Landsberg-1985-T2

рамка устанавливается ПPJ>пендикулярно к линии, соеди­

няющей полюсы магнита (рис. 202, 6). Такое устройство

из магнита и рамки используется в гальванометрах для

измерения постоянного тока (§ 135).

Описанный в § 103 опыт отклонения катодного луча

магнитоместь также проявление действия магнита на ток,

](

2

Рис. 201. Опыт, обратный опыту Эрстеда: а) ток выключен; б) при вклю­

чении тока проводник 1 обвивается вокруг магнита 2

ибо пучок катодных лучей представляет собой электриче­

ский ток.

2. Магнит обладает способностью намагничивать же­

лезо и притягивать его к себе. Обладает ли такой же спо­ собностью электрический ток? Еще в 1820 г. Араго заме­

тил, что если погрузить провод, по которому идет доста­

точно 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.

264

Обычно пользуются медным лроводом. Для того чтобы ток

"не проходил через опилки, провод следует брать в изоли­

рующей обмотке. При большом токе можно даже не по­

гружать провод в опилки, а только приблизить его к ним.

J

f

2

б) ток ВКJIючеи

Немного позже Араг6 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 электри­

ческий 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 напрайлении - приблИ;'!ительно 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

265

квадратн'ой рамки (рис. 203, а); концы витка находятся

точно один под другим на небольшом расстоянии друг от

друга. К ним прикреп.тrены два стальных острия 2, опущен­

ных в· чашечки с ртутью, К которым присоединены про­

водники, идущие от батареи. Благодаря такому устрой­

ству виток мог свободно вращаться на остриях, И при этом

f( оатарее

Рис. 203. Прибор Ампера для обнаружения действия магнитного поля

Земли на виток с током: а) свободно подвешенный виток УСТ:Jнавли·

вается' так, чтобы плоскость его была перпендикулярнв к меридиану;

6) 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. Так'им образо~{, 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 rl0двесить

не один виток, а катушку, иди, как говорят, соленоид,

СОСТОЯЩий из большого чима таких витков (рис. 203, 6). 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 параЛЛЕ\ЛЬНО друг другу, то при включении в них тока эти проволоки будут друг от

266

а)

-Рис. 205. а) Соленоид 1 закреплен неподВНЖНО, соленоид'2 подвешеи

на гибком проводнике; при включении Тока соленоид 2 поворачи­ вается так, чтобы напраВJjения тока в соленоидах 1 и 2 были одина­ ковы, притягивается к соленоиду 1 и надевается на него. 6) При пере­

меНе направления тока в одном из соленоидов ,соленоид 2 СЛетает с

соленоида 1, поворачивается на r80° и снова надевается на него

, 267

друга отталкиваться, если токи в НИХ противоположны

по направлению (рис. 204, а); напротив, проволоки будут

друг к другу притягиваться, если токи в них имеют оди­

наковое направление (рис. 204, б). Движения проводни­

ков, вызываемые взаимодействием между ними, могут быть весьма разнообразны в зависимости от формы провод­ ников, их взаимного расположения и условий закрепления. Опыт, иллюстрирующий характер взаимодействия между

двумя соленоидами с током, изображен на рис. 205. Сле­

дует 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

.иагнuтным своЙСтва.и соленоид с током подобен магнитной

стрелке.

Из этих опытов можно заключить, что магнитное

действие магнитов вполне тождественно магнитному

действию токов при соответствующем nодборе тока и

формы nроводника.

?115.1. Стальная спица по~[ещена внутри двух поставленных рЯJ.1.0М

•и соединенных последовательНО катушек и намагничивается то·

ком, проходящим по этим катушкам. Каково будет расположение

+1::- +

а)

Рис. 206. К упражнению 115.1

полюсов и иейтральных зон на спице в том случае, когда токи в обеих катушках направлены одинаково (рис. 206, а) и когда они направлены противопо.10ЖНО (рис. 206, б)?

§ 116. Происхождение магнитного поля постоянных магни­

тов. Опыт Кулона. Как возникает магнитное поле постоян­

ных· магнитов? Каковы те физические процессы, которые

превращают простой ненамагниченный брусок стали в­

магнит? Эти основные вопросы не перестают привлекать

к себе внимание исследователей.

268

Когда изучение магнитных явлений только начина­ лось, 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 раз­

личны, так что каждый полюс одного маГНита притягивает

к себе один из полюсов другого и отталкивает его второй

полюс. Для объяснения этих явлений еще Гильберт вы­ сказал предположение, что пo.r~обно электрическим заря­

дам в природе существуют и «магнитные заряды» - се­

верный и южный, взаимодействующие друг с друrом.

Эти представления были в значительной мере развиты Кулоном.

С помощью крутильных весов, описанных в § 10, Кулон исследовал взаи­

модействие двух длинных и тонких магнитов. Кулон показал, что можно

характеризовать каждый полюс определенным «количествам магнеmиэ­

ма», или «магнитным зарядом», причем закон взаимодействия магнитиых

цолюсов такой же, как закон взаимодействия электрических зарядоз

(§ 10): два ооноuжнныJC полюса отталхиааются друг от друга, а два раз­

ноим.енЮJlX полюса притягиваются друг х другу с силой, хоmaрал nрЛN.O nроnoрциональна «магнитным зарядам», сосредоmaчеННblAl в этих полю­

сах, и обратно nраnорцuoнальна квадрату рассmaянuя м.ежду ними.

Таким образом, если один из полюсов характеризуется «магнитным за­

РЯДОМ:' М, а Другой «магнитным зарядом» т н если раСС70яиие между

ПОJllOCами есть " то сила взаимодействия между полюсами

. где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора еди­

ниц,

На основе опытов Кулона за меру напряженности магнитного поля

была принята сила, с которой магнитное поле действует на магнитный

заряд, равный единице. Еслн на магнитный полюс, содержащий «маг­

нитный заряд» т. действует сила Р, то напряженность поля

F

Н=-,

т

Напряженности поля припиtывалось направление, совпадающее с на­ правлением силы, действующей на северный полюс магнита.

Сам Кулон обратил внимание на чрезвычайно сущест- ; венное и глубокое различие между электрическими и маг­ нитными явленинми. 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 може.tt разделить 8

теле северный и южный магнетизм. и получить тело с

одн.И.tt только полюсом. Более того: оба полюса любого магнита. представляют собой равные «количества магне-

269

тизмю>, так что мы не можем иметь тело, содержащее в

избытке северный или южный магнетизм.

Чтобы пояснить это .различие, напомним опыт электро-·

статической индукции (§ 8) и попробуем проделать анало­

гичный опыт с магнитом. На рис. 207 слева изображен

опыт электризации тела путем электростатической индук­

ции, а справа - аналогичный опыт намагничивания через

индукцию (мияние). Когда мы подносим к заряженному

Рис. 207. Сопоставление процесса электри­

зации куска меТ1iлла путем электростаtиче.

ской индукции (слева) и намагничивання

стального бруска под влияннем магнита

(справа)

(например, полщкительно) 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 проте­

кают совершенно различно: если мы разделим наэлектри­

зованный 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

представляет собой магнит с двумя полюсами, расположен­

ными 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 об­ ломок магнита будет пр~дставлять собой магнит с двумя

- полюсами.

270

Разделить полюсы, т. е. получить тело с однШt только

ПОЛЮСОМ, неООЗАЮЖНО ни этим путем. ни каким бы то ни

.было иным. Из невозможности разделить северный и юж­

ный магнетизм в теле Кулон заключил, что эти два вида

магнитных зарядов неразрывно связаны друг с другом в

каждой элементарной частице намагничивающегося веще­

ства. Иными словами, было признано, что каждая неболь­

шая частица такого вещества - атом, молекула или не­

большая группа атомов или молекул - представляет со­ бой нечто вроде маленького магнита с двумя полюсами на

концах. Таким путем Кулон пришел к очень важной ги­

потезе о существовании элементарных магнитов с неразрыв­

но связанными полюсами.·

Как же нужно представлять себе с этой точки зрения

процесс намагничивания железа? Нужно считать, что и в

ненамагниченном бруске железа уже существуют описан­

ные выше элементарные магниты, но все они расположены

Рис. 208. Процесс намагниЧивания с точки зрения гипотезы Хулона:

а) хаотическое распределение элементарных магнитов в ненамагни,

ченном железе; б) упорядоченное их расположение в намагниченном

железе, помещенном в магнитное поле

беспорядочно (хаотически). Магнитики без всякого по­

рядка располагаются по всем возможным направления~,

l'

причем в каждом направлении примеRНО столько же маг­

нитиков ориентировано своим северным полюсом в одну

сторону, сколько и ·в противоположную (рис. 208, а).

Именно поэтому действия всех этих элементарных магни­

тов взаимно уравновешиваются, и брусок железа в целом'

представляется ненамагниченным. Когда же мы помещаем

ЭЧ'ОТ брусок железа в магнитное поле, например подносим

его к магниту или помещаем внутрь катушки с электри­ ческим током, то магнитное поле заставляет элементарные

магниты повернуться и выстроиться цепочками, как по­

казано на рис. 208, б. При этом действие противополож­

ных полюсов внутри магнита взаимно уничтожается, а на

концах бруска возникают магнитные полюсы. Таким об­

разом, Нaм.tl2ничuванШ! тела представляет собой упорядо­

чение ориентации его элементарных магнитов nодвлиянШ!м

171

внешнего .магнитного поля, т. е. процесс, во многом ана­

логичный процессу ПОJ{яризации 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 пред­

ставления о существовании в природе особых магнитных

зарядов. С точки зрения Ампера, элементарный .иагнит -

это круговой ток, циркулирующий внутри небольшой ча­

стицы eeUI,Rcmвa: атома, JtOлекулы или группы их. При

Рис, 209. Упорядоченное расположение амперовых токов в намагни,

ченном 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 ко­

торого перпендикулярна к плоскости тока. Поэтому изоб­ раженная условно на рис. 209 система ориентированных

молекулярных токов совершенно равносильна цепочкам

элементарных ма'гнитиков в гипотезе Кулона.

Таким образом, теория Ампера сделала ненужным до­

пущение о существовании особых магнитных зарядов,

позволив объяснить все магнитные явления при помощи

элементарных электрических токов. Дальнейшее более

глубокое изучение свойств намагничивающихся тел пока­ зало не только, что гипотеза магнитных зарядов иЛ/l эле­

ментарных магнитиков излишня, но что она неверна и не

может быть согласована с некоторыми экспериментальными

фактами. Мы позже познакомимся с этими фактами (§ 147).

272