11 класс
Глава 3. Магнитное поле
Магнитные явления были известны ещё в Древнем мире. Впервые способность притягивать к себе металлические предметы была обнаружена у некоторых кусков железной руды. Впоследствии их назвали естественными магнитами (от греч. Maqnetise hos — камень из Магнесии — древнего города в Малой Азии). Позже люди начали создавать тела со свойствами, присущими естественным магнитам. Но только в XIX в. была обнаружена связь между электрическими и магнитными явлениями. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесённые в него проводники с токами или постоянные магниты. Магнитные взаимодействия обусловлены не особыми магнитными зарядами, а движением электрических зарядов — электрическим током.
В этой главе мы познакомимся с магнитными свойствами токов и магнитными свойствами веществ. Значительное внимание уделим описанию технических устройств, в основе действия которых лежат магнитные явления.
§ 15. Магнитные взаимодействия. Магнитное поле токов
Магнитные взаимодействия.
Притяжение магнитов напоминает притяжение на расстоянии наэлектризованных тел. Недаром на протяжении многих веков эти явления часто путали. Лишь в конце XVI в. английский учёный и врач королевы Елизаветы Уильям Гильберт (1544—1603) доказал, что это не одно и то же. В 1600 г. он издал сочинение «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле», в котором описал результаты своих исследований магнитных и электрических явлений. Укажем некоторые свойства магнитов, которые были установлены Гильбертом:
• любой магнит имеет два полюса; в разных частях любого магнита сила притяжения, действующая на другой магнит, различна, наибольшей она оказывается на полюсах магнита;
• намагничивание железа и стали происходит и на расстоянии от магнита;
• разноимённые полюсы двух магнитов притягиваются, одноимённые — отталкиваются;
• железные предметы под влиянием магнита приобретают магнитные свойства;
• в отсутствие других магнитов любой магнит на Земле ориентируется так, что один его полюс будет указывать на Северный полюс Земли, а другой — на Южный.
Кроме того, Гильберт первым догадался, что земной шар является огромным магнитом. Он сумел подтвердить свою догадку экспериментально, намагнитив большой железный шар (он назвал его «терелла» — маленькая Земля) и наблюдая его действие на стрелку компаса.
Исследования физических явлений опытным путём
Связь между электрическими и магнитными явлениями была установлена в 1820 г. Эрстедом. Он экспериментально обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около неё (рис. 3.1, а). Если разомкнуть цепь и расположить проводник вдоль стрелки под ней, то при замыкании цепи магнитная стрелка снова поворачивается на угол 90° (рис. 3.1, б). Однако положение её концов по сравнению с предыдущим опытом изменилось.
Отметим, что электрический ток действует не только на магнитную стрелку, но и на любые магниты. Результаты опытов показывают, что проводник с током и магнит взаимодействуют между собой. Идею о взаимосвязи электрических и магнитных явлений развил Ампер, рассмотрев взаимодействие двух проводников с токами.
Исследования физических явлений опытным путём
Для того чтобы наблюдать магнитное взаимодействие токов, необходимо использовать два гибких параллельных проводника, укрепить их вертикально и присоединить к источнику тока (рис. 3.2, а). При этом заметного притяжения или отталкивания не обнаружится. Но если другие концы проводников соединить так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться (рис. 3.2, б).
В случае токов одного направления между проводниками возникают силы притяжения (рис. 3.2, в). При изменении направления тока в одном из проводников притяжение между ними сменяется отталкиванием, и наоборот. Опыт показывает, что если ток протекает только по одному проводнику, то силы взаимодействия между проводниками отсутствуют (рис. 3.3).
Точно так же не обнаружится взаимодействия, если один из проводов свит из двух проводов, по которым одинаковые токи текут в противоположных направлениях (рис. 3.4).
Такой провод не оказывает влияния на магнитную стрелку, расположенную вблизи него.
Таким образом, из опытов Ампера можно сделать вывод, что между проводниками с токами действуют силы, подобные силам взаимодействия магнитов.
Гипотеза Ампера.
Анализируя результаты опытов, Ампер выдвинул гипотезу: действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри его. Иначе говоря, внутри молекул вещества циркулируют элементарные электрические токи.
Если эти токи расположены хаотически по отношению друг к другу (рис. 3.5, а), то их действие взаимно компенсируется и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.
В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы строго определённым образом (рис. 3.5, б), так что их действия складываются. Отсюда следует, что магнитные взаимодействия обусловлены движением электрических зарядов — током.
Магнитное поле.
Согласно теории близкодействия, токи не могут непосредственно действовать друг на друга. Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Каждый элемент тока в одном из проводников создаёт вокруг себя магнитное поле, которое действует на все элементы тока во втором проводнике.
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.
Что же такое магнитное поле?
Во-первых, поле материально: оно существует независимо от нас, от наших знаний о нём.
Во-вторых, поле обладает определёнными свойствами, которые могут быть установлены экспериментально.
Сформулируем основные свойства магнитного поля: магнитное поле порождается током (движущимися зарядами) и обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).
Вопросы:
1. Какие свойства магнитов были установлены Гильбертом?
2. Как Гильберту удалось подтвердить догадку о том, что Земля является огромным магнитом?
3. Какой вывод можно сделать на основе результатов опыта:
а) Эрстеда;
б) Ампера?
4. В чём состоит гипотеза Ампера?
5. Сформулируйте основные свойства магнитного поля.
Вопросы для обсуждения:
1. Почему магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении «север — юг»?
2. Имеются два одинаковых стальных стержня, один из которых намагничен. Как узнать, какой из стержней намагничен, не используя ничего, кроме самих стержней?
