Эволюция представлений о магнитном поле
При написании статьи использованы материалы статьи В. Околотина [1].
В истории развития теории магнетизма можно выделить (весьма упрощенно) следующие пять этапов развития: Древний мир, Средневековье – 1820 г., Этап Ампера-Вебера, Этап Фарадея-Максвелла, Электродинамика XXI века.
Фалес начинял магниты “душой”, Эмпедокл толковал об “истечениях”, Платон же пояснял, что “божественная сила магнита передаётся к железу, как вдохновение музы от поэта к слушателю”. А чтобы было понятнее, снисходительно добавлял: “. фигуры атомов, истекающих из магнита и железа, так подходят друг к другу, что легко сцепляются между собой; ударившись о твёрдые части магнита или железа, а затем, отскочив в середину, они одновременно и связываются между собой, и влекут железо”.
2. Средневековье – 1820 г.
Первый европейский трактат “О магнитах” от 1269 года почти на треть не устарел и сегодня. Автор Пьетро Перегрино учит нас определять полярность магнита, применять компас и намагничивать железо. Если магнит сломать, обе половинки останутся магнитами. Причину магнитного притяжения Перегрино ищет в космосе, ибо небо магнитно, и каждая его точка отражается в магните, в котором рождается подобие неба.
А средневековый схоласт Аверроэс наделил магнит даром искривлять пространство возле себя сообразно своей форме. Эти искажения (“специи”) друг за другом, слабея, доходят до железа и влияют на него.
Примерно так же думал и медик английской королевы Гильберт. В 1600 году появился его фундаментальный труд, который сделал придворного медика “дедушкой” электричества и магнетизма. Он проделал 600 опытов, и столь богатый посев не мог не дать плодов. Например, шар, выточенный из магнита, действует на компас, как Земля, значит, наша планета – огромный магнитный шар!
Почитатели Гильберта сразу же перенесли магнетизм Земли на другие планеты. По Галилею, Земля оттого и крутится, что магнитна. По Кеплеру, “магнитные истечения Земли создают около неё магнитные силы, проникающие сквозь все тела”, а “гравитация есть сила, подобная магнетизму – взаимному притяжению”. В 1644 году Рене Декарт заселил мир “вихрями тончайшей материи”. С помощью придуманных двух спиралеобразных частиц с тремя витками разного направления удалось ответить на все тогдашние 34 вопроса по магнетизму.
С небольшими отличиями говорил о том же магнитном флюиде Гюйгенс, а ещё лет через сто Эпинус уточнил: магнитная жидкость грубее электрической и потому с трудом течёт сквозь очень мелкие поры. Не увидел ничего общего между этими жидкостями и военный инженер Кулон, хотя найденные им законы взаимодействия зарядов и магнитных масс (масс магнитного флюида) по форме идентичны.
Учёные стали замечать, что удары молнии намагничивают железные предметы. Не давала им покоя и выявленная зависимость силы от квадрата расстояния, общая по форме для масс, зарядов и полюсов магнита. В их головах постепенно, “подспудно” созревала мысль о связи между электричеством и магнетизмом. И вот, наконец, в 1820 году на лекции профессора Эрстеда слушатели вдруг увидели, как стрелка компаса повернулась поперёк провода с током.
3. Этап Ампера-Вебера
Араго, Био, Дэви, Берцелиус, всерьёз доказывали, что провод с током есть магнит. Магнитные заряды не обнаружены и поныне, однако сторонников преобладания магнетизма над электричеством можно найти и среди современных учёных.
Второй путь избрал Ампер. Всего два месяца прошло после публикации Эрстеда, а он уже потряс мир предельно логичными тезисами. Два параллельных тока притягиваются; значит, притяжение разных полюсов магнитов можно объяснить, посчитав магнит круговым током. Эта идея Ампера давала одну-единственную причину, казалось бы, совсем разным явлениям: взаимодействию токов, тока и магнита, двух магнитов. Мало того, вместе с магнетизмом изгонялись и таинственные “поворачивающие силы” – два кусочка провода с токами всегда действовали друг на друга с силой, направленной по связывающей их линии. Заменив магнит круговыми токами (а потом, по совету Френеля, совокупностью молекулярных токов), Ампер пришёл к выводу, что “всякие допущения существования магнитных жидкостей или магнитных сил, отличных от электрических жидкостей и токов, есть концепция, лишённая оснований”. Зачем рассчитывать по току магнитное поле, а по магнитному полю силу его влияния на другой ток? Силу между двумя токами можно определить сразу, выбросив магнитного “посредника” за ненадобностью.
Тем не менее, Амперу не удалось перечеркнуть древний миф о магнетизме, несмотря на помощь таких корифеев, как Грассман, Риман, Ленц, Гаусс, Нейман и Вебер. Тому было, как это видно сейчас, несколько причин. А главная состояла вот в чём. Увлечённый постоянными во времени процессами, Ампер не смог или не успел, в отличие от Фарадея, открыть и объяснить в рамках своей, теории, почему изменение тока в одном проводе приводит к наведению тока в другом.
4. Этап Фарадея-Максвелла
Основные идеи Фарадея
Фарадей спас магнетизм, введя силовые линии. Невидимые линии натянулись в пространстве, словно упругая резиновая сетка, по которой передавалось силовое влияние. Кроме эластичной упругой паутины магнитных линий, Вселенная затянулась такими же сетками “тяготения”, “электростатической индукции” и т. д.
Своими “сетками” Фарадей превратил пространство в активную зону, вмещающую все тела. “Почему медь проводит ток, а сургуч нет?” – спрашивал Фарадей. Атомы меди и сургуча разобщены, далеки друг от друга, и, стало быть, определения “проводит” и “не проводит” относятся не к атомам, а к пространству, обволакивающему вещество. Противоречивость свойств пространства (оно то изолятор, то проводник) Фарадей отнёс за счёт неправильности исходной атомистической теории о независимом существовании тел и пространства. Атомизм пришлось заменить теорией пространства, которое брало на себя все активные функции, не дожидаясь помощи чего-либо другого. Так Фарадей подготовил почву для ещё более радикальных взглядов своих последователей.
Развитие идей Фарадея и их экспериментальное обоснование
Согласно Пойнтингу ток переносит энергию вовсе не в проводнике, а вдоль него снаружи. Столь необычные взгляды до сих пор трудно усвоить. Но с их помощъю удалось объяснить все известные явления и даже предсказать новые! Например, связанные волны электричества и магнетизма пульсируют, достигая антенны радиоприемника, – это сбывшееся пророчество Максвелла разве не подтверждает правоты Фарадея? Отключается источник, но ток в цепи затухает не сразу – значит, деформированная магнитная сетка, распрямляясь, отдаёт запасённую энергию току. Почему при включении постоянный ток нарастает как бы с трудом? Он совершает работу, искривляя магнитную паутину мира, которая (как сжатая пружина) запасает энергию и только ждёт любой возможности, чтобы распрямиться. Почему появляется ток в проводнике, скользящем в магнитном поле? Потому что он “режется” эластичными магнитными линиями – электроэнергия равна механической работе продавливания провода через упругий частокол. Свет – просто-напросто поперечное дрожание электрических и магнитных линий, сообщённое им Солнцем. Слюда увеличивает ёмкость конденсатора, засасывая и сгущая в себе электрическую сетку мира. То же самое проделывает железо с магнитной паутиной.
Некоторые проблемы электродинамики Фарадея-Максвелла
Время от времени подобную методику объяснения электромагнитных явлений приходилось корректировать, но все трудности считались трудностями роста. Уравнения Максвелла годились для неподвижных тел в неподвижном пространстве. Но лаборатория может перемещаться по Земле, сама Земля крутится вокруг Солнца, а Солнце мчится в Галактике и т. д. Силовые сетки надо было к чему-то привязать, а это рождало множество проблем. Драматические поиски выхода из положения привели в конце концов к такой картине мира: жёсткий диэлектрический эфир в пространстве неподвижен, телами не увлекается, но при перемещении сквозь него тела сплющиваются в направлении хода. Работа, затрачиваемая на это укорочение, должна вызывать подток энергии из дальних эфирных зон. Уравнения Максвелла пришлось “подремонтировать”, а скорость света стала независимой от скорости излучателя и приёмника. Несколько позднее было отброшено и представление об эфире, ибо поле перестало нуждаться в особом носителе.
Все эти меры по спасению методики неизбежно повлекли за собой некоторые ограничения кругозора учёных. “Хотя мы всё время интересуемся состоянием среды, заполняющей поле. мы не можем сказать о нём слишком много”, – признался Лоренц и добавил, что “реальной необходимости в этом нет. Поэтому математические соотношения приобретают исключительное значение”.
Ещё большее предпочтение математике за счёт физики сделал Эйнштейн: “. надо допустить, что пространство обладает физическим свойством передавать электромагнитные волны, и не слишком много заботиться о смысле этого утверждения”.
Вклад Г. А. Лоренца в электродинамику. Отказаться от магнетизма вслед за Ампером трудно, а превратить вещество в тень поля, подобно Фарадею, и вовсе невозможно. От Стони, который предложил термин “электрон” и рассчитал заряд одного иона на примере электролиза, демокритовская эстафета о зернистости сущего пришла к Лоренцу.
Забыв свои рекомендации о ненужности гипотез, он в мельчайших деталях разработал великолепную гипотезу об электронах. Так же как Фарадей “видел” силовые линии, так же и Лоренц почти осязал “крайне малые электрически заряженные частички, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах”. Электроны несли на себе свои поля, излучали энергию при торможении или ускорении, деформировались в блинообразное тело. При этом заряды на их поверхности перераспределяются, а сами “диски” под давлением эфира стремятся отклониться от трассы, что можно пояснить введением двух масс электрона – продольной и поперечной. Это смелое умозрительное построение блестяще подтвердилось!
На чём базируется современная электродинамика
Сейчас мы уверенно называем электрическим током движение зарядов именно в проводнике. С этих позиций весьма неубедительно выглядят доводы Фарадея о сути различия между сургучом и медью и об исключительной роли пространства. Трудно поверить и в то, что заряд вторичен по отношению к первичному электрическому полю. Невольно усомнишься и в теории Пойнтинга: энергия переноса зарядов сосредоточена вовсе не в самих движущихся зарядах, а вне их – в магнитном поле, распростёршемся в бесконечные дали.
И, тем не менее, на подобных взглядах базируется всё здание современного электромагнетизма! Современным специалистам в разных областях электротехники не так-то легко с первой попытки найти взаимопонимание. Например, при расчёте электрических полей и цепей приходится пользоваться совершенно различной терминологией. Зияет пропасть между классическим электромагнетизмом, преподаваемым в технических вузах, и квантовой электродинамикой.
Всё реже используются образные представления Фарадея о “силовых трубках”. Убран из пространства за ненадобностью эфир Максвелла. Стойко сохраняют последние рубежи магнитные массы Кулона и формулы “дополевых” теоретиков – сторонников дальнодействия. Силы между токами рассчитываются по Амперу, а наведение токов трактуется по диаметрально противоположной методике Фарадея. Энергия тока приравнивается или к энергии движущихся зарядов, или к энергии магнитного поля. Правда, взгляды Пойнтинга предпочтительнее, ибо носителем энергии всё же считается поле.
Критика концепции магнитного поля
Примерно каждый шестой из авторов многочисленных учебников считает, что магнитное поле – это то, что окружает летящий заряд. Каждый пятый называет поле особым состоянием пространства, особым физическим процессом или особым видом движения материи. Остальные же авторы дают более “солидную” формулировку, сводя магнитное поле к полю сил, которые действуют на движущийся заряд или на электрический ток. Все эти определения внушают сомнения.
Представьте, что рядом с магнитом находится заряженная частица. Если она неподвижна, то магнит на неё не действует. Тронулась с места частица, и появилась сила. И она тем значительнее, чем больше скорость частицы. Мало того, изменится направление движения, изменится и направление силы. Короче говоря, в одной и той же точке около магнита сила может принимать любое значение и любое направление в зависимости от скорости и направления движения частицы. Магнитное поле неизменно, а силовое поле переменно.
Критические для теории магнитного поля факты:
• Одно и то же магнитное поле порождает разные силы в зависимости от скорости заряда, поэтому магнитное поле не может быть силовым.
• Один и тот же заряд порождает в одной и той же точке пространства магнитное поле любой величины и направления.
• Магнитного поля в зазоре нет, а провод реагирует на каждый магнит по отдельности (парадокс Бьюли).
В квантовой электродинамике начинают отдавать предпочтение расчётам с помощью векторного и скалярного потенциалов, отходя, таким образом, от электродинамики Фарадея-Максвелла
О некоторых парадоксах электродинамики
Магнитное поле обладает не только определённой интенсивностью, но и направлением, как вода в реке. Совместим две встречные магнитные “реки” одной силы в одном русле. Теоретически они должны как бы погасить друг друга. Однако на практике это происходит далеко не всегда.
Между двумя магнитами, повёрнутыми друг к другу одноимёнными полюсами, находится провод. Магнитное поле в зазоре уничтожено. Однако, если сдвинуть магниты в разные стороны, в проводе наведётся такой ток, словно бы поля магнитов и не думали вычитаться.
А с 1926 года известен другой парадокс. Снаружи очень длинной катушки с током магнитного поля нет, поля отдельных витков как бы компенсируют друг друга. Тем не менее, на частицу, летящую мимо соленоида, действует сила.
5. Электродинамика XXI века
Для создания новой, непротиворечивой, безмагнитной электродинамики, на мой взгляд, необходимо:
1. Отказаться от понятия магнитного поля, как реально существющей материальной сущности. Термин «Магнитное поле» рекомендую заменить на другой термин, скажем на термин «Электродинамическое поле». Вектор индукции магнитного поля В тогда можно будет назвать вектором индукции электродинамического поля. Провести ревизию остальных терминов электродинамики Фарадея-Максвелла с целью максимального использования хорошо зарекомендовавших себя методов расчёта.
2. Понятие силовой линии электродинамического поля оставить в арсенале, как, очевидно, весьма полезное, но лишь в рамках математического формализма.
3. Создать новую теорию распространения электрических (по-старому, электромагнитных) колебаний, отказавшись от схемы Максвелла: Вихр.электр. поле – Ток смещения – Магнитное поле – Вихр. электр. поле и т.д.
4. Признать, наконец-то эфир (физический вакуум плюс светоносный эфир и ещё что-то) объективной реальностью и абсолютной системой отсчёта.
5. Официально признать СТО А. Эйнштейна ложной и на базе ТО Г. Лоренца разработать новую релятивистскую электродинамику.
Предлагаю читателю самому продолжить этот список, чтобы хоть в какой-то мере охватить весь грандиозный план по созданию электродинами XXI столетия.
1. В. Околотин, к.т.н. Теперь это называют магнитным полем.
"Техника–молодёжи", 1973, №12, стр. 20
22.01.2015
Магнитное поле. Линии
Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.
Взаимодействие магнитов
На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.
• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.
• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.
• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).
Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.
• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.
По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.
Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.
Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.
Линии магнитного поля
Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.
Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.
1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.
2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.
3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.
Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.
Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1 ).
Рис. 1. Поле постоянного магнита
Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.
Опыт Эрстеда
Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.
Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.
Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.
Рис. 2. Опыт Эрстеда
Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.
Магнитное поле прямого провода с током
Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3 ).
Рис. 3. Поле прямого провода с током
Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.
Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.
Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).
На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.
О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).
Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .
Магнитное поле витка с током
Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.
Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4 ).
Рис. 4. Поле витка с током
Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.
Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.
Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.
Магнитное поле катушки с током
Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 — изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.
Рис. 5. Катушка (соленоид)
Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6 ).
Рис. 6. поле катушки с током
На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.
1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.
2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.
Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.
Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.
А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6 ) с линиями поля магнита на рис. 1 . Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!
Гипотеза Ампера. Элементарные токи
Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.
Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.
Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.
Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.
Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.
Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7 ; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).
Рис. 7. Элементарные токи магнита
Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).
Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.
Как можно получить представление о магнитном поле
Что лучше всего притягивается к магнитам?
Это чугун, сталь, железо и некоторые сплавы. Также притягивается никель и кобальт, но значительно слабее.
Естественные магниты
Также в природе встречаются и естественные магниты. Например, железная руда. Из-за ее свойств ее называют магнитным железняком. Богатые залежи этого минерала зафиксированы на Урале, в Карелии, Курской области и других местах.
Если рядом с железом, сталью, никелем и кобальтом оказывается магнитный железняк, то эти металлы приобретают магнитные свойства. Именно поэтому магнитный железняк и открыл людям возможность наблюдать эти свойства.
Взаимодействие магнитной стрелки и магнита
Теперь возьмем магнит и поднесем его к магнитной стрелке (рисунок 7). Что мы увидим?
Северный полюс магнитной стрелки оттолкнулся от северного полюса магнита. Он притягивается к его южному полюсу.
В это же время южный полюс магнитной стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается к северному.
Взаимодействие полюсов магнитов между собой
Так как взаимодействуют между собой полюсы магнитов? Вышеописанные и другие опыты подводят нас к выводам (рисунок 8).
Разноименные магнитные полюсы притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Это легко запомнить. Аналогия проходит с электрическими зарядами: одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются.
При этом сила взаимодействия будет прямо пропорциональна расстоянию между полюсами взаимодействующих магнитов.
Это применимо и к магнитным стрелкам, и к постоянным магнитам, и к электромагнитам.
Но чем объясняется это явление? Все дело в существовании магнитного поля вокруг любого магнита. Магнитные поля взаимодействующих магнитов обоюдно действуют друг на друга.
Разница магнитных и электрических взаимодействий
Хоть мы и провели аналогию с электрическими зарядами, это не позволяет применять нам все законы электричества к магнетизму.
Например, есть одно очень большое отличие. Мы можем разделять электрические заряды. Это происходит при электризации в источниках тока. А вот полюсы магнита неразделимы. Если мы разрежем магнит на части, у нас все равно не получится отделить один полюс от другого. Мы просто получим два новых магнита (рисунок 9).
Разделяемые части могут равными или разными — результата все равно один. Получатся новые магниты, каждый из которых будет иметь два полюса и нейтральную зону.
Магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Линии замыкаются внутри магнита.
Магнитное поле, созданное двумя магнитами
Как будет выглядеть магнитное поле, созданное сразу двумя магнитами?
Если два магнита расположить друг к другу одноименными полюсами, то получим результат, показанный на рисунке 11.
Если два магнита расположить друг к другу разноименными полюсами, то получим совсем другую картину (рисунок 12).
Подтверждение вышесказанному вы можете легко получить, проводя тот же опыт с опилками. Опилки выстроятся вдоль магнитных линий, изображенных на рисунках выше.
Упражнения
Упражнение №1
Предложите способ определения полюсов намагниченного стального стержня.
Это можно сделать с помощью магнитной стрелки. Поднесите ее к одному из концов стального стержня. Посмотрите, в каком положении она установится. Если магнитная стрелка повернется к стержню южным полюсом, то этот конец стержня является его северным полюсом (рисунок 13).
К южному полюсу стержня стрелка повернется своим северным полюсом. Помните: разноименные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Упражнение №2
Какую форму надо придать проводу, чтобы при наличии тока в нем силовые линии его магнитного поля были расположены так же, как у полосового магнита?
Для этого нам нужно намотать этот проводник на катушку. Силовые линии магнитного поля катушки с током расположены так же, как и у полосового магнита (рисунок 14).
Задания
Задание №1
Дугообразный магнит поднесите к листу картона. Магнит не притянет его. Затем положите картон на мелкие гвозди и снова поднесите магнит. Лист картона поднимется, а за ним и гвозди. Объясните явление.
Магниты притягивают к себе не все материалы. Так, картон не притягивается к магниту, поэтому он останется неподвижен.
Когда вы положите картон на гвозди и поднесете магнит, то картон поднимется вместе с гвоздями. Точнее говоря, магнит будет притягивать к себе гвозди (так они сделаны из железа). Под действием магнитного поля магнита гвозди придут в движение и поднимут на себе картон (рисунок 15).
Задание №2
Положите дугообразный магнит на край стола. Тонкую иглу с ниткой положите на один из полюсов магнита. Затем осторожно потяните иглу за нить, пока игла не соскочит с полюса магнита. Игла зависает в воздухе (рисунок 16). Объясните явление.
Когда игла соскользнет с полюса магнита, она все еще будет находиться в его магнитном поле. Магнит продолжит притягивать ее. В этот момент сила натяжения нити уравновешивает силу притяжения магнита. Так будет казаться, что игла зависла в воздухе. Если же расслабить нить, то игла снова притянется к магниту и «прилипнет» к нему.
Параграф 60 — Перышкин А.В., 8 класс.
Постоянные магниты — тела, длительное время сохраняющие намагниченность.
2. Как Ампер объяснял намагничивание железа?
Ампер объяснял намагниченность железа и тали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ.
3. Как можно теперь объяснить молекулярные токи Ампера?
В каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы — электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали.
4. Что называют магнитными полюсами магнита?
Полюса магнита — те места, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия.
5. Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов?
Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом.
6. Как можно получить представление о магнитном поле магнита?
С помощью железных опилок можно получить представление о виде магнитного поля постоянных магнитов.