Магнитное поле: Часть 1

Часть I: Магнетизм как явление. Закон Ампера.

Явление магнетизма известно людям очень давно: существуют природные материалы (например, магнетит или магнитный железняк), которые обладают этим свойствам: кусочки таких материалов притягиваются или отталкиваются. После того, как люди освоили работу с железом, они обнаружили, что железные вещи тоже притягиваются к кускам магнетита, и сами от них получают свойство намагниченности, и на время становятся магнитами. Самое древнее практическое использование магнетизма - это использование компаса - намагниченной железной «стрелки», указывающей с хорошей точностью направление линии юг-север. Теперь мы знаем, что дело в том, что Земля тоже является магнитом, и стрелка компаса указывает направление на магнитные полюса Земли, расположенные недалеко от географических полюсов. И сейчас мы у тел-магнитов выделяем полюса, которые называем «северным» и «южным». Мы по традиции называем «северным» именно тот полюс магнита, который тянется к северу, то есть - притягивается к Северному магнитному полюсу Земли (и аналогично с южными полюсами). У самих же магнитов мы обнаруживаем, что одноименные полюса (например, северный и северный) отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. В результате мы понимаем, что Северный магнитный полюс Земли сточки зрения физики является южным полюсом Земли-магнита. Но это словесное «противоречие» физики и географы давно обговорили, и существующие названия переделывать никто не собирается.

Одним из ключевых событий для понимания природы магнетизма стал опыт Эрстеда, произведенный в 1820 году. В нем было установлено, что провод с током, проходящий рядом с магнитной стрелкой, заставляет ее отклониться. Так мы поняли, что токи электрического заряда обладают магнитными свойствами, и что есть физическая связь между электрическими и магнитными явлениями.

Таким образом, магнитное взаимодействие было обнаружено как взаимодействие электрических токов и постоянных магнитов.

При этом взаимодействие токов (провод с током в целом электрически нейтрален, но в нем часть зарядов находится в движении), описывается законом Ампера: два параллельных провода с током на расстоянии r притягиваются, если токи в них сонаправлены и отталкиваются при противоположном направлении токов, причем сила, действующая на участок длиной \Delta l , равна F_{A}=\frac{\mu_{0}}{2 \pi} \frac{I_{1} I_{2}}{r} \Delta l . Здесь «магнитная постоянная» \mu_{0} \equiv 4 \pi \cdot 10^{-7} кг \cdot м /\left(А^{2} с^{2}\right) - размерная константа системы единиц СИ. Отметим, что «тождество» в определении этой величины использовано потому, что именно формула закона Ампера лежит в основе определения одной из основных единиц СИ - единицы силы тока (Ампера). Отметим важное обстоятельство, являющееся частью это закона, установленного по данным экспериментов. Из закона Ампера ясно, что взаимодействие токов зависит от их взаимных направлений. Конечно, притяжение сонаправленных токов превращается в отталкивание противонаправленных не «скачком» в процессе поворота одного провода с током относительно другого - это плавное изменение, в ходе которого сначала притяжение ослабевает, затем оно проходит через ноль, а затем появляется и постепенно растет отталкивание. Интересно и то, что аналогичной зависимостью от взаимной ориентации обладает и взаимодействие постоянных магнитов. Это еще в большей степени указывает на существование единой физической природы этих взаимодействий.

Чему равна величина полной силы магнитного взаимодействия двух жестких прямолинейных проводов длиной 5 м, протянутых параллельно на расстоянии 50 см друг от друга, если по проводам текут противоположно направленные токи с силами 20 А и 15 А ? Запишите ответ в миллиньютонах с точностью до десятых.