Айнымалы магнит өрiсi

Тыныштықта тұрған электр зарядтары өзiнiң маңында электр өрiсiн туғызатыны тәрiздi қозғалыстағы электр заряды, немесе басқаша айтқанда, тогы бар өткiзгiш өзiнiң маңындағы кеңiстiкте өрiстiң басқа бiр түрiн – магнит өрiсiн туғызады. Гравитация өрiсі және электр өрiстерi тәрiздi магнит өрiсi де бiздiң санамыздан тыс өмiр сүретiн материяның ерекше бiр түрi. Магнит өрiсiнiң бар екендiгiн әртүрлi тәжiрибелер дәлелдейдi. Соның бiрi Эрстед тәжiрибесi. Магнит өрiсiн сандық тұрғыдан сипаттау үшiн магнит индукциясының векторы деп аталатын физикалық шама енгiзiледi. Ол – векторлық шама, оны әдетте әрiпiмен белгiлейдi. Берiлген нүктедегi бұл вектордың бағыты ретiнде шартты түрде магнит өрiсiнiң осы нүктесiнде еркiн тұрған магнит тiлшесiнiң оңтүстiк S полюсынан, солтүстiк N полюсына қарай бағытталған кесiндiнiң бағыты алынады. Уақыттың өтуiне байланысты өрiстiң магнит индукциясының мәнi өзгеретiн болса, онда мұндай өрiс айнымалы магнит өрiсi болып табылады. Тогы бар өткiзгiштiң маңында туындылайтын магнит өрiсiнiң индукция векторының бағытын оң бұранда ережесi бойынша анықтайды. Электр өрiсi тәрiздi, магнит өрiсiн де көрнектi түрде оның күш сызықтары арқылы бейнелеуге болады. Магнит өрiсiнiң күш сызықтары деп, әрбір нүктесiне жүргiзiлген жанаманың бағыты сол нүктедегi векторының бағытымен сәйкес болатын сызықты айтады. Магнит өрiсiнiң күш сызықтары осы өрiстiң кеңiстiкте таралуының жарқын бейнесiн бередi. Ол сызықтар тұйық болады. Бұлай болуы табиғатта магнит зарядтарының болмайтындығының белгiсi. Күш сызықтары тұйық болатын өрiстi – құйынды өрiс деп атайды. Кеңiстiктегi магнит өрiсi тек магнит тiлшелерiне ғана емес, сонымен қатар осы өрiсте қозғалып бара жатқан кез келген зарядқа, басқаша айтқанда, тогы бар өткiзгiшке де әсер етедi. Магнит индукция векторы берiлген өрiстiң күштiк сипаттамасы болғандықтан, оны әдетте бiрлiк ток элементiне өрiс тарапынан әсер ететiн күштiң мәнi арқылы мына түрде анықтайды: Магнит индукциясы векторы B-ның модулi, ток жүрiп тұрған өткiзгiш бөлiгiне әсер ететiн ең үлкен Fmax күшiнiң сол өткiзгiштегi I, ток күшi мен Δℓ, өткiзгiш элементi ұзындығының көбейтiндiсiнiң қатынасына тең, яғни B-ның өлшем бiрлiгi ретiнде ұзындығы 1 м өткiзгiштен 1 А ток өтiп тұрған кезде оған 1 Н күшпен әсер ететiн магнит өрiсiнiң индукциясының мәнi алынады. Оны 1 Тесла (Тл) деп белгiлейдi, яғни 1 Тл = 1 Н/(А·м). Жоғарыдағы өрнегi магнит өрiсiндегi тогы бар өткiзгiш элементiне әсер ететiн күштi анықтайтын Ампер заңының негiзiнде жазылған. Осы құбылысты зерттеген француз ғалымы А.Ампердiң құрметiне осылай аталған бұл заң бойынша : Индукциясы В-ға тең бiртектi магнит өрiсiне орналасқан, бойынан I тогы өтiп жатқан өткiзгiштiң Δℓ элементiне әсер ететiн күштiң модулi мынаған тең F=B·I·Δℓ·sinα мұндағы α индукция векторы мен өткiзгiштегi ток бағыты арасындағы бұрыш. Ампер күшiнiң бағыты сол қол ережесiмен анықталады. Магнит өрiсiнiң күш сызықтары тек магнит өрiсiнiң кеңiстiкте таралуын ғана сипаттап қоймай, сонымен қатар магнит индукциясының мәнi туралы да мағлұмат бередi. Күш сызықтары жиi орналасқан кеңiстiк аймағында магнит өрiсi күштiрек, яғни магнит индукциясының мәнi үлкен болады да, күш сызықтары сирек аймақта керiсiнше оның мәнi аз болады. Электромагниттiк құбылыстарды одан әрi зерттеу үшiн магнит индукциясы векторының бiр нүктедегi мәнiнен ғана емес, сонымен қатар оның тұйық контурмен шектелген беттiң барлық нүктелерiндегi мәндерiнен тәуелдi болатын магнит ағыны деп аталатын шаманы енгiзу қажет. Қарастырып отырған бет жазық болған жағдайда, магнит ағыны Ф-тiң мәнi, магнит индукциясы векторы В-ның модулiн беттiң S ауданына және сол бетке тұрғызылған нормаль мен магнит индукциясы векторының арасындағы α бұрышының косинусына көбейткенге тең: Ф=BScosα Магнит ағынының бiрлiгi ретiнде ауданы 1 м2 болатын бетке перпендикуляр бағытталған 1 Тл магнит өрiсi тудыратын ағын алынады. Оны 1 Вебер (Вб) деп атайды, яғни 1 Вб = 1 Тл·м2. Жоғарыдағы келтiрiлген Х.Эрстед тәжiрибесi электр тогы өзiнiң маңындағы кеңiстiкте магнит өрiсiн туғызатындығын дәлелдейдi. Бұл дерек, өз кезегiнде электр және магнит өрiстерiнiң арасында қандай да бiр байланыс бар екенiне нұсқағандай. Осымен байланысты мынадай заңды сауал туындылайды: «керiсiнше, магнит өрiсi электр тогын туғыза ала ма?». Бұл сауалдың жауабын 1831 жылы ағылшын ғалымы М.Фарадей бердi. Фарадей тәжiрибесi өткiзгiштiң тұйық контурын тесiп өтетiн магнит ағыны өзгерген кезде ол өткiзгiште электр тогы пайда болатынын көрсеттi. Физика мен техниканың одан арғы дамуында үлкен роль атқарған бұл құбылыс электромагниттiк индукция құбылысы деп, ал сәйкес контурда пайда болған ток индукциялық ток деп аталды.