Содержание

Главная >> Электродинамика. Физика 10-11 кл. Мякишев

Глава 4. Магнитное поле токов

§ 4.1. Магнитные взаимодействия

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают, кроме того, магнитное поле. Его мы и начнем изучать.

Природа магнетизма была выяснена после того, как научились получать электрический ток.

Взаимодействие магнитов

Трудно найти человека, которого бы в детстве не поражали удивительные свойства магнита. На значительном расстоянии через пустоту (не воздух же ему помогает!) магнит способен притягивать тяжелые куски железа. Из гвоздиков и скрепок легко соорудить целые гирлянды. Не менее удивительно поведение магнитной стрелки компаса, упорно стремящейся повернуться на север, как бы вы ни вращали компас, стремясь сбить его с толку.

Притяжение магнитов напоминает притяжение на расстоянии наэлектризованных тел. Недаром на протяжении многих веков их путали. Лишь английскому ученому У. Гильберту (1544—1603) в конце XVI в. удалось доказать, что это не одно и то же. В самом деле: магнит не нуждается в таких предварительных операциях, как натирание, для того чтобы притягивать. И эта способность не исчезает с течением времени, как у наэлектризованных тел, если только его не нагревать очень сильно и не трясти.

Магниты могут как притягиваться, так и отталкиваться, подобно зарядам. Но вот что странно! Отделить северный полюс магнита от южного, получить изолированный магнитный полюс никому не удалось, несмотря на то что на это было затрачено немало усилий.

Как и в случае электрического притяжения, научные исследования магнитного взаимодействия длительное время не проводились. Чего, например, стоило удивительное мнение, что действие магнита прекратится, если натереть его чесноком. Лишь начиная с Гильберта исследование магнитов было поставлено на строгую научную основу. Именно Гильберт первым догадался, что земной шар является громадным магнитом, и поэтому магнитная стрелка ориентируется определенным образом. Гильберт сумел подтвердить свою догадку экспериментально, намагнитив большой железный шар (он назвал его «терелла» — маленькая Земля) и наблюдая его действие на стрелку. Положение небольших магнитов по отношению к терелле Гильберт изобразил на рисунке в книге «О магните» (рис. 4.1).

Количественно взаимодействие магнитов изучал Ш. Кулон, используя тот же метод крутильных весов, что и при изучении взаимодействия зарядов. Кулон установил закон взаимодействия полюсов длинных магнитов, рассматривая полюса как места сосредоточения магнитных зарядов — аналогов зарядов электрических. Закон этот оказался таким же, как и закон взаимодействия электрических зарядов. Невозможность разделить северный и южный полюса магнита Кулон объяснял неспособностью магнитных зарядов внутри молекул вещества свободно переходить из одной молекулы в другую.

Можно было думать (Кулон именно так считал), что здесь мы имеем дело с таким же фундаментальным законом, как и в случае взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Введя новую величину — магнитный заряд, Кулон решил, что открытие закона взаимодействия магнитных зарядов исчерпывает проблему магнетизма. Никаких видимых оснований сомневаться в этом не было. Действовал Кулон по готовому «шаблону» — закону Ньютона для взаимодействия гравитационных масс. Если этот «шаблон» в одном случае привел к открытию нового фундаментального закона, то в другом это тоже должно было произойти.

Открытие Эрстеда

В действительности все оказалось гораздо сложнее. Разгадка магнетизма пришла совсем с другой стороны. Это случилось после того, как научились получать электрический ток. (Об электрическом токе было уже рассказано в главе 2.)

Самое важное открытие было сделано датским физиком X. Эрстедом (1777—1851) в 1820 г. Расположив магнитную стрелку параллельно проводу (рис. 4.2), Эрстед обнаружил, что при замыкании цепи она поворачивается.

Это открытие не было случайным. Еще в 1807 г. Эрстед поставил себе целью изучить, оказывает ли электричество какое-либо воздействие на магнит. «Настойчивость, с которой он... стремился к своей цели, была вознаграждена открытием нового факта, существование которого никто, кроме него, даже отдаленно не мог предполагать, но который, став известным, не замедлил привлечь внимание всех, могущих оцеййть его важность и значение» (М. Фарадей).

Между случайно открытой пастухами в далеком прошлом удивительной способностью кусков магнитного железняка притягиваться на расстоянии и подрагиванием лягушачьей лапки в опытах Гальвани была найдена прямая связь. Магнетизм и электричество обнаружили глубокое родство, и это было доказано прямым опытом. Выяснилось, что только к покоящимся зарядам магнитная стрелка оставалась совершенно равнодушной. Движущиеся же заряды оказались способными пробудить в ней «родственные эмоции». Магнетизм связан не со статическим электричеством, а с электрическим током.

Магнитное взаимодействие есть взаимодействие электрических токов

Открытие Эрстеда почти тотчас же позволило решить загадку магнетизма и одновременно найти еще один — наряду с кулоновским — фундаментальный тип взаимодействия электрических зарядов. Все это сделал один человек — А. М. Ампер — буквально в несколько месяцев сразу же после знакомства с опытом Эрстеда. Интересен ход мысли этого гениального человека, запечатленный в его сообщениях, которые следовали одно за другим во французской Академии наук. Сначала под непосредственным впечатлением от поворачивающейся вблизи тока магнитной стрелки Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Главный шаг был сделан. Магнитные свойства тела можно объяснить циркулирующими внутри него токами. Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Этот решающий шаг от возможности объяснения магнитных свойств токами к категорическому утверждению, что магнитное взаимодействие — это взаимодействие токов, — свидетельство большой научной смелости Ампера.

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул, слагающих вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи расположены хаотически по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируется и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает (рис. 4.3, а). В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы строго определенным образом, так что их действия складываются (рис. 4.3, б).

Там, где Кулон видел неразделимые магнитные полюса молекул, оказались просто замкнутые электрические токи. Неразделимость магнитных полюсов потеряла свою загадочность. Нет магнитных зарядов, и поэтому нечего делить. Магнитные взаимодействия обусловлены не особыми магнитными зарядами, а движением электрических зарядов — током.

Плодотворность идеи единства сил природы нигде, пожалуй, не проявилась так отчетливо, как при формулировке основных законов электромагнетизма. Вдохновленный этой идеей, Эрстед поднес магнитную стрелку к проводнику с током, а Ампер сумел мысленным взором увидеть внутри намагниченного железного стержня электрические токи. Эта же идея привела впоследствии Фарадея к новому великому открытию — открытию электромагнитной индукции.