Landsberg-1985-T2

Г л а в а Х. ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

§ 112. Естественные и искусственные магниты. Прежде

чем углублять наши знания о магнитных явлениях, на­

помним некоторые известные факты.

1. В природе встречаются некоторые железные руды, обладающие способностью притягивать к себе находя-

(1)

Рис. 192. ЕстествеННЫII магнит: а) М;JГIIИТlIМI руда притягивает к себе железные опилки; 6) магнитная рула, полв('шенная на нити, устанав­ ливается определенным образом - с с('вера на юг (N -+5)

щиеся поблизости неболЬшие железные предметы, напри­ мер железные опилки или гвозди (рис. 192, а). Если кусок

такой руды подвесить на нити, он установится по длине

~ в направлении с севера на юг

ляются тем сильнее, чем ближе он находится к магниту.

Особенно сильно намагничивание в том случае, когда

железо притянуто к магниту вплотную.

254

3. После удаления магнита намагнитившийся под его

действием кусок железа или стали теряет значительную

часть своих магнитных свойств, но все же остается в боль­

шей или меньшей мере намагниченным. Он превращается,

В этом можно убедиться при помощи такого простого опыта.

На рис. 194, а стальной брусок 1, притянутый к концу

1

2

3"

4-

J

и)

Рис. 194. Намагничивание железных предметов возрастает по мере приближения их к магниту: а) брусок 1, притянутый к магниту ВПJlОТ­

ную, намагничивается настолько сильно, что удерживает всю цепочку

2--5; б) магнит отодвинут от бруска 1, намагничивание ослабло и це-

почка распалась

магнита, сам намагнитился настолько сильно, что удер­

живает груз, состоящий из нескольких таких же брусков

2-5. В свою очередь каждый из этих брусков удерживает

силами магнитного притяжения все бруски, расположен­

ные ниже его. Таким образом, вся цепочка висит, удер­

живаясь силами магнитного притяжения, которые урав­

новешивают силы тяжести, действующие на бруски. Если

мы немного отодвинем магнит, придерживая пальцами верх­

ний брусок, то цепочка рассыплется: бруски размагничи­

ваются настолько, что каждый из них уже не в состоянии

удержать нижние бруски (рис. 194, б). Однако каждый из

брусков сохранил известную долю намагничивания. До­ статочно внести какой-нибудь из этих брусков в железные

опилки, и мы увидим, что они пристанут к его концам.

намагничиванием, в отличие от постоянного, или остаточ­

ного, намагничивания, которое сохраняется и после уда­

ления магнита.

Опыты такого рода показывают, что остаточное намаг­

ничивание, вообще говоря, значительно меньше времен­

ного; у мягкого железа оно составляет лишь небольшую

долю его.

25$

4. Как временное, так и остаточное намагничивание различны для разных сортов железа и стали. Временное

намагничивание мягкого, отожженного железа значи­

телыю сильнее, чем неотожженного железа или стали.

Напротив, остаточное намагничивание стали, особенно

некоторых специальных сортов ее, например содержащих tIримесь кобальта, значительно больше, Чбf остаточное намагничивание мягкого железа. Таким образом, если мы

возьмем два одинаковых бруска - один ИЗ мягкого же­

леза, другой из стали - и поместим их вблизи одного

и того же магнита, то железный брусок намагничивается

значительно сильнее, чем стальной. Но когда мы магнит уберем, то железный брусок размагнитится почти полно­ стыо, а стальной сохранит заметную долю своего намаг­

ничивания. В результате стальной брусок превратится

в значительно более сильный постоянный магнит, чем же­

лезный. Поэтому постоянные искусственные магниты всегда

изготавливают из специальных сортов стали, а не из

железа. ,

5. Искусственные магниты, получаемые путем простого размещения куска стали вблизи магнита или ПРИКОСНО­ вением его к магниту, довольно слабы. Более сильные

магниты получаются, если натирать стальную полосу

магнитом в одном направлении. Однако и в этом случае мы всегда получаем магнит более слабый, чем тот, при помощи которого ПРОИЗВОДИJIOсь намагничивание. Вся­

кого рода удары и встряхивание во время намагничива­

ния б.lагоприятствуют ему. Напротив, сотрясения гото­

вого постоянного магнита, а также резкие изменения его

температуры способствуют размагничиванию.

Остаточное намагничивание зависит не только от мат('риа.1а, но и

от формы намагничиваемого Te.~a. Сравнительно короткие и толстые

бруски из мягкого железа, как мы говорили, размагничиваются посде

удаленин магнита почти подностью. Но если из того же железа мы при­ готовим проволоку, длина которой в 300-500 раз больше ее диаметра,

то эта проволока, не свернутая в бухту нли клубок, в значительно боль­

шей степени сохр;шяет свое намагничивание.

?112.1. Вертикадьный магнит притягивает l{ себе железный ша.

•рик, помещенный на таком расстоннии от магнита, что это при•

тяжение ураВНОIJеwивает силу тнжести, действующую на шарик, так что он может висеть в воздухе без опоры. Устойчивым будет

это равновесие или неустойчивым? Куда будет двигаться wарик,

если мы чуть.чуть поднимем или опустим его из положения рав.

новесин?

112.2. Железный кубик, лежащий на гладком стекле, Притягива.

ется к магниту, тоже лежащему на это),! стекле. Кубик скользит

по стеклу. Как он движется: равномерно, равноускоренно или со

все возрастающи~! ускорением?

256

§ 113. Полюсы магнита и "его нейтральная зона. Посмотрим, одинаковы ли магнитные свойства естественного или ис-

"кусственного магнита в разных точках его' поверхности.

Возьмем железный шарик, укрепленный на одном конце

слабой спиральной пружинки. Прикоснемся этим шариком

к какому-нибудь месту магнита, а затем будем отрывать

~~~::::::::::~E~~"~

нита,- для того чтобы оторвать шарик, требуется до­

вольно значительное усилие, а в других точках - у сере­

дины магнита - шарик почти не притягивается к нему.

По этой же причине, если погрузить магнит в железные

опилки и затем вынуть его, мы увидим, что опилки при­

стают в виде густой «бороды» к концам магнита и не при­

стают к его середине (рис. 196).

Те части поверхности магнита, в которых притяжение

железных предметов проявляется заметным образом, на­

зывают полюсами магнита, а та часть поверхности маг­

магниты почти всегда имеют два полюса на концах полосы

и нейтральную зону между ними. Можно, однако, намаг­

нитить кусок стали так, чтобы он имел не 2, а 4, 6, ...

полюсов, разделенных нейтральными зонами. Но, что особенно важно отметить, никогда не удаеТСЯ получить магнит с нечетным числом полюсов. В частности, невоз­

можно получить магнит с одним полюсом.

Соотношение между размерами. полюсных ооластe1i и lIейтралънои зоны зависит от формы. магнита.

Если изготовить магнит в виде очень длинного и тон­

кого стержня, то полюсные области его сводятся почти к

Рис. 197. Обычные формы постоянных полосовых магнитов: а) прямая;

6) подковообразная. При хранении концы магнита соединяют желез­

ным бруском (якорем), чтобы предохранить магниты от размагничи-

вания

точкам, лежащим у концов магнита, а вся остальная по­

верхность представляет собой нейтральную зону. По­

добный удлиненный магнит можно назвать магнитной

стрелкой. Часто магнитной стрелке придают вид вытяну­

того ромба (рис. 198). Если такую стрелку подвесить или

-~.-

Рис. 198. Магнитные стрелки в виде вытянутого ромба~ слева - под­

вешенная на НИТИ, справа - укрепленная на острие

укрепить на острие так, чтобы она могла свободно вра­ щаться, то она всегда устанавливается так, чтобы один из ее полюсов был обращен к северу, а другой к югу; точно

так же ориентируется и любой магнит, подвешенный на

тонкой, легко закручнвающейся нити. Тот полюс магнита, который поворачивается к северу, называют северным полюсом, а другой полюс - ЮЖНblМ. .

Магнитные стрелки особенно удобны для обнаружения

магнитных свойств естественного или искусственного маг­ нита. Приближая к стрелке магнит, мы увидим, что ее северный полюс притягивается к южному полюсу маг-

2j8

нита и отталкивается от северного (и наоборот), так что

магнитная стрелка под действием магнита поворачивается

на своей оси. Способность магнита поворачивать ипритя­

гивать железные тела сводится к таким же действиям:

приближение магнита к железу прежде всего. намагни­ чивает железо, т. е. обращает его в слабый магнит, кото­ рый поворачивается нашим магнитом и притягивается

кнему. .

Спомощью магнитной стрeJIКИ можно'легко различить,

имеем ли мы дело с ненамагниченным куском железа или

с магнитом. Поднося к концу стрелки магнит, мы вызовем

или притяжение или отталкивание в зависимости от того,

сближаются ли одноименные или разноименные полюсы стрелки и исследуемого магнита. lIри поднесении же к

концу стрелки железа мы всегда обнаружим притяжение;

ближайший к полюсу стрелки конец железа всегда намаг­

ничивается противоположно этому полюсу; второй, уда­ лен.ныЙ конец железного куска намагничивается, конечно, противоположно ближнему концу, т. е. одноименно с рас­ сматриваемым полюсом стрелки, но его взаимодействие со

стрелкой будет гораздо слабее, и мы обнаружим только

взаимодействие разноименных полюсов, т. е. притяжение

стрелки к железу.

?l1З.1. Имеется стальная спица. Как узнать, намагничена ли она,

не пользуясь ничем, кроме этой спицы?

11З.2. Имеются два стальных бруска, из которых только один намагничен. Как узнать, какой именно брусок намагничен, не

пользуясь ничем, кроме этих брусков?

§114. Магнитное действие электрического тока. Простей­

тие электрические и магнитные явления известны людям

с очень давних времен.

По-видимому, уже за 600 лет до н. э. греки знали, что

магнит притягивает к себе железо, а натертый янтарь­ легкие предметы, вроде сол<')минок и т. п. Однако различие между электрическими и магнитными притяжениями было

еще не ясно; те и другие считались явлениями одной при­

роды.

Четкое разграничение этих явлений';" заслуга английского врача и естествоиспытателя Уильяма Гильберта (1544-1603), который в 1600 г.

выпустил в свет книгу под названием' «О магнитеj магнитныJCi

телах и большом магните-Земле». С этой книги, собственно, и начи­

нается подлинно научное иаучение электрических и магнитных явле­

ний. Гильберт описал в своеil:..книге все свойства магнитов, которые в его

эпоху были известны, а также изложил резу.'lЬтаты собственных очень

важных опытов. Он указал на ряд существенных различий между элек· ТРИ'lескими и магнитными притяжениями и ввел слово «электричество».

Хотя после Гильберта различие между электрическими и магнит­ ными явлениями было уже для всех неоспоримо ясно, тем не менее ряд

фактов указывал на то, что при всем своем различии эти явления каким­

то образом тесно и неразрывно связаны друг с другом. Наиболее бро­ сающимися'в глаза были факты намагничивания железных предметов и перемагничивания магнитных стрелок под влиянием молний. В своей

работе «Гром и молния» французский физик Доминик Франсуа Арага (1786-1853) описывает, например, такой случай. «В июле 1681 г. ко­ рабль «Королева», находившийся в сотне миль от берега, в открытом

море, был поражен молнией, КОТО()8Я причинила значительные повреж­

дения в мачтах, парусах и пр. Когда же наступила ночь, то по положе­

нию звезд выяснилось, что из трех компасов, имевшихся на корабле, два, вместо того чтобы указывать на север, стали указывать на юг, а

третий стал указывать на запад». Арага описывает также случай, когда

молния, ударившая в дом, сильно намагнитила в нем стальные ножи,

вилки и другие предметы.

В начале XVI II века было уже установлено, что мол­ ЛИЯ, по сути дела, представляет собой сильный электри­ ческий ток, идущий через воздух; поэтому факты вроде

описанных выше могли подсказать мысль, что всякий электрический ток обладает какими-то магнитными свой­

ствами. Однако обнаружить на опыте эти свойства тока. и изучить их удалось только в 1820 г. датскому физику Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851).

Основной опыт Эрстеда изображен' на рис. 199. Над

неподвижным проводом 1, расположенным вдоль мериди­ ана, т. е. в направлении север - юг, подвешена ла тонкой

лити магнитная стрелка 2 (рис. 199, а). Стрелка, как из­ вестно, устанавливается также приблизительно по линии

север - юг, И поэтому она располагается примерно па­

раллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и

пустим ток по проводу 1, мы увидим, что магнитная стрелка

поворачивается, стремясь установиться под прямым углом

К нему, т. е. в плоскости, перпендикулярной к проводу

(рис. 199, б). Этот фундаментальный опыт показывает,

что в пространстве, окружающем проводник с током, дей­

ствуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки,

т. е. силы, подобные тем, которые действуют вблизи ec~

тественных и искусственных магнитов. Такие силы мы

будем называть магнитнЬ/.М,и силами, так же как мы назы­

ваем силы, действующие на электрические заряды, элект~

рическими.

В гл. II мы ввели понятие электрического поля для обозначения того особого состояния пространства, которое

проявляется в действиях. электрических сил. Точно так же мы будем называть магнитным полем то СОСТОяfше·

260

ПР9странства, которое дает о себе знать действием магнит­

ных сил. Таким образом, опыт Эрстеда доказывает, что

в пространстве, окружаюЩем электрический так, возни­

кают lnaгHumHble сиЛbl, т. е. создается .магнитное пале.

Первый вопрос, который поставил перед собой Эрстед

после того, как он сделал свое замечательное открытие,

Ij)

Рис. 199. Опыт Эрстеда с магнитной стрелкой, обнаружив;нощий су­

ществование магнитного поля тока: 1 - провод, 2 - магнитная стрел­ ка, подвешенная параллельно проводу, 3 - батарея гальванич('ских элементов, 4 - реостат, 5 - ключ

был таков: влияет ли вещество провода на создаваемое

током магнитное пол~? «Соединительный провод,- пишет

Эрстед,- может состоять из нескольких проволок или

металлических полос. Природа металла не меняет резуль­

тата, разве только, пожалуй, в отношении величины *).

*) Разные металлы имеют разное сопротивлеI:ие. Поэтому при при. соеДинении их к одной и той же батарее, как это делаЛ Эрстед, сила тока была различна, а потому было различно и магнитное действие этого то. ка.,Надо помнить, что Эрстед производил свои опыты ранее, чем был ус.

261

с ~динакоВЬlМ результатом мы пользовались проволоками

из платины, золота, серебрС!, латуни и железа, а также оловянными и свинцовыми по.лtсами и ртутью».

Все свои опыты Эрстед проводил с металлами, т. е.

с проводниками, в которых проводимость, как мы теперь

~Haeм, ИJ:lеет электронный характер. Нетрудно, однако,

осуществить опыт Эрстеда, заменив металлический провод трубкой с электролитом или трубкой, в которой. проис­

ходит разряд в газе. Такие опыты мы уже описали в § 40

(рис. 73) и видели, что хотя в этих случаях электрический ток обусловлен движением положительных и отрицатель­

ных ионов, но действие его на магнитную стрелку то же,

что и в случае тока в металлическом проводнике. Какова

бы ни была природа проводника, по которому течет ток,

вокруг проводника ~ceгдa создается магнитное поле, под ilЛиянием которого стрелка поворачивается, стремясь стать

перпендикулярно к направлению тока.

Таким образом, мы можем утверждать: вокруг всякого

тока возникает .магнитное поле. Об этом важнейшем свой­ стве электрического тока мы уже упоминали (§ 40), когда

говорили подробнее о других его действиях - тепловом

и химическом.

Из трех свойств или проявлений электрического тока наиболее характерным является именно создание магнит­ ного поля. Химические действия тока в одних проводни­

при одном и том же токе больше или м@ньше в зависимости

. от сопротивления проводника. В сверхпроводниках воз­

можно даже прохождение тока без выделения тепла (§ 49).

Но магнитное поле - неотделимый спутник всякого элект­

рического тока. Оно не зависит ни от каких специальных свойств того или иного проводника и определяется лишь

силой и направлением тока. Большинство технических

применений электричества также связано с наличием маг­

нитного поля тока.

§ 115. Магнитные действия токов и постоянных магнитов. Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес и послу­

жило началом ряда замечательных исследований, по­

казавших тождественность магнитных действий токов и

тановлен закон Ома и было выяснено понятие о сопротивлении провод-

262

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).

к оаmарее к оатарев

f

2

rJ)

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, стре­

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. 20], б). Из этого опыта ясно, что лигнuт действует на проводник с

током, причем обнаруживает~я, 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

263