Федун В.И. Конспект лекций по физике Магнетизм
Магнитное взаимодействие и магнитное поле движущихся зарядов.
Первые письменные свидетельства о магнетизме появились более 2 тысяч назад в Китае. В них упоминается о применении естественных постоянных магнитов в качестве компасов. В Европе же компас появился только в эпоху средневековья. Начиная с 12 века, в Европе предприняты попытки изучения постоянных магнитов разной формы. Результаты исследования магнетизма в эпоху Возрождения были обобщены в труде английского физика У. Гильберта “О магните, магнитных полях и о большом магните – Земле ” (1600 г.), где, в частности, было показано, что Земля – магнитный диполь, и доказана невозможность разъединения двух разноименных полюсов магнита.
В.1759 г. в трактате “Опыт теории электричества и магнетизма” русский ученый Ф. Эпинус подчеркнул аналогию между электрическими и магнитными явлениями. Эта аналогия, как показал Ш. Кулон (1785-1789 г.г.), имеет определенное количественное выражение: взаимодействие точечных магнитных полюсов подчиняется тому же закону, что и взаимодействие точечных электрических зарядов.
Прорыв сквозь стереотипы сложившихся представлений о магнетизме, гальванизме и электричестве был совершен во многом благодаря Гансу Христиану Эрстеду - профессору Копенгагенского университета. Он допускал, что магнетизм, как и гальванический ток, может оказаться одной из “скрытых форм” электричества. В поисках этой связи он открыл магнитное поле электрического тока, чем дал толчок новому этапу в изучении магнетизма.
В течение XIX столетия был совершен ряд открытий в области электромагнетизма. М. Фарадей дал последовательную трактовку явлений магнетизма на основе представлений о реальности электромагнитного поля и открыл электромагнитную индукцию (1831 г.); сформулировано правило Ленца (Э.Х. Ленц, 1833 г.); Дж.К. Максвелл сделал обобщение открытых электромагнитных явлений; А.Г. Столетов, П. Кюри и др. провели систематическое изучение свойств парамагнетиков и ферромагнетиков. Т.о., были заложены основы современной макроскопической теории магнетизма.
Изучение магнетизма на микроскопическом уровне стало возможным только в XX веке после открытия электронно-ядерной структуры атомов.
В 1905 г. французский физик П. Ланжевен, основываясь на классической электронной теории голландского ученого Х.А. Лоренца, построил теорию диамагнетизма и полуклассическую теорию парамагнетизма.
Начало очередного этапа в развитии учения о магнетизме связано с открытием электронного спина и сопутствующего ему магнитного момента (С. Гаудсмит, Дж.Ю. Уленбек, США, 1925 г.) и созданием квантовой механики, что привело к развитию квантовой теории диа-, пара- и ферромагнетизма.
Однако и достигнутое на сегодняшний день глубокое проникновение в природу магнитных явлений, не исчерпало проблем, связанных как с природой магнетизма, так с пониманием наблюдаемых магнитных явлений.
.Экспериментальные факты.
Итак, к началу XX столетия для объяснения определенного класса наблюдаемых явлений было введено понятие магнитного поля. Основные экспериментальные факты указывали на то, что
-
магнитное поле создают движущиеся электрические заряды;
-
магнитное поле действует только на движущиеся заряды.
Опыты.
1) Эрстед (1820 г.). Ток пропускался по проволоке, подвешенной над стрелкой компаса. Стрелка, первоначально установленная параллельно про
волоке, при пропускании по проволоке тока ориентировалась перпендикулярно ей, причем направление вращения стрелки зависело от направления протекания тока. Т.о. впервые была установлена связь электричества и магнетизма. |
|
|
2) Ампер (1820 г.). Взаимодействие двух параллельных токов.
|
|
|
Два параллельных провода, по которым текут одинаково направленные токи, притягиваются друг к другу. Сила, приходящаяся на единицу длины любого из проводов, пропорциональна произведению обоих токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводами. Перемена направления одного из токов превращает силу притяжения в силу отталкивания. Между двумя нитями с постоянным электрическим током существует нечто вроде «действия на расстоянии». Сила, о которой идет речь, зависит только от зарядов, движущихся по проводам, т.е. от двух токов. Это - магнитные силы; их причина – движение зарядов.
Стрелка компаса Эрстеда мало похожа на цепь постоянного тока. Однако Ампер догадался, что отклонение стрелки компаса, происходящее без видимого движения зарядов, обусловлено электрическими токами в атомном масштабе. Катушка с током ведет себя под влиянием проходящего вблизи тока точно так же, как магнитная стрелка компаса.