მანიტური მოვლებები ჯერ კიდევ ძველ სამყაროში იყო ცნობილი. კომპასი 4500 წლის წინ იქნა გამოგონებული. ევროპაში ის დაახლოებით ახალი წელთაღრიცხვის XII საუკუნაში გამოჩნდა. მაგრამ მხოლოდ XIX საუკუნეში დადგინდა კავშირი ელექტრობასა და მაგნიტიზმს შორი და შეიქმნა წარმოდგენა მაგნიტუ ველზე.
პირველი ექსპერიმენტები (1820 წ.) რომლებმაც აჩვენეს, რომ ელექტრულ და მაგნიტურ მოვლენებს შორის ღრმა კავშირია, დანიელ ფიზიკოსს ჰ.ერსტედს ეკუთვნის. ამ ცდებმა აჩვენეს, რომ დენიანი გამტარის ახლოს მოთავსებულ მაგნიტურ ისარზე მოქმედებს ძალები, რომლებიც მის შემობრუნებას ცდილობენ. ამავე წელს ფრანგი ფიზიკოსი ა.ამპერი დააკვირდა ორი დენიანი გამტარის ერთმანეთზე ძალით ურთიერთქმედებას და დაადგინა დენების ურთიერთქმედების კანონი.
თანამედროვე წარმოდგენების მიხევით, დენიანი გამტარები ერთმანეთზე ძალებით ურთიერთქმედებენ არა უშუალოდ, არამედ მათი გარემომცველი მაგnიტური ველის საშუალებით.
მაგნიტური ველის წყაროებს მოძრავი ელექტრული მუხტები (დენები) წარმოადგენენ. მაგვიტური ველი დენიანი გამტარის გარემომცველ სივრცეში აღიძვრება, ისევე როგორც უძრავი ელექტრული მუხტის გარშემო ელექტრული ველი აღიძვრება. მუდმივი მაგნიტების მაგნიტური ველი ასევე ელექტრული მიკროდენებით აღიძვრება, რომლებიც ნივთიერების მოლეკულის შიგნით ცირკულირებენ (ამპერის ჰიპოთეზა).
XIX საუკუნის მეცნიერები ცდილობდნენ მაგნიტური ველის თეორიის შექმნას ელექტრულის მსგავსად და უშვებდნენ ე.წ. ორი სხვადასხვა ნიშნის (მაგალითდ, მაგნიტური ისრის N ჩრდილოეთ და S სამხრეთ პოლუსები) მაგნიტური მუხტების არსებობას. მაგრამ ცდებმა აჩვენეს, რომ იზოლირებული მაგნიტური მუხტები არ არსებობენ.
დენების მაგნიტური ველი პრინციპულად განვსხვავდება ელექტრული ველისგან. მაგნიტური ველი, ელექტრულისგან განსხვავებით, ძალით მოქმედებს მხოლოდ მოძრავ მუხტებძე (დენებზე).
მაგნიტური ველის ასაღწერად აუცილებელია, ელექტრული ველის დაძაბულობის \(\vec{E}\) ვექტრორის მსგავსად, ველის ძალური მახასიათებლის შემოტანა. ასეთ მახასიათებელს მაგნიტური ინდუქციის \(\vec{B}\) ვექტორი წარმოადგენს, რომელიც მაგნიტუ ველში დენებზე ან მოძრავ მუხტზე მომქმედ ძალას განსაზღვრავს.
\(\vec{B}\) ვექტორის დადებით მიმართულებად, მაგნიტურ ველში თავისუფლად მბრუნავი, მაგნიტური ისრის S სამხრეთ პოლუსიდან N ჩრდილოეთ პოლუსისაკენ მიმართულებაა მიღებული. ამგვარად, დენის მიერ ან მუდმივი მაგნიტით შექმნილი მაგნიტული ველის პატარა მაგნიტური ისრით გამოკვლევისას, შეიძლება \(\vec{B}\) ვექტორის ორიენტაცია სივრცის ყოველ წერტილში განისაზღვროს. ასეთი გამოკვლევები მაგნიტური ველის სივრცული სტრუქტურის თვალნათლივ წარმოდგენის საშუალებას იძლევიან. ელექტროსტატიკაში ძალხაზების ანალოგიურად შეიძლება აიგოს მაგნიტური ინდუქციის წირები, რომელთა ყოველ წერტილში \(\vec{B}\) ვექტორი მხების გასწვრივაა მიმართული. მუდმივი მაგნიტისა და დენიანი კოჭას ველის მაგნიტური ინდუქციის წირების მაგალითები ნახ. 1-ზეა მოყვანილი.
ნახ. 1.
მუდმივი მაგნიტისა და დენიანი კოჭას ველის მაგნიტური ინდუქციის ხაზები. საცდელი მაგნიტური ისრები ინდუქციის წირების მხების გასწვრივაა ორიენტირებული
ყურადღება მიაქციეთ მუდმივი მაგნიტისა და დენიანი კოჭას მაგნიტური ველის ანალოგიურობას. მაგნიტური ინდუქციის ხაზები ყოველთვის ჩაკეტილია, ისინი არსად არ წყდებიან. ეს ნიშნავს, რომ მაგნიტურ ველს მაგნიტური მუხტის წყარი არ გააჩნია. ასეთ თვისების მქონე ძალურ ველებს, გრიგალურს უწოდებენ. მაგნიტული ინდუქციის სურათს შეიძლება დავაკვირდეთ წვრილი მაგნიტური ნაქლიბის საშუალებით, რომელიც მაგნიტურ ველში მაგნიტდება და პატარა მაგნიტური ისრებია მსგავსად, ინდუქციის წირების გასწვრივ ლაგდებიან.
მაგნიტური ველი რაოდენობრივი აღწერისათვის მითითებული უნდა იყოს არამარტო \(\vec{B}\) ვექტორის მიმართულების განსაზღვრის მეთოდი, არამედ მისი მოდული. ამის გაკეთება ყველაზე იოლია, თუ გამოსაკვლევ მაგნიტურ ველში დენიან გამტარს შევიტანთ და ამ გამტარის ცალკეულ სწორხაზოვან მონაკვეთზე მომქმედ ძალას გავზომავთ. გამტარის ამ მონაკვეთს არაერთგვაროვანი მაგნიტური ველის არეებთან ზომებთან შედარებით საკმარისად მცირე Δl სიგრძე უნდა ჰქონდეს. როგორც ამპერის ცდებმა უჩვენეს, გამტარის მონაკვეთზე მომქმედი ძალა დენის ძალის, ამ მონაკვეთის სიგრძისა და მაგნირური ინდუქციის ვექტორისა და დენის მიმართულებებს შორის კუთხის სინუსის პროპორციულია:
F ~ IΔl sin α.
ამ ძალას ამპერის ძალა ეწოდება. ის მოდულით მაქსიმალურ Fmax მნიშვნელობას აღწევს, როცა დენიანი გამტარი მაგნირური ინდუქციის წირების მართობულადაა ორიენტირებული. \(\vec{B}\) ვექტორის მოდული შემდეგნაირად ისაზღვრება:
მაგნირური ინდუქციის ვექტორის მოდული ტოლია სწორ გამტარზე მომქმედი ამპერის ძალის მაქსიმალური მნიშვნელობის ფარდობისა დენის I ძალისა და მისი Δl სიგრძის ნამრავლზე:
\(B=\frac{F_{max}}{I\Delta l}\).
ზოგად შემთხვევაში ამპერის ძალა გამოისახება ფორმულით:
\(F=IB\Delta l\sin\alpha\)
ამ ფორმულას ამპერის კანონს უწოდებენ.
სი ერთეულთა სისტემაში მაგნიტური ინდუქციის ვექტორის ერთეული ისეთ მაგნირური ველის ინდუქციაა, რომელშიც 1 ა დენის ძალის შემთხვევაში გამტარის ყოველ მეტრზე მოქმედებს 1 ნ მაქსიმალური ამპერის ძალა მოქმედებს. ამ ერთეულს ტესლას (ტეს) უწოდებენ.
1ტეს=1ნ/(ა*მ)
ტესლა ძალიან დიდ ერთეულია. დედამიწის მაგნიტური ველი დაახლოებით 0,5·10–4 ტეს. დიდი ლაბორატორიული ელექტრომაგნიტის მიერ შექმნილი ველი 5 ტესლა.
ამპერის ძალა მაგნიტური ინდუქციის \(\vec{B}\) ვექტორისა და გამტარში გამავალი დენის მიმართულების მართობულადაა მიმართული. ამპერის ძალის მიმართულების განსაზღვრისათვის ჩვეულებრივ მარცხენა ხელის წესი გამოიყენება: თუ მარცხენა ხელს ისე მივმართავთ, რომ \(\vec{B}\) ინდუქციის წირები ხელიგულში შედის, ხოლო გაჭიმული თითები დენის გასწვრივაა, მაშინ გაშლილი ცერა თითი გამტარზე მომქმედი ძალის მიმართულებას უჩვენებს (ნახ. 2).
ნახ. 2.
მარცხენა ხელის წესი და ბურღის წესი
თუ კუთხე მაგნირური ინდუქციის \(\vec{B}\) ვექტორისა და გამტარში დენის მიმართულებას შორის 90°-საგან განსხვავებულია, მაშინ ამპერის \(\vec{F}\) ძალის მიმართულების განსაზღვრისათვის უფრო მოსახერხებელია ბურღის წესი: წარმოსახვითი ბურღი უნდა განლაგდეს \(\vec{B}\) ვექტორისა და გამტარის შემცველი სიბრტყის მართობულად, შემდეგ ბურღი უნდა მობრუნდეს დენის მიმართულებიდან \(\vec{B}\) ვექტორის მიმართულებისკენ. ბურღის წვეროს გადაადგილების მიმართულება არის ამპერის \(\vec{F}\) ძალის მიმართულება (ნახ. 2).
მაგნიტური ურთიერთქმედების მნიშვნელოვან მაგალითს პარალელური დენების ურთიერთქმედება წარმოადგენს. ამ მოვლენის კანონზომიერება ექსპერიმენტულად ამპერმა დაადგინა. თუ ორ პარალელურ გამტარში ელექტრული დენი გადის ერთიდაიგივე მიმართულებით. მაშინ ადგილი აქვს გამტარების ურთიერთმიზიდვას. თუ დენები ურთიერთსაწინააღმდეგოდ მიედინება, გამტარები განიზიდებიან.
დენების ურთიერთქმედება გამოწვეულია მაგნიტური ველებით: ერთი დენის მაგნიტური ველი ამპერის ძალით მოქმედებს მეორეზე და პირიქით.
ცდები უჩვენებენ. რომ თითოეული გამტარის Δl სიგრძის მონაკვეთზე მომქმედი ძალის მოდული დენის I1 და I2 ძალების და მონაკვეთის Δl სიგრძის პირდაპირპროპორციულია და მათ შორის R მანძილის უკუპროპორციული:
\(F=k\frac{I_{1}I_{2}\Delta l}{R}\),
საერთაშორისო სი სისტემაში პროპორციულობის k კოეფიციენტი ჩაიწერება შემდეგი სახით:
k = μ0 / 2π,
სადაც μ0 – მუდმოვი სიდიდეა, რომელსაც მაგნიტური მუდმივა ეწოდება. მაგნიტური მუდმივის შემოტანა სი სისტემაში მრავალ ფორმულას ამარტივებს. მისი რიცხვითი მნიშვნელობა ტოლია
μ0 = 4π·10–7 H/A2 ≈ 1,26·10–6 H/A2,
პარალელური დენების მაგნიტური ურთიურთქმედების კანონის გამომსახველ ფორმულას აქვს სახე:
\(F=\frac{\mu _{0}}{2\pi }\frac{I_{1}I_{2}\Delta l}{R}\), აქედან არაა ძნელი თითოეული სწორი სადენის მაგნიტური ველის ინდუქციის გამოსახულების მიღება. სწორი დენიანი სადენის მაგნიტურ ველს უნდა ჰქონდეს ღერძული სიმეტრია და, აქედან გამომდინარე, მაგნიტური ინდუქციის ჩაკეტილი წირები შეიძლება იყვნენ მხოლოდ გამტარის მართობულ სიბრტყეში განლაგებული კონცენტრული წრეები. ეს ნიშნავს, რომ პარალელური I1 და I2 დენების მაგნიტური ინდუქციის \(\vec{B}_{1}\) და \(\vec{B}_{2}\) ვექტორები ორივე დენის მართობულ სიბრტყეში მდებარეობენ. ამიტომ დენიან გამტარებზე მომქმედი ამპერის ძალების გამოთვლისას ამპერის კანონში sin α = 1. პარალელური დენების მაგნიტური ურთიერთქმედების კანონიდან გამოდის, რომ R მანძილით დაშორებული I დენიანი გამტარის მაგნიტური ველის ინდუქციის მოდული გამოისახება ფორმულით
\(B=\frac{\mu _{0}}{2\pi }\frac{I}{R}\)
იმისათვის, რომ მაგნიტური ურთიერთქმედების შედეგად პარალელური დენები მიიზიდებოდნენ, ანტიპარალელურები კი განიზიდებოდნენ, სწორი გამტარის ველის მაგნიტური ინდუქციის წირები უნდა იყოს მიმართული საათის ისრის მიმართულებით, თუ შევხედავთ დენის მიმართულებით გამტარის გასწვრივ. სწორი გამტარის მაგნიტური ველის \(\vec{B}\) ვექტორის მიმართულების განსაზღვრისას შეიძლება ბურღის წესის გამოყენება: სახელურის ბრუნვის მიმართულება ემთხვევა \(\vec{B}\) ვექტორის მიმართულებას, თუ ბურღის გადაადგილების მიმართულება ემთხვევა დენის მიმართულებას (ნახ. 3).
ნახ. 3.
სწორი დენიანი გამტარის მაგნიტური ველი
ნახ. .4.
პარალელური და ანტიპარალელური დენების მაგნიტური ურთიერთქმედება
ნახ. 4 განმარტავს პარალელური დენების ურთიერთქმედების კანონს.
დენიანი პარალელური სადენების მაგნიტური ურთიერთქმედება საერთაშორისო ერთეულების სისტემაში გამოიყენება დენის ძალის ერთეულის - ამპერის განსაზღვრისათვის:
ამპერი - უცვლელი დენის ძალაა, რომელიც ვაკუუმში მოთავსებულ, ერთმანეთისაგან 1 მეტრით დაშორებულ, ორ უსასრულოდ გრძელ და უმნიშვნელოდ მცირე წრიული კვეთის დენიან გამტარში გავლისას სიგრძის ყოველ მეტრზე 2·10–7 ნ-ს ტოლი მაგნიტური ძალით ურთიერთქმედების იწვევს.