МАГНІТНЕ ПОЛЕ
В 1820 р. Х.Ерстед відкрив магнітне поле електричного струму. При цьому поява магнітного поля супроводжувала будь-який рух заряджених точок : магнітне поле виникає навколо металевого провідника зі струмом (рух електронів у твердому тілі), біля ванни з електролітом, в якій протікає струм (рух іонів) і навіть в вакумі біля пучка катодних променів (рух електронів, що під дією термоелектронної емісії випромінюються катодом. При цьому магнітна стрілка (згадаємо :”пробний заряд” в електриці) завжди розташовується перпендикулярно струмові.
Тоді ж А.Ампер встановив основні закони магнітної взаємодії струмів. Він застосував у фізиці новий термін – “молекулярні струми”, що протікають в твердих речовинах. Наявністю таких струмів Ампер пояснив магнітні властивості речовин. Пізніше було встановлено, що роль молекулярних струмів в твердих тілах виконують електрони, які постійно рухаються по кругових орбітах навколо ядер.
Магнітне поле – складова частина, „електромагнітного поля”, що є окремим видом матерії. Особливість магнітного поля проявляється в його механічному діянні лише на рухомі електричні заряди або на тіла, які мають магнітний момент, незалежно від того, рухаються вони чи ні. Джерелами магнітного поля є рухомі електричні заряди, наприклад, струм у провідниках. Магнітне поле пов’язане з електричним полем. Цей зв’язок проявляється в тому, що при зміні одного з них виникає друге. Магнітне поле, що існують навколо магнічених тіл, в тому числі й магнітів, спричиняються рухом електричних частинок, з яких складаються тіла (електронів, нуклонів). Основними характеристиками магнітного поля є вектор напруженості Н в заданій точці поля (у вакуумі) та вектор магнітної індукції В (при наявності середовища). Ці величини є силовими характеристиками діяння магнітного поля на певні магнітики або на контури з електричним струмом. Напруженість магнітного поля обчислюють в ерстедах (в СГСМ системні одиниці) і в („ампер на метр”) в МКСА системі одиниць). Напрям вектора Н магнітного поля, створюваного електричним струмом у провіднику або контурі, можна визначити за правилом гвинта. Для наочної характеристики магнітного поля запроваджено поняття про лінії напруженості магнітного поля або лінії магнітної індукції, що є кривими лініями, дотичні до яких в кожній точці збігаються відповідно з напрямами векторів Н або В. самі ж величини цих векторів виражають густиною ліній напруженості чи індукції, тобто кількістю відповідних ліній, які перетинають перпендикулярну до них площину в 1 см2 або в 1 м2. Основним законом магнітних явищ вважають Біо-Савара закон.
Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції В, який можна визначити за допомогою пробної прямокутної рамки КLNР із струмом І1 (рис.1). Проведемо через точку А (центр рамки) додатну нормаль п до площини, в якій лежить контур рамки. Додатний напрям нормалі збігається з поступальним рухом свердлика, якщо його рукоятку обертати в напрямі струму І1 у рамці. Нехай на ділянці КL струм І1 збігається за напрямом із струмом І, на ділянці NP – протилежний.
Магнітні поля обох струмів І й І1 взаємодіють, і, якщо дати можливість рамці повертатися відносно вертикальної осі, то вона встановиться так, що площина контуру КLNР суміститься з площиною, в якій лежить прямолінійний провідник із струмом І.
Магнітним моментом Рт замкнутого струму називається векторна фізична величина в напрямі додатної нормалі, яка вимірюється добутком величини струму в контурі на площу, яку охоплює цей контур, тобто Рт = І1 S де, де S —площа контура рамки. На рамку із струмом діє також механічний обертальний момент М пари сил. Вектор М має напрям вертикальної осі рамки і буде максимальний Мmax, якщо радіус-вектор r перпендикулярний до площини контура рамки. Усі досліди показують, що при r = const відношення — залишається незмінним.
Магнітна індукція визначається відношенням максимальної величини обертального механічного моменту рамки із струмом до її магнітного моменту: .
Магнітна індукція є величина векторна. Вектор та Рт мають напрям додатної нормалі п, якщо рамка перебуває в стані рівноваги М = 0.
Лініями магнітної індукції називають криві, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямом вектора В в цих точках поля. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті й охоплюють провідник із струмом. Для визначення напряму ліній магнітної індукції можна скористатися правилом свердлика:
якщо свердлик повертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму І, то обертальний рух рукоятки покаже напрям ліній магнітної індукції (рис. 2). Зручне також і правило обхвату правою рукою: якщо великий палець правої руки спрямувати в напрямі струму, а рештою пальців обхопити провідник із струмом, то вони вкажуть напрям ліній магнітної індукції (і вектора В). Для наочного зображення магнітного поля використовують магнітні стрілки або залізні ошурки (рис. 3).Давні вчені помітили, що деякі залізорудні мінерали мають властивість притягувати і утримувати невеликі металеві предмети. Шматки такої руди називають природними магнітами.