Магнитное взаимодействие. Опыт Эрстеда. Магнитное поле. Изображение магнитных полей. Принцип суперпозиции. Сила Ампера

Вспомним общие сведения о магнитных явлениях, связан­ных с постоянными магнитами и магнитным действием элек­трического тока. Известно, что в природе существуют естествен­ные и искусственные магниты. Им присущи одинаковые свой­ства, но последние приобретают способность притягивать к себе железные предметы после контакта с постоянным магнитом.

И эта способность у искусственных магнитов является в боль­шинстве случаев временной. При сотрясении и резком измене­нии температуры они теряют магнитные свойства. Постоян­ные естественные и искусственные магниты имеют два полюса с ярко выраженными свойствами. Получить магнит с одним полюсом невозможно. Между полюсами находится нейтраль­ная зона, в которой магнитные свойства или очень слабы, или не обнаруживаются вовсе. Соотношение размеров полюсных и нейтральной областей зависит от формы магнита. У знакомой всем магнитной стрелки полюсные области сводятся почти к точкам, а вся остальная поверхность представляет собой нейт­ральную зону. С помощью магнитной стрелки можно отли­чить постоянный магнит от намагниченного железа. Стрелка всегда притягивается к железу. Это обусловлено тем, что ближ­ний к полюсу стрелки край железа намагничивается противо­положно этому полюсу. С постоянным магнитом стрелка взаи­модействует противоположным образом.

Опыты Г. Эрстеда показали, что в пространстве, окружаю­щем проводник с током, действует, как и в случае с постоян­ным магнитом, сила, вызывающая движение магнитной стрел­ки. Таким образом была доказана тождественность действий постоянных магнитов и токов. Иными словами, в пространст­ве, окружающем электрический ток, создается магнитное поле. Магнитное поле неотделимо от электрического тока. Именно эта связь между магнитным полем и электрическим током привела А. Ампера к гипотезе об элементарных электрических токах, объясняющей полюсность постоянных магнитов. С точ­ки зрения А. Ампера, элементарный магнит — это круговой ток внутри атома, возникающий при вращении электрона вок­руг ядра. При этом одна сторона витка соответствует северно­му, другая — южному полюсу. Именно поэтому нельзя отде­лить друг от друга северный и южный полюса подобно тому, как нельзя разделить две стороны одной плоскости. Построен­ная на этой системе взглядов теория А. Ампера позволяет объяс­нить все магнитные явления с помощью элементарных элект­рических токов. Из теории следует, что понятие магнитных зарядов, предложенное ранее Ш. Кулоном, не существует.

Кроме сказанного, оказывается, существует прямая связь между постоянным магнитом и проводником с током. Выра­жается она в том, что магнит действует на проводник с током. И наоборот, ток действует на магнит. То есть электрический ток обладает способностью намагничивать железо и притягивать его к себе. Два проводника с электрическим током взаи­модействуют между собой. Таким образом, магнитные действия магнитов тождественны магнитным действиям токов при со­ответствующем подборе силы тока и формы проводников.

И последнее. Земля ориентирует не только магнитную стрел­ку в направлении с севера на юг, но и проводники с электри­ческим током — в направлении с запада на восток. Подведем итог изложенному. В пространстве, окружающем электричес­кие токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, назы­ваемое магнитным. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на проводники с током, движущиеся электрические заряды и постоянные магниты. Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся элект­рические заряды. Характер воздействия магнитного поля на про­водники с током различен и зависит от формы проводника, его расположения и направле­ния тока в нем. За направле­ние магнитного поля в данной точке принимается направле­ние, вдоль которого распола­гается положительная нор­маль к рамке с током, или направление силы, которая действует на северный полюс магнитной стрелки. В каче­стве положительного направления нормали принимается на­правление, связанное с направлением тока правилом правого винта (рис. 11.1). То есть направление поступательного дви­жения винта, головка которого вращается по направлению тока в контуре, и есть положительное направление нормали к рам­ке с током. Магнитное поле принято изображать графически с помощью силовых линий. Для постоянного магнита в виде подковы они выглядят в виде прямых линий, на­ходящих от северного полюса и входящих в южный (рис 11.5).

Итак:

1. Все магнитные явления объясняются взаимодействием движущихся электрических зарядов.

2. Источником магнитного поля могут быть:

— постоянные магниты;

— макротоки — токи проводимости;

— микротоки — токи в атоме при движении, в основном, электронов.

Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность Н. Чаще всего используется магнитная индукция В: = , Тл.

Принцип суперпозиции: результирующий вектор магнитной индукции в данной точке пространства равен векторной сумме векторов магнитной индукции в данной точке пространства магнитных полей, образующих данное магнитное поле.

Сила Ампера прямо пропорциональна силе тока в проводни­ке, его длине, напряженности магнитного поля, ориентации относительно силовых линий магнитного поля (sina) и зави­сит от свойств среды (), в которой находится проводник

F = H I sina, H,

где ₀ =4 Гн/м, Гн = Дж/А² — магнитная постоянная; — -магнитная проницаемость среды. Эта безразмерная харак­теристика магнитных свойств вещества показывает, во сколь­ко раз магнитное поле макротоков усиливается за счет микро­токов в веществе. Подробно физическое содержание и будет рассмотрено несколько позже; — угол между прямолиней­ным проводником и вектором магнитной индукции.