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.