Методика

Електромагнетизм в електродинаміці розглядається в двох темах: "Магнітне поле" і "Електромагнітна індукція".

Перша тема ознайомлює з новим поняттям "магнітне поле", властивостями магнітного поля і його характеристиками. Тема висвітлює питання, що мають велике прикладне значення, - дію магнітного поля на відрізок провідника зі струмом (сила Ампера) і дію магнітного поля на окрему заряджену частинку (сила Лоренца).

Друга тема розкриває явище електромагнітної індукції, яке лежить в основі принципу дії генераторів, що перетворюють механічну енергію в електричну.

Розглянемо стисло ці теми, що дозволить більш системно засвоїти матеріал.

Взаємодія між електричними струмами, яку називають магнітною, відбувається через магнітне поле. Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції .

Як напрям вектора магнітної індукції взято напрям нормалі до рамки зі струмом, яка має змогу вільно орієнтуватися в магнітному полі. Цей напрям збігається з напрямом магнітної стрілки в полі, тобто з напрямом лінії, проведеної від південного полюса стрілки до північного.

Модуль вектора магнітної індукції визначається відношенням максимального моменту сил, що діють на рамку (контур) з боку магнітного поля, до добутку сили струму в ньому на його площу.

Лінії магнітної індукції охоплюють провідники зі струмом і завжди замкнені. Такі поля із замкненими лініями називають вихровими.

За законом Ампера на відрізок провідника зі струмом завдовжки Dl з боку магнітного поля діє сила, модуль якої F_A = BIlsina. А на рухому заряджену частинку діє сила Лоренца F = |q₀| Bsina. Сила Лоренца перпендикулярна до швидкості частинки і тому не виконує роботу.

Усі тіла в магнітному полі намагнічуються, тобто самі створюють магнітне поле. Відношення вектора магнітної індукції в однорідному середовищі до магнітної індукції у вакуумі називають магнітною проникністю. Вона характеризує магнітні властивості речовини

.

У більшості речовин магнітні властивості виражено слабко. Лише магнітна проникність феромагнітних тіл, до яких належать залізо, дуже велика (m >> 1) і залежить від магнітної індукції. Хоч феромагнетиків у природі порівняно небагато, вони мають велике практичне значення, бо дають змогу в сотні разів збільшувати магнітну індукцію поля без затрат енергії.

Досі ми розглядали електричні і магнітні поля, що не змінюються у часі. Можна помітити багато подібного у природі цих полів, методах їх виявлення і характеристиках. Це дозволить, знаючи закони електростатики, глибше засвоїти і закономірності електромагнетизму.

Подібно до того, як у просторі, який оточує нерухомі електричні заряди, виникає електричне поле, у просторі, який оточує струми, виникає поле, яке називають магнітним. Як електричне, так і магнітне поле є другим видом матерії поряд з речовиною.

Електричне поле виявляється за дією на нерухомі заряди (одиничні пробні заряди), внесені в це поле, а магнітне - дією на струм (рухомі заряди).

Для дослідження магнітного поля використовують маленьку дротяну рамку довільної форми, подібно до того, як для дослідження електричного поля використовували невелике заряджене тіло (пробний заряд). Магнітна стрілка, залізні ошурки (маленькі магнітики) дають змогу також виявити і дослідити магнітне поле.

Аналогом силової характеристики електричного поля - напруженості є вектор магнітної індукції , що характеризує однорідне магнітне поле в кожній точці простору. Величина, що залежить від значень вектора не в одній точці, а в усіх точках поверхні, обмеженої плоским, замкненим контуром, називають магнітним потоком Ф. Магнітний потік можна витлумачити як величину, пропорційну кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею S.

Аналогії можна проводити і для трьох полів: гравітаційного, електричного, магнітного (табл.4.4.1).

Таблиця 4.4.1

Характеристика фізичних полів

Параметр поля	Фізичне поле
	Гравітаційне	Електростатичне	Магнітне
Властивість тіл, що створюють поле	Маса	Нерухомий заряд	Рухомий заряд
Пробне тіло	Матеріальна точка	Точковий заряд	Елемент струму
Характеристика поля (за властивостями тіл, що створюють поле)			–
Характеристика поля (за дією на пробне тіло)
Спосіб зображення поля	Силові лінії	Силові лінії	Силові лінії
Робота сил поля	A = mgDx	A = qEDx	Не виконують

Ще Фарадей був упевнений в єдиній природі електричних і магнітних явищ. Електричний струм, міркував Фарадей, здатний намагнітити шматок заліза. Чи не спричиняє магніт, у свою чергу, електричний струм? З відкриттям явища електромагнітної індукції стало зрозумілим, що магнітне поле, яке змінюється в часі, породжує електричне поле, а змінне електричне поле породжує магнітне.

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні ЕРС індукції в замкненому контурі внаслідок зміни магнітного потоку через площу, обмежену цим контуром. За законом електромагнітної індукції Фарадея ЕРС індукції в замкненому контурі дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, взятій зі знаком мінус:

.

За правилом Ленца індукційний струм, що виникає в замкненому контурі, протидіє зміні магнітного потоку, який спричинив цей струм.

У нерухомому провіднику сторонньою силою, що діє на заряди, є вихрове електричне поле, породжуване змінним магнітним полем, а у рухомому провіднику - магнітна сила Лоренца, що діє на заряджені частинки, які рухаються разом з провідником.

Важливим окремим випадком електромагнітної індукції є самоіндукція. Під час самоіндукції змінне магнітне поле індукує ЕРС у тому самому провіднику, по якому проходить струм, що створює це поле.

Електрорушійна сила самоіндукції прямо пропорційна швидкості зміни сили струму в провіднику:

.

Коефіцієнт пропорційності L називають індуктивністю. Індуктивність залежить від розмірів і форми провідника, а також від властивостей середовища, в якому міститься провідник.

Її вимірюють в генрі: .

Енергія магнітного поля струму дорівнює роботі, яку має виконати джерело, щоб створити цей струм.

Ще більш "прозорим" стане цей навчальний матеріал, якщо збагнути його у логічній послідовності, запропонованій на рис.4.4.1.