§ 115. Магнитные действия токов и постоянных магнитов.

Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес и послу­жило началом ряда замечательных исследований, по­казавших тождественность магнитных действий токов и

постоянных магнитов. На некоторых из этих явлений мы остановимся немного подробнее*.

1. В опыте Эрстеда мы видели, что ток действует , на магнит. Существует ли обратное действие магнита на проводник с током?

Положим на стол неподвижный полосовой магнит, а над ним подвесим параллельно ему проводник на гибких металлических шнурах, подводящих к нему ток и дающих ему вместе с тем возможность поворачиваться (рис. 200, а).

Рис. 200. Опыт, обратный опыту Эрстеда: а) ток выключен; б) при .включении тока проводник 1 стремится установиться перпендикулярно

к магниту 2

Как только мы включим ток, проводник 1 повернется, стре­мясь установиться перпендикулярно к магниту 2 (рис.

200, б).

Другой вариант этого же опыта показан на рис. 201. Гибкий проводник 1 подвешен рядом с намагниченным стержнем 2 (рис. 201, а). Когда по проводнику идет ток, то на каждый участок гибкого проводника действует сила, стремящаяся установить этот участок перпендикулярно к магниту. Под действием этих сил при включении тока проводник обвивается вокруг магнита (рис. 201, б). Из этого опыта ясно, что магнит действует на проводник с током, причем обнаруживается, что магнит действует на каждый участок проводника с током.

Еще один опыт, в котором также проявляются эти силы, изображен на рис. 202. Рамка 1, сделанная из нескольких витков проволоки, свободно подвешена между полюсами неподвижного магнита 2 (рис. 202, а). К ней может быть подведен ток через зажимы 3. После включения тока

рамка устанавливается перпендикулярно к линии, соеди­няющей полюсы магнита (рис. 202, б). Такое устройство из магнита и рамки используется в гальванометрах для измерения постоянного тока (§ 135).

Описанный в § 103 опыт отклонения катодного луча магнитом есть также проявление действия магнита на ток,

Рис. 201. Опыт, обратный опыту Эрстеда: а) ток выключен; б) при вклю­чении тока проводник 1 обвивается вокруг магнита 2

ибо пучок катодных лучей представляет собой электриче­ский ток.

2. Магнит обладает способностью намагничивать же­лезо и притягивать его к себе. Обладает ли такой же спо­собностью электрический ток? Еще в 1820 г. Араго заме­тил, что если погрузить провод, по которому идет доста­точно большой ток, в железные опилки, то частицы железа пристают к нему так же, как к магниту. Провод обрастает густой «бородой» из опилок. Если выключить ток,' опилки сейчас же отпадают. Материал проводника безразличен.

Обычно пользуются медным проводом. Для того чтобы ток не проходил через опилки, провод следует брать в изоли­рующей обмотке. При большом токе можно даже не по­гружать провод в опилки, а только приблизить его к ним.

Рис. 202. При включении тока рамка 1 устанавливается перпендику­лярно к линии, соединяющей полюсы магнита 2: а) ток выключен;

б) ток включен

Немного позже Арагб и Ампер нашли способ сильно намагничивать железо и сталь при помощи электрического тока. Они наматывали провод в виде спирали из большого числа витков и внутрь такой катушки помещали стальную иглу. По этой спирали они пропускали сильный электри­ческий ток, а затем вынимали иглу, которая оказывалась сильно намагниченной. На одном конце ее был северный полюс, на другом — южный. При перемене направления тока полюсы менялись местами.

3. Магнитная стрелка, могущая свободно вращаться вокруг вертикальной оси, устанавливается, как известно, в определенном напраблении — приблизительно с севера на юг. Ориентирует ли Земля также и электрические токи? В том же 1820 г. Ампер обнаружил и ориентирующее влияние Земли на виток с электрическим током.

Прибор Ампера состоял из проволочного витка 1 в форме почти замкнутого кольца диаметра около 40 см или

квадратной рамки (рис. 203, а); концы витка находятся точно один под другим на небольшом расстоянии друг от друга. К ним прикреплены два стальных острия 2, опущен- 'ных в чашечки с ртутью, к которым присоединены про­водники, идущие от батареи. Благодаря такому устрой­ству виток мог свободно вращаться на остриях, и при этом

Земли на виток с током: а) свободно подвешенный виток устанавли­вается’так, чтобы плоскость его была перпендикулярна к меридиану; б) виток заменен катушкой

движении цепь тока не прерывалась. Вместо этого можно, конечно, просто подвесить рамку или соленоид на гибких металлических шнурах, как в опыте на рис. 202. При замыкании тока виток приходил в движение и плоскость его устанавливалась приблизительно в направлении с запада на восток. Таким образом, действие магнитного поля Земли на виток с током такое же, как и на магнитную стрелку, ось которой перпендикулярна к плоскости витка.

Особенно удобно наблюдать ориентирующее действие Земли на виток с током, если в приборе Ампера подвесить не один виток, а катушку, или, как говорят, соленоид, состоящий из большого числа таких витков (рис. 203, б).

4. Ампер установил также новое и чрезвычайно важное явление — взаимодействие между двумя проводниками, по которым идет ток. Если мы расположим, например, две длинные гибкие проволоки параллельно друг другу, то при включении в них тока эти проволоки будут друг от

Г~Т1

ф

Рис. 204. а) Два параллельных про­водника отталкиваются друг от дру­га, если по ним проходят токи в про­тивоположных направлениях, б) Два параллельных проводника притягива­ются друг к другу, если по ним про­ходят токи в одинаковом направле­нии. Штриховыми линиями показано положение обоих проводов при отсутст­вии тока в них

Рис. 205. а) Соленоид 1 закреплен неподвижно, соленоид'2 подвешен на гибком проводнике; при включении тока соленоид 2 поворачи­вается так, чтобы направления тока в соленоидах 1 и 2 были одина­ковы, притягивается к соленоиду 1 и надевается на него, б) При пере­мене направления тока в одном из соленоидов соленоид 2 слетает с соленоида 1, поворачивается на 180° и снова надевается на него

друга отталкиваться, если токи в них противоположны по направлению (рис. 204, а); напротив, проволоки будут друг к другу притягиваться, если токи в них имеют оди­наковое направление (рис. 204, б). Движения проводни­ков, вызываемые взаимодействием между ними, могут быть весьма разнообразны в зависимости от формы провод­ников, их взаимного расположения и условий закрепления. Опыт, иллюстрирующий характер взаимодействия между двумя соленоидами с током, изображен на рис. 205. Сле­дует обратить внимание на то, что движения — повороты, притяжения и отталкивания — двух соленоидов носят такой же характер, как и движения двух намагниченных брусков (магнитных стрелок). Мы видим, что по всем своим магнитным свойствам соленоид с током подобен магнитной стрелке.

Из этих опытов можно заключить, что магнитное действие магнитов вполне тождественно магнитному действию токов при соответствующем подборе тот и формы проводника.

я} 115.1. Стальная спица помещена внутри двух поставленных рядом • и соединенных последовательно катушек и намагничивается то­ком, проходящим по этим катушкам. Каково будет расположение

а) . ff)

Рис. 206. К упражнению 115.1

полюсов и нейтральных зон на спице в том случае, когда токи в обеих катушках направлены одинаково (рис. 206, а) и когда они направлены противоположно (рис. 206, б)?

§ 116. Происхождение магнитного поля постоянных магни­тов. Опыт Кулона. Как возникает магнитное поле постоян­ных магнитов? Каковы те физические процессы, которые превращают простой ненамагниченный брусок стали в магнит? Эти основные вопросы не перестают привлекать к себе внимание исследователей.

Когда изучение магнитных явлений только начина­лось, внимание исследователей особенно привлек к себе факт существования в намагниченных брусках полюсов, в которых магнитные свойства выражены особенно сильно. При этом бросалось в глаза, что оба полюса магнита раз­личны, так что каждый полюс одного магнита притягивает к себе один из полюсов другого и отталкивает его второй полюс. Для объяснения этих явлений еще Гильберт вы­сказал предположение, что подобно электрическим заря­дам в природе существуют и «магнитные заряды» — се­верный и южный, взаимодействующие друг с другом.

Эти представления были в значительной мере развиты Кулоном. С помощью крутильных весов, описанных в § 10, Кулон исследовал взаи­модействие двух длинных и тонких магнитов. Кулон показал, что можно характеризовать каждый полюс определенным «количеством магнетиз­ма», или «магнитным зарядом», причем закон взаимодействия магнитных полюсов такой же, как закон взаимодействия электрических зарядов (§10): два одноименных полюса отталкиваются друг от друга, а два раз­ноименных полюса притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна «магнитным зарядам», сосредоточенным в этих полю­сах, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Таким образом, если один из полюсов характеризуется «магнитным за­рядом» М, а другой «магнитным зарядом» т и если расстояние между полюсами есть г, то сила взаимодействия между полюсами

F = k^, (116.1)

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора еди­ниц.

На основе опытов Кулона за меру напряженности магнитного поля была принята сила, с которой магнитное поле действует на магнитный заряд, равный единице. Если на магнитный полюс, содержащий «маг­нитный заряд» т, действует сила F, то напряженность поля

*=-£.

т

Напряженности поля приписывалось направление, совпадающее с на­правлением силы, действующей на северный полюс магнита.

Сам Кулон обратил внимание на чрезвычайно сущест- венное и глубокое различие между электрическими и маг­нитными явлениями. Это различие заключается в том, что мы можем разделить электрические заряды и получить тело с избытком положительного или отрицательного электричества (§ 5), но мы никак не можем разделить в теле северный и южный магнетизм и получить тело с одним только полюсом. Более того: оба полюса любого магнита представляют собой равные «количества магне­

тизма», так что мы не можем иметь тело, содержащее в избытке северный или южный магнетизм.

Чтобы пояснить это различие, напомним опыт электро­статической индукции (§ 8) и попробуем проделать анало­гичный опыт с магнитом. На рис. 207 слева изображен опыт электризации тела путем электростатической индук­ции, а справа — аналогичный опыт намагничивания через индукцию (влияние). Когда мы подносим к заряженному

/*-S	S
	2
+ V	У	тя

Рис. 207. Сопоставление процесса электри­зации куска металла путем электроста+иче- ской индукции (слева) и намагничивания стального бруска под влиянием магнита (справа)

0ч.

SET

Г

(например, положительно) телу 1 кусок металла 2, то на ближнем конце его возникает отрицательный заряд, а на противоположном конце— положительный. Точно так же, когда мы подносим к полюсу (скажем, северному) магнита 3 стальной брусок 4, то на ближнем конце бруска возникает южный, а на дальнем — северный магнитный полюс. До сих пор аналогия полная. Но дальше явления проте­кают совершенно различно: если мы разделим наэлектри­зованный кусок металла 2 на части и раздвинем их, то одна часть окажется наэлектризованной отрицательно, т. е. будет иметь избыток отрицательного заряда, другая окажется наэлектризованной положительно; если же мы разделим на части намагнитившийся стальной брусок, то легко убедимся в том, что каждая из этих' половинок представляет собой магнит с двумя полюсами, расположен­ными так, как показано на рис. 207. Мы можем разломить каждую из. половинок опять на две части и продолжать этот процесс сколь угодно долго; каждый маленький об­ломок магнита будет представлять собой магнит с двумя полюсами.

Разделить полюсы, т. е. получить тело с одним только полюсом, невозможно ни этим, путем, ни каким бы то ни было иным. Из невозможности разделить северный и юж­ный магнетизм в теле Кулон заключил, что эти два вида магнитных зарядов неразрывно связаны друг с другом в каждой элементарной частице намагничивающегося веще­ства. Иными словами, было признано, что каждая неболь­шая частица такого вещества — атом, молекула или не­большая группа атомов или молекул — представляет со­бой нечто вроде маленького магнита с двумя полюсами на концах. Таким путем Кулон пришел к очень важной ги­потезе о существовании элементарных магнитов с неразрыв­но связанными полюсами.

Как же нужно представлять себе с этой точки зрения процесс намагничивания железа? Нужно считать, что и в ненамагниченном бруске железа уже существуют описан­ные выше элементарные магниты, но все они расположены

Рис. 208. Процесс намагничивания с точки зрения гипотезы Кулона: а) хаотическое распределение элементарных магнитов в ненамагни­ченном железе; б) упорядоченное их расположение в намагниченном железе, помещенном в магнитное поле

в

беспорядочно (хаотически). Магнитики без всякого по­рядка располагаются по всем возможным направлениям, причем в каждом направлении примерно столько же маг- * нитиков ориентировано своим северным полюсом в одну сторону, сколько и в противоположную (рис. 208, а). Именно поэтому действия всех этих элементарных магни­тов взаимно уравновешиваются, и брусок железа в целом' представляется ненамагниченным. Когда же мы помещаем этот брусок железа в магнитное поле, например подносим его к магниту или помещаем внутрь катушки с электри­ческим током, то магнитное поле заставляет элементарные магниты повернуться и выстроиться цепочками, как по­казано на рис. 208, б. При этом действие противополож­ных полюсов внутри магнита взаимно уничтожается, а на концах бруска возникают магнитные полюсы. Таким об­разом, намагничивание тела представляет собой упорядо­чение ориентации его элементарных магнитов под влиянием

внешнего магнитного поля, т. е. процесс, во многом ана­логичный процессу поляризации диэлектриков (§ 37).

§ 117. Гипотеза Ампера об элементарных электрических токах. Открытия Эрстеда и Ампера привели к новому и более глубокому представлению о природе магнитных явлений. Опираясь на установленную в этих опытах тождественность магнитных действий магнитов и соответствующим образом подобранных токов, Ампер решительно отказался от пред­ставления о существовании в природе особых магнитных зарядов. С точки зрения Ампера, элементарный магнит — это круговой ток, циркулирующий внутри небольшой ча­стицы вещества: атома, молекулы или группы их. При

Рис. 209. Упорядоченное расположение амперовых токов в намагни­ченном железе, помещенном в магнитном поле

намагничивании большая или меньшая часть таких токов устанавливается параллельно друг другу, как показано на рис. 209 (амперовы токи).

Мы видели в § 115, что по своим магнитным свойствам круговой ток вполне подобен короткому магниту, ось ко­торого перпендикулярна к плоскости тока. Поэтому изоб­раженная условно на рис. 209 система ориентированных молекулярных токов совершенно равносильна цепочкам элементарных магнитиков в гипотезе Кулона.

Таким образом, теория Ампера сделала ненужным до­пущение о существовании особых магнитных зарядов, позволив объяснить все магнитные явления при помощи элементарных электрических токов. Дальнейшее более глубокое изучение свойств намагничивающихся тел пока­зало не только, что гипотеза магнитных зарядов или эле­ментарных магнитиков излишня, но что она неверна и не может быть согласована с некоторыми экспериментальными фактами. Мы позже познакомимся с этими фактами (§ 147).

С точки зрения теории Ампера становится совершенно понятной неотделимость друг от друга северных и южных полюсов, о которой мы говорили в предыдущем параграфе. Каждый элементарный магнит представляет собой круговой виток тока. Мы видели уже, что одна сторона этого витка соответствует северному, другая — южному полюсу. Имен­но поэтому нельзя отделить друг от друга северный и юж­ный полюсы, как нельзя отделить одну сторону плоскости от другой.

Таким образом, мы пришли к следующему основному результату.

Никаких магнитных зарядов не существует. Каждый атом вещгства можно рассматривать в отношении его магнитных свойств как круговой ток. Магнитное поле намагниченного тела слагается из магнитных полей этих круговых токов.

В ненамагниченном теле все элементарные токи рас­положены хаотически, и поэтому мы не наблюдаем во внеш­нем пространстве никакого магнитного поля.

Процесс намагничивания тела заключается в том, что под влиянием внешнего магнитного поля его элементарные токи в большей или меньшей степени устанавливаются параллельно друг другу и создают результирующее магнит­ное поле.

Значение теории Ампера не вызывало сомнения. Однако представле­ния Ампера о существовании элементарных токов, непрерывно цирку­лирующих внутри частиц веществ, были чрезвычайно смелы и необычны для его времени. Дальнейшее развитие науки сделало эти представле­ния естественным следствием созданной в XX веке теории атома. Атом представляет собой систему из центрального положительно заряжен­ного ядра и электронов, обращающихся около него, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Движение электронов представля­ет собой круговые токи, циркулирующие внутри атомов. Удалось даже осуществить специальные опыты, показывающие, что намагничивание тел сопровождается ориентировкой осей этих круговых токов, стремя­щихся расположиться параллельно.

Такие наглядные представления о строении атомов являются слиш­ком грубымц и потому неточными, однако они в общих чертах правиль­но передают сущность дела,