Магнитное взаимодействие. Магнитное поле

Первые сведения о магнитном взаимодействии появились давно. Сейчас трудно сказать, о чем люди сначала узнали — о свойствах на­электризованных тел или о таинственном магнетизме. Но знаем твер­до: один из первых систематизированных трактатов о природных яв­лениях был посвящен свойствам магнитов. Его автором был придвор­ный врач английского короля Гильберт. Сочинение Гильберта увиде­ло свет в 1600 г. После этого на протяжении более 200 лет человече­ство не узнало о магнитах ничего нового. Было известно, что магни­ты, так же как и электрические заряды, взаимодействуют друг с дру­гом, притягиваясь или отталкиваясь своими полюсами. Но получить магнитные заряды, подобно электрическим, никому не удавалось. Все попытки разделения магнита на два отдельных полюса ни к чему не приводили. Маленький магнит всегда был подобен большому магни

ту — у него было два полюса. Если магниты приближали оди­наковыми полюсами, они оттал­кивались, если разными — они притягивались. Один полюс магнита, который поворачивал­ся на Северный полюс Земли, назвали северным, его окрашива­ют всегда в синий цвет. Другой полюс, который смотрит на юг, назвали южным (его окрашивают в красный цвет). Таким образом, наша планета Земля тоже явля­ется магнитом, у которого вблизи Южного географическо­го полюса находится Северный магнитный полюс, а около Се­верного — Южный магнитный полюс.

В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777—1851), секретарь Датского королевского общества, обнаружил, что вблизи проводника магнитная стрелка поворачивается, как только по нему начинает протекать элек­трический ток. В опыте Эрстеда проводник с током проявлял свойст­ва природного магнита. Это открытие дало толчок исследованиям маг­нитных свойств постоянных токов. В 1822 г. французский физик Ампер, изучая магнитные свойства нескольких витков металлической проволоки, по которым протекал электрический ток, обнаружил их сходство со свойствами прямого магнита. Магнитное взаимодействие в то время изучали по расположению небольших магнитных стрелок, помещенных вблизи магнита или проводника с током. Если магнит­ные стрелки соединить непрерывными линиями так, чтобы они каса­лись стрелок, то можно получить наглядное изображение распределе­ния сил, действующих в пространстве на стрелки (рис. 57). Силу, дей­ствующую на магнитную стрелку, характеризуют векторной величи­ной, называемой магнитной индукцией, и обозначают буквой В. Маг­нитная индукция — векторная величина, ее направление совпадает с направлением магнитной стрелки от ее южного полюса к северному.

Пространство, в каждой точке которого задан вектор магнитной индукции, называется магнитным полем.

Распределение железных опилок в магнитном поле U-образного прямого магнита, прямого проводника с током, катушки с током

Линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с на­правлением вектора магнитной индукции, называются линиями маг-нитнои индукции.

Нетрудно понять, что линии, проведенные с помощью магнит­ных стрелок, есть линии магнитной индукции. С их помощью удоб­но изображать структуру магнитных полей. Поместим в магнитное поле постоянного магнита или проводника с током множество же­лезных опилок, насыпанных на стекло. Каждая из них, намагничи­ваясь в магнитном поле, ведет себя как маленькая магнитная стрел­ка. Наблюдая за расположением опилрк на стекле, можно составить представление о пространственной структуре магнитного поля На рисунке 58 показано распределение железных опилок в магнитном поле U-образного и прямого магнитов, прямого проводника с током катушки с током. Из рисунка видно, что магнитное поле прямого магнита по своей структуре подобно магнитному полю катушки с то­ком. Это сходство полей позволило Амперу выдвинуть гипотезу о том, что магнетизм обусловлен протеканием в телах круговых токов В дальнейшем эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение, а идея существования магнитных зарядов для объяснения маг­нитного взаимодействия была окончательно отброшена.

Взаимодействие проводников с током

Магнитное взаимодействие объяснялось теперь как взаимодейст­вие между движущимися зарядами. Любой движущийся заряд созда­ет в пространстве вокруг себя, кроме электрического поля, магнитное поле, действующее только на движущийся заряд в этом по­ле. Именно поэтому два парал­лельных проводника с током бу­дут притягиваться друг к другу или отталкиваться друг от друга в зависимости от направления токов. Опыт показывает, что ес­ли направления токов в провод­никах совпадают, то проводники притягиваются друг к другу, если направления токов противопо­ложны, то они отталкиваются (рис.). Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера. Сила Ампера действует перпен­дикулярно как направлению магнитной индукции В, так и направлению тока в проводнике /. Направление действия силы Ам­пера можно определить по мнемоническому правилу левой руки. Поставим левую руку так, чтобы линии магнитной индукции вхо­дили в ладонь и четыре пальца были направлены по направлению тока в проводнике, тогда отогнутый большой палец левой руки по­кажет направление силы Ампера (рис. 60). Используя это правило, можно определить направление силы, действующей между прямыми проводниками с током. Движущиеся заряды, таким образом, не толь­ко создают магнитное поле, но и являются индикатором, детектором этого поля.

	. Прибор для определения наличия магнитного поля

Если создать поток заряженных частиц, например элек­тронов, в откачанной стеклянной трубке, снабженной светящимся под действием ударов электронов экраном, то можно определить по отклонению пучка электронов наличие магнитного поля (рис. 61). Так как сила, действующая на электрон, пропорциональна его ско­рости, то с помощью такого детектора можно определить наличие достаточно слабых магнитных полей, если электроны разогнать в электрическом поле до больших скоростей. Электрон имеет массу 9,1*10 ³¹ кг, а следовательно, обладает малой инерционностью. По­этому пучок движущихся электронов можно с успехом применять и для обнаружения сравнительно быстроизменяющихся со временем магнитных полей.

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ. ТОК СМЕЩЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

Рассматривая свойства электрических и магнитных полей, Мак­свелл пришел к выводу о том, что магнитное поле должно возникать не только в пространстве около проводников с током, но и при из­менении электрического поля со временем. Для иллюстрации пред­положения Максвелла рассмотрим следующий опыт. Соединим кондукторы электрофорной маши­ны с обкладками школьного де­монстрационного плоского кон­денсатора. Вращение дисков электрофорной машины приве­дет к зарядке конденсатора и возникновению между его об­кладками электростатического поля (рис.). Установим рас­стояние между шариками кон­дукторов электрофорной маши­ны 3—5 см, а между обкладка­ми конденсатора 8—10 см. При некотором напряжении в прост­ранстве между шариками про­изойдет электрический пробой воздуха, проскочит искра — ма­ленькая молния. Пробой приве­дет к тому, что электрический заряд перетечет с одной обклад­ки конденсатора на другую, электрическое поле при этом за вре­мя разряда уменьшится до нуля. Если рядом с конденсатором ус­тановить электронно-лучевую трубку так, чтобы направление скорости электронов было пер­пендикулярно линиям напря­женности электрического поля, то при разряде можно заметить отклонение пятна на экране трубки. Причем отклонение происходит так, будто оно вы­звано магнитным полем, возникающим в момент резкого уменьшения электрического поля, т. е. изменение электрического поля со временем приводит к появлению магнитного поля.

Схема установки для демон­страции магнитоэлектрической ин­дукции

Из расчетов, проведенных Максвеллом, следова­ло, что индукция магнитного поля тем больше, чем больше скорость изменения электрического поля, а направление магнитного поля оп­ределяется направлением изменения электрического поля. Если эле­ктрическое поле изменялось со временем, то возникающее магнит­ное поле было подобно магнитному полю тока, направление кото­рого совпадало с направлением изменения электрического поля (рис.).

Связь магнитного поля с из­меняющимся электрическим полем

Переменное электрическое поле, вызывающее появление магнитного поля, было названо Максвеллом током смещения, а само явление появления магнитного поля при изменении электрического поля — магнитоэлектрической индукцией. К сожалению, это назва­ние в физической литературе не привилось. Впервые магнитное по­ле тока смещения экспериментально наблюдал русский физик А. А. Эйхенвальд (1864—1944) в 1903 г., хотя косвенное под­тверждение существования эффекта магнитоэлектрической индук­ции было получено Г. Герцем в 1888 г. при обнаружении им электро­магнитных волн.

ОПЫТЫ ФАРАДЕЯ. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Идея существования магнитного поля тока смещения была вы­сказана Максвеллом в 1861 г. Она тесным образом была связана с иде­ями и экспериментальными исследованиями английского физика М. Фарадея, установившего связь между переменным магнитным по­лем и возникающим при этом электрическим полем. Это явление, на­зываемое электромагнитной индукцией, было открыто Фарадеем в 1831 г. Опыты Фарадея по обнаружению электромагнитной индукции были просты и гениальны. Если в катушку из нескольких витков, со­единенную с гальванометром, вдвигать магнит, как показано на ри­сунке 64, то гальванометр зафиксирует возникновение электрическо­го тока. Если магнит выдвигать из катушки, то направление тока из­менится на противоположное. Сила тока возрастает при увеличении скорости перемещения магнита. При изменении полюсов магнита эффект появления тока вновь наблюдается при перемещении магни­та относительно катушки, только направление тока меняется на про­тивоположное. При перемещении магнита изменяется индукция маг­нитного поля около катушки. Можно предположить, что это изменение приводит к появлению электрического поля, вызываю­щего появление тока в электри­ческой цепи с катушкой. Этот ток называется индукционным то­ком, а само явление появления электрического поля при изме­нении со временем магнитного поля называется электромагнит­ной индукцией. Опыты показыва­ют, что электрическое поле воз­никает при любом изменении со временем магнитного поля. По­местим рядом с катушкой вмес­то магнита другую катушку с то­ком и будем перемещать одну ка­тушку относительно другой. Гальванометр вновь будет фик­сировать индукционный ток, что свидетельствует о появлении

Движение магнита относи­тельно катушки вызывает в цепи электрический ток

электрического поля. Можно, не перемещая катушки, изменять маг­нитное поле, включая и выключая ток во второй катушке (рис.). Всякий раз при изменении тока в первой катушке будет появляться электрический ток. Направление индукционного тока всегда такое, что своим магнитным полем он препятствует причине, вызывающей этот ток. Это правило, определяющее направление индукционного тока, впервые сформулировал русский физик Э. X. Л е н ц (1804—1865), поэтому оно называется правилом Ленца.

Для пояснения правила Ленца рассмотрим возникновение ин­дукционного тока в круговом проводнике, площадь которого прони­зывают линии магнитной индукции, возрастающей со временем (рис.). В этом случае в проводнике возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле препятствует нараста­нию магнитного поля. Если магнитное поле будет уменьшаться, то индукционный ток изменит направление на противоположное, что­бы поддержать убывающее магнитное поле.

Индукционный ток в проводнике возникает благодаря электриче­скому полю, вызванному изменяющимся со временем магнитным по­лем. Индуцированное электрическое поле не похоже на электрическое поле свободных зарядов. Ес­ли изобразить поля с помощью линий напряженности, то можно увидеть разницу в структуре этих полей. Линии напряженности электростатического поля начи­наются и заканчиваются на заря­дах, линии напряженности инду­цированного поля замкнуты са­ми на себя. Такое поле называет­ся вихревым по аналогии с дви­жением жидкости, при котором в ней наблюдаются вихревые пото­ки. Магнитное поле в этом смыс­ле тоже вихревое поле, так как его линии магнитной индукции замкнуты сами на себя.

Направление индукционного тока в проводнике определяется пра­вилом Ленца

Таким образом, можно утверждать, что Фарадей открыл новый вид электрического поля, вызываемого изменением со временем ин­дукции магнитного поля. Это поле может существовать в простран­стве и без проводника. Проводник является индикатором поля, о по­явлении которого можно судить по возникновению в нем электри­ческого тока.

Открытие Фарадея сыграло решающую роль в обосновании идеи существования электромагнитного поля как совокупности перемен­ных во времени и пространстве магнитного и электрического полей.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Источником электрического поля являются электрические заряды или переменное во времени магнитное поле. Ис­точником магнитного поля являются электрические токи или пере­менное во времени электрическое поле. Там, где нет ни зарядов, ни токов, например в вакууме, электрические и магнитные поля могут существовать, если они изменяются со временем. Представим себе, что в некоторой области пространства существует электрическое по­ле, возрастающее со временем (рис.).

. Связь переменных электрических и магнитных полей

Переменное электрическое поле вызовет появление переменного магнитного поля, направление которого можно найти по правилу правого буравчика при условии, что его поступательное движение совпадает с направлением измене­ния электрического поля. В свою очередь, изменяющееся магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля, направле­ние которого можно найти по правилу Ленца. Из рисунка видно, что электрические и магнитные поля направлены перпендикулярно друг относительно друга, образуя единую совокупность этих полей, изме­няющихся в пространстве со временем. Это единое поле носит на­звание электромагнитного поля. Характерной особенностью элект­ромагнитного поля является возможность его существования неза­висимо от зарядов или токов. Причем, распространяясь в простран­стве со временем, поле переносит энергию и импульс. Взаимодейст­вуя с веществом, поле может изменять внутреннюю энергию тела, оказывать на него давление. Эти свойства электромагнитного поля позволяют рассматривать его наряду с веществом как один из ви­дов материи. Из уравнений Максвелла следует, что электромагнит­ное поле может распространяться в пространстве в виде электромаг­нитных волн. Используя механические представления о распростра­нении волн, Максвелл полагал, что электромагнитные волны рас­пространяются в некоторой среде — эфире. Изменяющимися вели­чинами при этом служили векторы Е и В. Из уравнений Максвелла следовало, что колебания векторов Е и В, характеризующих состояние электромагнитного поля, должны происходить в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн (рис.).

Расположение полей Е и В в электромагнитной волне

Рас­чет скорости распространения электромагнитных волн дал значение скорости света в вакууме. Это обстоятельство позволило Максвел­лу утверждать, что свет имеет электромагнитную природу. В под­держку этой гипотезы выступали и поперечность электромагнитных волн, и возможность переноса энергии и импульса этими волнами. Выводы Максвелла имели большое значение для развития физичес­кого научного мировоззрения. Впервые с помощью математических уравнений был описан физический объект, отличный от физичес­ких тел, — электромагнитное поле. Впервые свет рассматривался как электромагнитные волны. Впервые удалось столь разные по своим проявлениям электрические, магнитные и оптические явления опи­сать всего лишь четырьмя уравнениями Максвелла. Впервые идея близкодействия получила столь убедительное обоснование. Осталось сделать самое важное: экспериментально обнаружить электромаг­нитные волны.