Взаимодействия.

Магнитное взаимодействие между железом и магнитом или между магнитами происходит не только при непосредственном их соприкосновении, но и на расстоянии. С увеличением расстояния сила взаимодействия уменьшается, и при достаточно большом расстоянии она перестает быть заметной. Следовательно, свойства части пространства вблизи магнита отличаются от свойств той части пространства, где магнитные силы не проявляются. В пространстве, где проявляются магнитные силы, имеется магнитное поле.

Если магнитную стрелку внести в магнитное поле, то она установится вполне определенным образом, причем в различных местах поля она будет устанавливаться по-разному.

В 1905 году Поль Ланжевен на основе теоремы Лармора и электронной теории Лоренца развил классическую трактовку теории диа- и парамагнетизма.

Естественные и искусственные магниты

Магнетит (магнитный железняк) – камень, притягивающий железо, был описан ещё древними учеными. Он представляет собой так называемый естественный магнит, встречающийся в природе довольно часто. Это широко распространенный минерал состава: 31% FeO и 69% Fe2O3, содержащий 72,4% железа.

Если вырезать из такого материала полоску и подвесить ее на нить, то она будет устанавливаться в пространстве вполне определенным образом: вдоль прямой, проходящей с севера на юг. Если вывести полоску из этого состояния, т. е. отклонить от направления, в котором она находилась, а затем снова предоставить самой себе, то полоска, совершив несколько колебаний, займет прежнее положение, установившись в направлении с севера на юг.

Если погрузить эту полоску в железные опилки, то они притянутся к полоске не везде одинаково. Наибольшая сила притяжения будет на концах полоски, которые были обращены к северу и югу.

Эти места полоски, на которых обнаруживается наибольшая сила притяжения, носят название магнитных полюсов. Полюс, направленный к северу, получил название северного полюса магнита (или положительного) и обозначается буквой N (или С); полюс, направленный к югу» получил название южного полюса (или отрицательного) и обозначается буквой S (или Ю). Взаимодействие полюсов магнита можно изучить следующим образом. Возьмем две полоски из магнетита и одну из них подвесим на нити, как уже указывалось выше. Держа вторую полоску в руке, будем подносить ее к первой разными полюсами.

Окажется, что если, к северному полюсу одной полоски приближать южный полюс другой, то возникнут силы притяжения между полюсами, и подвешенная на нити полоска притянется. Если к северному полюсу подвешенной полоски поднести вторую полоску также северным полюсом, то подвешенная полоска будет отталкиваться.

Проводя такие опыты, можно убедиться в справедливости установленной Гильбертом закономерности о взаимодействии магнитных полюсов: одноименные полюсы отталкиваются, разноименные притягиваются.

Если бы мы захотели разделить магнит пополам, чтобы отделить северный магнитный полюс от южного, то, оказывается, нам не удалось бы сделать этого. Разрезав магнит пополам, мы получим два магнита, причем каждый с двумя полюсами. Если мы продолжали бы этот процесс и дальше, то, как показывает опыт, нам никогда не удастся получить магнит с одним полюсом. Этот опыт убеждает нас, что полюсы, магнита не существуют раздельно, подобно тому как раздельно существуют отрицательные и положительные электрические заряды. Следовательно, и элементарные носители магнетизма, или, как их называют, элементарные магнитики, также должны обладать двумя полюсами.

Описанные выше естественные магниты в.настоящее время практически не используются. Гораздо более сильными и более удобными оказываются искусственные постоянные магниты. Постоянный искусственный магнит проще всего изготовить из стальной полоски, если натирать ее от центра к концам противоположными полюсами естественных или других искусственных магнитов. Магниты, имеющие форму полоски, носят название полосовых магнитов. Часто удобнее бывает пользоваться магнитом, напоминающим по форме подкову. Такой магнит носит название подковообразного магнита.

Искусственные магниты обычно изготовляются так, что на их концах создаются противоположные магнитные полюса. Однако это совсем не обязательно. Можно изготовить такой магнит, у которого оба конца будут иметь один и тот же полюс, например, северный. Изготовить такой магнит можно, натирая от середины к концам стальную полоску одинаковыми полюсами.

Однако северный и южный полюсы и у такого магнита неотделимы. Действительно, если его погрузить в опилки, то они сильно притянутся не только по краям магнита, но и к его середине. Легко проверить, что по краям расположены северные полюсы, а южный – посередине.

Магнитные свойства. Классы веществ

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики , парамагнетики и диамагнетики . Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков - антиферромагнетики и ферримагнетики . В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются вышеупомянутые постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain - «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит - тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако, убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше - на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

Магнетизм в природе

Множество явлений природы определяется именно магнитными силами. Они являются источником многих явлений микромира: поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и др. Кроме того, магнитные явления характерны и для огромных небесных тел: Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной. Магнитное поле Земли проявляется в целом ряде явлений и оказывается, в частности, одной из причин возникновения полярных сияний.

Немагнитных веществ, в принципе, не существует. Любое вещество всегда «магнитно», т. е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения совсем небольшие и обнаружить их можно только с помощью специальной аппаратуры; иногда они довольно значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью весьма простых средств. К слабомагнитным веществам можно отнести алюминий, медь, воду, ртуть и др., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

Использование магнетизма

Современная электротехника очень широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.

Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

Магнетизм также неотъемлемая часть компьютерного мира: до 2010-х годов в мире были очень распространены магнитные носители информации (компакт-кассеты , дискеты и др), однако ещё «котируются» магнитооптические носители (DVD-RAM

В формате PDF (143 кбайт).

С некоторой осторожностью можно считать, что с проблемой гравитации мы разобрались . Получили внутренне непротиворечивые и отвечающие опыту представления о природе гравитации и инерции. В области электричества физика достаточно хорошо осведомлена. Известны носители электрического тока, широко применяемые в науке и технике. Но что такое магнетизм и какова его природа, известно ровно столько же, если не меньше, чем о гравитации во времена Ньютона и прошедшего века. Фарадей ввел линии напряженности магнитного поля. Они хорошо демонстрируются железными опилками на постоянном магните. Но говорить, что эти линии существуют на самом деле, несколько легкомысленно. Максвелл, пользуясь моделью вакуума как некоего диэлектрика, дал физике бессмертные формулы электромагнетизма. В физике стараются не акцентировать внимание на вакууме Максвелла. Как мы видим – совершенно напрасно. Соберем здесь сведения из физики и полученные нами соотношения.

Качественно явление воздействия магнитной напряженности на ферромагнетик объясняется в физике так. В силу особенностей внешних электронных оболочек атомов ферромагнетиков, каждый атом уже является индивидуальным магнитиком. Группа таких атомов образует магнитный домен, который также есть магнит, но уже в макро масштабах. Достаточно принудительно внешним магнитным полем сделать ориентацию доменов в преимущественно одном направлении, как весь образец ферромагнетика становится постоянным магнитом. При этом не все домены ориентируются в одном направлении. Если бы это удалось сделать, то постоянные магниты приобрели невиданную магнитную индукцию и обладали бы фантастическими способностями при взаимодействиях со всеми веществами как парамагнетиками, так и диамагнетиками.

Диамагнетики, простейшим примером которого является атом водорода, имеют статистически «беспорядочную» ориентацию плоскостей вращения электронов вокруг ядер вещества. Слово «беспорядочную» взято в кавычки по причине того, что на самом деле ориентация движения электронов определяется структурой вакуума, относительно которой атомы меняют непрерывно свое положение по причине теплового движения атомов, а также по причине непрерывного взаимодействия зарядов атома (электроны и положительные ядра) с вакуумом. Последнее взаимодействие известно в науке как флуктуации вакуума. И только достаточно сильными магнитными напряженностью в 100...1000 раз сильнее существующих постоянных магнитов удается придать организованную ориентацию вращения электронов диамагнетиков, которая и определяет взаимодействие вещества диамагнетика с внешним магнитным полем. По правилу Ленца полученная организованная магнитная индукция вещества (предмета) направлена против действующего внешнего поля. Получаем силу отталкивания между полюсами магнита и наведенными полюсами магнитиков в диамагнитном предмете. Возникает явление левитации. Таково объяснение этого явления в физике. Недостает только объяснения самого магнитного поля как потока магнитной индукции в вакууме. Природа магнитного континуума вакуума подводит физическую основу для правильного понимания явлений электромагнетизма вообще и приведенного примера левитации.

Магнетизм изучается с давних времен, а за последние два столетия стал основой современной цивилизации.

Человечество собирает знания о магнитных явлениях не меньше трех с половиной тысяч лет (первые наблюдения электрических сил имели место тысячелетием позже). Четыреста лет назад, на заре становления физики, магнитные свойства веществ были отделены от электрических, после чего долгое время те и другие изучались самостоятельно. Так была создана экспериментальная и теоретическая база, ставшая к середине XIX века основой единой теории электромагнитных явлений Вероятнее всего, необычные свойства природного минерала магнетита (магнитного железняка, Fe3O4) были известны в Месопотамии еще в бронзовом веке. А после возникновения железной металлургии нельзя было не заметить, что магнетит притягивает железные изделия. О причинах такого притяжения думал уже отец греческой философии Фалес из Милета (примерно 640−546 годы до н.э.), который объяснял его особой одушевленностью этого минерала (Фалес также знал, что натертый о шерсть янтарь притягивает сухие листья и мелкие щепочки, а потому наделял и его духовной силой). Позднее греческие мыслители рассуждали о невидимых парах, окутывающих магнетит и железо и влекущих их друг к другу. Неудивительно, что само слово «магнит» тоже имеет греческие корни. Скорее всего, оно восходит к названию Магнесии-у-Сипила, города в Малой Азии, вблизи которого залегал магнетит. Греческий поэт Никандр упоминал о пастухе Магнисе, оказавшемся рядом со скалой, которая тянула к себе железный наконечник его посоха, но это, по всей вероятности, просто красивая легенда.

Природными магнитами интересовались и в Древнем Китае. Способность магнетита притягивать железо упоминается в трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю», датируемом 240 годом до н.э. Столетие спустя китайцы заметили, что магнетит не действует ни на медь, ни на керамику. В VII—VIII вв. /bm9icg===>еках они выяснили, что свободно подвешенная намагниченная железная игла поворачивается к Полярной звезде. В результате во второй половине XI века в Китае появились настоящие морские компасы, европейские мореплаватели освоили их сотней лет позже. Примерно тогда же китайцы обнаружили, что намагниченная игла смотрит восточнее направления на север и открыли тем самым магнитное склонение, намного опередив в этом вопросе европейских мореплавателей, которые пришли к этому выводу только в XV столетии.

Маленькие магнитики

В ферромагнетике собственные магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (энергия такой ориентации минимальна). В результате образуются намагниченные области, домены — микроскопические (10−4-10−6 м) постоянные магнитики, разделённые доменными стенками. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы в ферромагнетике хаотически, во внешнем поле границы начинают смещаться, так что домены с моментами параллельно полю вытесняют все остальные — ферромагнетик намагничивается.

Зарождение науки об магнетизме

Первое в Европе описание свойств природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. В 1269 году он служил в армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Оттуда он и отправил приятелю в Пикардию документ, который вошел в историю науки как «Письмо о магните» (Epistola de Magnete), где рассказал о своих опытах с магнитным железняком. Марикур заметил, что в каждом куске магнетита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо. Он усмотрел параллель между этими зонами и полюсами небесной сферы и позаимствовал их названия для областей максимума магнитной силы — поэтому мы теперь и говорим о северном и южном магнитных полюсах. Если разбить кусок магнетита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются собственные полюса. Марикур не только подтвердил, что между кусками магнетита возникает как притяжение, так и отталкивание (это уже было известно), но впервые связал этот эффект с взаимодействием между разноименными (северным и южным) либо одноименными полюсами.

Многие историки науки считают Марикура бесспорным пионером европейской экспериментальной науки. Во всяком случае, его заметки о магнетизме ходили в десятках списков, а после появления книгопечатания издавались отдельной брошюрой. Их с уважением цитировали многие натуралисты вплоть до XVII столетия. Этот труд был хорошо известен и английскому естествоиспытателю и врачу (лейб-медику королевы Елизаветы и ее преемника Якова I) Уильяму Гильберту, который в 1600 году опубликовал (как положено, на латыни) замечательный труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». В этой книге Гильберт не только привел практически все известные сведения о свойствах природных магнитов и намагниченного железа, но и описал собственные опыты с шаром из магнетита, с помощью которых он воспроизвел основные черты земного магнетизма. Например, он обнаружил, что на обоих магнитных полюсах такой «маленькой Земли» (по латыни terrella) компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе — параллельно, а на средних широтах — в промежуточном положении. Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали более полувека (в 1544 году это явление впервые описал нюрнбергский механик Георг Хартман).

Революция в навигации. Компас произвёл настоящую революцию в морской навигации, сделав глобальные путешествия не единичными случаями, а привычной регулярной рутиной.

Гильберт воспроизвел на своей модели и геомагнитное склонение, которое приписал не идеально гладкой поверхности шара (и потому в планетарном масштабе объяснял этот эффект притяжением континентов). Он обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, Гильберт первым провел четкое различие между притяжением магнита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского названия янтаря electrum). В общем, это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками. Утверждение Гильберта, что Землю следует считать «большим магнитом», стало вторым по счету фундаментальным научным выводом о физических свойствах нашей планеты (первый — открытие ее шарообразности, сделанное еще в Античности).

Два века перерыва

После Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало. Сделанное за это время можно буквально перечесть по пальцам. В 1640 году ученик Галилея Бенедетто Кастелли объяснил притяжение магнетита наличием в его составе множества мельчайших магнитных частиц — первая и очень несовершенная догадка, что природу магнетизма следует искать на атомном уровне. Голландец Себальд Бругманс в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются от полюсов магнитной стрелки — это был первый пример физического явления, которое 67 годами позже Фарадей назвал диамагнетизмом. В 1785 году Шарль-Огюстен Кулон посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами (в 1750 году к аналогичному выводу пришел англичанин Джон Мичелл, но кулоновское заключение много надежней).

А вот изучение электричества в те годы двигалось семимильными шагами. Объяснить это нетрудно. Единственными первичными источниками магнитной силы оставались природные магниты — других наука не знала. Их сила стабильна, ее нельзя ни изменить (разве что уничтожить нагревом), ни тем более генерировать по собственному желанию. Понятно, что это обстоятельство сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество было в гораздо более выгодном положении — ведь его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов построил в 1663 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (знаменитые магдебургские полушария — тоже его детище). Век спустя такие генераторы стали столь широко распространены, что их демонстрировали даже на великосветских приемах. В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст и немногим позже голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку — первый электрический конденсатор; тогда же появились и первые электрометры. В результате к концу XVIII века наука знала об электричестве куда больше, чем в его начале. А вот о магнетизме этого сказать было нельзя.

А потом все изменилось. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый химический источник электрического тока — гальваническую батарею, также известную как вольтов столб. После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом стало вопросом времени. Оно могло состояться уже на следующий год, когда французский химик Николя Готеро заметил, что два параллельных провода с током притягиваются друг к другу. Однако ни он, ни великий Лаплас, ни замечательный физик-экспериментатор Жан-Батист Био, которые позже наблюдали это явление, не придали ему никакого значения. Поэтому приоритет справедливо достался ученому, давно предположившему существование такой связи и много лет посвятившему ее поискам.

От Копенгагена до Парижа

Все читали сказки и истории Ганса Христиана Андерсена, но мало кто знает, что когда будущий автор «Голого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним подростком добрался до Копенгагена, он обрел друга и покровителя в лице своего двойного тезки, ординарного профессора физики и химии Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда. И оба прославили свою страну на весь мир.

Многообразие магнитных полей Ампер изучил взаимодействие между параллельными проводниками с током. Его идеи развил Фарадей, который предложил концепцию магнитных силовых линий.

Эрстед с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом (он был приверженцем великого философа Иммануила Канта, полагавшего, что все природные силы обладают внутренним единством). В качестве индикаторов Эрстед использовал компасы, но долгое время безрезультатно. Эрстед ожидал, что магнитная сила тока параллельна ему самому, и для получения максимального крутящего момента располагал электрический провод перпендикулярно стрелке компаса. Естественно, что стрелка не реагировала на включение тока. И только весной 1820 года во время лекции Эрстед протянул провод параллельно стрелке (либо чтобы посмотреть, что из этого получится, либо у него появилась новая гипотеза — об этом историки физики спорят до сих пор). И вот тут-то стрелка и качнулась — не слишком сильно (у Эрстеда была маломощная батарея), но все-таки заметно.

Правда, великое открытие тогда еще не состоялось. Эрстед почему-то прервал эксперименты на три месяца и вернулся к ним лишь в июле. И вот тут-то он понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток». Это был парадоксальный вывод, ведь ранее вращающиеся силы не появлялись ни в механике, ни в какой-либо другой ветви физики. Эрстед изложил свои выводы в статье и 21 июля отправил ее в несколько научных журналов. Потом он больше электромагнетизмом не занимался, и эстафета перешла к другим ученым. Первыми ее приняли парижане. 4 сентября известный физик и математик Доминик Араго рассказал об открытии Эрстеда на заседании Академии наук. Его коллега Андре-Мари Ампер решил заняться магнитным действием токов и буквально на следующий день приступил к экспериментам. Первым делом он повторил и подтвердил опыты Эрстеда, а в начале октября обнаружил, что параллельные проводники притягиваются, если токи текут через них в одном и том же направлении, и отталкиваются — если в противоположных. Ампер изучил взаимодействие и между непараллельными проводниками и представил его формулой (закон Ампера). Он показал также, что свернутые в спираль проводники с током поворачиваются в магнитном поле, подобно стрелке компаса (и между делом изобрел соленоид — магнитную катушку). Наконец, он выдвинул смелую гипотезу: внутри намагниченных материалов текут незатухающие микроскопические параллельные круговые токи, которые и служат причиной их магнитного действия. Тогда же Био и Феликс Савар совместными усилиями выявили математическую зависимость, позволяющую определять интенсивность магнитного поля, создаваемого постоянным током (закон Био-Савара).

Чтобы подчеркнуть новизну изученных эффектов, Ампер предложил термин «электродинамические явления» и постоянно пользовался им в своих публикациях. Но это еще не было электродинамикой в современном смысле. Эрстед, Ампер и их коллеги работали с постоянными токами, создававшими статичные магнитные силы. Физикам только предстояло обнаружить и объяснить действительно динамичные нестационарные электромагнитные процессы. Эта задача была решена в 1830—1870-х. К ней приложили руку около дюжины исследователей из Европы (в том числе и России- вспомним правило Ленца) и США. Однако главная заслуга бесспорно принадлежит двум титанам британской науки — Фарадею и Максвеллу.

Лондонский тандем

Для Майкла Фарадея 1821 год стал воистину судьбоносным. Он получил заветную должность суперинтенданта лондонского Королевского института и фактически случайно начал исследовательскую программу, благодаря которой занял уникальное место в истории мировой науки.

Магнитные и не очень. Различные вещества во внешнем магнитном поле ведут себя по‑разному, это обусловлено различным поведением собственных магнитных моментов атомов. Наиболее известны ферромагнетики, существуют парамагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики, а также диамагнетики, у атомов которых нет собственных магнитных моментов (во внешнем поле они слабо намагничиваются «против поля»).

Произошло это так. Редактор журнала «Анналы философии» Ричард Филипс предложил Фарадею написать критический обзор новых работ, посвященных магнитному действию тока. Фарадей не только последовал этому совету и опубликовал «Исторический эскиз электромагнетизма», но приступил к собственным исследованиям, которые растянулись на долгие годы. Сначала он, как и Ампер, повторил эксперимент Эрстеда, после чего двинулся дальше. К концу 1821 года он изготовил устройство, где токонесущий проводник вращался вокруг полосового магнита, а другой магнит поворачивался вокруг второго проводника. Фарадей предположил, что и магнит, и провод под током окружены концентрическими силовыми линиями, lines of force, которыми и обусловлено их механическое воздействие. Это уже был зародыш концепции магнитного поля, хотя сам Фарадей таким термином не пользовался.

Поначалу он почитал силовые линии удобным методом описания наблюдений, но со временем уверился в их физической реальности (тем более что нашел способ наблюдать их с помощью рассыпанных между магнитами железных опилок). К концу 1830-х он четко осознал, что энергия, источником которой служат постоянные магниты и проводники под током, распределена в пространстве, заполненном силовыми линиями. Фактически Фарадей уже мыслил в теоретико-полевых терминах, в чем значительно опередил своих современников.

Но главное его открытие состояло в другом. В августе 1831 года Фарадей смог заставить магнетизм генерировать электрический ток. Его прибор состоял из железного кольца с двумя противоположными обмотками. Одну из спиралей можно было замкнуть на электрическую батарею, другая соединялась с проводником, расположенным над магнитным компасом. Стрелка не меняла положения, если по первой катушке шел постоянный ток, но качалась во время его включения и выключения. Фарадей понял, что в это время во второй обмотке возникали электрические импульсы, обусловленные возникновением или исчезновением магнитных силовых линий. Иначе говоря, он открыл, что причиной электродвижущей силы служат изменения магнитного поля. Этот эффект обнаружил также американский физик Джозеф Генри, но он опубликовал свои результаты позднее, чем Фарадей, и не сделал столь серьезных теоретических выводов.

Электромагниты и соленоиды лежат в основе множества технологий, без которых невозможно представить современную цивилизацию: от вырабатывающих электроэнергию электрогенераторов, электродвигателей, трансформаторов до радиосвязи и вообще практически всей современной электроники.

К концу жизни Фарадей пришел к заключению, что новые знания об электромагнетизме нуждаются в математическом оформлении. Он решил, что эта задача придется по плечу Джеймсу Клерку Максвеллу, молодому профессору Маришал-колледжа в шотландском городе Абердине, о чем ему и написал в ноябре 1857 года. И Максвелл действительно объединил все тогдашние знания об электромагнетизме в единую математизированную теорию. Эта работа была в основном выполнена в первой половине 1860-х годов, когда он стал профессором натуральной философии лондонского Кингз-колледжа. Понятие электромагнитного поля впервые появилось в 1864 году в мемуаре, представленном Лондонскому Королевскому обществу. Максвелл ввел этот термин для обозначения «той части пространства, которая содержит и окружает тела, пребывающие в электрическом или магнитном состоянии», причем специально подчеркнул, что это пространство может быть как пустым, так и заполненным любым видом материи.

Главным итогом трудов Максвелла стала система уравнений, связывающих между собой электромагнитные явления. В опубликованном в 1873 году «Трактате об электричестве и магнетизме» он назвал их общими уравнениями электромагнитного поля, а сегодня они зовутся уравнениями Максвелла. Позднее их не раз обобщали (например, для описания электромагнитных явлений в различных средах), а также переписывали с использованием все более совершенного математического формализма. Максвелл показал также, что эти уравнения допускают решения, включающие незатухающие поперечные волны, частным случаем которых является видимый свет.

Теория Максвелла представила магнетизм как особого рода взаимодействие между электрическими токами. Квантовая физика XX века добавила к этой картине всего два новых момента. Теперь мы знаем, что электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами и что электроны и многие другие элементарные частицы обладают собственными магнитными моментами. На этом фундаменте построены все экспериментальные и теоретические работы в области магнетизма.

За последние 50 лет все отрасли наук шагнули стремительно вперед. Но прочитав множество журналов о природе магнетизма и гравитации, можно прийти к выводу, что у человека появляется еще больше вопросов, чем было.

Природа магнетизма и гравитации

Всем очевидно и понятно, что предметы, подброшенные вверх, стремительно падают на землю. Что же их притягивает? Можно смело предположить, что они притягиваются какими-то неведомыми силами. Те самые силы получили название - природная гравитация. После каждый интересующийся сталкивается со множеством споров, догадок, предположений и вопросов. Какова природа магнетизма? Чем являются В результате какого воздействия они образуются? В чем проявляется их сущность, а также частота? Как они воздействуют на окружающую среду и на каждого человека по отдельности? Как рационально можно использовать это явление во благо цивилизации?

Понятие магнитизма

В начале девятнадцатого века физик Эрстед Ханс Кристиан открыл магнитное поле электрического тока. Это дало возможность предполагать, что природа магнетизма тесно взаимосвязана с электрическим током, который образуется внутри каждого из существующих атомов. Возникает вопрос, какими явлениями можно объяснить природу земного магнетизма?

На сегодняшний день установлено, что магнитные поля в намагниченных объектах зарождаются в большей степени электронами, которые беспрерывно делают обороты вокруг своей оси и около ядра существующего атома.

Давно установлено, что хаотичное перемещение электронов являет собой самый настоящий электрический ток, а его прохождение провоцирует зарождение магнитного поля. Подводя итог этой части, можно смело утверждать, что электроны вследствие своего хаотичного перемещения внутри атомов порождают внутриатомные токи, которые, в свою очередь, способствуют зарождению магнитного поля.

Но чем же обусловлено то, что в разных материях магнитное поле имеет значительные отличия в собственной величине, а также различную силу намагничивания? Это связано с тем, что оси и орбиты перемещения самостоятельных электронов в атомах способны быть в разнообразных положениях относительно друг друга. Это приводит к тому, что в соответствующих положениях располагаются и произведенные перемещающимися электронами магнитные поля.

Таким образом, следует отметить, что среда, в которой зарождается магнитное поле, оказывает воздействие непосредственно на него, преумножая или ослабевая само поле.

Поле которых ослабляет результирующее поле, получили название диамагнитные, а материалы, весьма слабо усиливающие магнитное поле, именуются парамагнитными.

Магнитные особенности веществ

Следует отметить, то природа магнетизма зарождается не только благодаря электрическому току, но и постоянными магнитами.

Постоянные магниты могут быть изготовлены из небольшого количества веществ на Земле. Но стоит отметить, что все предметы, которые будут находиться в радиусе магнитного поля, намагнитятся и станут непосредственными Проведя анализ вышеизложенного, стоит добавить, что вектор магнитной индукции в случае наличия вещества отличается от вектора вакуумной магнитной индукции.

Гипотеза Ампера о природе магнетизма

Причинно-следственная связь, в результате которой была установлена связь обладания тел магнитными особенностями, была открыта выдающимся французским ученым Андре-Мари Ампером. Но в чем состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма?

История положила свое начало благодаря сильному впечатлению от увиденного ученым. Он стал свидетелем исследований Эрстеда Лмиера, который смело предположил, что причиной магнетизма Земли являются токи, которые регулярно проходят внутри земного шара. Был сделан основополагающий и самый весомый вклад: магнитные особенности тел можно было объяснить беспрерывной циркуляцией в них токов. После Ампер выдвинул следующее заключение: магнитные особенности любого из существующих тел определены замкнутой цепью электрических токов, протекающих внутри них. Заявление физика было смелым и отважным поступком, поскольку он перечеркнул все предшествующие открытия, объяснив магнитные особенности тел.

Перемещение электронов и электрический ток

Гипотеза Ампера гласит, что внутри каждого атома и молекулы существует элементарный и циркулирующий заряд электрического тока. Стоит отметить, что на сегодняшний день нам уже известно, что те самые токи образуются в результате хаотичного и беспрерывного перемещения электронов в атомах. Если оговариваемые плоскости находятся беспорядочно относительно друг к друга вследствие теплового перемещения молекул, то их процессы взаимокомпенсируются и совершенно никакими магнитными особенностями не владеют. А в намагниченном предмете простейшие токи направлены на то, чтобы их действия слаживались.

Гипотеза Ампера в силах объяснить, почему магнитные стрелки и рамки с электрическим током в магнитном поле ведут себя идентично друг другу. Стрелку, в свою очередь, следует рассмотреть как комплекс небольших контуров с током, которые направлены идентично.

Особую группу в которых значительно усиливается магнитное поле, называют ферромагнитной. К этим материал относится железо, никель, кобальт и гадолиний (и их сплавы).

Но как объяснить природу магнетизма постоянных магнитов? Магнитные поля образуются ферромагнетиками не исключительно в результате перемещения электронов, но и в результате их собственного хаотичного движения.

Момент импульса (собственного вращательного момента) приобрел название - спин. Электроны в течение всего времени существования вращаются вокруг своей оси и, имея заряд, зарождают магнитное поле вместе с полем, образующимся вследствие их орбитального перемещения около ядер.

Температура Мария Кюри

Температура, выше которой вещество-ферромагнетик теряет намагниченность, получила свое определенное название - температура Кюри. Ведь именно французский ученый с данным именем сделал это открытие. Он пришел к выводу: если существенно нагреть намагниченный предмет, то он лишится возможности притягивать к себе предметы из железа.

Ферромагнетики и их использование

Невзирая на то, что ферромагнитных тел в мире существует не так много, их магнитные особенности имеют большое практическое применение и значение. Сердечник в катушке, изготовленный из железа или стали, многократно усиливает магнитное поле, при этом не превышает расхода силы тока в катушке. Это явление значительно помогает экономить электроэнергию. Сердечники изготавливаются исключительно из ферромагнетиков, и не имеет значения, для каких целей послужит эта деталь.

Магнитный способ записи информации

С помощью ферромагнетиков изготавливают первоклассные магнитные ленты и миниатюрные магнитные пленки. Магнитные ленты имеют широкое применение в сферах звуко-и видеозаписи.

Магнитная лента является пластичной основой, состоящей из полирхлорвинила или прочих составляющих. Поверх нее наносится слой, представляющий собой магнитный лак, которые состоит из множества очень маленьких игольчатых частичек железа или прочего ферромагнетика.

Процесс звукозаписи осуществляется на ленту благодаря поле которых подвергается изменениям в такт вследствие колебаний звука. В результате движения ленты около магнитной головки, каждый участок пленки подвергается намагничиванию.

Природа гравитации и его понятия

Стоит прежде всего отметить, что гравитация и ее силы заключены в пределах закона всемирного тяготения, который гласит о том, что: две материальные точки притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Современная наука немного иначе стала рассматривать понятия гравитационной силы и объясняет его как действие гравитационного поля самой Земли, происхождение которой до сих пор, к сожалению ученых, не установлено.

Подводя итоги всего вышеизложенного, хочется отметить, что все в нашем мире тесно взаимосвязано, и существенного отличия между гравитацией и магнетизмом нет. Ведь гравитация обладает тем самым магнетизмом, просто не в большой мере. На Земле нельзя отрывать объект от природы - нарушается магнетизм и гравитация, что в будущем может значительно усложнить жизнь цивилизации. Следует пожинать плоды научных открытий великих ученых и стремиться к новым свершениям, но использовать всю данность следует рационально, не причиняя вреда природе и человечеству.

14. Индукция магнитного поля. Принцип суперпозиции магнитных полей. Сила Ампера. Сила Лоренца. Электроизмерительные приборы. Магнитные свойства вещества.

Магнитные явления

И электрические, и магнитные явления – это взаимодействие тел на расстоянии. Эти взаимодействия проявляются в возникновении механических сил и моментов сил, действующих между телами.

Отличие электрического и магнитного взаимодействия проявляется, например, в том, что для разделения электрических зарядов можно натирать разные предметы друг от друга, а для получения магнитов тереть предметы друг о друга бесполезно. Обернув мокрой тканью заряженный предмет, можно уничтожить его электрический заряд. Та же процедура по отношению к магниту не приведет к исчезновению магнитных свойств. Намагничивание магнитных материалов в присутствии других магнитов не приводит к разделению электрических зарядов. Эти два вида взаимодействия предметов на расстоянии не сводятся один к другому.

Экспериментальное исследование магнитов и различных материалов показывает, что некоторые предметы постоянно обладают магнитными свойствами, то есть являются «постоянными магнитами», а другие тела обретают магнитные свойства только в присутствии постоянных магнитов. Существуют также материалы, которые не имеют явно выраженных магнитных свойств, то есть они не притягиваются к сильным постоянным магнитам и не отталкиваются от них. Собственные и индуцированные магнитные свойства предметов приводят к аналогичным эффектам. Например, постоянные полосовые магниты, образцы которых есть обычно в каждом кабинете физики в любой школе, при подвешивании их в горизонтальном положении ориентируются так, что своими концами показывают на север и на юг. Одно это свойство магнитов немало послужило человеку. Компас был придуман очень давно, однако количественное изучение магнитных свойств предметов и математический анализ этих свойств были проведены только в 18-19 веках.

Представим себе, что у нас есть «длинные» магниты, которые имеют сильно разнесенные друг от друга полюса. Если два полюса двух разных магнитов поместить близко друг к другу, а вторые полюса этих же магнитов будут при этом находиться далеко друг от друга, то силовое взаимодействие между близкими полюсами описывается такими же формулами, как и в законе Кулона для электростатического поля. Каждому полюсу магнита можно приписать магнитный заряд, который будет характеризовать его «северность» или «южность». Можно придумать процедуру, включающую измерения сил или моментов сил, которая позволяла бы сравнивать магнитные «заряды» любых магнитов с эталоном. Это мысленное построение позволяет решать практические задачи при условии, что мы пока не задаемся вопросом: а как устроен длинный полосовой магнит, то есть что там внутри магнита в области пространства, соединяющей два магнитных полюса.

Можно ввести единицу магнитного заряда. Самая простая процедура для определения такой единицы – считаем, что сила взаимодействия двух «точечных» магнитных полюсов единичного магнитного заряда, находящихся друг от друга на расстоянии 1 метр, равна 1 Ньютону. Поскольку попытки разделения магнитных полюсов всегда были неудачными, то есть в месте разреза полосового магнита всегда возникали два противоположных магнитных полюса, величины которых в точности равнялись величинам концевых полюсов, был сделан вывод о том, что магнитные полюса всегда существуют только парами. Следовательно, любой длинный полосовой магнит можно представлять в виде составленных в цепочку более коротких магнитов. Аналогично любой магнит конечных размеров может быть представлен в виде большого количества коротких магнитиков, распределенных по пространству.

Для описания силового взаимодействия электрических и магнитных зарядов используется одна и та же идея о существовании в пространстве некоторого силового векторного поля. В «электрическом» случае соответствующий вектор называется вектором напряженности электрического поля Е . Для «магнитного» случая соответствующий вектор называется вектором индукции магнитного поля В . (1)

Поля в обоих случаях можно описывать распределением в пространстве «силовых векторов». Для северного магнитного полюса направление силы, действующей на него со стороны магнитного поля, совпадает с направлением вектора В , а для южного полюса сила направлена противоположно этому вектору. Если величину «магнитного заряда» с учетом его знака («северности» или «южности») обозначит символом N, то сила, действующая на магнитный заряд со стороны магнитного поля равна F =NB .

Аналогично тому, как мы поступили при описании взаимодействия электрических зарядов через поле, мы поступаем и при описании взаимодействия магнитных зарядов. Магнитное поле, созданное точечным магнитным зарядом в окружающем пространстве, описывается в точности такой же формулой, как и в случае электрического поля.

B = К м NR /R 3 .

Константа К м – это коэффициент пропорциональности, который зависит от выбора системы единиц. Для взаимодействия магнитных зарядов тоже справедлив закон Кулона, а также справедлив и принцип суперпозиции.

Напомним, что закон Кулона (или закон Всемирного тяготения) и теорема Гаусса близнецы братья. Поскольку магнитные полюса по отдельности не существуют, а любой магнит может быть представлен в виде комбинации пар полюсов противоположной полярности и с равными величинами, то в случае магнитного поля поток вектора индукции магнитного поля через любую замкнутую поверхность всегда равен нулю.

Мы с вами обсуждаем магнитные явления и пользуемся представлением о магнитных зарядах, как будто они реально существуют. На самом деле это просто один из способов описания магнитного поля в пространстве (описания магнитного взаимодействия). Когда мы выясним свойства магнитного поля подробнее, мы перестанем пользоваться этим способом. Он нам нужен, как строителям леса для возведения здания. После окончания строительства леса разбирают и они больше не видны и не нужны.

Самое интересное, что магнитное поле (статическое) не оказывает никакого действия на покоящийся электрический заряд (или диполь), а электрическое поле (статическое) не оказывает никакого действия на покоящиеся магнитные заряды (или диполи). Ситуация такая, как будто поля существуют независимо друг от друга. Однако покой, как мы знаем, понятие относительное. При выборе другой системы отсчета «покоящееся» тело может стать «движущимся». Выяснилось, что электрическое и магнитное поле – это нечто единое, и каждое из полей представляет собой как бы разные стороны одной медали.

Это сейчас мы с легкостью говорим о родстве электрического и магнитного полей, а вплоть до начала 19 века электрические и магнитные явления не считались связанными. Об этой связи догадывались, искали экспериментальные подтверждения. Например, французский физик Араго собирал сведения о кораблях, сбивавшихся с курса после того, как в корабль ударяла молния. «Молния – испорченный компас» – связь есть, но как повторить эксперимент? Воспроизвести молнию тогда еще не умели, поэтому систематическое исследование провести было невозможно.

Точкой отсчета для начала понимания связи этих явлений послужило открытие, которое довелось сделать в 1820 году датчанину Гансу Христиану Эрстеду. Было установлено влияние электрического тока, протекающего по длинной прямой проволоке, на ориентацию расположенной рядом с проводом подвижной магнитной стрелки. Стрелка стремилась расположиться перпендикулярно проволоке. Обратное явление: влияние магнитного поля на электрический ток было открыто экспериментально Ампером.

Маленький плоский виток с током испытывает в магнитном поле как силовое, так и ориентирующее воздействие. Если магнитное поле однородно, то суммарная сила, действующая на виток с током равна нулю, при этом виток ориентируется (принимает равновесное расположение), при котором его плоскость перпендикулярна направлению вектора индукции магнитного поля. Для установления единицы величины индукции магнитного поля можно использовать и это механическое явление.

За несколько последующих за 1820 годом лет были выяснены основные особенности взаимодействия проводников с током между собой и с постоянными магнитами. Часть из них теперь называется законами. Эти законы связаны с именами физиков Ампера, Био, Савара, Лапласа. Самые общие выводы из установленных законов взаимодействия оказались такими:

1. Заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя электрическое поле.
2. Электрическое поле одинаково действует на заряженные частицы, движущиеся или покоящиеся.
3. Движущиеся заряженные частицы создают в пространстве вокруг себя магнитное поле.
4. Магнитное поле оказывает силовое действие на заряженные частицы, находящиеся в движении, и не действует на покоящиеся заряженные частицы.
5. Электрическое и магнитное поля, созданные заряженной частицей, при изменении ее положения и состояния движения не меняются во всем пространстве мгновенно, а имеет место задержка.

Выяснилось, таким образом, что взаимодействие заряженных частиц друг с другом зависит не только от их взаимного пространственного расположения, но и от их взаимного (относительного) движения. Законы, описывающие это взаимодействие, оказались достаточно простыми с точки зрения математики.

Мы с вами, изучая механику, пользовались законами Ньютона, из которых следует, что материальная точка, движущаяся с ускорением в какой-либо одной инерциальной системе отсчета, имеет такое же ускорение во всех других ИСО независимо от выбора. Теперь выяснилось, что магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы. Представим себе, что в некоторой ИСО заряженная частица движется в магнитном поле, а электрического поля нет. Пересядем в другую инерциальную систему отсчета, в которой в данный момент времени рассматриваемая частица имеет нулевую скорость. Силовое воздействие со стороны магнитного поля пропало, а частица должна таки двигаться с ускорением!!! Что-то неладно в Датском королевстве! Чтобы покоящаяся в данный момент заряженная частица имела ускорение, она должна находиться в электрическом поле!

Вот так – оказывается, что электрическое и магнитное поля не являются абсолютными, а зависят от выбора системы отсчета. Абсолютным является наличие взаимодействия, а вот как оно будет описываться, «электрическим» или «магнитным» способом, зависит от выбора системы отсчета. Следовательно, мы должны понимать, что электрическое и магнитное поля не являются независимыми друг от друга. На самом деле правильно будет рассматривать единое электромагнитное поле. Отметим, что правильное описание полей дано в теории Джеймса Клерка Максвелла. Уравнения в этой теории написаны так, что их вид не меняется при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Это первая «релятивистская» теория в физике.

Электрические токи и магнитное поле

Вернемся в начало 19 века. Во время демонстраций на лекциях в университете Г.Х. Эрстед сам или с помощью студентов обратил внимание на то, что случайно оказавшаяся рядом с проводом магнитная стрелка изменила своё положение, когда по проводу пропустили ток. Более тщательное изучение явления показало, что в зависимости от величины и направления тока в длинной прямой проволоке магнитные стрелки ориентировались так, как показано на рисунке:

Линии индукции замкнуты, и в случае длинного прямого проводника с током эти замкнутые линии имеют форму окружностей, расположенных в плоскостях перпендикулярных проводнику с током. Центры этих окружностей находятся на оси проводника с током. Направление вектора магнитной индукции в заданной точке пространства (касательного к линии магнитной индукции) определяется правилом «правого винта» (буравчика, шурупа, штопора). Направление, в котором смещается штопор, изображенный на рисунке, при вращении вокруг его оси, соответствует направлению тока в длинной прямой поволоке, а направления, в которых движутся крайние точки его ручки, соответствуют направлению вектора магнитной индукции в тех местах, где эти концы ручки находятся.

Для схематического рисунка с концентрическими окружностями заряженные частицы в проволоке, расположенной перпендикулярно к плоскости рисунка, движутся вдоль этой проволоки и если бы двигались положительно заряженные частицы, то они уходили бы «от нас за эту плоскость». Если в проволоке движутся отрицательно заряженные электроны, то они тоже движутся вдоль проволоки, но «к нам из под плоскости рисунка».

Мешающим фактором являлось магнитное поле Земли. Чем большим был ток в проволоке, тем точнее ориентировались стрелки в направлении касательной к окружности с центром в месте нахождения проволоки. Вывод достаточно очевиден – вокруг проводника с током появилось магнитное поле. Магнитные стрелки выстраиваются вдоль вектора индукции магнитного поля.

По третьему закону Ньютона магнитная стрелка (магнит или его магнитное поле) в свою очередь тоже действует на проводник с током. Оказалось, что на прямой участок проводника длиной L, по которому течет ток I, со стороны однородного магнитного поля с индукцией В действует сила, пропорциональная L, I и В, причем направление силы зависит от взаимной ориентации векторов L и В . Вектор L совпадает по направлению с направлением скорости положительных заряженных частиц, которые создают электрический ток в этом отрезке провода. Эта сила получила название по имени одного из активных исследователей магнитных явлений – А.М. Ампера.

F =K I [L ×B ].

Здесь К – это коэффициент пропорциональности. Квадратными скобками обозначено векторное произведение двух векторов. Если проводник не прямой и магнитное поле не является однородным, то в этом случае для нахождения силы, действующей на проводник с током, нужно разбить его (мысленно) на множество небольших отрезков. Для каждого маленького отрезка можно считать, что он находится в однородном поле. Общая сила найдется суммированием сил Ампера по всем этим отрезкам.

Взаимодействие проводников с током

Ток в проволоке создает в окружающем пространстве магнитное поле, а это магнитное поле в свою очередь оказывает силовое действие на другую проволоку с током. (2) В системе единиц СИ единица силы тока 1 Ампер определяется из силового взаимодействия параллельных проводников с током. Два тонких длинных параллельных проводника, находящихся друг от друга на расстоянии 1 метр, по которым протекают одинаковые неизменяющиеся токи одного направления с силой в 1 Ампер, притягиваются друг к другу с силой 2×10 -7 Ньютона на каждый метр длины проводника.

В системе СИ в формуле для силы Ампера коэффициент пропорциональности К выбирается равным единице:

F = I [L ×B ].

Сила Лоренца

Если в формулу для силы Ампера подставить выражение для величины тока, составленное из слагаемых, создаваемых каждой движущейся заряженной частицей, то можно сделать вывод, что в магнитном поле на каждую движущуюся заряженную частицу действует сила:

F = q [v ×В ].

При наличии в пространстве и электрического, и магнитного поля заряженная частица испытывает действие силы:

F = q [v ×В ] + qЕ .

Силу, действующую на заряженную частицу, в электромагнитном поле называют силой Лоренца. Это выражение для силы справедливо всегда, а не только для стационарных полей.

Если вычислить работу силы Лоренца, которую она совершает при элементарном перемещении частицы, то выражение для силы нужно скалярно умножить на произведение v Δt. Первое слагаемое в формуле для силы Лоренца – это вектор перпендикулярный скорости частицы, поэтому умножение его на v Δt дает нуль.

Таким образом, магнитная составляющая силы Лоренца при перемещении заряженной частицы не совершает работу, поскольку соответствующие элементарные перемещения и магнитная составляющая силы всегда перпендикулярны друг другу.

Какое магнитное поле порождается током?

Эксперименты Био и Савара и теоретическая работа Лапласа (все – французские физики) привели к получению формулы для нахождения вклада каждого небольшого участка проводника с током в «общее дело» - в создание вектора индукции магнитного поля в данной точке пространства..

При выводе (точнее сказать: подборе) общей формулы было сделано предположение, о том, что суммарное поле складывается из отдельных частей, причем выполняется принцип суперпозиции, то есть поля, созданные разными участками проводников с током, складываются как векторы. Каждый участок проводника с током, а фактически каждая движущаяся заряженная частица, создает в окружающем пространстве магнитное поле. Результирующее поле в данной точке возникает как результат сложения векторов магнитной индукции, созданных каждым участком проводника с током.

Элементарная составляющая вектора магнитной индукции ΔВ , созданная малым участком проводника Δl с током I в точке пространства, отличающейся положением от этого участка проводника на вектор R , находится в соответствии с формулой:

ΔВ = (μ 0 /4π) I [Δl ×R ]/R 3 .

Здесь [Δl ×R ] – это векторное произведение двух векторов. Размерный коэффициент (μ 0 /4π) вводится именно в таком виде в системе СИ из соображений удобства, которые, повторимся, в школьной физике никак не проявляются.

Поле, созданное проводником произвольной формы, как обычно, находится суммированием элементарных векторов магнитной индукции, созданных небольшими участками этого проводника. Все экспериментальные результаты с постоянными токами подтверждают предсказания, полученные с помощью написанной выше формулы, которая носит имя: Био – Савара –Лапласа.

Вспомним определение тока, которое мы вводили в прошлом семестре. Ток – это поток вектора плотности тока через выбранную поверхность. В формулу для нахождения плотности тока входила сумма по всем движущимся заряженным частицам:

J = Σq i v i /V, I=(J S )

В формулу Био – Савара –Лапласа, следовательно, входит произведение (Δl S ), а это объем проводника, в котором движутся заряженные частицы.

Можно сделать вывод, что магнитное поле, созданное участком с током, возникает в результате совместного действия всех заряженных частиц этого участка. Вклад каждой частицы, имеющей заряд q и движущейся со скоростью v равен:

В = (μ 0 /4π) q [v ×R ]/R 3 = μ 0 ε 0 [v ×Е ],

Где Е = q R /(4πε 0 R 3).

Здесь R – это радиус вектор, начало которого расположено в точке, где находится частица, а конец вектора находится в той точке пространства, где ищется магнитное поле. Вторая часть формулы показывает, как связаны друг с другом электрическое и магнитное поля, созданные заряженной частицей в одной и той же точке пространства.

Е - электрическое поле, созданное той же частицей в той же точке пространства. μ 0 =

4π×10 -7 Гн/м - магнитная постоянная.

«Нецентральность» сил электромагнитного взаимодействия

Если рассмотреть взаимодействие двух точечных движущихся заряженных одинаковых частиц, то обращает на себя внимание тот факт, что силы, описывающие это взаимодействие, не направлены вдоль прямой, соединяющей частицы. Действительно, электрическая часть сил взаимодействия направлена вдоль этой прямой, а магнитная часть – нет.

Пусть все другие частицы находятся очень далеко от этой пары частиц. Выберем для описания взаимодействия систему отсчета, связанную с центром масс этих частиц.

Сумма внутренних электрических сил, очевидно, равна нулю, так как они направлены в противоположные стороны, расположены вдоль одной прямой и равны друг другу по величине.

Сумма магнитных сил тоже равна нулю:

Qμ 0 ε 0 [v 2 [v 1 ×Е 1 ]] + qμ 0 ε 0 [v 1 [v 2 ×Е 2 ]] = 0

v 2 = – v 1 ; Е 1 = – Е 2 .

А вот сумма моментов внутренних сил может не быть равной нулю:

Qμ 0 ε 0 [R 12 [v 2 [v 1 ×Е 1 ]]] = qμ 0 ε 0 [v 1 ×Е 1 ](R 12 v 2 ).

Может показаться, что найден пример, опровергающий третий закон Ньютона. Однако следует отметить, что сам третий закон сформулирован в модельном виде при условии, что есть только два участника взаимодействия, причем в нем никак не рассматривается природа передачи взаимодействия на расстоянии. В данном случае участников события три: две частицы и электромагнитное поле в пространстве вокруг них. Если система изолирована, то для неё в целом выполняется закон сохранения импульса и момента импульса, поскольку не только частицы, но и само электромагнитное поле обладает этими характеристиками движения. Из этого следует, что рассматривать взаимодействие движущихся заряженных частиц нужно обязательно с учетом изменения в пространстве электромагнитного поля. Мы будем обсуждать (в одном из следующих разделов) возникновение и распространение в пространстве электромагнитных волн при ускоренном движении заряженных частиц.

Если выбрать какую-нибудь другую систему отсчета, в которой модули скоростей этих частиц v 1 и v 2 , то отношение модулей магнитной составляющей силы взаимодействия между частицами и электрической составляющей меньше либо равно, чем величина:

Это означает, что при скоростях движения частиц много меньших скорости света основную роль играет электрическая составляющая взаимодействия.

В тех ситуациях, когда в проволоках электрические заряды компенсируют друг друга, электрическая часть взаимодействия систем, состоящих из большого числа заряженных частиц, становится значительно меньше магнитной части. Это обстоятельство и позволяет изучать магнитное взаимодействие «отдельно» от электрического.

Измерительные приборы и динамики

После открытий Эрстеда и Ампера в распоряжение физиков поступили приборы для регистрации тока: гальванометры. В этих приборах используется взаимодействие тока и магнитного поля. В некоторых из современных приборов используются постоянные магниты, а в некоторых магнитное поле создается током. Они сейчас называются по-разному – амперметр, вольтметр, омметр, ваттметр и т.д. но в основе все приборы этого типа едины. В них магнитное поле действует на катушку с током.

В измерительных приборах катушка с током расположена так, что на нее со стороны магнитного поля действует механический момент сил. Спиральная пружина, прикрепленная к катушке, создает механический момент сил, действующий на катушку. Положение равновесия достигается при повороте рамки с током на угол, соответствующий протекающему току. На катушке закреплена стрелка, угол поворота стрелки и служит мерой тока.

В приборах магнитоэлектрической системы магнитное поле постоянно. Его создает постоянный магнит. В приборах электромагнитной системы магнитное поле создается током, протекающим по неподвижной катушке. Механический момент сил пропорционален произведению тока подвижной катушки и индукции магнитного поля, которая в свою очередь пропорциональна току в неподвижной катушке. Если, например, токи в обеих катушках прибора электромагнитной системы пропорциональны друг другу, то момент сил пропорционален квадрату величины тока.

Кстати, на основе взаимодействия тока и магнитного поля созданы всеми Вами любимые динамические громкоговорители. В них катушка, по которой пропускается ток, расположена так, что со стороны магнитного поля на нее действует сила вдоль оси динамика. Величина силы пропорциональна току в катушке. Смена направления тока в катушке приводит к перемене направления действия силы.

Гипотеза Ампера

Для объяснения внутреннего устройства постоянных магнитов (сделанных из ферромагнитных материалов) Ампер выдвинул предположение – гипотезу – о том, что материал магнита состоит из большого количества маленьких контуров с током. Каждая молекула вещества образует маленькую рамку с током. Внутри материала магнита во всем объеме молекулярные токи компенсируют друг друга, а на поверхности предмета как будто течет «поверхностный» ток. Если внутри магнитного тела имеется полость, то по поверхности этой полости тоже течет некомпенсированный «поверхностный» ток.

Этот поверхностный ток создает в пространстве, окружающем магнит, точно такое же магнитное поле, как и токи всех молекул магнита при их совместном действии.

Гипотеза Ампера ждала своего экспериментального подтверждения несколько десятилетий и, в конце конов, полностью оправдала себя. По современным представлениям некоторые атомы и молекулы имеют свои собственные магнитные моменты, связанные с движением внутри них заряженных частиц, из которых составлены эти атомы и молекулы. Как оказалось, и сами заряженные частицы, из которых построены атомы и молекулы, имеют магнитные дипольные моменты, связанные с механическим внутренним движением этих частиц. (3)

Гипотеза Ампера позволяет отказаться от модели магнитных зарядов, поскольку вполне адекватно объясняет происхождение магнитного взаимодействия.

Задачи:

1. Два длинных полосовых магнита лежат рядом друг с другом «полюс к полюсу». Северный рядом с северным, а южный рядом с южным. На линии, являющейся продолжением магнитов в точке А, находящейся на расстоянии L от ближних к ней полюсов создано магнитное поле с индукцией В. Вы получили задание увеличить индукцию поля в точке А в 1,414 раза, и изменить направление поля в этой точке на 45°. Разрешается переместить один из магнитов. Как Вы выполните задание?
2. Во время экспедиции к северному магнитному полюсу Земли участники экспедиции расставили на плоской горизонтальной поверхности льда вокруг полюса N = 1000 очень легких штативов каждый высотой L = 1 м и с основанием диаметром D = 10 см и протянули по их верхним точкам металлическую проволоку площадью поперечного сечения S = 1 мм 2 . Получился плоский многоугольник с формой близкой к кольцу радиуса R = 100 м. Какой минимальный по величине постоянный ток нужно пропустить по проволоке, чтобы все штативы упали внутрь образованного их основаниями многоугольника? Величина индукции магнитного поля В вблизи полюса на поверхности Земли равна 10 -4 Тл. Плотность ρ материала проволоки 10 4 кг/м 3 .
3. По двум тонким параллельным проводам текут одинаковые токи противоположных направлений. Провода находятся на расстоянии L друг от друга. В точке А, находящейся на расстоянии L и от одного и от другого провода токами создано магнитное поле с индукцией В. В дном из проводов направление тока изменилось на противоположное, а величина тока осталась прежней. Как изменилась (по величине и по направлению) индукция магнитного поля в этой точке А?
4. На гладком горизонтальном столе лежит круглый проволочный виток из жесткой проволоки. Радиус витка R. Масса витка М. В пространстве имеется однородное горизонтальное магнитное поле с индукцией В. Какой минимальный по величине постоянный ток нужно пропустить по витку, чтобы он перестал лежать неподвижно горизонтально? Опишите его движение после пропускания такого тока.
5. В однородном магнитном поле с индукцией В движется частица, имеющая массу М и заряд Q. Скорость частицы составляет угол & (альфа) с вектором индукции магнитного поля. Опишите характер движения частицы. Какова форма ее траектории?
6. Заряженная частица попала в область пространства, где есть однородные и взаимно перпендикулярные электрическое поле Е и магнитное поле В. Частица движется с постоянной скоростью. Какова её минимально возможная величина?
7. Два протона, движущиеся в однородном магнитном поле В = 0,1 Тл, постоянно находятся на одинаковом расстоянии L = 1 м друг от друга. При каких минимальных скоростях движения протонов это возможно?
8. В области пространства между плоскостями Х = А и Х = С имеется однородное магнитное поле В, направленное вдоль оси Y. Частица с массой М и зарядом Q влетает в эту область пространства, имея скорость V, направленную вдоль оси Z. Какой угол будет составлять скорость частицы с плоскостью Х =const после того, как она выберется из области с магнитным полем? Оси X,Y,Z взаимно перпендикулярны.
9. Из «слабомагнитного» (не ферромагнитного) материала изготовлен длинный (L) однородный стержень. Его подвесили за середину на тонкой длинной нити в лаборатории, расположенной вблизи экватора. В поле тяжести и в магнитном поле Земли стержень расположился горизонтально. Стержень вывели из положения равновесия, повернув его на угол 30 ° вокруг вертикальной оси, совпадающей с нитью. Стержень оставили неподвижным и отпустили. Через 10 секунд стержень прошел положение равновесия. Через какое минимальное время он снова пройдет положение равновесия? Затем стержень разрезали на два равных по длине L/2 стержня. С одним из них проделали такой же эксперимент. С каким периодом укороченный стержень совершает малые колебания вблизи положения равновесия?
10. На оси маленького цилиндрического магнита находится маленький «слабомагнитный» шарик. Расстояние L от шарика до магнита гораздо больше размеров магнита и шарика. Тела притягиваются друг к другу с силой F. С какой силой они будут притягиваться, если расстояние между ними уменьшится в 2 раза? Шарик остается на оси магнита.

1 Исторические названия не отражают адекватно смысла введенных величин, характеризующих электрическую и магнитную составляющие «электромагнитного поля», поэтому мы не будем разбираться с этимологией этих слов.

2 Вспомните: примерно такую же формулировку мы использовали при обсуждении взаимодействия электрических зарядов.

3 В данном случае имеется ввиду такое свойство элементарных частиц, как собственный механический момент количества движения – спин.