§ 56. Индукция магнитного поля

ВЕКТОР МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ КАК СИЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

На практике легко заметить, что различные магниты действуют на окружающие предметы с совершенно разной силой (рис. 154). Один магнит способен поднять со стола лишь лёгкую стальную канцелярскую скрепку, а другой, будучи таких же размеров, с лёгкостью удерживает целую связку массивных железных гвоздей. Про первый магнит мы говорим, что он создаёт слабое поле, а про второй — сильное.

Для точного количественного описания электрического поля в физике используют вектор напряжённости. Для характеристики магнитного поля вводится аналогичная силовая векторная величина — вектор магнитной индукции (обозначается латинской буквой $\vec{B}$).

Магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле в данной точке пространства способно действовать на помещённый в него электрический ток или движущийся заряд.

МОДУЛЬ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ (ТЕСЛА)

Чтобы выяснить, как рассчитать модуль магнитной индукции, проведём точный физический эксперимент (рис. 155):

1. Прямолинейный отрезок проводника длиной $l$ подвесим к чаше чувствительных весов и поместим в зазор дугообразного магнита строго перпендикулярно линиям магнитного поля.
2. Пропустим по проводнику постоянный ток $I$. По правилу левой руки на проводник подействует направленная вниз максимальная магнитная сила $F_{\max}$. Чтобы уравновесить весы, на противоположную чашу придётся добавить гирьки, тем самым точно измерив величину силы.
3. Опыты показывают, что сила $F_{\max}$ прямо пропорциональна как силе тока $I$ в проводнике, так и длине проводника $l$: при увеличении тока или длины провода в 2 раза сила действия поля также возрастает ровно в 2 раза.
4. Однако отношение действующей силы к произведению силы тока на длину проводника остаётся величиной постоянной для данной точки поля: оно не зависит от того, какой проводник мы взяли и какой силы ток через него пропустили!

Это неизменное отношение служит количественной мерой самого магнитного поля:

Модуль вектора магнитной индукции $B$ равен отношению максимальной силы $F_{\max}$, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям участок проводника с током, к произведению силы тока $I$ на длину этого участка $l$:

>

$$B = \frac{F_{\max}}{I \cdot l}$$

Из этой фундаментальной формулы легко выразить саму максимальную силу Ампера: $F_{\max} = B \cdot I \cdot l$.

Единица магнитной индукции в СИ:

В Международной системе единиц (СИ) единица магнитной индукции названа тесла (Тл) — в честь великого сербского инженера, физика и изобретателя Николы Теслы (1856–1943):

Один тесла — это индукция такого магнитного поля, в котором на проводник длиной 1 метр при силе тока 1 ампер со стороны поля действует максимальная сила в 1 ньютон.

Тесла — весьма крупная величина. Магнитное поле Земли составляет всего около 0,00005 Тл (50 микротесла), поле обычного бытового магнита на холодильнике — около 0,01 Тл, а мощные медицинские томографы МРТ и исследовательские физические установки создают поля в 1,5–3 Тл.

НАПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРА B И ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Магнитная индукция — величина векторная, то есть обладающая не только числовым значением (модулем), но и определённым направлением в пространстве.

• За направление вектора магнитной индукции $\vec{B}$ в любой точке поля принимают направление, которое указывает северный полюс (N) маленькой магнитной стрелки, помещённой в данную точку.
• В каждой точке пространства вектор магнитной индукции $\vec{B}$ направлен по касательной к магнитной линии в направлении её обхода (рис. 156).

Именно поэтому магнитные линии в строгой физической терминологии называют линиями магнитной индукции (или линиями вектора магнитной индукции). Линии магнитной индукции всегда непрерывны и замкнуты сами на себя.

ОДНОРОДНОЕ И НЕОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

В зависимости от того, как ведёт себя вектор магнитной индукции в различных точках пространства, магнитные поля делят на два типа:

1. Однородное магнитное поле (рис. 157):
   • Это поле, в котором вектор магнитной индукции $\vec{B}$ абсолютно одинаков во всех точках пространства — как по своему числовому значению (модулю), так и по направлению ($\vec{B} = \text{const}$).
   • Линии магнитной индукции в однородном поле представляют собой идеально прямые, строго параллельные линии, проведённые на одинаковом расстоянии друг от друга (одинаковая густота).
   • Примеры однородного поля в технике: поле внутри длинного соленоида (катушки с током), длина которого существенно больше диаметра витков; а также поле в центральной части узкого воздушного зазора между широкими плоскими полюсами постоянного магнита.

1. Неоднородное магнитное поле (рис. 158):
   • Это поле, в котором вектор магнитной индукции меняется от точки к точке: он может изменяться по величине (модулю), по направлению или одновременно и по модулю, и по направлению.
   • Линии индукции в неоднородном поле искривлены, расходятся веером или сходятся, а расстояние между ними переменно. В тех областях, где поле сильнее, линии расположены гуще; там, где поле слабее, — реже.
   • Примеры неоднородного поля: поле прямого проводника с током (линии в виде концентрических окружностей расходятся от провода), поле вокруг полюсов полосового или дугообразного магнита, поле Земли.