1. Взаємодія магнітів

У будь-якого магніту є два полюси (полюсами магніту називають ті його частини, поблизу яких найбільше сильно проявляється дія магніту). Дослід показує, що однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні — притягуються.

Виявилося, що взаємодія полюсів магніту дуже схожа на взаємодію електричних зарядів. Більше того, виявилося, що так само, як і для електричних зарядів, сила взаємодії полюсів убуває обернено пропорційно квадрату відстані між ними.

Однак одержати «одиночні» магнітні полюси (тільки північний і тільки південний), подібні до позитивних і негативних електричних зарядів, виявилося неможливим: якщо розпиляти магніт, виходять два менших магніти, у кожного з яких є знову два полюси — північний і південний. Уже в XX столітті було встановлено, що навіть елементарні частинки, такі як протон і електрон, є малюсінькими магнітами, які мають по два полюси.

2. Взаємодія магнітів і провідників зі струмами

Пряме експериментальне виявлення зв’язку між електричними й магнітними явищами відбулося завдяки щасливій випадковості. 1820 року данський фізик X. Ерстед, читаючи лекцію про постійні струми, звернув увагу на те, що магнітна стрілка, яка перебуває поблизу провідника, повернулася під час увімкнення струму. Так було відкрито орієнтувальну дію провідника зі струмом на постійний магніт.

Після того як були виявлені взаємодії магнітів з магнітами й електричними струмами з магнітами, постало запитання: чи відбуватиметься магнітна взаємодія між електричними струмами?

Позитивна відповідь на це питання була отримана Ампером. Він експериментально встановив, що паралельні провідники зі струмами взаємодіють.

Виявилося, що паралельні провідники зі струмами взаємодіють один з одним:

Ø  якщо струми течуть в одному напрямку, то провідники притягуються, а якщо в протилежних напрямках — то відштовхуються. Взаємодію провідників зі струмами використовують для визначення одиниці сили струму, названої на честь Ампера ампером, г Один ампер — це сила такого постійного струму, який під час проходження через два паралельні прямолінійні нескінченно довгі провідники дуже малого перерізу, розташовані у вакуумі на відстані 1 м один від одного, спричиняє між провідниками силу взаємодії, яка дорівнює 2·10-7 Н на кожний метр довжини.

Вивчивши взаємодію котушок зі струмами, Ампер виявив, що воно нагадує взаємодію постійних магнітів: торці котушок притягуються або відштовхуються залежно від того, як спрямовані струми в котушках.

3 постійними магнітами котушки зі струмами теж взаємодіють як магніти: торець котушки притягується до полюса магніту або відштовхується від нього. Таким чином,

Ø  один торець котушки зі струмом є її північним полюсом, а інший — південним.

Таким чином, котушка зі струмом за своєю магнітною дією подібна до магніту.

Можна дати учням таку схему магнітних взаємодій:

 

Магнітні взаємодії
В. Гільберт	магніт   магніт
Г. X. Ерстед	електричний струм   магніт
А. Ампер	електричний струм   електричний струм

 

Взаємодії між провідниками зі струмом називаються магнітними. Сили, з якими провідники зі струмом діють один на одного, називаються магнітними.

3. Гіпотеза Ампера

Те, що котушки зі струмом і магніти взаємодіють у подібний спосіб, навело Ампера на думку, що магнітні властивості постійних магнітів обумовлені незатухаючими мікроскопічними струмами (Ампер називав їх молекулярними), що циркулюють у них. Відповідно до цієї гіпотези частинки речовини являють собою ніби малюсінькі витки зі струмами. Це припущення назвали гіпотезою Ампера.

Якщо мікроскопічні струми орієнтовані хаотично, зразок не проявляє магнітних властивостей. А якщо мікроскопічні струми орієнтовані однаково, то «сусідні» мікроскопічні струми будуть напрямлені протилежно й тому будуть компенсувати один одного.

А от поблизу поверхні зразка мікроскопічні струми течуть в одному напрямку, утворюючи ніби струм, що обтікає поверхню зразка. Внаслідок цього зразок стає подібним до котушки зі струмом і тому проявляє такі ж магнітні властивості, як котушка зі струмом.

Гіпотеза Ампера пояснює, чому не можна роз’єднати полюси магніту, одержавши «одиночні» полюси: адже кожна половина магніту знову подібна до котушки зі струмом.

Тема. Магнітне поле

 

1. Магнітне поле

Під час вивчення електричних явищ ми з’ясували, що електрична взаємодія здійснюється за допомогою електричного поля. Магнітна взаємодія так само, як і електрична, здійснюється за допомогою магнітного поля. Будь-який провідник зі струмом створює навколо себе магнітне поле, і це магнітне поле діє на інші провідники зі струмами.

Магнітне поле, утворюване також постійними магнітами, діє на постійні магніти. Нагадаємо, що, відповідно до гіпотези Ампера, магнітні властивості постійних магнітів також обумовлені мікроскопічними струмами, що циркулюють усередині них.

Магнітне поле зручно досліджувати за допомогою маленьких магнітів (наприклад, магнітних стрілок): у магнітному полі вони в певний спосіб повертаються.

Таким чином, у просторі навколо провідника зі струмом виникають сили, що діють на рухомі заряди і на магнітну стрілку.

Ці сили дістали назву магнітних. Отже, магнітним полем ми будемо називати той стан простору, що проявляє себе через дію магнітних сил.

Визначальні властивості магнітного поля такі:

·       магнітне поле породжують магніти й струми;

·       магнітне поле виявляють за дією на магніти й струми.

2. Магнітна індукція

Для магнітного поля, так само як і для електричного, можна ввести векторну величину, що характеризує це поле в кожній точці. Цю величину називають вектором магнітної індукції й позначають  .

Силовою характеристикою магнітного поля може служити сила, що діє в цьому полі на провідник зі струмом.

Дослід показує, що сила, яка діє з боку магнітного поля на прямолінійний провідник зі струмом, залежить не тільки від магнітного поля, але й від сили струму І в провіднику, довжини провідника l й кута α між провідником і вектором магнітної індукції  .

За заданих сили струму й довжини провідника ця сила максимальна, коли провідники розташований перпендикулярно до вектора магнітної індукції. Із цієї причини саме таке розташування провідника зі струмом було обрано для визначення модуля вектора магнітної індукції. Відповідно до досліду, сила F, що діє з боку магнітного поля на провідник, прямо пропорційна добутку Il.

Виходить, відношення F/Il не залежить ні від сили струму в провіднику, ні від довжини цього провідника й, отже, характеризує власне магнітне поле. Тому модуль вектора магнітної індукції можна визначити в такий спосіб:

Ø  модуль вектора магнітної індукції дорівнює відношенню сили, що діє на провідник зі струмом, розташований перпендикулярно до вектора магнітної індукції, до добутку сили струму в провіднику й довжини провідника:

Ø  За одиницю магнітної індукції приймають магнітну індукцію однорідного поля, у якому на ділянку провідника довжиною 1 м за сили струму в ньому 1 А діє з боку поля максимальна сила 1 Н:

3. Ліни магнітної індукції

Лінії магнітної індукції можна зробити набагато більш наочними, якщо замість магнітних стрілок використати ошурки — у магнітному полі вони намагнічуються, стаючи малюсінькими магнітиками.

Лініями магнітної індукції є лінії, проведені так, що дотичні до них у кожній точці вказують на напрямок поля в цій точці.

Відзначимо, що лінії магнітної індукції реально не існують, вони всього лише зручний спосіб його опису.

Напрямок вектора магнітної індукції визначають, використовуючи орієнтувальну дію магнітного поля на магнітну стрілку або на рамку зі струмом.

Ø  За напрямок вектора магнітної індукції приймають напрямок, у якому вказано північний полюс вільно обертової магнітної стрілки.