Знайдемо індукцію магнітного поля в центрі О, колового струму радіусом R, по якому протікає струм І (рис. 164):
, , r=R. Тоді . Усі вектори магнітних полів, які створені в точці О різними ділянками колового струму, напрямлені перпендикулярно до площини рисунка „від нас”. Тоді:
.
Отже, магнітна індукція поля колового струму дорівнює:
.
3.Закон Ампера. Взаємодія паралельних струмів.
На провідники зі струмом, що знаходяться в магнітному полі, діють сили Ампера.
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 в провіднику і до векторного добутку елемента довжини на магнітну індукцію :
.
Це співвідношення називається законом Ампера.
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. Це 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. 165). Модуль сили Ампера розраховується за формулою , де a - кут між векторами і .
Закон Ампера дає змогу визначити іншим способом, ніж раніше, фізичний зміст магнітної індукції .
Припустимо, що елемент провідника із струмом I перпендикулярний до напрямку магнітного поля , тоді закон Ампера можна записати у вигляді: . Звідси, магнітна індукція числово дорівнює силі, що діє з боку поля на одиницю довжини провідника, по якому протікає електричний струм одиничної сили і який розташовано перпендикулярно до напрямку магнітного поля.
Отже, магнітна індукція є силовою характеристикою магнітного поля.
Використовуючи закон Ампера, розраховуємо силу взаємодії між двома прямими нескінченно довгими провідниками зі струмами і , які розміщені паралельно один до одного на відстані R. Кожен із провідників створює магнітне поле, яке діє згідно закону Ампера на другий провідник. Якщо електричні струми і однакового напрямку, то провідники притягуються один до одного (рис. 166а), а якщо напрямки струмів взаємно протилежні, то провідники відштовхуються один від одного (рис. 166б).
За законом Ампера на елемент провідника зі струмом діє сила , яка числово дорівнює: ,
де - магнітна індукція поля, створеного струмом , враховуючи, що кут між векторами і – прямий, отримуємо: .Відповідно на ділянку провідника зі струмом діє сила , модуль якої:
.Отже, для сил і можна написати загальну формулу:
.
3.Сила Лоренца. Рух заряджених частинок у магнітному полі. Прискорювачі заряджених частинок.
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 , 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. 173).
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 є стала 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.
Якщо швидкість зарядженої частинки напрямлена під кутом до вектора (рис. 174), то її рух можна подати у вигляді суперпозиції:
1) рівномірного прямолінійного руху вздовж поля з швидкістю ;
2) рівномірного руху з швидкістю вздовж кола, яке перпендикулярне до поля. Радіус кола .
В результаті складання обох рухів виникає рух вздовж спіралі, вісь якої паралельна до магнітного поля. Крок гвинтової лінії . Напрямок, в якому закручується спіраль, залежить від знака заряду частинки.
4. Ефект Холла.
В 1879 р. Е. Холл здійснив наступний експеримент. Він пропускав електричний струм I через золоту пластинку у вигляді паралелепіпеда і вимірював різницю потенціалів Dj між точками C і D на верхній і нижній гранях (рис. 175).
Ці точки лежать у одному і тому поперечному перерізі пластинки. Тому виявилось, що Dj=0. Коли пластинку зі струмом Холл помістив в однорідне магнітне поле, лінії магнітної індукції якого
перпендикулярні до бічних граней пластинки, то було встановлено, що різниця потенціалів і вона прямопропорційна силі струму I, магнітній індукції поля B і обернено пропорційна ширині в пластинки, тобто , де - коефіцієнт пропорційності і названий сталою Холла. А явище, яке експериментально виявив Холл, дістало назву ефект Холла. Наступні дослідження показали, що ефект Холла спостерігається в усіх провідниках і напівпровідниках. Зміна напрямку струму або напрямку магнітного поля на протилежний викликає зміну різниці потенціалів Dj. . Порівнюючи цей вираз для Dj з виразом, який отриманий на основі експерименту, отримуємо що стала Холла обернено пропорційна до добутку заряду електрона e на їх концентрацію n:
.
Тема 6.Електромагнітна індукція. Магнітні властивості речовини.
1.Явище електомагнітної індукції . Досліди Фарадея.
Після відкриття Ерстеда, в якому було доведено, що навколо провідників із струмом існує магнітне поле, природно було поставити питання про можливість утворення електричного струму у провідниках за допомогою магнітного поля. Це питання розв’язав М. Фарадей, який в 1831 р. показав, що в замкненому провіднику виникає електричний струм при будь-яких змінах магнітного потоку через поверхню, охоплену цим провідником.
Явище виникнення електрорушійної сили при зміні магнітного потоку, що пронизує поверхню, яка охоплена провідним, контуром, називається електромагнітною індукцією.
Струм, що виникає у провідниках при електромагнітній індукції, називається індукційним.
Виникнення індукційного струму завжди пов’язане із зміною магнітного потоку через поверхню, яку охоплює провідник. Ці зміни можуть відбуватися з різних причин, зокрема через:
- переміщення постійного магніту відносно нерухомого провідника;
- переміщення контуру відносно нерухомого магніту;
- замикання та розмикання струму в обмотці нерухомого електромагніту, розміщеного поблизу провідника;
- відносне переміщення контуру і електромагніту;
- зміну магнітної індукції поля електромагніту (виймання осердя при сталому струмі в обмотці або зміну струму реостатом);
- зміну комутатором напрямку струму в обмотці електромагніту;
- постійний рух контуру в неоднорідному магнітному полі;
- обертальний рух контуру в однорідному магнітному полі.
Отже, індукційний струм в замкненому провідному контурі виникає тільки тоді, коли змінюється магнітний потік, який проходить через площу, охоплену контуром.
2.Закон Фарадея-Максвелла. Правило Ленца. 3.Вихрові струми.
Фарадей встановив, що напрямок індукційного струму в провіднику залежить від характеру зміни (збільшення чи зменшення) магнітного потоку чи через його контур. Якщо при внесенні постійного магніту в котушку стрілка гальванометра відхиляється в один бік, то при вийманні магніту вона відхиляється в протилежний бік.
Загальне правило, за допомогою якого можна визначити напрямок індукційного струму в замкненому провіднику, сформулював Е.Х. Ленц:
індукційний струм у замкненому провіднику завжди має такий напрямок, що створений цим струмом власний магнітний потік протидіє тим змінам зовнішнього магнітного потоку, які збуджують індукційний струм.
Ця формула, яка об’єднує закони Фарадея і Ленца, є математичним виразом основного закону електромагнітної індукції (Фарадея-Максвелла):
електрорушійна сила електромагнітної індукції в замкненому контурі числово дорівнює і протилежна за знаком швидкості зміні магнітного потоку крізь поверхню, обмежену контуром.
Якщо ЕРС індукції виникає при зміні магнітного потоку, який пронизує котушку з N витків, то її величина буде відповідно в N разів більшою, ніж для одного витка, тобто . На основі закону електромагнітної індукції можна означити одиницю магнітного потоку вебер: 1 Вб – це такий магнітний потік, при зменшенні якого до нуля протягом 1 с в колі, яке він пронизував, виникає ЕРС індукції в 1 В.
4. Індуктивність контура.
5.Самоіндукція.
6. Взаємна індукція.
7. Енергія магнітного поля.
Тема 7.Основи теорії Максвела для електромагнітного поля.