Глава XI. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

§ 118. Магнитное поле и его проявления. Магнитная индукция.

Пространство вблизи магнита или проводника с током находится в особом состоянии, которое мы обозначили названием «магнитное поле» (§ 114). Название выражает мысль, что в этом пространстве проявляются механические силы, действующие на другие магниты или проводники с током. Однако эти действия не являются единственным проявлением магнитного поля. Можно указать еще большое число других физических явлений, в которых сказывается влияние поля. Так, например, под действием магнитного поля изменяется электрическое сопротивление различных металлов; некоторые тела, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры, и т. д.

Наиболее сильное влияние оказывает магнитное поле на электрическое сопротивление висмута, что позволило изготовить висмутовый «измеритель поля». Изменение размеров под действием магнитного поля больше всего проявляется у тел, которые сделаны из сильно намагничивающихся веществ (железо, никель, кобальт); это явление, именуемое магнитострикцией, получило важные технические применения: с его помощью возбуждают очень быстрые колебании железных стерженьков, служащих источником очень коротких звуковых волн (ультразвук).

Когда действие магнитного поля в разных его точках проявляется в различной степени, мы говорим, что поле в этих точках различно. Для установления количественной меры магнитного поля мы могли бы использовать любое его проявление. Практически оказывается наиболее удобным характеризовать поле теми механическими силами, с которыми оно действует на магниты и проводники с током.

В § 115 было выяснено, что магнитное поле оказывает на магнитную стрелку или виток с током ориентирующее действие, стремясь установить стрелку или нормаль (т. е. перпендикуляр), к плоскости витка в определенном направлении. Это направление принимается за направление магнитного поля. У магнитного поля Земли этим направлением является направление с севера на юг.

В томе I было показано, что вращение тела вызывается действием момента сил (мы будем называть его вращающим моментом). Особенно наглядным делается понятие вращающего момента в случае пары сил (рис. 210). Если каждая из сил  Н, а плечо  м, то вращающий момент равен

 Н×м.

Опыт показывает, что вращающий момент  пропорционален синусу угла  между направлением поля и направлением магнитной стрелки (или нормали к витку). Следовательно, вращающий момент  максимален, когда , и обращается в нуль, если  или .

Рис. 210. Момент пары сил ;  – ось, вокруг которой пара сил вызывает вращение

Подобно тому как электрическое поле характеризуется с помощью векторной величины , которая называется напряженностью поля (§ 14), для характеристики магнитного поля вводят векторную величину , которую по историческим причинам назвали магнитной индукцией поля (правильнее было бы по аналогии с  назвать эту величину напряженностью магнитного поля).

За направление вектора  принимается направление, в котором устанавливается магнитная стрелка или нормаль к витку с током. Модуль магнитной индукции определяется по максимальному вращающему моменту  (наблюдающемуся при ; см. выше), действующему на стрелку или виток. В случае, когда магнитная индукция  во всех точках одинакова по модулю и направлению, поле называется однородным (ср. § 17).

Если в однородное магнитное поле помещать изготовленные из очень тонкой проволоки различные по размерам и форме замкнутые проводники (плоские контуры) с током и измерять действующий на них максимальный вращающий момент , то обнаруживается, что этот момент: а) пропорционален силе тока  в контуре; б) пропорционален площади контура ; в) для контуров с одинаковой площадью  не зависит от формы контура (т. е. одинаков для круговых, квадратных, треугольных и вообще контуров любой неправильной формы). Таким образом, максимальный вращающий момент оказывается пропорциональным величине

,                    (118.1)

которая называется магнитным моментом контура с током.

Указанные зависимости позволяют взять в качестве характеристики модуля вектора  значение вращающего момента , действующего на контур с магнитным моментом , равным единице. Следовательно, можно написать, что

,                 (118.2)

где  – максимальный вращающий момент, действующий в данном поле на контур с магнитным моментом . Если поле неоднородно, то для определения числового значения  в некоторой точке нужно поместить в нее контур размеров, малых по сравнению с расстояниями, на которых поле заметно меняется, и определить действующий на него вращающий момент .