Магнитные взаимодействия. Магнитное поле.

1. Магнитные взаимодействия. Видео

1. Магнитные взаимодействия

Ещё в древности, более 2500 лет назад, в окрестностях города Магнезия находили минерал, куски которого могли притягивать к себе железные предметы. Этот минерал назвали магнетитом. Согласно современным данным, этот минерал состоит из окислов железа: 31 \% \text{FeO} и 69 \% \text{Fe}_{2} \text{O}_{3} . Поэтому тела, способные притягивать к себе подобно магнетиту железные предметы, стали называть магнитами, а сами взаимодействия - магнитными взаимодействиями.

Согласно китайской легенде, император Хванг Ти (около 2600 лет до н. э.) вёл войско в сплошном тумане с помощью поворачивающейся вокруг оси магнитной фигурки, всегда смотрящей на юг. Начиная со II в. н. э. в Китае изготавливались постоянные магниты, надолго сохраняющие магнитные свойства. В XI в. магнитный компас стал использоваться в Европе.

В 1269 г. французский исследователь Пьер де Марикур ввёл понятие магнитного полюса. Помещая стальные иголки вблизи шара из магнетита, он заметил, что они испытывают наибольшее притяжение вблизи двух диаметрально противоположных точек. Только вблизи полюсов иголка ориентируется радиально.

Магнит, изготовленный исследователем в виде стержня, ориентировался в направлении юг-север, подобно стрелке компаса. Полюс, указывающий направление на север, назвали северным ( N ), а на юг - южным ( S ) (рис. 1).

Опыты Перегрина показали, что одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноимённые - притягиваются.

Как вы знаете, Земля представляет собой огромный магнит. Учитывая ориентацию магнитной стрелки в магнитном поле Земли, можно утверждать, что вблизи южного географического полюса Земли находится её северный магнитный полюс. То есть географические и магнитные полюсы Земли не совпадают.

Предполагая, что взаимодействие магнитов обусловливается магнитными зарядами, находящимися на полюсах, Перегрин пытался их разделить. Однако все его попытки получить магнитный заряд не увенчались успехом. Каждый фрагмент разделённого магнита имел два полюса: северный и южный.

На протяжении более четырёх тысячелетий единственным практически используемым источником магнетизма был магнитный железняк.

Вплоть до 1820 г. учёные считали, что электрические и магнитные явления имеют разную природу и не связаны друг с другом. Однако в 1820 г. датский физик Ханс Эрстед обнаружил, что стоящая под проводом магнитная стрелка после подключения провода к источнику тока, поворачиваясь, изменяет своё положение в пространстве.

Если проводник расположить вдоль географического меридиана Земли, то магнитная стрелка располагается параллельно проводнику. Как только по проводнику начинают пропускать ток, магнитная стрелка поворачивается и встаёт перпендикулярно ему. При изменении направления тока в проводнике, магнитная стрелка поворачивается на 180^{\circ} и снова встает перпендикулярно проводнику с током.

Последующие эксперименты показали, что электрический ток действует не только на магнитную стрелку, но и на любые магниты.

Удалось также доказать, что и магниты действуют на проводники, по которым течёт электрический ток. Например, при поднесении к проводу с током магнита такой провод отклоняется от исходного положения. Это отклонение тем больше, чем больше сила тока в проводе. Изменение направления тока в проводе на противоположное приводит к соответствующему изменению и направления отклонения проводника.

Таким образом, взаимодействуют не только постоянные магниты, то также магнит и проводник с током.

При этом характер взаимодействия зависит как от направления то ка в проводнике, так и от взаимного расположения магнита и провода с током.

Поскольку магниты взаимодействуют друг с другом, а проводники с током взаимодействуют с магнитами, можно предположить, что проводники с током также взаимодействуют между собой. Это взаимодействие в 1820 г. обнаружил и исследовал французский физик Ампер.

Он установил: два параллельных провода притягиваются друг к другу, если токи в них текут в одном и том же направлении.

Если же токи в параллельных проводах текут в противоположных направлениях, то провода отталкиваются друг от друга (рис. 2).

При отсутствии тока хотя бы в одном из проводов заметных сил взаимодействия между ними не наблюдается. Из описанных опытов следует, что между проводами с токами действуют силы, подобные силам взаимодействия магнитов. Это позволило Амперу выдвинуть смелую гипотезу, что все магнитные свойства вещества обусловлены электрическими токами в этом веществе. Поэтому такие токи стали называть токами Ампера.

С учётом гипотезы Ампера можно считать: все магнитные взаимодействия тел имеют одну природу и обусловлены наличием в этих телах электрических токов, т.е. связаны с упорядоченным движением заряженных частиц.

В рассмотренных экспериментах взаимодействующие тела были электрически нейтральны. Следовательно, магнитные взаимодействия тел обусловлены не тем, что в телах имеются носители электрических зарядов, а тем, что эти носители упорядоченно движутся.

Это позволяет предположить, что электрически нейтральный магнит или провод с током должны действовать на пролетающую рядом с ними заряженную частицу. Все известные к настоящему времени эксперименты подтверждают это предположение. Более того, опыты показывают, что любые движущиеся заряженные частицы взаимодействуют друг с другом не только электростатическими силами (которые проявляются и при отсутствии движения), но и магнитными. При этом если хотя бы одна из частиц покоится в выбранной инерциальной системе отсчёта, то силы их магнитного взаимодействия, в отличие от электростатических, равны нулю.

2. Магнитное поле

Согласно теории близкодействия взаимодействие двух тел, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, осуществляется посредством возникающего между этими телами силового поля. Другими словами, одно из тел создаёт силовое поле, которое распространяется в пространстве. Достигнув второго тела, это поле оказывает на него силовое действие. В свою очередь, второе тело создаёт своё силовое поле, которое, распространяясь в пространстве, достигает первого тела и оказывает на него силовое действие.

Силовое поле является одной из форм материи. Оно так же реально, как и вещество.

Майкл Фарадей предположил, что магнитные взаимодействия, подобно электрическим, осуществляются посредством поля, которое назвали магнитным полем. Источниками магнитного поля являются движущиеся электрически заряженные частицы и любые тела, в которых имеет место упорядоченное движение носителей заряда. Такими телами являются проводники с током и магниты (намагниченные тела). Ещё одним источником магнитного поля является изменяющееся во времени электрическое поле.

3. Вектор магнитной индукции

Магнитное поле проявляет себя тем, что оно действует с некоторой силой на проводник с током, на движущуюся заряженную частицу или на полюсы постоянного магнита.

Сила - это векторная величина, поэтому естественно ожидать, что магнитное поле характеризуется векторной величиной. Эту величину называют магнитной индукцией и обозначают \vec{B} .

За направление вектора магнитной индукции \vec{B} принимают направление, на которое указывает северный полюс свободно вращающейся магнитной стрелки, помещённой в данное поле (рис. 3).

Если поместить небольшие магнитные стрелки вблизи постоянного магнита, то можно заметить, что они поворачиваются, выстраиваясь при этом вдоль некоторых линий (рис. 4).

Эти линии называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.

Линии магнитной индукции - это линии, касательные к которым в каждой точке направлены так же, как и вектор магнитной индукции \vec{B} в этой точке.

Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, где есть магнитное поле. Договорились проводить линии магнитной индукции так, чтобы их густота была пропорциональна модулю индукции магнитного поля в данной области. Таким образом, в области, где модуль индукции магнитного поля больше, магнитные линии расположены гуще. Напротив, в области, где модуль индукции магнитного поля меньше, расстояния между магнитными линиями больше.

Особенность магнитных линий состоит в том, что они, в отличие от линий напряжённости электростатического поля, всегда замкнуты.

Поля, силовые линии которых всегда замкнуты, называют вихревыми.

Эксперименты показывают, что любое магнитное поле является вихревым. Это утверждение, как и невозможность создания магнита с одним полюсом, означает, что в природе нет магнитных зарядов, подобных электрическим.

Получить наглядное представление о форме линий магнитной индукции можно с помощью мелких железных опилок. Для получения таких картин на картон равномерно насыпают железные опилки. После внесения картона с опилками в исследуемое магнитное поле опилки намагничиваются этим полем и превращаются в маленькие магнитики. После этого по картону не сколько раз слегка постукивают для того, чтобы образовавшиеся магнитики, подпрыгивая, смогли преодолеть действие на них сил сухого трения и выстроиться вдоль силовых линий.

Так, линии магнитного поля прямолинейного провода с током представляют собой окружности, расположенные в плоскостях, перпендикулярных проводу. Центры всех этих окружностей лежат на оси провода.

Направление магнитных линий поля, созданного током в витке или катушке, можно определить с помощью правила буравчика: если вращать буравчик с правой резьбой так, чтобы направление вращения ручки буравчика совпадало с направлением тока в катушке или витке, то направление поступательного движения буравчика покажет направление линий магнитной индукции поля внутри катушки или в центре витка (рис. 5).

Направление линий магнитной индукции магнитного поля, создаваемого током, можно определить также с помощью правила правой руки (правила обхвата правой рукой): если большой палец правой руки расположить так, чтобы он указывал направление тока в проводе, то остальные согнутые пальцы, охватывающие провод, укажут положительное направление линий магнитного поля, создаваемого током в этом проводе (рис. 6).

При изучении магнитных явлений надо изображать на чертежах векторы, перпендикулярные плоскости чертежа, а также проводники с токами, направленными перпендикулярно плоскости чертежа.

Для этого используют обозначения, показанные на рисунке 7. Слева изображены ток, магнитная индукция и сила, направленные «от нас», а справа - направленные «к нам».