Be elektrinės sąveikos tarp krūvių, egzistuoja ir kita glaudžiai susijusi sąveikos rūšis – magnetinė. Ji pasireiškia tarp judančių elektros krūvių (t. y., elektros srovių) ir tarp nuolatinių magnetų. Kaip ir elektrinė sąveika, magnetinė sąveika perduodama per lauką – šiuo atveju, magnetinį lauką. Elektros ir magnetizmo ryšys yra labai glaudus: elektros srovė kuria magnetinį lauką, o kintantis magnetinis laukas gali sukurti elektrinį lauką (elektrovarą) – tai elektromagnetinės indukcijos reiškinys. Šiame straipsnyje nagrinėsime magnetinio lauko savybes, jį apibūdinančius dydžius, jėgas, veikiančias krūvius ir sroves magnetiniame lauke, medžiagų magnetines savybes bei elektromagnetinės ir saviindukcijos reiškinius.
Magnetinis laukas: savybės ir šaltiniai
- Apibrėžimas: Magnetinis laukas yra ypatinga materijos forma, egzistuojanti aplink judančius elektros krūvius (elektros sroves) ir nuolatinius magnetus. Jis pasireiškia jėgos poveikiu į judančius krūvius (sroves) ir magnetines medžiagas.
- Šaltiniai: Magnetinį lauką kuria:
- Elektros srovės: Aplink bet kurį laidininką, kuriuo teka srovė, atsiranda magnetinis laukas (Oerstedo atradimas, 1820 m.).
- Judantys pavieniai krūviai: Kiekvienas judantis krūvis kuria aplink save magnetinį lauką.
- Nuolatiniai magnetai: Jų magnetizmas kyla dėl elektronų judėjimo atomuose (orbitinio ir savojo judėjimo – sukinių) ir šių mikroskopinių srovių suderintos orientacijos tam tikrose medžiagose (feromagnetikuose). Kiekvienas magnetas turi du polius – šiaurinį (N) ir pietinį (S). Vienavardžiai poliai stumia vienas kitą, įvairiavardžiai – traukia. Magnetinių monopolių (atskirų N arba S polių) gamtoje neaptikta.
- Magnetinė indukcija ($\vec{B}$): Pagrindinė magnetinį lauką apibūdinanti jėginė charakteristika. Tai vektorinis dydis. Jo kryptį rodo magnetinės rodyklėlės šiaurinis polius, laisvai pasisukęs tame lauko taške. SI vienetas – tesla (T). $1 , \text{T} = 1 , \text{N} / (1 , \text{A} \cdot 1 , \text{m})$. Tai gana stiprus laukas (Žemės magnetinis laukas tesiekia dešimtis mikroteslų, $\mu$T).
- Magnetinio lauko linijos: Vaizdus būdas pavaizduoti magnetinį lauką. Tai uždaros linijos (neturi pradžios nei pabaigos), kurių liestinės kiekviename taške rodo $\vec{B}$ vektoriaus kryptį. Pagal susitarimą, iš magnetų jos „išeina“ iš šiaurinio poliaus ir „įeina“ į pietinį polių (magneto išorėje). Linijų tankis rodo lauko stiprumą. Vienalytis magnetinis laukas – laukas, kurio indukcija visuose taškuose vienoda (linijos lygiagrečios ir vienodo tankumo, pvz., tarp didelių magneto polių arba ilgos ritės (solenoido) viduje).
- Magnetinio lauko krypties nustatymas (srovės atveju):
- Dešiniosios rankos taisyklė (tiesiam laidui): Jei dešine ranka apimsime laidą taip, kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį ($I$), tai sulenkti pirštai rodys magnetinio lauko linijų kryptį (jos yra koncentriški apskritimai aplink laidą).
- Dešiniosios rankos (sraigto) taisyklė (ritei/solenoidui): Jei dešine ranka apimsime ritę taip, kad sulenkti pirštai rodytų srovės kryptį vijose, tai ištiestas nykštys rodys magnetinio lauko kryptį ritės viduje (link šiaurinio poliaus).
Vaizdinė medžiaga: Strypinio magneto ir pasagos formos magneto lauko linijų vaizdai. Tiesaus laido su srove ir ritės (solenoido) su srove magnetinio lauko linijų vaizdai. Dešiniosios rankos taisyklių iliustracijos. Magnetinės rodyklėlės orientacija lauke.
Ampero ir Lorenco jėgos: lauko poveikis srovei ir krūviui
Magnetinis laukas veikia judančius krūvius ir laidininkus su srove tam tikra jėga.
- Ampero jėga ($\vec{F}_A$): Jėga, kuria magnetinis laukas veikia laidininko atkarpą, kuria teka srovė. Jos modulis lygus: $$ F_A = I B l \sin\alpha $$ kur $I$ yra srovės stipris, $B$ – magnetinė indukcija, $l$ – laido atkarpos ilgis magnetiniame lauke, o $\alpha$ – kampas tarp srovės krypties (laidininko) ir magnetinės indukcijos vektoriaus $\vec{B}$. Jėga didžiausia, kai laidas statmenas lauko linijoms ($\alpha = 90^\circ, \sin\alpha = 1$), ir lygi nuliui, kai laidas lygiagretus lauko linijoms ($\alpha = 0^\circ, \sin\alpha = 0$). Ampero jėgos kryptis nustatoma pagal kairiosios rankos taisyklę: Jei kairiąją ranką ištiesime taip, kad magnetinės indukcijos vektorius $\vec{B}$ smigtų į delną, o keturi ištiesti pirštai rodytų srovės kryptį ($I$), tai atlenktas stačiu kampu nykštys rodys Ampero jėgos $\vec{F}_A$ kryptį. Ampero jėga yra dviejų lygiagrečių laidų su srove sąveikos priežastis (vienakryptės srovės traukia viena kitą, priešpriešinės – stumia). Ja pagrįstas elektros variklių veikimas.
- Lorenco jėga ($\vec{F}_L$): Jėga, kuria magnetinis laukas veikia pavienį krūvį $q$, judantį greičiu $\vec{v}$ magnetiniame lauke, kurio indukcija $\vec{B}$. Jos modulis: $$ F_L = |q| v B \sin\alpha $$ kur $\alpha$ yra kampas tarp greičio vektoriaus $\vec{v}$ ir magnetinės indukcijos $\vec{B}$. Jėga didžiausia, kai krūvis juda statmenai lauko linijoms ($\alpha = 90^\circ$), ir lygi nuliui, kai juda lygiagrečiai ($\alpha = 0^\circ$). Lorenco jėgos kryptis taip pat nustatoma pagal kairiosios rankos taisyklę, tik keturi pirštai rodo teigiamojo krūvio greičio $\vec{v}$ kryptį (jei krūvis neigiamas, pvz., elektronas, jėgos kryptis yra priešinga). Svarbi Lorenco jėgos savybė: ji visada statmena ir greičiui $\vec{v}$, ir indukcijai $\v...