,
де – кут між векторами і .
В загальному випадку
.
Напрямок сили Лоренца визначається за правилом векторного добутку або правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки розмістити так, щоб в неї входив вектор , а чотири витягнуті пальці спрямовувати вздовж вектора швидкості руху позитивних зарядів, то відігнутий на великий палець покаже напрямок сили, що діє на позитивний заряд. На негативний заряд сила діє в протилежному напрямку (рис. 107).
Отже, магнітне поле не діє на електричні заряди, що не рухаються.
Сила Лоренца завжди перпендикулярна до швидкості руху зарядженої частинки, тому вона змінює лише напрямок цієї швидкості, не змінюючи її модуля. Отже, сила Лоренца роботи не виконує і кінетична енергія частинки при русі в магнітному полі не змінюється.
Якщо на рухомий електричний заряд, крім магнітного поля з індукцією , діє і електричне поле з напруженістю , то результуюча сила , яка прикладена до заряду:
.
Це формула Лоренца.
Якщо заряджена частинка рухається в магнітному полі зі швидкістю вздовж ліній магнітної індукції або в протилежний бік до напрямку магнітної індукції, то або . У такому разі , магнітне поле на частинку не діє і вона рухається рівномірно і прямолінійно.
Якщо заряджена частинка рухається в магнітному полі з швидкістю перпендикулярно до вектора , то сила Лоренца постійна за модулем і нормальна до траєкторії частинки. Частинка рухатиметься по колу, бо сила Лоренца за другим законом Ньютона буде створювати доцентрове прискорення. Отже,
.
Звідси
,
де r – радіус кола.
Використавши зв’язок , знайдемо циклічну частоту та період Т обертання частинки навколо ліній індукції в магнітному полі:
, .
Період обертання частинки в однорідному магнітному полі не залежить від її швидкості (при ). На цьому ґрунтується дія циклічних прискорювачів заряджених частинок.
( 57. Ефект Холла
Ефект Холла полягає у виникненні в провіднику електричного поля, вектор напруженості якого перпендикулярний як до вектора індукції магнітного поля, в яке поміщено провідник, так і до вектора густини струму у провіднику (рис. 108).
Помістимо металеву пластинку зі струмом густиною в магнітне поле з індукцією , лінії індукції якого перпендикулярні до . При даному напрямку швидкість носіїв струму в металі — електронів — напрямлена справа наліво. На електрони діє сила Лоренца, яка напрямлена вниз і дорівнює: . Тому на нижній границі пластинки збиратиметься нескомпенсований негативний заряд і вона заряджатиметься негативно, а на верхній границі пластинки виникатиме нестача негативних зарядів і вона заряджатиметься позитивно. Внаслідок цього між краями пластинки виникає додаткове поперечне електричне поле, напрямлене зверху вниз. Розглянемо момент динамічної рівноваги, коли сили і , з якими діють на електрони магнітне поле та холлівське електричне поле, стануть рівними (ця рівність настає вже через с після замикання кола):
=, ,
звідси
.
Невідому швидкість напрямленого руху виразимо через густину струму j:
, .
Тоді
.
Величина – стала для даного провідника і називається сталою Холла.
Отже, .
Стала Холла обернено пропорційна до концентрації n носіїв заряду.
Під час дослідів зручніше вимірювати не напруженість електричного поля Холла, а холлівську різницю потенціалів , що виникає між поверхнями пластинки, та силу струму замість густини струму. В результаті отримаємо
,
де – лінійні розміри пластинки в напрямку магнітного поля.
Величини І, В, та b легко виміряти експериментально. Тоді за їх значеннями можна обчислити сталу Холла :
.
За виміряними значеннями сталої Холла можна:
1) визначити концентрацію носіїв струму, якщо характер провідності і заряд носіїв струму відомі, а саме
.
Так, для одновалентних металів виявилося: концентрація електронів провідності рівна концентрації атомів.
Оскільки за електронною теорією питому електропровідність речовини обчислюють за формулою
де – рухливість носіїв заряду, то добуток визначає рухливість носіїв заряду.
Дійсно,
;
2) зробити висновок про природу провідності напівпровідників, оскільки знак сталої Холла збігається із знаком заряду е носіїв струму. При електронній провідності , а при дірковій – . Якщо в напівпровіднику водночас існують обидва типи провідності, то за знаком можна судити про те, який з них переважає;
3) оцінити величину середньої довжини вільного пробігу електронів:
,
де – питома електропровідність провідника, – середня швидкість теплового руху електронів у провіднику. Виявилось, що середня довжина вільного пробігу електронів (м, що на два порядки перевищує міжвузлові відстані в металі.
( 58. Контур зі струмом в магнітному колі
Розглянемо поведінку в магнітному полі замкнених провідників зі струмом. Помістимо в однорідне магнітне поле електромагніту провідник, який зігнутий у вигляді прямокутної рамки А, що підвішена на пружній нитці С (рис. 109).
Якщо в рамці немає струму, вона перебуває в стані байдужої рівноваги. Якщо через рамку пропускати постійний електричний струм, то вона повертається навколо осі нитки С так, що її площина розташовується перпендикулярно до вектора магнітної індукції поля. Рамка із струмом завжди встановлюється у зовнішньому однорідному магнітному полі в тому положенні, при якому власний магнітний момент рамки збігається з напрямком . З кінця цього вектора ми бачимо, що струм у рамці йде проти стрілки годинника.
Знайдемо вираз для моменту сил, що діють на прямокутну рамку 1–2–3–4 зі струмом І, яка знаходиться в однорідному магнітному полі, вектор магнітної індукції утворює кут з вектором власного магнітного моменту рамки (рис. 110). Сторони рамки 2–3 і 4–1 лежать у площинах, паралельних до індукції зовнішнього магнітного поля .
Сили і напрямлені вздовж вертикальної осі рамки у протилежні боки. Вони деформують рамку у вертикальному напрямку.
Сторони рамки 1–2 і 3–4 перпендикулярні до вектора магнітної індукції поля (рис. 111). Сили і , які прикладені до прямолінійних провідників 1–2 і 3–4, числово дорівнюють:
Результуючий обертальний момент М, який діє на рамку, дорівнює моменту пари сил і , тобто ,
де . Тоді
,
де – площа рамки, – числове значення вектора магнітного моменту рамки зі струмом. Тоді
.
Обертання рамки під дією пари сил і відбувається навколо вертикальної осі, яка перпендикулярна як до вектора , так і до вектора . Вектор напрямлений до спостерігача перпендикулярно до площини рисунка.
Вектор обертального моменту , який діє на рамку зі струмом у магнітному полі, дорівнює векторному добутку магнітного маменту рамки на магнітну індукцію зовнішнього поля:
.
Обертальний момент дорівнює нулю і контур перебуває в рівновазі, якщо магнітний момент контура паралельний або антипаралельний до напрямку зовнішнього поля ().
Стійким є тільки таке положення контуру, коли вектори і паралельні один до одного.
( 59. Магнітний потік. Теорема Остроградського – Ґаусса
Потоком вектора магнітної індукції (магнітним потоком) через площину dS називається скалярна фізична величина, яка дорівнює
,
де – проекція вектора на напрямок нормалі до площини dS ( – кут між векторами і ) (рис. 112), – вектор, модуль якого дорівнює dS, а напрямок збігається з нормаллю до площини.
Потік вектора може бути як позитивним, так і негативним залежно від знака cos( (визначається вибором позитивного напрямку нормалі ).
Потік вектора магнітної індукції через довільну поверхню S дорівнює
.
Для однорідного поля і плоскої поверхні, розміщеної перпендикулярно до вектора , і .
Розрахуємо потік вектора через соленоїд. Всередині соленоїда індукція однорідного поля у вакуумі дорівнює
.
Магнітний потік через один виток соленоїда площею S:
.
Повний магнітний потік через соленоїд, який називається потокозчепленням , дорівнює:
.
В електродинаміці доводиться теорема Остроградського – Ґаусса для магнітного поля:
магнітний потік крізь довільну замкнену поверхню дорівнює нулю:
.
Ця теорема є наслідком того, що в природі нема магнітних "зарядів" і лінії індукції будь-якого магнітного поля є замкненими кривими.
( 60. Робота переміщення провідника і контура зі струмом у магнітному полі
На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила Ампера. Якщо провідник не закріплено, то під впливом сили Ампера він переміщуватиметься у магнітному полі.
Обчислимо роботу dA, виконану силою Ампера при переміщенні елемента dl провідника зі струмом І у магнітному полі (рис. 113). Елемент провідника переміщується в напрямку сили , яка діє на нього. Робота dА дорівнює:
.
За законом Ампера
.
Тоді
.
Сила і переміщення напрямлені перпендикулярно до елемента провідника .
Добуток – площа поверхні, яка описана елементом провідника dl при його переміщенні dx.
З рис. 113 видно, що – проекція вектора на напрямок нормалі до площини dS.
Добуток – магнітний потік крізь поверхню dS. Тоді
.
Вважаючи силу струму сталою і, інтегруючи цей вираз, отримаємо
.
Робота, яку виконує сила Ампера при переміщенні в магнітному полі провідника, струм в якому постійний, дорівнює добутку сили струму на величину магнітного потоку крізь поверхню, яку описує провідник під час свого руху.
Знайдемо вираз для роботи, яку виконують сили Ампера при переміщенні в магнітному полі замкненого контура, по якому проходить постійний струм І.
Нехай внаслідок нескінченно малого переміщення контур С зайняв положення (рис. 114).
Контур С уявно розіб'ємо на два з'єднані своїми кінцями провідники AMD i DNA. Повна робота dA, виконана силами Ампера при розглядуваному переміщенні контуру, дорівнює алгебраїчній сумі робіт переміщення провідників AMD() i DNA(), тобто .
Припустимо, що вектор магнітної індукції напрямлений перпендикулярно до площини рисунка і в початковому положенні контуру дорівнює , а в кінцевому – , причому .
Сила Ампера , що діє на довільний елемент , утворює гострий кут з напрямком його переміщення і виконує позитивну роботу.
Сила , що діє на елемент провідника AMD, утворює з напрямком його переміщення тупий кут і виконує негативну роботу, тому роботи i переміщення провідників AMD i DNA мають різні знаки. Щоб отримати абсолютні значення роботи i , треба продиференціювати вираз . Тому
де – магнітний потік крізь поверхню AMD; – крізь поверхню AND; – зміна магнітного потоку, що пронизує поверхню, обмежену контуром, при переміщенні контуру з положення С в положення .
Остаточний вираз для елементарної роботи dA буде
d.
Інтегруючи цей вираз, знайдемо роботу А, яку виконує сила Ампера при будь-якому переміщенні контура в магнітному полі
.
Тобто: Робота, яку виконує сила Ампера при переміщенні в магнітному полі замкненого контуру, по якому проходить постійний струм, дорівнює добутку сили струму на зміну магнітного потоку крізь поверхню, обмежену контуром: .