Магнитное поле движущегося заряда
Каждый проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Электрический же ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому можно сказать, что любой движущийся в вакууме или среде заряд создает вокруг себя магнитное поле. Из формулы (22.2) легко получить выражение для магнитной индукции поля, создаваемого точечным зарядом q, движущимся со скоростью . Допустим, что ток создается носителями с зарядом е¢ (знак безразличен), скорость упорядоченного движения которых равна
. Тогда
I = jS = ne¢vS, (23.1)
где S – площадь поперечного сечения проводника, n – концентрация носителей тока (число носителей тока в единице объема).
Подставим выражение (23.1) в формулу (22.2):
=
. (23.2)
Учитывая, что векторы е¢ и
совпадают по направлению, заменим е¢v
на е¢
dl. Тогда формула (23.2) примет вид
=
, (23.3)
так как скалярные множители можно вносить и выносить за знак векторного произведения от любого множителя векторного произведения (свойство векторного произведения).
Произведение Sdl соответствует объему отрезка провода длины dl, а nSdl равно числу носителей тока, содержащихся в этом объеме. Следовательно, разделив выражение (23.3) на nSdl, найдем магнитную индукцию поля, создаваемого зарядом е¢, движущимся со скоростью
в вакууме (в воздухе). Заменив е¢ на q, получим
=
, (23.4)
где
- радиус-вектор, проведенный от заряда q к точке поля, r - его модуль, a - угол между векторами
и
(рисунок 32).
Согласно выражению (23.4), вектор направлен перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы
и
, а его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от
к
. Модуль магнитной индукции (23.4) вычисляется по формуле:
В =
. (23.5)
Приведенные соотношения (23.4) и (23.5) справедливы лишь при малых скоростях v (v << с, с – скорость света в вакууме) движущихся зарядов, когда электрическое поле свободно движущегося заряда можно считать электростатическим, т. е. создаваемым неподвижным зарядом, находящимся в той точке, где в данный момент времени находится движущийся заряд.
Формула (23.4) определяет магнитную индукцию положительного заряда, движущегося со скоростью . Если движется отрицательный заряд, то q надо заменить на -q. Скорость
- относительная скорость, т. е. скорость относительно наблюдателя. Вектор
в рассматриваемой системе отсчета зависит как от времени, так и от положения точки наблюдения. Поэтому следует подчеркнуть относительный характер магнитного поля движущегося заряда.
Впервые поле движущегося заряда удалось обнаружить американскому физику Г. Роуланду (1848-1901). Окончательно этот факт был установлен профессором Московского университета А. А. Эйхенвальдом (1863-1944), изучившим магнитное поле конвекционного тока, а также магнитное поле связанных зарядов поляризованного диэлектрика. Магнитное поле свободно движущихся зарядов было измерено академиком А. Ф. Иоффе, доказавшим, что электронный пучок и ток проводимости эквивалентны с точки зрения образования магнитного поля.