Магнитное поле. Электромагнитная индукция.

Магнитное взаимодействие токов.
Магнитное поле. Индукция магнитного поля.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле.
Сила Ампера (закон Ампера).

Взаимодействие токов было открыто в 1820 году и изучено Ампером.

Электрическое взаимодействие зависит от наличия зарядов и от их величины. Магнитное взаимодействие возникает только при наличии токов и зависит от их величины. Проводники с сонаправленными токами притягиваются, с противоположно направленными токами - отталкиваются. Взаимодействие проводников с током обусловлено возникновением вокруг них магнитного поля. Магнитное поле возникает вокруг проводника с током всегда, даже если нет другого проводника и отследить действие поля таким способом нельзя.

Количественной характеристикой магнитного поля служит специальная физическая величина - напряженность магнитного поля H. С напряженностью связана также еще одна характеристика магнитного поля - индукция В (Тл-тесла). Между ними существует соотношение:

m - магнитная проницаемость вещества.

Индукция и напряженность являются векторами.

Направление этих векторов подчиняется правилу правого буравчика: направление магнитного поля совпадает с направлением движения конца рукоятки буравчика с правой нарезкой, движущегося поступательно в направлении тока.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна силе тока в проводнике I, магнитной индукции B, длине проводника L и синусу угла между направлением тока в проводнике и направлением вектора магнитной индукции a (Закон Ампера):

Направление силы Ампера определяется следующим правилом: если направить пальцы левой руки вдоль тока таким образом, чтобы вектор магнитного тока входил в ладонь, то отставленный в сторону большой палец укажет направление силы Ампера.

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

Поскольку на проводник с током в магнитном поле действует сила, а ток есть направленное движение заряженных частиц, можно сделать вывод, что на каждый электрон действует некоторая сила (Сила Лоренца):

где е - заряд электрона, v - его скорость, В - магнитная индукция, a - угол между векторами v и В.

Правило определения направления силы Лоренца такое же, как и для сила Ампера. Нужно иметь в виду, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.

Электромагнитная индукция. Магнитный поток.
Закон электромагнитной индукции.
Правило Ленца. Явление самоиндукции.
Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Известно, что проводник с током создает вокруг себя магнитное поле. Верно и обратное: магнитное поле вызывает появление электрических токов. Это явление получило название электромагнитной индукции. Опыты показывают, что причиной возникновения индукционного тока является изменение магнитного поля. Это происходит в том случае, если проводник пересекает магнитные силовые линии. Полное количество линий магнитной индукции В, проходящих через какую-либо поверхность, называют потоком магнитной индукции Ф(Вб-вебер). В случае потока однородного магнитного поля через плоский контур площадью S имеем:

Где a - угол между вектором В и направлением нормали к плоскости контура.
Поскольку магнитных зарядов не существует и силовые линии магнитного поля токов всегда замкнуты, то и линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Ленц установил правило, позволяющее определить направление индукционного тока. В сжатой форме оно формулируется так: индукционный ток во всех случаях направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток.

Это правило применимо и к случаю, когда проводники неподвижны, а изменяется магнитное поле. При этом индукционные токи всегда вызывают такое поле, которое стремится противодействовать изменениям внешнего поля, вызвавшего эти токи.

Фарадеем был установлен основной количественный закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции E_i, возникающая в замкнутом контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную контуром:

где N - число витков контура. Знак "-" в этой формуле соответствует правилу Ленца.

Электромагнитная индукция возникает во всех случаях, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий контур с током, в том числе, когда это изменение потока вызвано изменением тока в самом контуре. При всяком изменении силы тока в каком-либо контуре в нем возникает ЭДС индукции, которая вызывает дополнительный ток в контуре. Это явление называется самоиндукцией. Направление тока самоиндукции подчиняется правилу Ленца. Напряженность магнитного поля пропорциональна силе тока в катушке. Поэтому и магнитный поток, пронизывающий катушку, будет пропорционален току:

Коэффициент L называют коэффициентом самоиндукции или индуктивностью контура.(Гн-Генри) Применим закон электромагнитной индукции к явлению самоиндукции:

то есть ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока.

Энергия магнитного поля катушки  с индуктивностью L при прохождении через неё тока  I, равна:

При выключении источника тока такая же работа выполняется токами самоиндукции. То есть данное выражение описывает энергию, запасаемую контуром с током. Эта энергия получила название собственной энергии тока.