Глава 5. Магнитные процессы и явления

5.1. Магнитное поле электрического тока

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают, кроме того, магнитное поле.

Занимаясь изучением электропроводности тел и основных законов постоянного тока, мы ограничивались рассмотрением процессов, происходящих внутри проводников с токами. Однако этим не исчерпываются все явления, связанные с прохождением электрического тока. Опыты показали, что вокруг проводников с током и постоянных магнитов существует магнитное поле, которое легко обнаружить по его силовому действию на движущиеся электрические заряды, другие проводники с током и постоянные магниты.

Магнитные взаимодействия. Известно, что все постоянные магниты (полосовые, подковообразные и магнитные стрелки) обладают двумя разноименными полюсами: северным (N) и южным (S). Одноименные полюсы взаимно отталкиваются, а разноименные − взаимно притягиваются, подобно электрическим зарядам. Однако отделить северный полюс магнита от южного и получить изолированный магнитный полюс невозможно. Такие попытки делались (Ш. Кулон), но безуспешно – магнитных зарядов нет, всё оказалось гораздо сложнее.

Постоянные магниты оказывают ориентирующее действие на магнитную стрелку, помещенную вблизи от них таким образом, что она может свободно вращаться вокруг своего центра тяжести.

Исследования поведения таких магнитных стрелок в различных точках земного шара привели к выводу, что Земля является огромным магнитом. Ее магнетизм в основном обусловлен процессами, протекающими в жидком металлическом ядре Земли. Магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами: вблизи северного географического полюса Земли находится ее южный магнитный полюс, причем угол между осью вращения Земли и линией, соединяющей ее магнитные полюсы, составляет 11,5°.

Начало исследований электромагнитных явлений и разгадка магнетизма была положена опытом датского физика X. Эрстеда (1820). При пропускании по прямолинейному горизонтальному проводнику постоянного тока находящаяся под ним магнитная стрелка поворачивается вокруг своей вертикальной оси, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику с током. Ось стрелки тем точнее совпадает с этим направлением, чем больше сила тока и чем слабее влияние магнетизма Земли.

Эрстед обнаружил, что направление поворота северного полюса стрелки изменяется на противоположное при изменении направления тока в проводнике. Выяснилось, что к покоящимся зарядам стрелка оставалась совершенно равнодушной и реагирует только на движущиеся заряды.

Магнитное взаимодействие электрических токов. Основываясь на опытах Х. Эрстеда один человек – А.М. Ампер, гениальный французский физик и математик, раскрыл суть явления магнетизма: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми токами внутри него. Таким образом, магнитное взаимодействие – это взаимодействие токов.

С огласно гипотезе Ампера внутри молекул, слагающих вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи расположены хаотически по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируется и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает (рис. 5.1, а).

Рисунок 5.1

В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы строго определенным образом, так что их действия складываются (рис. 5.1, б).

Там, где Кулон видел неразделимые магнитные полюса молекул, оказались просто замкнутые электрические токи. Неразделимость магнитных полюсов потеряла свою загадочность. Нет магнитных зарядов, и поэтому нечего делить. Магнитные взаимодействия обусловлены не особыми магнитными зарядами, а движением электрических зарядов − током.

Рисунок 5.2

Наблюдать магнитное взаимодействие токов несложно. Надо взять два гибких проводника, укрепить их вертикально и присоединить к источнику тока (рис. 5.2, а). Заметного притяжения или отталкивания не обнаружится, так как при Э.Д.С. источника в несколько вольт и малой электроемкости проводников заряды проводников слишком малы. Кулоновские силы не проявляются. Но если другие концы проводников соединить так, чтобы в проводниках возникли токи одного направления, то проводники начнут притягиваться, (рис. 5.2, б). В случае токов противоположного направления между проводниками возникают силы отталкивания (рис. 5.2, в).

Опыт показывает, что если ток идет только по одному проводнику, то силы взаимодействия между проводниками отсутствуют (рис. 5.2, г). Точно так же не обнаружится взаимодействия, если один из проводов свит из двух, по которым одинаковые токи текут в противоположных направлениях. Такой провод не оказывает влияния на магнитную стрелку, расположенную вблизи него. Другими словами, можно сказать, что близко расположенные равные, но противоположно направленные токи ведут себя так же, как проводник, в котором тока нет: они не обнаруживают магнитного действия.

Магнитное поле токов. Согласно теории близкодействия токи не могут непосредственно действовать друг на друга. Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным. Каждый элемент тока в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на все элементы тока во втором проводнике.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.

Что же такое магнитное поле? Как и в случае электрического поля, ответить на этот вопрос можно так:

во-первых, поле материально: оно существует независимо от нас, от наших знаний о нем;

во-вторых, оно обладает определенными свойствами, которые могут быть найдены экспериментально.

Основные свойства магнитного поля таковы: магнитное поле порождается током (движущимися зарядами) и обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды). О других свойствах поля будет рассказано в дальнейшем.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: при прохождении по проводнику электрического тока вокруг проводника возникает магнитное поле, действующее на помещенную в это поле магнитную стрелку. Поскольку ток в проводнике представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, то на основании приведенных выше опытов естественно предположить, что вокруг всякого движущегося заряда должно существовать магнитное поле.

При этом материал проводника и характер его проводимости (электронный или ионный), а также происходящие в нем процессы (например, нагревание, электролиз и т. д.) никакой роли не играют. Действительно, используя в опыте Эрстеда проводники одинаковой формы и размеров, изготовленные из разных металлов, а также из разных твердых и жидких электролитов, мы не обнаружим никаких различий в отклонении магнитной стрелки, если только сила тока в проводниках во всех случаях будет одинаковой.

Непосредственное измерение действия магнитного поля движущихся электронов на магнитную стрелку было произведено А. Ф. Иоффе (1911). При движении электронов в форме пучка в трубке с высоким вакуумом возникало магнитное поле, действовавшее на магнитную стрелку. Таким образом, было доказано, что свободные электронные пучки по своему магнитному действию эквивалентны токам в проводниках.

Эти и другие опыты показывают, что вокруг всякого движущегося заряда, будь то электрон, ион или заряженное тело, помимо электрического поля существует также и магнитное поле. Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Следовательно, между двумя движущимися друг относительно друга заряженными частицами существуют и электрическое, и магнитное взаимодействия.