Магнитна индукция

Магнитната индукция е векторна величина, която характеризира магнитното поле във всяка точка от пространството.

За да се изследва магнитното поле, в него се поставя пробна рамка. Това е плосък проводников контур, по който тече ток, с много малки размери в сравнение с разстоянието от тока, създаващ магнитното поле, до точката, в която се изследва това магнитно поле.

Величината, която характеризира пробната рамка, се нарича магнитен момент и се дефинира с уравнението:

${\overrightarrow{p}}_m=I\overrightarrow{S}=IS\overrightarrow{n},$

където $I$ е големината на тока, протичащ по рамката, $S$ е площта на рамката, а $\overrightarrow{n}$ е нормалата към площта на рамката.

Когато пробна рамка бъде поставена в магнитно поле, се наблюдава завъртане на рамката в определена посока, докато магнитният ѝ момент ${\overrightarrow{p}}_m$ се насочи по посока на магнитното поле. Ако се промени посоката на тока $I$ в рамката, тя се завърта в обратна посока.

Следователно магнитното поле се характеризира със сили, които създават въртящ момент $\overrightarrow{M}$, който действа на пробната рамка. Опитно е установено, че въртящият момент е максимален, когато векторът ${\overrightarrow{p}}_m$ на рамката е перпендикулярен на посоката на магнитното поле.

Експериментално е установено също, че ако в дадена точка на изследваното магнитно поле, създадено от тока $I_0$, се поставят различни пробни рамки с различни магнитни моменти, действащите им максимални въртящи моменти ще бъдат различни:

$p_{m_1}\to M_1^{\max }$

$p_{m_2}\to M_2^{\max }$

...,

но отношението $\frac{M^{\max }}{p_m}$ ще бъде едно и също за всички пробни рамки, т.е. $\frac{M_1^{\max }}{p_{m_1}}=\frac{M_2^{\max }}{p_{m_2}}=const.$ Следователно това отношение не зависи от пробната рамка и е характеристика само на магнитното поле. Така се въвежда физичната величина магнитна индукция или индукция на магнитното поле $\overrightarrow{B}$, която характеризира магнитното поле във всяка точка на пространството.

Големината на магнитната индукция $B$ се дефинира като максималният въртящ момент, действащ на пробна рамка с единичен магнитен момент:

$B=\frac{M^{\max }}{p_m}$

Посоката на магнитното поле съвпада с посоката, която сочи северния полюс на магнитната стрелка. Това е посоката и на магнитната индукция.

Векторът на магнитната индукция $\overrightarrow{B}$ е свързан с въртящия момент по следния начин:

$\overrightarrow{M}={\overrightarrow{p}}_m\times \overrightarrow{B}$ или $M=p_{m}B\sin \alpha .$

Мерната единица за магнитна индукция е тесла: $T$. Индукцията на магнитното поле е една тесла, когато то действа с магнитна сила един нютон ($N$) върху проводник с дължина един метър ($m$), по който тече ток един ампер ($A$):

$1T=\frac{1N}{A.m}$.

Магнитната индукция в дадена точка от полето зависи от формата на проводника, по който тече токът, източник на полето. Друго нейно свойство е, че намалява с увеличаване на разстоянието от източника и е правопропорционална на тока, който създава полето. При прав проводник, по който тече ток със сила $I$, големината на магнитната индукция на разстояние $r$ e:

$B=\frac{{\mu }_{0}I}{2\pi r},$

където ${\mu }_0=4\pi .10^{-7}H/m$ е магнитната проницаемост на вакуума.

Посоката на магнитната индукция можем да открием чрез правилото на дясната ръка (ако палецът сочи посоката на тока, а магнитната сила излиза перпендикулярно от дланта, опънатите пръсти сочат посоката на магнитната индукция). Представа за посоката на магнитната индукция получаваме от магнитните индукционни линии – ориентирани по посока на полето мислени линии, чиито допирателни във всяка точка съвпадат с направлението на магнитната индукция. Ориентация по полето означава, че за един постоянен магнит тези линии излизат от северния и влизат в южния му полюс. Магнитните индукционни линии са затворени линии или идват от безкрайността и се втичат пак в безкрайността. Това е свързано с факта, че в природата не съществуват магнитни заряди, аналогични на електричните заряди. Поле със затворени силови линии се нарича вихрово поле. Следователно магнитното поле е вихрово поле.