Магнитное поле бесконечного прямого проводника с током. §17

Магнитами называются тела, обладающие свойством при­тягивать железные предметы. Проявляемое магнитами свойство притяжения называется магнетизмом. Магниты бывают есте­ственными и искусственными. Добываемые железные руды, об­ладающие свойством притяжения, называются естественными магнитами, а намагниченные куски металла - искусственными магнитами, которые часто называют постоянными магнитами.

Свойства магнита притягивать железные предметы в наибольшей степени проявляются на его концах, которые называются магнитными полюсам и, или просто полюсами. Каждый магнит имеет два полюса: северный (N - норд) и южный (S- зюйд). Линия, проходящая через середину магнита, называется нейтральной л и н и е й, или нейтралью, так как по этой линии не обнаруживается магнитных свойств.

Постоянные магниты образуют магнитное поле, в котором действуют магнитные силы в определенных направлениях, называемых силовыми линиями. Силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.

Электрический ток, проходящий по проводнику, также образует вокруг проводника магнитное поле. Установлено, что магнитные явления неразрывно связаны с электрическим то­ком.

Магнитные силовые линии располагаются вокруг проводника с током по окружности, центром которых является сам проводник, при этом ближе к проводнику они располагаются гуще, а дальше от проводника - реже. Расположение магнитных силовых линий вокруг проводника с током зависит от формы его поперечного сечения.

Для определения направления силовых линий пользуются правилом буравчика, которое формулируется так: если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то вращение рукоятки буравчика покажет направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле прямого проводника представляет собой ряд концентрических окружностей (рис. 157, а). Для усиления маг­нитного поля в проводнике последний изготовляют в виде катушки (рис. 157, б).

если направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением электрического тока в витках катушки, то поступательное движение буравчика направлено в сторону се­верного полюса.

Магнитное поле катушки с током аналогично полю постоянного магнита, поэтому катушка с током (соленоид) имеет все свойства магнита.

Здесь также направление магнитных силовых линий вокруг каждого витка катушки определяется правилом буравчика. Си­ловые линии соседних витков складываются, усиливая общее магнитное поле катушки. Как следует из рис. 158, силовые линии магнитного поля катушки выходят из одного конца и входят в другой, замыкаясь внутри катушки. Катушка, как и постоянные магниты, имеет полярность (южный и северный полюсы), кото­рая также определяется по правилу буравчика, если изложить его так: если направление вращения рукоятки буравчика совпа­дает с направлением электрического тока в витках катушки, то поступательное движение буравчика направлено в сторону се­верного полюса.

Для характеристики магнитного поля с количественной стороны введено понятие магнитной индукции.

Магнитной индукцией называется число магнитных силовых линий, приходящихся на 1 см 2 (или 1 м 2) поверхности, перпендикулярной направлению силовых линий. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (сокращенно Т) и обозначается буквой В (тесла = вебер/м2 = вольт секунда/м2

Вебер - единица измерения магнитного потока.

Магнитное поле можно усилить, если вставить в катушку железный стержень (сердечник). Наличие железного сердечника усиливает поле, так как, находясь в магнитном иоле катушки, железный сердечник намагничивается, создает свое поле, которое складывается с первоначальным и усиливается. Такое устройство называется электромагнитом.

Общее число силовых линий, проходящих через сечение сердечника, называется магнитным потоком. Величина маг­нитного потока электромагнита зависит от тока, проходящего по катушке (обмотке), числа се витков и сопротивления магнитной цепи.

Магнитной цепью, или магиитопроводом, называется путь, по которому замыкаются магнитные силовые линии. Магнитное сопротивление магнитопровода зависит от магнитной проницае­мости среды, по которой проходят силовые линии, длины этих ли­ний и поперечного сечения сердечника.

Произведение тока, проходящего по обмотке, на число ее витков носит название магнитодвижущей силы (м. д. с). Маг­нитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи - так формулируется закон Ома для магнитной цепи. Так как число витков и магнитное сопротивление для данного электромагнита - величины постоянные, магнитный поток электромагнита можно изменять, регулируя ток в его обмотке.

Электромагниты находят самое широкое применение в различ­ных машинах и приборах (в электромашинах, электрических звонках, телефонах, измерительных приборах и т. д.).

Электрический ток, протекающий по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле (рис. 7.1). Направление возникающего магнитного поля определяется направлением тока.
Способ обозначения направления электрического тока в проводнике показан на рис. 7.2: точку на рис. 7.2(а) можно воспринимать как острие стрелки, указывающей направление тока к наблюдателю, а крестик – как хвост стрелки, указывающей направление тока от наблюдателя.
Магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током, показано на рис. 7.3. Направление этого поля легко определяется с помощью правила правого винта (или правила буравчика): если острие буравчика совместить с направлением тока, то при его завинчивании направление вращения рукоятки будет совпадать с направлением магнитного поля.

Рис. 7.1. Магнитное поле вокруг проводника с током.

Рис. 7.2. Обозначение направления тока (а) к наблюдателю и (б) от на-блюдателя.

Поле, создаваемое двумя параллельными проводниками

1. Направления токов в проводниках совпадают. На рис. 7.4(а) изображены два параллельных проводника, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, причем магнитное поле каждого проводника изображено отдельно. В промежутке между проводниками создаваемые ими магнитные поля противоположны по направлению и компенсируют друг друга. Результирующее магнитное поле показано на рис. 7.4(б). Если из-менить направление обоих токов на обратное, то изменится на обратное и направление результирующего магнитного поля (рис. 7.4(б)).

Рис. 7.4. Два проводника с одинаковыми направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (6, в).

2. Направления токов в проводниках противоположны. На рис. 7.5(а) показаны магнитные поля для каждого проводника по отдельности. В этом случае в промежутке между проводниками их поля суммируются и здесь результирующее поле (рис. 7.5(б)) максимально.

Рис. 7.5. Два проводника с противоположными направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (б).

Рис. 7.6. Магнитное поле соленоида.

Соленоид – это цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков проволоки (рис. 7.6). Когда по виткам соленоида протекает ток, соленоид ведет себя как полосовой магнит с северным и южным полюсами. Создаваемое им магнитное поло ничем не отличается от ноля постоянного магнита. Магнитное поле внутри соленоида можно усилить, намотав катушку на магнитный сердечник из стали, железа или друго¬го магнитного материала. Напряженность (величина) магнитного поля соленоида зависит также от силы пропускаемого электрического тока и числа витков.

Электромагнит

Соленоид можно использовать в качестве электромагнита, при этом сердечник делается из магнитомягкого материала, например ковкого железа. Соленоид ведет себя как магнит только в том случае, когда через катушку протекает электрический ток. Электромагниты применяются в электрических звонках и реле.

Проводник в магнитном поле

На рис. 7.7 изображен проводник с током, помещенный в магнитное поле. Видно, что магнитное поле этого проводника складывается с магнитным полем постоянного магнита в зоне выше проводника и вычитается в зоне ниже проводника. Таким образом, более сильное магнитное поле находится выше проводника, а более слабое - ниже (рис. 7.8).
Если изменить направление тока в проводнике на обратное, то форма магнитного поля останется прежней, но его величина будет больше под проводником.

Магнитное поле, ток и движение

Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила, которая пытается передвинуть проводник из области более сильного поля в область более слабого, как показано на рис. 7.8. Направление этой силы зависит от направления тока, а также от направления магнитного ноля.

Рис. 7.7. Проводник с током в магнитном поле.

Рис. 7.8. Результирующее поле

Величина силы, действующей на проводник с током, определяется как величиной магнитного поля, так и силой гика, протекающего через этот проводник.
Движение проводника, помещенного в магнитное поле, при пропускании через него тока называется принципом двигателя. На этом принципе основана работа электродвигателей, магнитоэлектрических измерительных приборов с подвижной катушкой и других устройств. Если провод ник перемещать в магнитном поле, в нем генерируется ток. Это явление называется принципом генератора. На этом принципе основана работа генераторов постоянного и переменного тока.

До сих пор рассматривалось магнитное поле, связанное только с постоянным электрическим током. В этом случае направление магнитного поля неизменно и определяется направлением постоянного дока. При протекании переменного тока создается переменное магнитное поле. Если отдельную катушку поместить в это переменное поле, то в ней будет индуцироваться (наводиться) ЭДС (напряжение). Или если две отдельные катушки расположить в непосредственной близости друг к другу, как показано на рис. 7.9. и приложить переменное напряжение к одной обмотке (W1), то между выводами второй обмотки (W2) будет возникать новое переменное напряжение (индуцированная ЭДС). Это принцип работы трансформатора .

Рис. 7.9. Индуцированная ЭДС.

В этом видео рассказывается о понятии магнетизма и электромагнетизма:

Пусть вдоль осиOZ расположен бесконечно длинный проводник, по которому течёт ток с силой . А сила тока это что такое?
,
- заряд, который пересекает поверхностьS за время
. Система обладает осевой симметрией. Если мы введём цилиндрические координатыr ,  , z , то цилиндрическая симметрия означает, что
и, кроме того,
, при смещении вдоль осиOZ , мы видим то же самое. Таков источник. Магнитное поле должно быть таким, чтобы удовлетворялись эти условия
и
. Это означает вот что: силовые линии магнитного поля – окружности, лежащие в плоскости ортогональной проводнику. Это немедленно позволяет найти магнитное поле.

Пусть у нас это проводник.

Вот ортогональная плоскость,

вот окружность радиуса r ,

я возьму тут касательный вектор, вектор, направленный вдоль  , касательный вектор к окружности.

Тогда,
,
где
.

В качестве замкнутого контура выбираем окружность радиуса r = const . Пишем тогда , сумма длин по всей окружности (а интеграл это ни что иное, как сумма) – это длина окружности., где – сила тока в проводнике. Справа стоит заряд, который пересекает поверхность за единицу времени. Отсюда мораль:
. Значит, прямой проводник создаёт магнитное поле с силовыми линиями в виде окружностей, охватывающих проводник, и эта величинаВ убывает как при удалении от проводника, ну, и стремится к бесконечности, если мы приближаемся к проводнику, когда контур уходит внутрь проводника.

Этот результат только для случая, когда контур охватывает ток. Понятно, что бесконечный проводник нереализуем. Длина проводника, – наблюдаемая величина, и никакие наблюдаемые величины не могут принимать бесконечных значений, не такой линейки, которая позволила бы измерить бесконечную длину. Это нереализуемая вещь, тогда какой толк в этой формуле? Толк простой. Для любого проводника, будет справедливо следующее: достаточно близко к проводнику силовые линии магнитного поля – вот такие замкнутые окружности, охватывающие проводник, и на расстоянии
(R – радиус кривизны проводника), будет справедлива эта формула.

Магнитное поле, создаваемое произвольным проводником с током.

Закон Био-Савара.

Пусть мы имеем произвольный проводник с током, и нас интересует магнитное поле, создаваемое куском этого проводника в данной точке. Как, кстати, в электростатике находили мы электрическое поле, создаваемое каким-то распределением заряда? Распределение разбивали на малые элементы и вычисляли в каждой точке поле от каждого элемента (по закону Кулона) и суммировали. Такая же программа и здесь. Структура магнитного поля сложнее, чем электростатическое, кстати, оно не потенциально, замкнутое магнитное поле нельзя представить как градиент скалярной функции, у него другая структура, но идея та же самая. Разбиваем проводник на малые элементы. Вот я взял маленький элемент
, положение этого элемента определяется радиус-вектором, а точка наблюдения задаётся радиус-вектором. Утверждается, что этот элемент проводника создаст в этой точке индукциюпо такому рецепту:
. Откуда берётся этот рецепт? Его нашли в своё время экспериментально, трудно мне, кстати, представить, как это можно было экспериментально найти такую достаточно сложную формулу с векторным произведением. На самом деле это следствие четвёртого уравнения Максвелла
. Тогда поле, создаваемое всем проводником:
, или, мы можем написать теперь интеграл:
. Понятно, что вычислять такой интеграл для произвольного проводника занятие не очень приятное, но в виде суммы это нормальная задача для компьютера.

Пример. Магнитное поле кругового витка с током.

Пусть в плоскостиYZ располагается проволочный виток радиуса R, по которому течёт ток силы . Нас интересует магнитное поле, которое создаёт ток. Силовые линии вблизи витка такие:

Общая картина силовых линий тоже просматривается (рис.7.10 ).

По идее, нас интересовало бы поле
, но в элементарных функциях указать поле этого витка нельзя. Найти можно только на оси симметрии. Мы ищем поле в точках (х ,0,0).

Направление вектора определяется векторным произведением
. Векторимеет две составляющие:
и. Когда мы начнём суммировать эти вектора, то все перпендикулярные составляющие в сумме дадут ноль.
. А теперь пишем:
,
=, а
.
, и, наконец 1) ,
.

Мы добыли такой результат:

А теперь, в качестве проверки, поле в центре витка равна:
.

Поле длинного соленоида.

Соленоидом называется катушка, на которую намотан проводник.

Магнитное поле от витков складывается, и не трудно догадаться, что структура силовых линий поля такая: они внутри идут густо, а дальше разреженно. То есть для длинного соленоида снаружи будем считать=0, а внутри соленоида=const . Внутри длинного соленоида, ну, в окрестности. Скажем, его середины, магнитное поле практически однородно, а вне соленоида это поле мало. Тогда мы можем найти это магнитное поле внутри следующим образом: вот я беру такой контур (рис.7.13 ), а теперь пишем:
1)


.

- это полный заряд. Эту поверхность протыкают витки

(полный заряд)=
(число витков, протыкающих эту поверхность).

Мы получим такое равенство из нашего закона:
, или

.

Поле на большом расстоянии от ограниченного распределения тока.

Магнитный момент

Имеется в виду, что в ограниченной области пространства текут токи, тогда есть простой рецепт для нахождения магнитного поля, которое создаёт это ограниченное распределение. Ну, кстати, под это понятие ограниченное пространство подпадает любой источник, поэтому тут никакого сужения нет.

Если характерный размер системы , то
. Напомню, что мы решали аналогичную проблему для электрического поля, создаваемого ограниченным распределением заряда, и там появилось понятие дипольного момента, и моментов более высокого порядка. Решать эту задачу я здесь не буду.

По аналогии (как делалось в электростатике) можно показать, что магнитное поле от ограниченного распределения на больших расстояниях подобно электрическому полю диполя. То есть структура этого поля такая:

Распределение характеризуется магнитным моментом .Магнитный момент
, где– плотность тока или, если учесть, что мы имеем дело с движущимися заряженными частицами, то вот эту формулу для сплошно среды мы можем выразить через заряды частиц таким образом:
. Что эта сумма выражает? Повторяю, распределение тока создаётся тем, что движутся эти заряженные частицы. Радиус-векторi -ой частицы векторно умножается на скорость i -ой частицы и всё это умножается на заряд этой i -ой частицы.

Такая конструкция, кстати, у нас в механике была. Если вместо заряда без множителя написать массу частицы, то, что это будет изображать? Момент импульса системы.

Если мы имеем частицы одного сорта (
, например, электроны), то тогда мы можем написать

. Значит, если ток создаётся частицами одного сорта, то магнитный момент связан просто с моментом импульса этой системы частиц.

Магнитное поле , создаваемое этим магнитным моментом равно:

(8.1 )

Магнитный момент витка с током

Пусть у нас имеется виток и по нему течёт ток силы. Вектор отличен от нуля в пределах витка. Возьмём элемент этого витка,
, гдеS – поперечное сечение витка, а – единичный касательный вектор. Тогда магнитный момент определён так:
. А что такое
? Это вектор, направленный вдоль вектора нормали к плоскости витка. А векторное произведение двух векторов – это удвоенная площадь треугольника, построенного на этих векторах. ЕслиdS – площадь треугольника, построенного на векторах и, то
. Тогда мы пишем магнитный момент равняется. Значит,

(магнитный момент витка с током)=(сила тока)(площадь витка)(нормаль к витку) 1) .

А теперь мы формулу (8.1 ) применим для витка с током и сопоставим с тем, что мы добыли в прошлый раз, просто для проверки формулы, поскольку формулу эту я слепил по аналогии.

Пусть мы имеем в начале координат виток произвольной формы, по которому течёт ток силы , тогда поле в точке на расстоянии х равно: (
). Для круглого витка
,
. На прошлой лекции мы находили магнитное поле круглого витка с током, при
эти формулы совпадают.

На больших расстояниях от любого распределения тока магнитное поле находится по формуле (8.1 ), а всё это распределение характеризуется одним вектором, который называется магнитный момент. Кстати, простейший источник магнитного поля это магнитный момент. Для электрического поля простейший источник это монополь, для электрического поля следующий по сложности это электрический диполь, а для магнитного поля всё начинается с этого диполя или магнитного момента. Это, ещё раз обращаю внимание, постольку, поскольку нет этих самых монополей. Был бы монополь, тогда было бы всё также как в электрическом поле. А так у нас простейший источник магнитного поля это магнитный момент, аналог электрического диполя. Наглядный пример магнитного момента – постоянный магнит. Постоянный магнит обладает магнитным моментом, и на большом расстоянии его поле имеет такую структуру:

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле

Мы видели, что на заряженную частицу действует сила, равная
. Ток в проводнике есть результат движения заряженных частиц тела, то есть равномерно размазанного заряда в пространстве нет, заряд локализован в каждой частице. Плотность тока
. Наi -ую частицу действует сила
.

Выберем элемент объёма
и просуммируем силы, действующие на все частицы этого элемента объёма
. Сила, действующая на все частицы в данном элементе объёма, определяется как плотность тока на магнитное поле и на величину элемента объёма. А теперь перепишем её в дифференциальном виде:
, отсюда
– этоплотность силы , сила, действующая на единицу объёма. Тогда мы получим общую формулу для силы:
.

Обычно ток течёт по линейным проводникам, редко мы сталкиваемся с случаями, когда ток размазан как-то по объёму. Хотя, между прочим, Земля имеет магнитное поле, а от чего это поле? Источник поля это магнитный момент, это означает, что Земля обладает магнитным моментом. А это означает, что тот рецепт для магнитного момента показывает, что должны быть какие-то токи внутри Земли, они по необходимости должны быть замкнутыми, потому что не может быть стационарного разомкнутого поля. Откуда эти токи, что их поддерживает? Я не специалист в земном магнетизме. Какое-то время назад определённой модели этих токов ещё не было. Они могли быть там когда-то индуцированы и ещё не успели там затухнуть. На самом деле, ток можно возбудить в проводнике, и потом он быстро сам кончается за счёт поглощения энергии, выделения тепла и прочего. Но, когда мы имеем дело с такими объёмами как Земля, то там время затухания этих токов, однажды каким-то механизмом возбуждённых, это время затухания может быть очень длительным и длиться геологические эпохи. Может быть, так оно и есть. Ну, скажем, мелкий объект типа Луны имеет очень слабое магнитное поле, это означает, что оно затухло там уже, скажем, магнитное поле Марса тоже значительно слабее поля Земли, потому что и марс меньше Земли. Это я к чему? Конечно, есть случаи, когда токи текут в объёмах, но то, что мы здесь на Земле имеем это обычно линейные проводники, поэтому эту формулу сейчас трансформируем применительно к линейному проводнику.

Пусть имеется линейный проводник, ток течёт с силой. Выберем элемент проводника , объём этого элементаdV ,
,
. Сила, действующая на элемент проводника
перпендикулярна плоскости треугольника, построенного на векторахи, то есть направлена перпендикулярно к проводнику, а полная сила находится суммированием. Вот, две формулы решают эту задачу.

Магнитный момент во внешнем поле

Магнитный момент сам создаёт поле, сейчас мы собственное его поле не рассматриваем, а нас интересует, как ведёт себя магнитный момент, помещённый во внешнее магнитное поле. На магнитный момент действует момент силы, равный
. Момент силы будет направлен перпендикулярно к доске, и этот момент будет стремиться развернуть магнитный момент вдоль силовой линии. Почему стрелка компаса показывает на северный полюс? Ей, конечно, нет дела до географического полюса Земли, стрелка компаса ориентируется вдоль силовой линии магнитного поля, которая, в силу случайных причин, кстати, направлена примерно по меридиану. За счёт чего? А на неё действует момент. Когда стрелка, магнитный момент, совпадающий по направлению с самой стрелкой, не совпадает с силовой линией, появляется момент, разворачивающий её вдоль этой линии. Откуда у стрелки компаса берётся магнитный момент, это мы ещё обсудим.

Кроме того, на магнитный момент действует сила, равная
. Если магнитный момент направлен вдоль, то сила втягивает магнитный момент в область с большей индукцией. Эти формулы похожи на то, как действует электрическое поле на дипольный момент, там тоже дипольный момент ориентируется вдоль поля и втягивается в область с большей напряжённостью. Теперь мы можем рассмотреть вопрос о магнитном поле в веществе.

Магнитное поле в веществе

Атомы могут обладать магнитными моментами. Магнитные моменты атомов связаны с моментом импульса электронов. Уже была получена формула
, где– момент импульса частицы создающей ток. В атоме мы имеем положительное ядро и электроне , вращающийся по орбите, на самом деле, в своё время мы увидим, что эта картина не имеет отношения к реальности, так нельзя представлять электрон, который вращается, но остаётся то, что электрон в атоме обладает моментом импульса, и этому моменту импульса будет отвечать такой магнитный момент:
. Наглядно, заряд, вращающийся по окружности, эквивалентен круговому току, то есть это элементарный виток с током. Момент импульса электрона в атоме квантуется, то есть может принимать только определённые значения, вот по такому рецепту:
,
, где вот эта величина– это постоянная Планка. Момент импульса электрона в атоме может принимать лишь определённые значения, мы сейчас не будем обсуждать, как это получается. Ну, и вследствие этого магнитный момент атома может принимать определённые значения. Эти детали нас сейчас не волнуют, но, по крайней мере, будем представлять, что атом может обладать определённым магнитным моментом, есть атомы, у которых нет магнитного момента. Тогда вещество, помещённое во внешнее поле намагничивается, а это означает, что оно приобретает определённый магнитный момент вследствие того, что магнитные моменты атомов ориентируются преимущественно вдоль поля.

Элемент объёма dV приобретает магнитный момент
, при чём векторимеет смысл плотности магнитного момента и называется вектором намагничивания. Имеется класс веществ, называемыхпарамагнетики , для которых
, намагничивается так, что магнитный момент совпадает с направлением магнитного поля. Имеютсядиамагнетики , которые намагничиваются, так сказать, «против шерсти», то есть магнитный момент антипараллелен вектору , значит,
. Это более тонкий термин. То, что векторпараллелен векторупонятно, магнитный момент атома ориентируется вдоль магнитного поля. Диамагнетизм связан с другим: если атом не обладает магнитным моментом, то во внешнем магнитном поле он приобретает магнитный момент, при чём магнитный момент антипараллелен. Этот очень тонкий эффект связан с тем, что магнитное поле влияет на плоскости орбит электронов, то есть оно влияет на поведение момента импульса. Парамагнетик втягивается в магнитное поле, диамагнетик выталкивается. Вот, чтобы это не было беспредметно, медь – это диамагнетик, и алюминий – парамагнетик, если взять магнит то алюминиевая лепёшка будет притягиваться магнитом, а тогда медная будет отталкиваться.

Понятно, что результирующее поле, когда вещество внесено в магнитное поле, это есть сумма внешнего поля и поля, создаваемого за счёт магнитного момента вещества. Теперь обратимся к уравнению
, или в дифференциальной форме
. Теперь такое утверждение: намагничивание вещества эквивалентно наведению в нём тока с плотностью
. Тогда это уравнение мы напишем в виде
.

Проверим размерность: М – это магнитный момент в единице объёма
, размерность
. Когда вы пишете какую-нибудь формулу, то размерность всегда полезно проверять, особенно если формула эта собственной выводки, то есть вы её не срисовали, не запомнили, а получили.

Намагниченность характеризуется вектором , он так и называется вектор намагниченности, это плотность магнитного момента или магнитный момент в единицу времени. Я говорил, что намагниченность эквивалентна появлению тока
, так называемого молекулярного тока, и это уравнение эквивалентно такому:
, то есть мы можем считать, что нет намагниченности, а есть такие токи. Зададимся таким уравнением:
,- это настоящие токи, связанные с конкретными носителями зарядов, аэто токи, связанные с намагниченностью. Электрон в атоме это круговой ток, возьмём область внутри, внутри образца все эти токи уничтожаются, но наличие таких круговых токов эквивалентно одному общему току, который обтекает этот проводник по поверхности, отсюда и такая формула. Перепишем это уравнение в таком виде:
,
. Этоттоже отправим влево и обозначим
, векторназываетсянапряжённостью магнитного поля , тогда уравнение приобретёт вид
. (циркуляция напряжённости магнитного поля по замкнутому контуру) = (сила тока через поверхность этого контура).

Ну, и, наконец, последнее. Мы имеем такую формулу:
. Для многих сред намагниченность зависит от напряжённости поля,
, где–магнитная восприимчивость , это коэффициент, характеризующий склонность вещества к намагничиванию. Тогда эта формула перепишется в виде
,
–магнитная проницаемость , и мы получаем такую формулу:
.

Если
, то это парамагнетики,
- это диамагнетики, ну, и, наконец, имеются вещества, для которых этопринимает большие значения (порядка 10 3),
- это ферромагнетики (железо, кобальт и никель). Ферромагнетики замечательны тем. Что они не только намагничиваются в магнитном поле, а им свойственно остаточное намагничивание, если он уже однажды был намагничен, то, если убрать внешнее поле, то он останется намагниченным в отличии от диа- и парамагнетиков. Постоянный магнит – это и есть ферромагнетик, который без внешнего поля намагничен сам по себе. Кстати, имеются аналоги этого дела в электричестве: имеются диэлектрики, которые поляризованы сами по себе без всякого внешнего поля. При наличии вещества наше фундаментальное уравнение приобретает такой вид:

,

,

.

Авот ещёпример ферромагнетика, бытовой пример магнитного поля в средах, во-первых, постоянный магнит, ну, и более тонкая вещь – магнитофонная лента. Каков принцип записи на ленту? Магнитофонная лента - это тонкая лента, покрытая слоем ферромагнетика, записывающая головка - это катушка с сердечником, по которой течёт переменный ток, в зазоре создаётся переменное магнитное поле, ток отслеживает звуковой сигнал, колебания с определённой частотой. Соответственно, в контуре магнита имеется переменное магнитное поле, которое меняется вместе с этим самым током. Ферромагнетик намагничивается переменным током. Когда эта лента протягивается по устройству такого типа, переменное магнитное поле создаёт переменную э.д.с. и воспроизводится опять электрический сигнал. Это ферромагнетики на бытовом уровне.

Инструкция

Чтобы узнать направление магнитных для прямого проводника с , расположите его так, чтобы электрический ток шел в направлении от вас (например, в лист бумаги). Попробуйте вспомнить, как двигается бур или закручиваемый отверткой винт: по часовой и . Изобразите это движение рукой, чтобы понять направление линий . Таким образом, линии магнитного поля направлены по часовой стрелке. Отметьте их схематично на чертеже. Этот метод правилом буравчика.

Если проводник расположен не в том направлении, мысленно встаньте таким образом или поверните конструкцию так, чтобы ток от вас удалялся. Затем вспомните движение бура или винта и поставьте направление магнитных линий по часовой стрелке.

Если правило буравчика кажется вам сложным, попробуйте использовать правило правой руки. Чтобы с его помощью определить направление магнитных линий , расположите руку используйте правую руку с оттопыренным большим пальцем. Большой палец направьте по движению проводника, а 4 остальных пальца – в направлении индукционного тока. Теперь обратите внимание, силовые линии магнитного поля в вашу ладонь.

Для того, чтобы использовать правило правой руки для катушки с током, обхватите его мысленно ладонью правой руки так, чтобы пальцы были направлены вдоль тока в витках. Посмотрите, куда смотрит отставленный палец – это и есть направление магнитных линий внутри . Этот способ поможет определить ориентацию металлической болванки, если вам нужно зарядить при помощи катушки с током.

Чтобы определить направление магнитных линий при помощи магнитной стрелки, расположите несколько таких стрелок вокруг провода или катушки. Вы увидите, что оси стрелок направлены по касательным к окружности. С помощью этого метода можно найти направление линий в каждой точке пространства и их непрерывность.

Под линиями индукции понимают силовые линии магнитного поля. Для того чтобы получить информацию об этом виде материи, недостаточно знать абсолютную величину индукции, нужно знать и ее направление. Направление линий индукции можно найти при помощи специальных приборов или пользуясь правилами.

Вам понадобится

• - прямой и круговой проводник;
• - источник постоянного тока;
• - постоянный магнит.

Инструкция

Подключите к источнику постоянного тока прямой проводник. Если по нему течет ток, он магнитным полем, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности. Определите направление силовых линий, воспользовавшись правилом . Правым буравчиком называется винт, продвигающийся при вращении в правую сторону (по часовой стрелке).

Определите направление тока в проводнике, учитывая, что он протекает от положительного полюса источника к отрицательному. Шток винта расположите параллельно проводнику. Начинайте вращать его так, чтобы шток начал двигаться в направлении тока. В этом случае направление вращения рукоятки покажет направление линий индукции магнитного поля.

Найдите направление силовых линий индукции витка с током. Для этого используйте то же правого буравчика. Буравчик расположите таким образом, чтобы рукоятка вращалась в направлении протекания тока. В этом случае движение штока буравчика покажет направление линий индукции. Например, если ток протекает в витке по часовой стрелке, то линии магнитной индукции будут плоскости витка и будут уходить в его плоскость.

Если проводник двигается во внешнем магнитном поле, определите его направление, пользуясь правилом левой руки. Для этого расположите левую руку так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, а отставленный большой палец, направление движения проводника. Тогда линии индукции однородного магнитного поля будут входить в ладонь левой руки.

Видео по теме

В процессе создания чертежа инженер сталкивается с целым спектром проблем, умение решать которые является степенью его квалификации. Определение видимости на чертежах многосложных деталей есть одна из упомянутых проблем. Самый распространенный метод определения видимости на чертеже – метод конкурирующих точек.

Вам понадобится

• Изображения детали без определенной видимости по крайней мере в двух главных видах, захватывающих вид спереди, для этого лучше подойдут вид спереди и сверху, отмеченные ключевые точки на чертеже, в которых будет определяться видимость.

Инструкция

Найдите на чертеже точки, проекции которых на либо плоскости совпадают, не совпадая при этом на плоскости проекции. Такие точки конкурирующими и они будут использованы нами в качестве опорных точек при построении видимости, сообщая нам о нахождении в пространстве тех , к которым эти точки привязаны.

Через отмеченные вами ранее точки, предназначенные для видимости, проведите прямые таким образом, чтобы они были перпендикулярны одной из главных плоскостей проекции, при этом автоматически становясь параллельными другой плоскости проекции.

Отметьте точки пересечения , проведенных вами в предыдущем шаге, с деталью. Эти точки будут конкурирующими, поскольку их проекции на одной плоскости будут совпадать, не совпадая при этом на другой плоскости. Если проекции точек совпадают на фронтальной плоскости (П1), то точки называются фронтально конкурирующими. Если проекции точек совпадают на горизонтальной плоскости (П2), то такие точки называются горизонтально-конкурирующими.

Определите видимость. Для фронтально конкурирующих точек видимость определяется на виде сверху. Та точка, горизонтальная проекция ниже, то есть ближе к наблюдателю, будет видима на виде спереди. Соответственно другая точка, конкурирующая данной, будет невидима. Для горизонтально конкурирующих точек видимость определяется на виде спереди, при этом та точка будет видима, которая находится выше остальных, а все остальные, конкурирующие данной, будут невидимы.

Магнитное поле не воспринимается органами чувств человека. Для того чтобы его увидеть, необходим специальный прибор. Он позволяет наблюдать форму силовых линий магнитного поля в трехмерном виде.

Инструкция

Приготовьте основу прибора - пластмассовую бутылку. Применять стеклянную нежелательно, поскольку она может быть разбита в ходе опытов магнитом, инструментами или другими металлическими предметами. У бутылки должна быть наклейка только с одной стороны. Если наклейка , удалите одну из ее половин, а если ее нет вообще, закрасьте один бок бутылки белой краской. Получится фон, на котором силовые линии наиболее заметны.

Расположитесь в любом помещении, кроме кухни. Постелите на стол газету, наденьте защитные перчатки. Настригите на нее ненужными ножницами из старой металлической мочалки для мытья посуды. Заверните в пакет и этим приспособлением полностью соберите . Вставьте в горлышко бутылки воронку, а затем, поместив приспособление над воронкой, уберите магнит из пакета. Опилки отделятся от пакета и через воронку в бутылку. Ни в коем случае не допускайте попадания опилок на пол и любые окружающие предметы, особенно одежду, обувь и продукты питания! Теперь наполните бутылку почти доверху прозрачным и безопасным маслом, после чего плотно закупорьте. Тщательно вымойте готовый прибор снаружи от остатков масла.

Перемешайте опилки с маслом, вращая бутылку. Просто встряхивать ее неэффективно. Теперь поднесите к ней магнит, и опилки выстроятся в соответствии с формой силовых линий. Чтобы подготовить прибор к следующему опыту, уберите магнит и снова перемешайте опилки с маслом, как указано выше.

Попробуйте пронаблюдать силовые линии поле й магнитов различной формы. Зарисуйте или сфотографируйте их. Подумайте, они имеют именно такую форму, на этот вопрос в учебнике физики. Попробуйте объяснить, почему прибор не на переменные магнитные поля, например, от трансформаторов.

Видео по теме

Обратите внимание

Не разрешайте детям пользоваться визуализатором без наблюдения взрослых - это не игрушка, а физический прибор. Содержащиеся в нем опилки опасны при проглатывании.

Источники:

• Трехмерный визуализатор магнитных полей в 2019

Истинным направлением тока является то, в котором движутся заряженные частицы. Оно, в свою очередь, зависит от знака их заряда. Помимо этого, техники пользуются условным направлением перемещения заряда, не зависящим от свойств проводника.

Инструкция

Для определения истинного направления перемещения заряженных частиц руководствуйтесь следующим правилом. Внутри источника они вылетают из электрода, который от этого заряжается с противоположным знаком, и движутся к электроду, который по этой причине приобретает заряд, по знаку аналогичный частиц. Во внешней же цепи они вырываются электрическим полем из электрода, заряд которого совпадает с зарядом частиц, и притягиваются к противоположно заряженному.

В металле носителями тока являются свободные электроны, перемещающиеся между узлами кристаллической . Поскольку эти частицы заряжены отрицательно, внутри источника считайте их движущимися от положительного электрода к отрицательному, а во внешней цепи - от отрицательного к положительному.

В неметаллических проводниках заряд переносят также электроны, но механизм их перемещения иной. Электрон, покидая атом и тем самым превращая его в положительный ион, заставляет его захватить электрон с предыдущего атома. Тот же электрон, который покинул атом, ионизирует отрицательно следующий. Процесс повторяется непрерывно, пока в цепи ток. Направление движения заряженных частиц в этом случае считайте тем же, что и в предыдущем случае.

В заряд всегда переносят тяжелые ионы. В зависимости от состава электролита, они могут быть как отрицательными, так и положительными. В первом случае считайте их ведущими себя аналогично электронам, а во втором - аналогично положительным ионам в газах или дыркам в полупроводниках.

При указании направления тока в электрической схеме, независимо от того, куда перемещаются заряженные частицы на самом деле, считайте их движущимися в источнике от отрицательного полюса к положительному, а во внешней цепи - от положительного к отрицательному. Указанное направление считается условным, а принято оно до строения атома.

Источники:

• направление тока

Совет 6: Где найти проводника для похода в горы или в лес

Многих людей, собирающихся в отпуск, привлекает не бесцельное лежание на пляже, а пешие или конные походы в горы или в лес, дающие возможность побыть наедине с природой, полюбоваться красотою мест, не испорченных цивилизацией, да и проверить себя. Но, если вы отправляетесь не просто на прогулку по исхоженным тропам, а в настоящий многодневный поход по неизведанным местам, без проводника вам не обойтись.

Зачем нужен проводник в походе

Даже бывалые и опытные туристы, впрочем, особенно такие, отправляясь в горы или лес по сложному маршруту в тех местах, где они до этого не были, обязательно возьмут с собой проводника. Проводник, это человек, живущий в данной местности и прекрасно знающий ее, который занимается сопровождением профессионально или время от времени.

Такой человек не только досконально изучил здесь каждую тропу, но знает все местной погоды, особенности поведения и правила безопасности. Его присутствие станет гарантией того, что поход пройдет в максимально комфортабельных условиях и все его участники вернутся из него целыми и невредимыми.

Особенно необходим проводник в том случае, когда вы и участники вашей группы – начинающие туристы. Порою незнание элементарных правил безопасности и отсутствие первичных туристических навыков приводят к настоящим человеческим трагедиям. Проводник не только гарант безопасности, но и человек, который обучит вас правилам и покажет вам то, что сами вы просто не сможете разглядеть и увидеть.

Отправляясь в поход, тщательно изучите все особенности данной территории, просмотрите маршрут и подготовьтесь физически.

Как находить проводника для туристического похода

Если местность, куда вы направляетесь, достаточно безлюдная, договориться о сопровождении можно с местными жителями. Как правило, за небольшую (для вас) плату они с удовольствием соглашаются помочь приезжим туристам в этом вопросе. В том случае, когда рядом расположен крупный населенный пункт, можно узнать и обратиться в местные туристические клубы или службу спасения, подразделение МЧС.

Перед тем как выйти на маршрут, предупредите об этом местные спасательные службы и договоритесь о контрольных сроках вашего появления, чтобы в случае задержки помощь была выслана немедленно.

Если они не выделят проводника из рядов своих членов и сотрудников, наверняка посоветуют, к кому из местных жителей вам можно обратиться. Хороший совет и рекомендации вы можете получить и обратившись в торговую точку, где продают горное или туристическое снаряжение, обычно торгуют там люди, не понаслышке знакомые с туризмом и альпинизмом.

Всесильный интернет окажет вам помощь в поиске. Вы можете посмотреть официальные сайты тех городов, которые будут отправной точкой вашего похода, часто там имеется подобная информация. Есть специализированные сайты, предлагающие услуги профессиональных проводников, причем они могут сопровождать вас не только по России, но и за рубежом.

Источники:

• Заказ проводников и сопровождающих по интернету в 2019

Магнитный лак для ногтей появился на рынке несколько лет назад. Правда, задолго до появления в широкой продаже это средство уже мелькало в лимитированных коллекциях некоторых брендов. Особенность продукта - широкие возможности для дизайна. С помощью специальных магнитов ногти можно украсить стилизованными звездами, снежинками, зигзагами или волнами.

Инструкция

Загадка эффекта магнитного лака в его составе. В формулу включены мельчайшие металлические частицы, которые под действием магнита выстраиваются в определенном порядке. Каждый магнит может «нарисовать» только один вид узора. Поэтому те, кто хотят разнообразия, вынуждены покупать несколько приспособлений с разными мотивами. Хорошая новость для любителей магнитных лаков - все аксессуары для создания рисунков взаимозаменяемы. Вы можете приобрести лаки одной марки и делать на них узоры магнитами другой.

Еще одна общая черта всех лаков этого типа - похожий вид покрытия. Лаки имеют плотную текстуру с перламутровым отблеском, для нанесения средства ровным слоем требуется сноровка. Палитра магнитных лаков ограничена темными сложными оттенками от черно-серого до серо-голубого. Большинство цветов имеет выраженный холодный подтон - его задают металлические частицы, присутствующие в составе.

Магнитные лаки отличаются высокой стойкостью. Однако они могут подчеркнуть все неровности ногтя. Чтобы средство лежало идеально, перед нанесением необходимо выровнять пластину полировочным бруском и нанести на нее слой защитной базы.

Если лаки марок разных ценовых категорий очень похожи, то в категории магнитов царит разнообразие. Начинающим стоит обратить внимание на , укрепленные на подставке - ими гораздо удобнее пользоваться. Достаточно поместить палец на специальную платформу начнет действовать. Пластинки, которые нужно самостоятельно держать над накрашенным ногтем, менее удобны - не всегда удается правильно рассчитать расстояние, необходимое для появления рисунка. Если же поднести пластинку слишком близко, легко смазать свеженанесенный лак.

Самый популярный рисунок для магнитного маникюра - звезда или снежинка. На втором месте разнообразные полосы. Волны и зигзаги встречаются реже, а магниты с необычными узорами вроде цветов или сердечек почти не выпускаются.

Маникюр с магнитным лаком имеет некоторые особенности. Средство наносят довольно толстым слоем, свеженакрашенный ноготь немедленно помещается под магнит. Чем дольше держать магнит над лаком и чем ближе он будет расположен, тем ярче получится рисунок. Наносить на него блестящие топы, жидкие сушки и другие средства нельзя - они размоют поверхность магнитного лака, и узор станет плохо виден. На сушку потребуется не меньше получаса, зато покрытие получится прочным и будет держаться не менее 5 дней.

Видео по теме

Полезный совет

Выбирая узор, учтите, что звезды и поперечные полосы делают ногти короче и шире, а зигзаги, продольные волны и вертикальные полоски наоборот, удлиняют пластину.

Магнитное поле Земли

Глубоко под нашими ногами, под толщей Земной коры находится то, что вот уже много миллиардов лет согревает планету Земля изнутри – огромный океан вязкой раскаленной магмы. Эта магма состоит из множества веществ, в том числе и из металлов, которые очень хорошо проводят электрический ток. На всей планете под поверхностью Земли движутся микроскопические электроны, создавая электрическое, а с ним и магнитное поле.

Перемещение геомагнитных полюсов

Магнитное поле Земли имеет два полюса: Северный геомагнитный полюс (находится в планеты) и Южный геомагнитный полюс (находится в северном полушарии планеты). Одно из самых широко известных необычных явлений, касающихся магнитного поля Земли – это географическое передвижение геомагнитных полюсов.

Дело в том, что на магнитное поле воздействует сразу несколько факторов, способствующих его нестабильному положению. Это и взаимодействие с осью вращения Земли, и различное давление земной коры на разных участках планеты, и приближение/удаление космических тел (Солнца, Луны), и, в большей степени, передвижение магмы.

Поток магмы представляет собой гигантскую мантийную реку, которая движется под воздействием солнечной радиации и вращения Земли с запада на восток. Но, поскольку размеры этой реки огромны, она, как и обычная река, не может двигаться стабильно ровно. Конечно, в идеальных условиях русло мантийной реки должно бы проходить вдоль экватора. В этом случае географические и магнитные полюса Земли совпадали бы. Но природные условия таковы, что во время движения магма ищет зоны наименьшего сопротивления потоку (зоны низкого давления коры) и продвигается к ним, сдвигая при этом магнитное поле и геомагнитные полюса.

Магнитные аномалии

Нестабильность мантийной реки влияет не только на магнитные полюса, но и на возникновение особых зон, названных «магнитными аномалиями». Магнитные аномалии не имеют постоянного месторасположения, могут становиться сильнее/слабее, различаются размерами и причинами возникновения.

Самое распространенное явление – локальные магнитные аномалии (менее 100 квадратных метров). Они встречаются везде, расположены в хаотичном порядке и возникают, в основном, под воздействием месторождений полезных ископаемых, расположенных слишком близко к поверхности Земли.

Другие магнитные аномалии – региональные (до 10 000 квадратных километров). Они возникают вследствие изменения магнитного поля. Их размер и сила зависит от строения земной коры в данной местности. Например, при переходе равнинной местности в гористую, происходит резкий подъем земной коры, как на поверхности Земли, так и под ней. При таком изменении рельефа, скорость движения потока магмы резко увеличивается, частицы вещества сталкиваются друг с другом и возникают колебания в магнитном поле. Одни из самых известных региональных аномалий – Курская и Гавайская.

Самыми крупными являются континентальные магнитные аномалии (площадью более 100 000 квадратных километров). Они обязаны своим возникновением разломами коры Земли и воздействием земной оси. Например, Восточносибирская аномалия вследствие сдвига земной оси именно в эту сторону. Вдобавок, горные хребты разделили мантийную реку на два рукава, текущих в разных направлениях, вследствие чего стрелка компаса будет иметь в этом районе в западное . У берегов Канады складывается другая ситуация. Там находится огромная площадь соприкосновения мантийной реки с корой Земли, вследствие которой возникает напряженность магнитного поля, которая, в свою очередь, оттягивает ось Земли на себя.

Однако самая интересная магнитная аномалия находится на юге Атлантического океана. Магнитная река там поворачивает в противоположную сторону, тем самым меняя магнитное поле таким образом, что эта область противоположна остальному южному полушарию. Эта аномалия знаменита тем, что несколько раз у космонавтов, пролетающих над ней, ломалась мелкая электроника.

Магнитные аномалии разбросаны по всей планете, не имеют постоянного расположения, они появляются и исчезают, становятся сильнее или слабее. Помимо всего прочего, годы исследований показали, что геомагнитное поле планеты слабеет, а магнитные аномалии становятся все сильнее.

Магнитный конструктор и развитие ребенка

Магнитные конструкторы появились на рынке сравнительно недавно. Приобретая набор из магнитов, взрослые часто плохо представляют себе, что же они купили. Для того чтобы разобраться в принципах работы , стоит почитать инструкцию. В инструкции вы найдете несколько вариантов сборки базовых моделей. Магнитные конструкторы предназначены для создания разнообразных фигур и форм, в том числе и объемных.

Главное достоинство магнитного конструктора заключается в том, что он не загоняет фантазию ребенка в рамки, а позволяет ему творить. В инструкции можно найти несколько базовых фигур, сложив которые, ребенок научится «управлять» своей новой игрушкой. Затем подключается фантазия, и малыш начинает творить, создавая новые, фантастические фигуры.

В основе действия магнитного конструктора лежит соединение различных деталей. Внутри каждой детали находятся магниты. При помощи магнитов элементы можно присоединять друг к другу любой стороной. Существует несколько модификаций магнитных наборов. Для самых маленьких – магнитные доски с плоскими элементами. Для детей постарше – детали, позволяющие создавать большие трехмерные фигуры. Большой популярностью пользуются наборы из маленьких магнитных шариков и палочек.

Применение в обучении

Использование конструкторов с магнитными элементами позволяет перенести процесс обучения на новый уровень. Создание из маленьких деталей развивает двигательные навыки, помогает открыть в ребенке новые способности. В процессе игры ребенок узнает о разнообразии форм, учится координироваться свои движения.

Учителя используют магнитные конструкторы в качестве наглядных пособий. Из деталей можно построить форму, демонстрирующую структуру молекул. Или воссоздать человеческий скелет в трехмерной проекции. Или показать детям объемные геометрические формы. Возможность осмотреть и потрогать модели различных фигур в несколько раз повышает уровень усвоения нового материала в школе.

Правила безопасности

Магнитные конструкторы содержат много мелких деталей, поэтому покупать их следует с осторожностью, учитывая возрастные особенности детей. Особенно опасны маленькие магнитные шарики, входящие в состав многих наборов. Эти детали с легкостью могут проникнуть в рот, ухо, нос ребенка. Поэтому рекомендуется покупать магнитные доски с большими деталями.

Можно показать, как пользоваться законом Ампера, определив магнитное поле вблизи провода. Зададим вопрос: чему равно поле вне длинного прямолинейного провода цилиндрического сечения? Мы сделаем одно предположение, может быть, не столь уж очевидное, но тем не менее правильное: линии поля идут вокруг провода по окружности. Если мы сделаем такое предположение, то закон Ампера [уравнение (13.16)] говорит нам, какова величина поля. В силу симметрии задачи поле имеет одинаковую величину во всех точках окружности, концентрической с проводом (фиг. 13.7). Тогда можно легко взять линейный интеграл от . Он равен просто величине , умноженной на длину окружности. Если радиус окружности равен , то

.

Полный ток через петлю есть просто ток в проводе, поэтому

. (13.17)

Напряженность магнитного поля спадает обратно пропорционально , расстоянию от оси провода. При желании уравнение (13.17) можно записать в векторной форме. Вспоминая, что направлено перпендикулярно как , так и , имеем

(13.18)

Фигура 13.7. Магнитное поле вне длинного провода с током .

Фигура 13.8. Магнитное поле длинного соленоида.

Мы выделили множитель , потому что он часто появляется. Стоит запомнить, что он равен в точности (в системе единиц СИ), потому что уравнение вида (13.17) используется для определения единицы тока, ампера. На расстоянии ток в создает магнитное поле, равное .

Раз ток создает магнитное поле, то он будет действовать с некоторой силой на соседний провод, по которому также проходит ток. В гл. 1 мы описывали простой опыт, показывающий силы между двумя проводами, по которым течет ток. Если провода параллельны, то каждый из них перпендикулярен полю другого провода; тогда провода будут отталкиваться или притягиваться друг к другу. Когда токи текут в одну сторону, провода притягиваются, когда токи противоположно направлены,- они отталкиваются.

Возьмем другой пример, который тоже можно проанализировать с помощью закона Ампера, если еще добавить кое-какие сведения о характере поля. Пусть имеется длинный провод, свернутый в тугую спираль, сечение которой показано на фиг. 13.8. Такая спираль называется соленоидом. На опыте мы наблюдаем, что когда длина соленоида очень велика по сравнению с диаметром, то поле вне его очень мало по сравнению с полем внутри. Используя только этот факт и закон Ампера, можно найти величину поля внутри.

Поскольку поле остается внутри (и имеет нулевую дивергенцию), его линии должны идти параллельно оси, как показано на фиг. 13.8. Если это так, то мы можем использовать закон Ампера для прямоугольной «кривой» на рисунке. Эта кривая проходит расстояние внутри соленоида, где поле, скажем, равно , затем идет под прямым углом к полю и возвращается назад по внешней области, где полем можно пренебречь. Линейный интеграл от вдоль этой кривой равен в точности , и это должно равняться , умноженному на полный ток внутри , т.е. на (где - число витков соленоида на длине ). Мы имеем

Или же, вводя - число витков на единицу длины соленоида (так что ), мы получаем

Фигура 13.9. Магнитное поле вне соленоида.

Что происходит с линиями , когда они доходят до конца соленоида? По-видимому, они как-то расходятся и возвращаются в соленоид с другого конца (фиг. 13.9). В точности такое же поле наблюдается вне магнитной палочки. Ну а что же такое магнит? Наши уравнения говорят, что поле возникает от присутствия токов. А мы знаем, что обычные железные бруски (не батареи и не генераторы) тоже создают магнитные поля. Вы могли бы ожидать, что в правой части (13.12) или (13.13) должны были бы быть другие члены, представляющие «плотность намагниченного железа» или какую-нибудь подобную величину. Но такого члена нет. Наша теория говорит, что магнитные эффекты железа возникают от каких-то внутренних токов, уже учтенных членом .

Вещество устроено очень сложно, если рассматривать его с глубокой точки зрения; в этом мы уже убедились, когда пытались понять диэлектрики. Чтобы не прерывать нашего изложения, отложим подробное обсуждение внутреннего механизма магнитных материалов типа железа. Пока придется принять, что любой магнетизм возникает за счет токов и что в постоянном магните имеются постоянные внутренние токи. В случае железа эти токи создаются электронами, вращающимися вокруг собственных осей. Каждый электрон имеет такой спин, который соответствует крошечному циркулирующему току. Один электрон, конечно, не дает большого магнитного поля, но в обычном куске вещества содержатся миллиарды и миллиарды электронов. Обычно они вращаются любым образом, так что суммарный эффект исчезает. Удивительно то, что в немногих веществах, подобных железу, большая часть электронов крутится вокруг осей, направленных в одну сторону,- у железа два электрона из каждого атома принимают участие в этом совместном движении. В магните имеется большое число электронов, вращающихся в одном направлении, и, как мы увидим, их суммарный эффект эквивалентен току, циркулирующему по поверхности магнита. (Это очень похоже на то, что мы нашли в диэлектриках,- однородно поляризованный диэлектрик эквивалентен распределению зарядов на его поверхности.) Поэтому не случайно, что магнитная палочка эквивалентна соленоиду.