|
Ãëàâà 4. Ìàãíèòíîå ïîëå òîêîâ
§ 4.5. Çàêîí Áèî—Ñàâàðà—Ëàïëàñà
|
Ïåðåéäåì òåïåðü ê ôîðìóëèðîâêå çàêîíà, îïðåäåëÿþùåãî ðàñïðåäåëåíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïðîñòðàíñòâå â çàâèñèìîñòè îò òîêîâ. Áóäåì ñ÷èòàòü âíà÷àëå, ÷òî ïðîâîäíèêè ñ òîêàìè ðàñïîëîæåíû â âàêóóìå.
|
Ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ â ïðîèçâîëüíîé òî÷êå À ïðîñòðàíñòâà, î÷åâèäíî, äîëæíà çàâèñåòü îò ñèë òîêîâ â ïðîâîäíèêàõ, èõ ðàçìåðîâ è ôîðìû, à òàêæå îò ðàñïîëîæåíèÿ ïðîâîäíèêîâ îòíîñèòåëüíî ýòîé òî÷êè (ðèñ. 4.33). Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî òàê è åñòü íà ñàìîì äåëå.
Ýëåìåíò òîêà
Ñ÷èòàåì ïðîâîäíèêè òîíêèìè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî äèàìåòðû âñåõ ïðîâîäíèêîâ ìíîãî ìåíüøå ðàññòîÿíèé äî òî÷êè, ãäå îïðåäåëÿåòñÿ ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ. Òîãäà ëþáîé ïðîâîäíèê ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê ñîâîêóïíîñòü ýëåìåíòîâ òîêà Δ ïðåíåáðåæèìî ìàëîé òîëùèíû. Ýëåìåíò Δ — ýòî âåêòîð, íàïðàâëåííûé ïî òîêó â ïðîâîäíèêå (ñì. ðèñ. 4.33).
Êàæäûé ýëåìåíò òîêà Δ ñîçäàåò ñâîå ìàãíèòíîå ïîëå â òî÷êå À. Ðåçóëüòèðóþùåå ïîëå â òî÷êå, êàê ñëåäóåò èç ïðèíöèïà ñóïåðïîçèöèè ïîëåé, — ýòî âåêòîðíàÿ ñóììà ïîëåé, ñîçäàííûõ îòäåëüíûìè ýëåìåíòàìè òîêà.
Òðóäíîñòè çàäà÷è
 îïûòàõ ñ ïîñòîÿííûìè òîêàìè ìû âñåãäà èìååì äåëî ñ òîêàìè çàìêíóòûìè, ñëåäîâàòåëüíî, ñ ïîëÿìè, ñîçäàâàåìûìè âñåìè ýëåìåíòàìè òîêà. Íàì æå íóæåí çàêîí, îïðåäåëÿþùèé ìàãíèòíóþ èíäóêöèþ, ñîçäàííóþ îäíèì ýëåìåíòîì òîêà. Òîëüêî òàêîé çàêîí ìîæåò èìåòü îáùåå çíà÷åíèå. Äëÿ êàæäîãî êîíêðåòíîãî çàìêíóòîãî ïðîâîäíèêà ñ òîêîì ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ çàâèñèò îò ôîðìû ïðîâîäíèêà, à òàêèõ ôîðì ìîæåò áûòü áåñ÷èñëåííîå ìíîæåñòâî. Íèêàêîé îáùåé çàêîíîìåðíîñòè äëÿ ïîëÿ â òî÷êå çäåñü óñìîòðåòü íåëüçÿ. Òî÷íî òàê æå îñíîâíîé çàêîí ýëåêòðîñòàòèêè — çàêîí Êóëîíà — ôîðìóëèðóåòñÿ äëÿ òî÷å÷íûõ çàðÿäîâ.
Çíàÿ ìàãíèòíóþ èíäóêöèþ Δ , ñîçäàííóþ ýëåìåíòîì òîêà, ìîæíî âû÷èñëèòü èíäóêöèþ ëþáîãî òîêà â ëþáîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà.
Íî íàõîæäåíèå çàêîíà äëÿ Δ ñðàçó æå íàòàëêèâàåòñÿ íà òðóäíîñòè. Íåëüçÿ ñîçäàòü ýëåìåíò òîêà (íåçàìêíóòûé ïîñòîÿííûé òîê). Ïðÿìîé ñïîñîá ýêñïåðèìåíòàëüíîãî íàõîæäåíèÿ çàêîíà äëÿ Δ , êàê â ñëó÷àå ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ âçàèìîäåéñòâèé, çäåñü íåâîçìîæåí. Îäíàêî òàêîé çàêîí âñå æå óäàëîñü óñòàíîâèòü. Íåïîñðåäñòâåííî èç îïûòà ñëåäóåò, ÷òî âî âñåõ ñëó÷àÿõ ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ  - I. Îòñþäà ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî è Δ - I.
Äàëåå, ýêñïåðèìåíòû ôðàíöóçñêèõ ôèçèêîâ Æ. Áèî è Ô. Ñà- âàðà ïîêàçàëè, ÷òî èíäóêöèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ñîçäàííîãî ïðÿìûì òîêîì, íà ðàññòîÿíèè d, ìíîãî ìåíüøåì äëèíû ïðîâîäíèêà, ïðîïîðöèîíàëüíà Íàïðàâëåíèå Δ îïðåäåëÿåòñÿ ïî ïðàâèëó áóðàâ÷èêà (ñì. § 3).
Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî äëÿ Δ íóæíî íàéòè òàêîé çàêîí, êîòîðûé ïðè ñóììèðîâàíèè ïî âñåì ýëåìåíòàì ïðÿìîãî ïðîâîäà äàâàë áû íàéäåííóþ ýêñïåðèìåíòàëüíî çàâèñèìîñòü îò I è d. Ýòî óäàëîñü ñäåëàòü Ï. Ëàïëàñó. Îòûñêèâàÿ ïðîñòåéøóþ ôîðìóëó, ïðèâîäÿùóþ ê èçâåñòíîìó ðåçóëüòàòó, îí ïîëó÷èë òðåáóåìûé çàêîí.
Íàéäåííóþ Ëàïëàñîì ôîðìóëó äëÿ Δ ñëåäóåò ðàññìàòðèâàòü êàê îáîáùåíèå îïûòíûõ ôàêòîâ. Óâåðåííîñòü â åå ñïðàâåäëèâîñòè âûòåêàåò íå èç åå «âûâîäà», à èç òîãî, ÷òî âñå ðàñ÷åòû ïîëåé ëþáûõ çàìêíóòûõ òîêîâ íà åå îñíîâå ïðèâîäÿò ê ïðàâèëüíûì ðåçóëüòàòàì, ñîãëàñóþùèìñÿ ñ îïûòîì.
Çàêîí Áèî—Ñàâàðà—Ëàïëàñà
Òåïåðü ìû çàïèøåì âûðàæåíèå äëÿ ìîäóëÿ ìàãíèòíîé èíäóêöèè Δ ïîëÿ, ñîçäàííîãî ýëåìåíòîì òîêà â òî÷êå ïðîñòðàíñòâà À íà ðàññòîÿíèè r îò (ðèñ. 4.34). Óãîë ìåæäó ðàäèóñîì-âåêòîðîì è îáîçíà÷èì ÷åðåç α. Ñèëà òîêà ðàâíà I. Ñîãëàñíî çàêîíó Áèî—Ñàâàðà—Ëàïëàñà
Çäåñü k1 — êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè, çàâèñÿùèé îò âûáîðà ñèñòåìû åäèíèö. (Ñèñòåìàìè åäèíèö ìû çàéìåìñÿ â äàëüíåéøåì.) Íàïðàâëåí âåêòîð Δ ïåðïåíäèêóëÿðíî ïëîñêîñòè, ñîäåðæàùåé âåêòîðû è . Åñëè âðàùàòü ðóêîÿòêó áóðàâ÷èêà îò ê â íàïðàâëåíèè íàèìåíüøåãî óãëà ìåæäó ýòèìè âåêòîðàìè, òî ïîñòóïàòåëüíîå ïåðåìåùåíèå áóðàâ÷èêà óêàæåò íàïðàâëåíèå âåêòîðà Δ .  ñëó÷àå, èçîáðàæåííîì íà ðèñóíêå 4.34, âåêòîð Δ íàïðàâëåí ïåðïåíäèêóëÿðíî ÷åðòåæó îò íàñ.
Îêîí÷àíèå ïàðàãðàôà >>>
|