Полосы напряженности электростатического поля вне проводника перпендикулярны его поверхности, и поверхность проводника эквипотенциальна. Вдоль проводника с током, как мы лицезрели, потенциал изменяется. Потому есть составляющая напряженности , направленная вдоль проводника. В итоге полосы напряженности поля вне проводника размещаются под углом к его поверхности. В этом можно убедиться на опыте (см. рис. 2.7). На верхний провод подвешивают легкую стрелку — индикатор так, дабы она могла свободно поворачиваться вдоль проводника. При отсутствии тока стрелка размещается перпендикулярно заряженному проводу. Если верхний и нижний провода соединить, то пойдет ток и стрелка установится не перпендикулярно, а под некоторым углом к проводу, указывая на изменение направления линий напряженности .
В отличие от внутреннего поля наружное поле имеет более сложную структуру. Оно находится в зависимости от формы проводника, расположения источника тока и окружающих тел.
Как появляется электрическое поле снутри и вне проводника с током?
Электрическое поле создается электрическими зарядами. Поэтому, на полюсах источника тока либо втулках розетки в вашей квартире непременно накапливаются заряды обратного знака. Это, в свою очередь, значит, что снутри источника тока (батареи либо генератора электростанции) происходят процессы*, благодаря которым заряженные частички приходят в движение.
Но ведь заряженные частички на полюсах батареи не могут сделать электрическое поле в проводнике протяженностью в сотки км, к примеру в телеграфной полосы Москва — Санкт-Петербург? Естественно, не могут! Это поле возникает в итоге того, что при замыкании цепи практически сразу на всей поверхности проводника появляется поверхностный заряд. Плотность поверхностного заряда равномерно миниатюризируется по мере удаления от источника тока. Конкретно этот заряд делает электрическое поле, имеющееся снутри и вне проводника, на всем его протяжении.
Как появляется поверхностный заряд на проводнике с током? В 1-ый момент после замыкания цепи электрическое поле возникает лишь на концах проводника. Оно вызывает смещение электронов в проводнике по всем фронтам (рис. 2.10). На рисунке 2.10 схематично изображена отрицательная клемма К источника тока и сечение присоединенного к ней конца железного провода. Штрихом показаны некоторые полосы напряженности поля клеммы в 1-ый момент после присоединения к ней провода, а стрелками — силы, действующие со стороны этого поля на свободные электроны провода, находящиеся в точках 1,2,3. В итоге электрон, находящийся в точке 1, начинает двигаться вдоль оси проводника. Электроны 2, 3, 4, 5 смещаются также вдоль проводника, но сразу передвигаются к его поверхности и накапливаются на ней. Перемещение электронов вдоль провода представляет собой зарождение тока. Перемещение же электронов в направлении к поверхности провода длится до того времени, пока они не достигнут ее и не образуют на проводе поверхностный заряд (рис. 2.11). Этот поверхностный заряд делает довольно сильное поле в следующем участке проводника. Там процесс повторится: произойдет смещение зарядов вдоль проводника, образование поверхностных зарядов и, означает, создание электрического поля на следующем участке проводника. Этот процесс будет распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), пока вдоль всей поверхности проводника не появится поверхностный заряд.
Сейчас понятно, почему, невзирая на очень малые скорости упорядоченного движения электронов (см. § 2.2), электрический ток устанавливается практически сразу после замыкания цепи длиной в сотки км. Это происходит так как через очень малый промежуток времени во всем проводнике и вокруг него появляется электрическое поле.
Процесс установления электрического тока в проводнике припоминает процесс установления течения воды в трубе. Когда поршень насоса начнет двигаться, то благодаря наличию стен трубы жидкость сильно сжимается и импульс давления в ней распространяется по трубе со скоростью нескольких сотен метров за секунду. Потому практически сразу все частицы воды в трубе придут в движение под действием сил давления. Скорость же движения самих частичек воды невелика: несколько 10-ов см за секунду.
Стационарное электрическое поле
Электрическое поле в проводнике с током делают поверхностные заряды. При неизменной силе тока кулоновское электрическое поле перемещающихся поверхностных зарядов снутри и вне проводника не изменяется со временем подобно электростатическому полю недвижных зарядов. Такое поле именуется стационарным.
Поле не изменяется с течением времени вследствие того, что поверхностная плотность зарядов, создающих это поле, остается постоянной. Заряды движутся, но на место ушедшего за время Δt заряда на данный участок поверхности идёт вточности такой же новый заряд.
Источники магнитного поля
В школьной физике в качестве источников магнитного поля рассматриваются неизменные магниты и проводники с током. Если неизменные магниты мы уже разглядели, то с проводниками давайте разберёмся в данном разделе. Простые формы проводников для расчёта магнитных полей:
- нескончаемый прямолинейный проводник с током
- радиальный виток с током (проводник в форме окружности)
Для каждого из этих проводников можно высчитать напряжённость магнитного поля в точке.
Итак, перемещающийся заряд создаёт вокруг себя магнитное поле. Самый обычный тип перемещающегося заряда — это обыденный электрический ток. Вопрос исключительно в том, как согнуть проводник:
- нескончаемый прямолинейный проводник с током
Рис. 1. Магнитное поле нескончаемого проводника
Итак, возьмём нескончаемый прямолинейный проводник с током. Слово «нескончаемый» в этом случае маленькое приближение. Так для хоть какой точки, находящейся конкретно поблизости любого линейного проводника, сам проводник «кажется» нескончаемым. Пусть по нашему проводнику течёт ток (рис. 1). Прямолинейный проводник с током создаёт вихревое (радиальное) магнитное поле вокруг себя. Направление вектора магнитной индукции задаётся правилом буравчика (правилом правой руки). Исходя из этого правила, найдём направление вектора (рис. 2).
Рис. 2. Магнитное поле нескончаемого проводника (магнитная индукция)
Для подсчёта модуля вектора магнитной индукции поля вне прямолинейного нескончаемого проводника с током можно применять соотношение (рис. 3):
- где
- — относительная магнитная проницаемость среды,
- м*кг**,
- — сила тока, текущего по проводнику,
- — константа,
- — расстояние от центра проводника до точки наблюдения.
Рис. 3. Модуль вектора магнитной индукции нескончаемого линейного проводника
3D модели рисунков довольно сложны для рассмотрения, потому введены условные обозначения для направлений векторов/токов в трёхмерном пространстве (рис. 4).
Рис. 4. Схематические отображения векторов
Тогда перерисуем набросок 3, в случае, если мы смотрим сверху провода (рис. 5.1). В данном случае ток течёт на нас, т.е. из рисунка. И в случае, когда мы смотрим на провод снизу ввысь (рис. 5.2). В данном случае ток течёт от нас, т.е. вовнутрь рисунка.
Рис. 5. Поле проводника (вид сверху)
На рисунке 5 точечной линией обозначено магнитное поле прямолинейного тока (оно радиальное). Направление вектора магнитной индукции () определяется правилом буравчика (правилом правой руки).
Правило буравчика для прямолинейного тока: правой рукою обхватываем проводник с током, отогнутый большой палец сонаправляем с током, тогда согнутые 4 пальца демонстрируют направление вектора магнитной индукции.
- радиальный виток с током (проводник в форме окружности)
2-ой вариант системы, в какой довольно легко высчитать модуль вектора магнитной индукции, — это радиальный виток с током. Т.е. сам проводник с током представляет собой окружность. По данному проводнику ток может течь как по часовой стрелке (рис. 6.1), так и против часовой (рис. 6.2).
Рис. 6. Радиальный виток с током
В целом, магнитное поле такового проводника довольно сложное, но для центра витка нахождение модуля вектора магнитной индукции не представляет заморочек:
- где
- — относительная магнитная проницаемость среды,
- м*кг**,
- — сила тока, текущего по проводнику,
- — расстояние от центра проводника до точки наблюдения.
Мало о — относительной магнитной проницаемости среды. Это параметр, который обрисовывает как сама среда принимает магнитное поле источника. В целом, это табличная величина.
Правило буравчика для радиального тока: обнимаем правой рукою провод, большой отогнутый палец правой руки направляем по току, тогда загнутые 4 пальца будут указывать направление вектора магнитной индукции.
Принципиально: для наших систем можно уяснить, что прямолинейный ток создаёт радиальное магнитное поле (рис.5), а радиальный ток создаёт прямолинейное магнитное поле (рис.6).
Вывод: для поиска модуля вектора магнитной индукции довольно проанализировать систему в задачке и обрисовать её через модель нескончаемого прямолинейного либо радиального проводника с током.
Видео: Урок 177 (осн). Действие магнитного поля на проводник с током
