11 класс
§ 16. Индукция магнитного поля
Замкнутый контур c током в магнитном поле.
Нам предстоит изучить свойства магнитного поля и ввести его количественные характеристики. Для исследования магнитного поля лучше всего подойдёт контур малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы (рис. 3.6).
Проводники, подводящие ток, нужно расположить близко друг к другу или сплести вместе. Так как по этим проводникам течёт равный по силе ток в противоположных направлениях, то на них в магнитном поле не будут действовать силы и сами они не окажут магнитного действия на другие проводники с токами.
Исследования физических явлений опытным путём
Выясним характер взаимодействия магнитного поля и контура с током с помощью опыта. На расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально расположим провод (рис. 3.7).
При пропускании электрического тока через провод и рамку она поворачивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки (рис. 3.8).
При изменении направления тока в проводе она повернётся на угол 180°. Это означает, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.
Его можно наблюдать и на другом опыте. Если мы подвесим на гибких проводах рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока её плоскость не установится перпендикулярно линии, соединяющей полюсы магнита (рис. 3.9).
Результирующая сила, действующая на рамку с током в магнитном поле, равна нулю, если поле одинаково во всех точках пространства, где расположена рамка (однородное поле). В однородном магнитном поле на рамку действует лишь момент сил, который поворачивает рамку, располагая её определённым образом по отношению к току или магниту, создающему поле.
Вектор магнитной индукции.
Введём физическую величину, характеризующую магнитное поле. На основании опытов (см. рис. 3.7 и 3.8) можно сделать вывод, что такая величина должна быть векторной и её направление связано с ориентацией рамки.
Нам предстоит изучить свойства магнитного поля и ввести его количественные характеристики. Для исследования магнитного поля лучше всего подойдёт контур малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы (рис. 3.6).
Векторную величину, характеризующую магнитное поле, называют вектором магнитной индукции или индукцией магнитного поля. Её обозначают буквой 
.
За направление вектора магнитной индукции в том месте, где расположена рамка с током, принимают направление положительной нормали (перпендикуляра) к рамке. Положительная нормаль направлена в сторону поступательного перемещения буравчика с правой нарезкой, если вращать рукоятку буравчика по направлению тока в рамке (рис. 3.10).
Таким образом, имея небольшую рамку с током и предоставив ей возможность свободно поворачиваться в магнитном поле, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке.
Направление вектора можно также установить с помощью магнитной стрелки. Стрелка представляет собой маленький продолговатый постоянный магнит с двумя полюсами на концах: южным S и северным N.
Если стрелка может свободно ориентироваться в пространстве, то в магнитном поле направление линии, проведённой через центр стрелки от южного полюса S к северному N (рис. 3.11), совпадает с направлением нормали к рамке.
Но направление этой нормали, связанное правилом правого винта с направлением тока в рамке, принято за направление вектора, характеризующего магнитное поле. Следовательно, и направление от южного полюса S к северному N свободно устанавливающейся стрелки можно принять за направление вектора магнитной индукции.
Используя стрелку, можно повторить опыты, которые были проделаны с рамкой в магнитном поле постоянного магнита (рис. 3.12) и прямого провода с током.
В магнитном ноле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка устанавливается но касательной к окружности (рис. 3.13).
Плоскость окружности перпендикулярна проводу, а центр её лежит на оси провода. Направление вектора магнитной индукции тока устанавливают с помощью правила буравчика.
Если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения его рукоятки в данной точке указывает направление вектора магнитной индукции в этой точке.
Опыт по определению направления вектора индукции магнитного поля Земли делает каждый, кто ориентируется на местности по компасу. Если магнитная стрелка может поворачиваться не только вокруг вертикальной, но и вокруг горизонтальной оси, то в магнитном поле Земли она расположится наклонно (рис. 3.14).
Модуль вектора магнитной индукции.
Ориентирующее действие магнитного ноля на замкнутый контур (рамку) с током может быть использовано не только для определения направления вектора магнитной индукции, но и для расчёта его модуля.
Исследования физических явлений опытным путём
Пусть рамка состоит из одного витка и по ней протекает ток. Сила тока равна I. Рамка в этом опыте закреплена на упругом подвесе. Если плоскость рамки перпендикулярна вектору магнитной индукции, то вращающий момент сил, действующий на рамку со стороны магнитного поля, равен нулю и подвес не закручивается. Магнитное поле лишь растягивает рамку (рис. 3.15).
Повернём теперь подвес в верхней точке на некоторый угол. Рамка тоже повернётся, но на меньший угол (рис. 3.16, а). При равновесии рамки подвес окажется закрученным, и на рамку будут действовать силы упругости. Вращающий момент этих сил уравновешивает равный ему вращающий момент магнитных сил, стремящихся вернуть рамку в положение, изображённое на рисунке 3.15.
Вращающий момент сил, действующих на рамку с током со стороны магнитного поля, будет максимальным, если мы расположим рамку перпендикулярно тому положению, которое рамка занимала вначале (см. рис. 3.15). В этом случае вектор магнитной индукции лежит в плоскости рамки, а нормаль к рамке перпендикулярна линиям, соединяющим полюсы магнита (рис. 3.16,б).
Для того чтобы удержать рамку в этом положении, придётся закрутить подвес на наибольший угол. Меняя силу тока в рамке и экспериментируя с рамками различной площади, можно установить следующий факт: максимальный вращающий момент сил Mmax, действующий на рамку с током, пропорционален площади S рамки и силе тока I в ней независимо от формы рамки.
Поскольку наибольший вращающий момент сил пропорционален силе тока в рамке и её площади, то отношение Mmax / IS не зависит от свойств рамки и характеризует магнитное поле в данной точке пространства.
Модулем вектора магнитной индукции называют физическую величину, равную отношению максимального вращающего момента сил, действующих на рамку, к произведению силы тока в ней и её площади.
В СИ за единицу модуля вектора магнитной индукции поля принимается тесла (Тл).
Эта единица названа в честь сербского учёного Николы Теслы (1856— 1943).
Принцип суперпозиции магнитных полей.
Магнитные индукции полей, создаваемых в данной точке пространства двумя или большим числом токов, складываются векторно (геометрически). Для магнитного поля, как и для электрического, выполняется принцип суперпозиции.
Если в данной точке пространства различные токи создают магнитные поля, магнитные индукции которых 1, 2, 3 .... n , то результирующая магнитная индукция в этой точке равна
Вопросы:
1. Что выбирают за направление вектора магнитной индукции?
2. От каких физических величин зависит максимальный вращающий момент сил, действующих на рамку с током?
3. Какую физическую величину называют модулем вектора магнитной индукции? C помощью какой формулы его можно определить?
4. Сформулируйте принцип суперпозиции магнитных полей.
Вопросы для обсуждения:
1. Можно ли установить направление вектора магнитной индукции с помощью буравчика с левой резьбой вместо правой?
2. К небольшому латунному диску подвесили несколько стальных иголок (рис. 3.17). Если снизу к иголкам медленно подносить сильный магнит (например, южным полюсом), то сначала иголки разойдутся, а затем, когда магнит приблизится почти вплотную, снова вернутся в вертикальное положение. Почему?
3. Как, используя компас, можно определить знаки полюсов источника постоянного тока?
