Если с помощью проводника с током в различных веществах создавать магнитное поле и исследовать его с помощью пробного контура, то можно убедиться, что магнитная индукция зависит в данной точке от рода вещества, т. е. зависит от свойств среды. Пусть  и  – магнитные индукции соответственно в данной однородной изотропной среде и в вакууме.

Их отношение

,

показывающее, во сколько раз магнитная индукция в среде больше (или меньше), чем в вакууме, называют магнитной проницаемостью среды. Относительная магнитная проницаемость характеризует магнитные свойства среды, она зависит от рода вещества и температуры:  – величина безразмерная; для вакуума . По значению m, различают: а) диамагнетики ( ), например, вода, мрамор, золото, ртуть, инертные газы; б) парамагнетики ( ), например, кислород, алюминий, платина, щелочные металлы; ферромагнетики ( ), например железо, кобальт, никель. Из ферромагнетиков изготовляют постоянные магниты.

Закон Ампера

Действие магнитного поля на проводники с током было обнаружено Г. Эрстедом и А. Ампером. Ампер подробно исследовал это явление и пришел к выводу, что сила F, которая действует на прямолинейный проводник с током, находящийся в однородном магнитном поле, пропорциональна силе тока I в проводнике, его длине D l, магнитной индукции В и синусу угла a между направлением тока в проводнике и вектором :

.

Это выражение носит название закона Ампера.

Закон Ампера не указывает направления силы  и поэтому не определяет ее полностью. Как показали опыты, направление силы  можно найти по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению электрического тока в проводнике, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник со стороны поля. Это правило очень удобно, когда элемент  проводника с током перпендикулярен направлению магнитного поля. Во всех остальных случаях оно нуждается в дополнительных пояснениях.

Сила Лоренца

Магнитное поле действует не только на проводники с током, но и на отдельные электрические заряды, движущиеся в поле. Этот вывод подтверждается целым рядом опытных фактов и, в частности, тем, что пучок свободно летящих заряженных частиц, например, электронный пучок, отклоняется магнитным полем.

Найдем выражение для силы, действующей на заряд, движущийся в магнитном поле. По закону Ампера, на элемент D l проводника с током I, находящийся в магнитном поле, действует сила

.

Пусть по проводнику длиной D l за время D t проходит N одинаковых зарядов q. Это означает, что через проводник протекает ток . Согласно закону Ампера, на Nq зарядов действует сила

.

Сила, с которой поле действует на каждый отдельный заряд (сила Лоренца),

.

Учитывая, что  – средняя скорость движения зарядов, получаем

.

где a – угол между векторами  и .

Магнитное поле не действует на заряженную частицу в двух случаях: если , т. е. частица неподвижна, или если  и , когда частица движется вдоль линий магнитного поля.

Так как сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно вектору скорости летящей частицы, то она не изменяет модуля скорости, а изменяет лишь направление движения частицы. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле, вектор индукции которого перпендикулярен направлению скорости заряженной частицы, то сила Лоренца искривляет траекторию движения, выполняя роль центростремительной силы:

,

где r – радиус кривизны траектории. Действие этой силы не приводит к изменению кинетической энергии заряженной частицы, т. е. сила Лоренца не совершает работу.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется магнитным полем?

2. Что называется магнитным моментом контура с током?

3. Какая величина является силовой характеристикой магнитного поля? Дайте ее определение.

4. Что называется линиями магнитной индукции? Как устанавливается их направление?

5. В чем состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма?

6. В чем состоит закон Ампера?

7. Сформулируйте правило для определения направления силы Ампера.

8. Какая сила действует на электрический заряд, движущийся в магнитном поле? Чему она равна и как направлена?