Часть 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Раздел 9 МАГНЕТИЗМ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

9.2. Природа магнетизма. Опыты Ейхенвальда

Изучая магнетизм, В. Гильберт 1600 г. высказал мнение о том, что, несмотря на некоторую внешнюю аналогию, которая есть между электрическими и магнитными явлениями, природа их различна. Однако уже в середине XVIII в. наука имела в своем распоряжении отдельные данные, свидетельствующие о тесной связь между электрическими и магнитными явлениями. К ним относится наблюдение за намагничиванием кусков железа и перемагнічуванням стрелки компаса, если вблизи них проходил грозовой разряд. Понятно, что такие отдельные данные только наводили на мысль о существовании связи между электрическими и магнитными явлениями, но не были доказательством его. Нужны были систематические экспериментальные исследования, которыми стали исследования X. Эрстеда, проведенные им в 1820 г. Наблюдая за размещенной вблизи прямолинейного проводника магнитной стрелкой X. Эрстед установил, что при прохождении тока через проводник магнитная стрелка отклоняется от своего предыдущего положения и пытается разместиться так, чтобы ее ось была перпендикулярной к проводнику. С изменением направления тока изменяется направление отклонения стрелки. Дальнейшие экспериментальные исследование влияния на магнитную стрелку электрических токов, проходящих по проводниках произвольной формы, позволили сделать окончательный вывод: при прохождении тока через проводник вокруг него возникает магнитное поле, которое влияет на ориентацию магнитной стрелки.

Если вместо металлического проводника электрический ток пропускать через электролит или газоразрядную трубку, то магнитная стрелка также будет отклонена. В 1911 г. А. Ф. Иоффе экспериментально доказал тождество магнитного поля электронного пучка и прямого тока.

Очень простое экспериментальное подтверждение справедливости положения о том, что магнитное поле образуется любыми движущимися зарядами (током), сделал О. О. Эйхенвальд 1901 г. Схему одного из опытов В. О. Ейхенвальда изображен на рис. 9.1. Два параллельных металлических диски D₁ и D₂ могли вращаться вокруг оси ОО'. Вблизи дисков на тонкой нитке подвесили небольшую магнитную стрелку А, ось которой параллельна плоскости дисков. Для наблюдения за смещением стрелки к ней прикрепили небольшое зеркальце. Стрелка находилась внутри кожуха ведущего, что защищал ее от действия электрического поля и от потоков воздуха при вращении дисков. Оба диски заряжали разноименно и быстро вращали. При этом вращался или один из дисков, или оба диска вместе как в одном, так и в противоположных направлениях. Опыты показали, что при вращении дисков магнитная стрелка отклоняется, указывает на появление магнитного поля. Если между дисками D₁ и D₂ поместить диск D₃ из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε, то заряд на металлических дисках увеличится в е раз и будет равна εq. Поэтому при вращении дисков и неподвижном диэлектрике магнитное поле увеличится также в раз.

Рис. 9.1

На поверхности диэлектрика возникают поляризационные заряды, которые на каждой поверхности диска D₃ равны (ε-1)q. Если оставить диски D₁ и D₂ неподвижными, а вращать диск D₃, то также возникнет магнитное поле. Однако это поле будет значительно меньше, чем при вращении диска D₁ или D₂, поскольку на диске D₃ возникают заряды двух знаков и его действие аналогичная двум круговым токам, напрямленим противоположно. Если вращать весь конденсатор с диэлектриком как целое, то на каждом металлическом диске будет перемещаться заряд εq, а на прилегающей к нему поверхности диэлектрика - заряд противоположного знака - (ε-1)q. Поэтому магнитная действие будет пропорциональна εq - (ε -1)q = q, то есть будет такой, как и без диэлектрика. Все эти случаи В. О. Эйхенвальд проверил экспериментально. Опыты показали, что магнитное поле возникает при движении любых электрических зарядов независимо от природы их, в том числе и поляризационных.

Следовательно, магнитное поле возникает не только вблизи естественных и искусственных магнитов, а и у проводников, по которым проходит электрический ток, причем магнитное поле постоянных магнитов ничем не отличается от магнитного поля тока.

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции , который в данной точке поля пропорционален силе, действующей на северный полюс бесконечно малой магнитной стрелки, помещенной в эту точку магнитного поля. Сила, действующая со стороны магнитного поля на южный полюс стрелки, направлена противоположно вектору . Бесконечно малая магнитная стрелка не меняет существенно магнитного поля, в которое она вносится. Оба полюса такой стрелки содержатся в бесконечно близких точках поля. Следовательно, силы, действующие на полюса, численно равны друг другу и направлены противоположно. Под действием такой пары сил магнитная стрелка поворачивается так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный и северный полюса, совпала с направлением поля, то есть с направлением вектора .

Как и электростатические поля, магнитные поля можно изображать графически с помощью линий вектора магнитной индукции. Линиями вектора магнитной индукции (магнитными силовыми линиями) называют кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора в этих точках. Конфигурацию магнитных силовых линий можно установить в каждом конкретном случае с помощью магнитной стрелки, которая ориентируется вдоль этих линий. Как известно из школьного курса физики, наглядное представление о линии магнитной индукции можно достать с помощью мелких железных опилок, которые намагничиваются в исследуемом поле и ведут себя подобно миниатюрных магнитных стрелок. На рис. 9.2 изображен плоский сечение магнитного поля прямого тока. Для определения направления линий индукции магнитного поля тока можно воспользоваться правилом свердлика: если свердлик закручивать так, чтобы направление его поступательного движения совпадал с направлением тока, то направление вращательного движения рукоятки покажет направление линий вектора магнитной индукции.

Рис. 9.2

Наглядное представление о магнитном поле тока, проходящего по кольцевому проводнику. Силовые линии магнитного поля охватывают проводник так, что с одной стороны они выходят из контура витка, а с второго входят в него. Магнитное поле кругового тока вроде магнитного поля короткого магнита. Одну сторону витка действует на магнитную стрелку как северный полюс магнита, второй - как южный. С изменением направления тока меняются полюса витка.

Если составить схему из параллельных круговых токов одного направления, то магнитные поля их дадут суммарное магнитное поле, подобное полю штабового магнита. Систему параллельных круговых токов одного направления называют соленоидом. Северный полюс магнита совпадает с тем концом соленоида, из которого ток в витках направленный против хода стрелки часов.

Из рис. 9.2 видно, что линии вектора магнитной индукции, в отличие от силовых линий электростатического поля, всегда замкнуты и охватывают проводник с током. На первый взгляд кажется, что в случае полосовых магнитов линии магнитной индукции разомкнутые. Однако это не так. Проведенные исследования показали, что внутри полосовых магнитов существует поле, которое напоминает поле внутри соленоида. Линии магнитной индукции этого поля является продолжением линий индукции поля, что существует извне штабового магнита.

Полная аналогия между магнитными полями полосовых магнитов и соленоидов позволила выдающемуся физику А. Амперу 1821 г. высказать гипотезу, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены микротоками, что существуют у них. Природу и характер этих микротоков А. Ампер не мог объяснить, поскольку в то время учения о строении вещества было в начальной стадии. Только после открытия электронов и выяснению строения атомов и молекул, то есть почти через 100 лет, гипотеза Ампера была подтверждена и стала основой современных представлений о магнитные свойства вещества. Гипотетические микротоки Ампера достали простое и наглядное толкование. Известно, что в атомах всех тел являются электроны, двигаются по замкнутых орбитах. Они подобно витка с током образуют магнитные поля. Если в каком-то теле элементарные токи, обусловленные движением электронов, размещены так, что их магнитные поля взаимно усиливают друг друга (как у соленоида), то результирующее магнитное поле может быть значительным и такое тело

будет магнитом. В ненамагніченому теле все элементарные токи расположены хаотически. Процесс намагничивания тел заключается в том, что под действием внешнего магнитного поля элементарные токи в большей или меньшей степени, в зависимости от величины внешнего поля, устанавливаются параллельно друг другу и образуют результирующее магнитное поле.

Следовательно, источником магнитного поля является электрический ток, т.е. движущийся электрический заряд. Существование магнитного поля является необходимым и достаточным условием для выявления связанного с ним электрического тока. Магнитное поле - одно из проявлений электрического тока - не может существовать отдельно и независимо от него. Оно, как и электрическое, является одним из видов материи.