Федун В.И. Конспект лекций по физике Магнетизм

24	Магнитное поле. Закон Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса для магнитного поля. Закон Ампера для взаимодействия двух параллельных, длинных проводников с током.

Магнитное взаимодействие и магнитное поле движущихся зарядов.

Первые письменные свидетельства о магнетизме появились более 2 тысяч назад в Китае. В них упоминается о применении естественных постоянных магнитов в качестве компасов. В Европе же компас появился только в эпоху средневековья. Начиная с 12 века, в Европе предприняты попытки изучения постоянных магнитов разной формы. Результаты исследования магнетизма в эпоху Возрождения были обобщены в труде английского физика У. Гильберта “О магните, магнитных полях и о большом магните – Земле ” (1600 г.), где, в частности, было показано, что Земля – магнитный диполь, и доказана невозможность разъединения двух разноименных полюсов магнита.

В.1759 г. в трактате “Опыт теории электричества и магнетизма” русский ученый Ф. Эпинус подчеркнул аналогию между электрическими и магнитными явлениями. Эта аналогия, как показал Ш. Кулон (1785-1789 г.г.), имеет определенное количественное выражение: взаимодействие точечных магнитных полюсов подчиняется тому же закону, что и взаимодействие точечных электрических зарядов.

Прорыв сквозь стереотипы сложившихся представлений о магнетизме, гальванизме и электричестве был совершен во многом благодаря Гансу Христиану Эрстеду - профессору Копенгагенского университета. Он допускал, что магнетизм, как и гальванический ток, может оказаться одной из “скрытых форм” электричества. В поисках этой связи он открыл магнитное поле электрического тока, чем дал толчок новому этапу в изучении магнетизма.

В течение XIX столетия был совершен ряд открытий в области электромагнетизма. М. Фарадей дал последовательную трактовку явлений магнетизма на основе представлений о реальности электромагнитного поля и открыл электромагнитную индукцию (1831 г.); сформулировано правило Ленца (Э.Х. Ленц, 1833 г.); Дж.К. Максвелл сделал обобщение открытых электромагнитных явлений; А.Г. Столетов, П. Кюри и др. провели систематическое изучение свойств парамагнетиков и ферромагнетиков. Т.о., были заложены основы современной макроскопической теории магнетизма.

Изучение магнетизма на микроскопическом уровне стало возможным только в XX веке после открытия электронно-ядерной структуры атомов.

В 1905 г. французский физик П. Ланжевен, основываясь на классической электронной теории голландского ученого Х.А. Лоренца, построил теорию диамагнетизма и полуклассическую теорию парамагнетизма.

Начало очередного этапа в развитии учения о магнетизме связано с открытием электронного спина и сопутствующего ему магнитного момента (С. Гаудсмит, Дж.Ю. Уленбек, США, 1925 г.) и созданием квантовой механики, что привело к развитию квантовой теории диа-, пара- и ферромагнетизма.

Однако и достигнутое на сегодняшний день глубокое проникновение в природу магнитных явлений, не исчерпало проблем, связанных как с природой магнетизма, так с пониманием наблюдаемых магнитных явлений.

.Экспериментальные факты.

Итак, к началу XXстолетия для объяснения определенного класса наблюдаемых явлений было введено понятие магнитного поля. Основные экспериментальные факты указывали на то, что

1. магнитное поле создают движущиеся электрические заряды;

2. магнитное поле действует только на движущиеся заряды.

Опыты.

1) Эрстед (1820 г.). Ток пропускался по проволоке, подвешенной над стрелкой компаса. Стрелка, первоначально установленная параллельно про­

	волоке, при пропускании по проволоке тока ориентировалась перпендикулярно ей, причем направление вращения стрелки зависело от направления протекания тока. Т.о. впервые была установлена связь электричества и магнетизма.

2) Ампер (1820 г.). Взаимодействие двух параллельных токов.

Два параллельных провода, по которым текут одинаково направленные токи, притягиваются друг к другу. Сила, приходящаяся на единицу длины любого из проводов, пропорциональна произведению обоих токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводами. Перемена направления одного из токов превращает силу притяжения в силу отталкивания. Между двумя нитями с постоянным электрическим током существует нечто вроде «действия на расстоянии». Сила, о которой идет речь, зависит только от зарядов, движущихся по проводам, т.е. от двух токов. Это -магнитные силы; их причина –движение зарядов.

Стрелка компаса Эрстеда мало похожа на цепь постоянного тока. Однако Ампер догадался, что отклонение стрелки компаса, происходящее без видимого движения зарядов, обусловлено электрическими токами в атомном масштабе. Катушка с током ведет себя под влиянием проходящего вблизи тока точно так же, как магнитная стрелка компаса.

3. Отклонение пучка электронов в электронно-лучевой трубке при поднесении провода с током.

	Электроны в электронно-лучевой трубке, движущиеся прямолинейно, отклоняются к проводу с током или от него в зависимости от направления тока в этом проводе.

Магнитная индукция. Принцип суперпозиции магнитных полей.

Магнитное поле, определяющее взаимодействие движущихся зарядов характеризуют вектором , задающим выделенное в каждой точке пространства направление. Векторназываютиндукцией магнитного поля. В магнетизме векторявляется аналогом вектора напряженности электрическогополя в электростатике (соответственно,) и, т.о., определяет интенсивность действия магнитного поля на движущийся электрический заряд.

В системе СИ: Тл (тесла).

Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитное поле, создаваемое несколькими движущимися зарядами или токами, равно векторной сумме магнитных полей, создаваемых каждым зарядом или током в отдельности: