ЧТО ТАКОЕ МАГНЕТИЗМ

ПРИРОДА МАГНЕТИЗМА

1. ЧТО ТАКОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

|Жзвестно, что магниты, обращённые друг к другу одно - * ■ имёнными полюсами (например, северными), отталки­ваются, а разноимёнными —притягиваются. Кусочек же­леза, находящийся вблизи магнита, притягивается к нему. При этом он «намагничивается», то-есть сам становится как бы магнитиком. Сила притяжения или отталкивания будет различна в зависимости от того, в каком месте и на каком расстоянии от магнита находится другой магнит или кусочек железа. Обычно говорят, что магнит создаёт вокруг себя магнитное силовое поле или просто магнитное поле. Другими словами, в пространстве вокруг магнита действуют магнитные силы. Величина магнитного поля в каком-либо месте пространства поблизости от магнита определяется силой, с которой магнитик или кусочек же­леза, помещённый в это место, притягивается к магниту. Чем больше сила притяжения, тем больше поле. Эту силу можно измерить, например, с помощью обыкновенных ве­сов: к одной из чашек весов прикрепляется маленький кусочек железа, а на другую кладутся гирьки, уравнове­шивающие силу притяжения кусочка железа к магниту.

В существовании магнитного поля можно убедиться на таком наглядном опыте. Если поместить в вертикальную стеклянную трубку два прямых магнитика — одноимён­ными полюсами навстречу (рис. 1),— то верхний магнитик, отталкиваясь от нижнего магнитика, будет «парить» над ним. Пытаясь сблизить магнитики, мы заметим, что между ними есть что-то пружинящее. Из этого опыта ясно, что
между магнитиками в трубке, кроме воздуха, находится ещё какая-то материя. Эта особого рода материя и назы­вается магнитным полем.

Магнитное поле очень наглядно можно представить, рисуя вокруг магнита так называемые магнитные силовые линии, т. е. линии, вдоль которых действуют притя­гивающие или отталкивающие силы. На рис. 2 показано распределение силовых линий вокруг прямого и под­ковообразного магнитов; силовые линии выходят из северного конца и входят в южный. Магнитные стрелки, внесён­ные в это поле, будут располагаться вдоль силовых линий.

В начале XIX столетия датским учёным Эрстедом (1777—1857) было сделано очень важное открытие, кото­рое во многом изменило и расширило учение о магнетизме. Эрстед заметил, что магнитная стрелка вблизи провод­ника с постоянным электрическим током также отклоняется. Это означает, что электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле (рис. 3). Опыты показа­ли, что вокруг проводника, свёрнутого в спираль (такой проводник назы­вается намагничивающей катушкой), образуется магнитное поле, очень похожее на магнитное силовое поле магнита (рис. 4). Если ток выключить, то магнитное поле пропадёт, включить снова — оно опять появится. Там, где протекает электрический ток, всегда есть и магнитное поле.

Так как катушка (проводник, свёрнутый в спираль), по которой течёт ток, подобна магниту, то её можно исполь­зовать при изучении силового магнитного поля. Возьмём, для простоты, катушку, состоящую из одного витка про­волоки. Если такой виток, когда по нему течёт ток (мы будем называть этот ток круговым), подвесить в магнит­ном поле, то под действием магнитных сил плоскость витка повернётся, закручивая подводящие проводники (рис. 5). Измеряя силу закручивания, мы можем оценить величину

Поле магнита находится в состоянии устойчивого равнове­сия тогда, когда она расположена вдоль силовых линий. Значит, виток с током или круговой ток мы можем пред­

Ставить себе как очень короткий магнитик с южным и се­верным полюсами, расположенными на противоположных его плоскостях (этот магнитик на рис. 5 расположен ря­дом с витком).

Магнитное действие кругового тока в физике принято оценивать особой величиной, называемой магнитным мо­ментом. Этот момент определяет величину и направление соответствующего «короткого магнитика». Чем больше электрический ток в витке и чем больше площадь витка,

Тем больше магнитный момент и соответствующий ему «магнитик». Обычно на рисунках магнитный момент изо­бражают в виде стрелки, перпендикулярной к плоскости

Кругового тока (см. рис. 5). Устойчивое положение витка с круговым током в магнитном поле будет, следовательно, тогда, когда магнитный момент — «магнитик» — направ­лен вдоль силовой линии.

В чём причина того, что магнитное поле возникает вся­кий раз, как начинает течь электрический ток? В настоя­щее время твёрдо установлено, что электрический ток есть не что иное, как движение электрических зарядов. Такими зарядами в металлических проводниках являются мель­чайшие частицы материи — электроны, а в жидкостях и газах — электрически заряженные частицы — ионы [1]). Возникает вопрос, не появляется ли магнитное поле в ре­зультате движения зарядов? Опыты показали, что это так. Магнитное поле вокруг покоящихся зарядов отсутствует, но обязательно возникает, как только заряды начинают двигаться.

Русский физик А. А. Эйхенвальд (1863—1944) проде­лал такой опыт. Он зарядил тело положительным электри­чеством (это можно сделать, например, поднося к телу натёртую суконкой стеклянную палочку) и поместил вблизи очень чувствительный компас. Пока тело было не­подвижно, магнитная стрелка компаса не испытывала от­клонения. Но как только учёный быстро передвигал заря­женное тело, то-есть заставлял заряды перемещаться в пространстве, тотчас же магнитная стрелка компаса от­клонялась на некоторый угол, что указывало на присутст­вие магнитного поля. Из этого опыта Эйхенвальд сделал вывод, что магнитное поле возникает всякий раз, когда движутся заряды, независимо от их величины и знака.

Знаменитый английский учёный М. Фарадей (1794— 1867) нашёл, что при известных условиях магнитное поле вызывает в катушке электрический ток, т. е. обнаружил явление, обратное описанному выше. Для возникновения такого тока необходимо, чтобы магнитное поле вблизи ка­тушки изменялось, и силовые линии этого поля пересекали её витки. Это происходит, например, тогда, когда мы вдви­гаем магнит в катушку или выдвигаем его (рис. 6, а). Возникающий при этом кратковременный ток Фарадей назвал индукционным (от латинского слова «индукция», что значит наведение). Индукционный ток возникает и в том случае, если вблизи такой катушки находится другая
катушка, в которой течёт ток, и сила тока изменяется (на­пример, в момент замыкания или размыкания цепи, как показано на рис. 6, б).

Русский академик Э. X. Ленд (1804—1865), подробно изучавший явление, открытое Фарадеем, показал, что индукционный ток даёт собственное магнитное поле, кото­рое направлено навстречу (см. стрелку на рис. 6, а) ма-

Гнитному полю, вызвавшему индукционный ток. Пользуясь этой закономерностью, Ленц установил правило для опре­деления направления индукционных токов.

Позже английский физик Максвелл (1831—1879) на основе работ Эрстеда, Фарадея и других исследователей создал так называемую теорию электромагнитного поля. Из этой теории следует, что всякое изменение магнитного поля в каком-либо месте пространства сопровождается возникновением в этом же месте электрического поля, и, наоборот, изменение электрического поля вызывает магнитное поле. Следовательно, магнитное и электриче­ское поля в пространстве всегда взаимосвязаны. Такое сложное поле Максвелл назвал электромагнитным.

Теория Максвелла играет большую роль в науке и тех­нике. Радиоволны и свет есть не что иное, как распростра­няющиеся в пространстве электромагнитные поля.