Возьмем две одинаковые катушки, сделанные из металлических проводов, и подвесим так, чтобы их можно было включать в цепь, а их оси располагались на одной прямой (рисунок 1). Пропустив по катушкам токи одинакового направления, мы обнаружим, что катушки притягиваются (рисунок 1, а ). Если же создать в катушках токи противоположного направления, то они будут отталкиваться (рисунок 1, б ). Такое взаимодействие получается и между прямолинейными проводниками, расположенными параллельно.
Рисунок 1. а ) Проводники с токами одинакового направления притягиваются; б ) Проводники с токами противоположного направления отталкиваются
Итак, токи одинакового направления притягиваются, а противоположного – отталкиваются.
Следовательно, когда проводники с токами находятся на некотором расстоянии друг от друга, между ними существует взаимодействие, которое нельзя объяснить наличием электрического поля между ними, поскольку проводники при прохождении по ним тока остаются практически нейтральными. Это означает, что вокруг любого проводника с токами имеется какое-то другое поле, отличное от электрического, поскольку оно не действует на неподвижные заряды.
Условимся называть поле, посредством которого осуществляется взаимодействие , расположенных на расстоянии, .
Опыт показал, что магнитное поле создается либо движущимися электрическими зарядами, либо переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряды.
Итак, чтобы обнаружить магнитное поле в какой-либо области пространства, необходимо внести в эту область проводник с током или какие-либо другие движущиеся заряды. Впервые магнитное поле вокруг проводников с токами опытным путем обнаружил датский физик Ганс Эрстед в 1820 г.
Магнитные поля различных токов при наложении могут как усиливать, так и ослаблять друг друга. Покажем это на опыте. Если связать вместе две одинаковые катушки и создать в них токи противоположного направления (рисунок 2, а слева), то их общее поле становится настолько слабым, что не будет производить заметного действия на третью катушку с током. Это объясняет, почему нет магнитного поля вокруг шнура, сплетенного из двух проводов с токами противоположного направления. Если же в связанных катушках создать токи одинакового направления, то их действие на третью катушку заметно усиливается (рисунок 2, б ) по сравнению с опытом, описанным выше. Итак, усиление магнитного поля можно получить наложением магнитных полей токов одинакового направления, а ослабление поля – наложением полей токов противоположного направления.
Рисунок 2. а ) Магнитные поля токов противоположного направления ослабляют друг друга; б ) Магнитные поля токов одинакового направления усиливают друг друга
Если катушки перед началом опыта расположить так, чтобы их оси были не на одной прямой, то при включении в них тока катушки сами поворачиваются так, что токи в них текут в одинаковом направлении, и затем притягиваются друг к другу. В результате магнитное поле в окружающем пространстве усиливается.
Видео 1. Виток и катушка с током
Взаимодействие движущихся зарядов. Действие движущихся зарядов (электрических токов) друг на друга отличается от кулоновского взаимодействия неподвижных зарядов.
Взаимодействие движущихся зарядов называется магнитным.
Примеры проявления магнитного взаимодействия:
* притяжение или отталкивание двух параллельных проводников с током;
* магнетизм некоторых веществ, например, магнитный железняк, из которых изготавливаются постоянные магниты; поворот легкой стрелки, сделанной из магнитного материала, вблизи проводника с током
* вращение рамки с током в магнитном поле.
*
Магнитное взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля.
Магнитное поле - особая форма существования материи.
Свойства магнитного поля:
* порождается движущимися зарядами (электрическим током) или переменным электрическим полем;
* обнаруживается по действию на электрический ток или магнитную стрелку.
Вектор магнитной индукции. Опыты показывают, что магнитное поле производит на контур с током и магнитную стрелку ориентирующее действие, вынуждая их устанавливаться в определенном направлении. Поэтому для характеристики магнитного поля должна быть использована величина, направление которой связано с ориентацией контура с током или магнитной стрелки в магнитном поле. Эта величина называется вектором магнитной индукции В.
За направление вектора магнитной индукции принимается:
* направление положительной нормали к плоскости контура с током,
* направление северного полюса магнитной стрелки, помещенной в магнитное поле.
Модуль вектора В равен отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с током в данной точке поля, к произведению силы тока I и площади контура S.
В = Мmах/(I·S). (1)
Вращающий момент М зависит от свойств поля и определяется произведением I·S.
Значение вектора магнитной индукции, определяемое по формуле (1), зависит только от свойств поля.
Единица измерения В - 1 Тесла.
Графическое изображение магнитных полей. Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля). Линией магнитной индукции называют линию, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Линии магнитной индукции - замкнутые линии.
Примеры магнитных полей:
1. Прямолинейный проводник с током
Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике.
2. Круговой ток
Направление вектора магнитной индукции связано с направлением ток в контуре правилом правого винта.
3. Соленоид с током
Внутри длинного соленоида с током магнитное поле является однородным и линии магнитной индукции параллельны между собой. Направление В и направление тока в витках соленоида связаны правилом правого винта
Принцип суперпозиции полей. Если в какой-либо области пространства происходит наложение нескольких магнитных полей, то вектор магнитной индукции результирующего поля, равен векторной сумме индукций отдельных полей:
B = SBi
Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока. В 1820 г. были опубликованы и продемонстрированы опыты Г. X. Эрстеда по наблюдению действия тока на магнитную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшие углубление и развитие.
Небольшая (менее 5 страниц) брошюра Эрстеда «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку» произвела сенсацию среди европейских физиков.
Заслуживает внимания заключение Эрстеда о том, что «электрический конфликт» (т.е. встречное движение положительной и отрицательной «электрической материи») в проводнике «...не ограничен проводящей проволокой, но имеет обширную сферу активности вокруг этой проволоки... Этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки».
Очевидно, что Эрстед заблуждался, полагая, что на магнитную стрелку действует столкновение разнородных электричеств. Но о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказывал предположение в одном из своих трудов, изданном еще в 1812 г.: «Следует испробовать, не производит ли электричество в своей самой скрытой стадии каких-либо действий на магнит, как таковой».
Вскоре после опубликования этой брошюры (в 1820 г.) немецкий физик Иоган X. С. Швейггер (1779-1857 гг.) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора - индикатора тока.
Его прибор, получивший название «мультипликатора» (т.е. умножающего) представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из витков проволоки. Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными.
Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой дне магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и расположенные параллельно друг другу, с полюсами, обращенными в противоположные стороны.
В 1825 г. флорентийский профессор Леопольдо Побили (1784-1835 гг.) скомбинировал астатическою пару с мультипликатором и устроил таким образом более чувствительный прибор - прообраз гальванометра.
В 1820 г. Д. Ф. Араго было обнаружено новое явление - намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали. При выключении тока опилки отставали. Когда Ара го брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась. Кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом.
По рекомендации Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Араго впервые доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током.
В процессе исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения» и заключавшееся в том, что при вращении металлической (медной) пластины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней), последняя также приходит во вращение. Объяснить это явление не смогли ни сам Араго, ни Ампер. Правильное объяснение этого явления было дано Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.
Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774- 1862 гг.) и Феликсом Саваром (1791 - 1841 гг.) закона действия тока на магнит.
Проведя ряд экспериментов, они установили (1820 г.) следующее: «если неограниченной длины провод с проходящнм по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от средины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода, и общее действие провода на любой (южный иди северный) магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию последнего до провода».
Обнаружение тангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характер движения проводника относительно магнита. Французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749-1827 гг.) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.
Важнейшее научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых - Андре Мари Ампера (1775-1836 гг.), заложившие основы электродинамики.
Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком. Несмотря на то что ему не довелось учиться в школе, у него не было учителей, кроме его отца - весьма образованного коммерсанта, он с поразительным упорством, самостоятельно овладевая знаниями, стал одним из образованнейших людей своего времени.
Физика и математика, астрономия и химия, зоология и философия - во всех этих науках ярко проявились энциклопедические знания Ампера. Ему было всего 13 лет, когда он представил в Лионскую Академию наук, литературы и искусства свою первую математическую работу. К 14 годам он изучил все 20 томов знаменитой «Энциклопедии» Дидро и д"Аламбера, а к 18-ти - в совершенстве изучил труды Л. Эйлера, Д. Бориулли и Ж. Лагранжа, знал латынь и несколько иностранных языков.
Личная жизнь Ампера была полна трагических событий: 18-летним юношей, он был потрясен казнью на гильотине его отца, как сторонника жирондистов (1793 г.), спустя несколько лет он похоронил любимую жену; весьма печальной была судьба его дочери - это вызвало серьезную сердечную болезнь, которая свела его в могилу.
Но несмотря на огромное нервное напряжение, Ампер сумел найти в себе силы, чтобы неустанно заниматься фундаментальными научными исследованиями и сделать немеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации.
Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. И при изучении этих явлений ярко проявились поразительные способности Ампера.
Он впервые узнал об опытах Эрстеда на заседании Парижской Академии наук, где их повторил во время своего сообщения Араго. Вместе с восхищением Ампер интуитивно почувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений.
И ровно через неделю (всего через неделю!) 18 сентября 1820 г. Ампер выступает на заседании Академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем почти подряд - неделю за неделей (заседания Академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических обобщений, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике.
В одном из писем Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма». Поразительна логика его обобщений: если ток - это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили Амперу теоретически обобщить свои исследования и сформулировать известный закон, носящий его имя.
Заслуживает внимания философский труд Ампера «Опыт философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний» (1834 г.). В наше время издано много работ, посвященных науковедению «науке о науках». Своей «Классификацией» Ампер более ста лет назад заложил основы этой важной области научных знаний.
Рассмотрим более подробно работы Ампера в области электромагнетизма.
Отметим прежде всего, что Ампером впервые были введен термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Кстати, это он предложил считать за направление тока "движение положительного электричества" (от плюса к минусу во внешней цепи).
Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока, Ампер сумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике.
Это правило было в то время широко известно под названием «правила пловца» и формулировалось оно следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку так, чтобы ток проходил па направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».
Особенно важное значение имели исследования Ампером взаимодействий круговых и линейных токов. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.
Открыв взаимодействие круговых токов, Ампер начал исследование линейных токов. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера», в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, имеют ли токи одинаковое направление или различное.
Серия этих опытов позволила Амперу установить закон взаимодействия линейных токов: "Два параллельных и одинаково направленных тока взаимно прибиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются". Обнаруженные явления Ампер предложил назвать "электродинамическими" в отличие от электростатических явлений.
Обобщая результаты своих экспериментальных работ, Ампер вывел математическое выражение для силы взаимодействия токов подобно тому, как это сделал Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу Ампер решил аналитическим приемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Первый мемуар Ампера о взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.
Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта", изданном в Париже в 1826-1827 гг. Ампером было выведено известное математическое выражение закона взаимодействия между двумя элементами тока.
Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма.
Отрицая существование особых магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Все магнитные явления сводились им к «чисто электрическим действиям». Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси.
Ампер подчеркивал, что «... эти токи вокруг оси магнита реально существуют, или, скорее, что намагничивание является операцией, посредством которой частицам стало сообщаться свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется в вольтовом столбе... Магнитные явления вызываются исключительно электричеством... нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как их положение относительно токов, из которых этот магнит состоит».
Разработанная Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.
Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако Ампер предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв..., помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало практической реализации предложения Ампера. Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.
Значение работ Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями Ампер доказал единство электричества и магнетизма и убедительно опроверг царившие до него представления о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.
Выдающийся вклад Ампера получил высочайшую оценку (в 1881 г.). Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «Ампер». Его заслуженно называли «Ньютоном электричества». Он был членом Парижской Академии наук (с 1814 г.), и многих других Академий мира, в том числе и Петербургской (с 1830 г.).
Веселовский О. Н. Шнейберг А. Я "Очерки по истории электротехники"
Известные с древних времен явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита напоминают явления взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов. Однако многочисленные попытки ученых установить связь между электрическими и магнитными явлениями на протяжении многих столетий оставались безрезультатными. Об этой связи говорит также замеченный факт намагничивания железных предметов и перемагничивания компаса во время грозы.
Впервые эта связь была обнаружена X. Эрстедом и А. Ампером в 1820 г. А. Ампер показал, что два параллельных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них (рис. 1, а, б). Это взаимодействие не может быть вызвано электростатическим полем по следующим причинам. Во-первых, при размыкании цепи (на рисунке 1, в перемычка между верхним» клеммами отсоединена) взаимодействие проводников прекращается, хотя заряды на проводниках н их электростатические поля остаются. Во-вторых, одноименные заряды (электроны в проводнике) всегда только отталкиваются.
В опыте X. Эрстеда проводник располагают над магнитной стрелкой (или под ней) параллельно ее оси (рис. 2). При пропускании тока по проводнику стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое первоначальное положение. Этот опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие поворот магнитной стрелки, то есть силы, подобные тем, которые действуют на нее вблизи постоянных магнитов.
Действие магнитных сил обнаружено в пространстве вокруг отдельно движущихся заряженных частиц. Так, А.Ф.Иоффе в 1911 г. наблюдал отклонение магнитных стрелок, расположенных вблизи пучка движущихся электронов. Схема его опыта представлена на рисунке 3. Над и под трубкой находились две одинаковые, но противоположно направленные магнитные стрелки, укрепленные на общем кольце, подвешенном на упругой нити. При прохождении в трубке потока электронов магнитные стрелки поворачивались.
Если часть гибкого проводника, присоединенного к одному полюсу источника, а значит, заряженного, поместить вблизи дугообразного магнита (рис. 4, а), то действие поля магнита на проводник не наблюдается. Однако после замыкания цепи (рис. 4, б, в) проводники приходят в движение. Таким образом, магнитные силы действуют только на движущиеся заряды.
Открытие Ф.Араго заинтересовало его соотечественника А.Ампера (1775-1836), и он провёл опыты с параллельными проводниками с токами и обнаружил их взаимодействие (см. рисунок). Ампер показал, что если в проводниках идут токи одинаковых направлений, то такие проводники притягиваются друг к другу (левая часть рисунка). В случае же токов противоположных направлений, их проводники отталкиваются (правая часть рисунка). Как же объяснить такие результаты?
Во-первых, нужно было догадаться, что в пространстве, которое окружает постоянные токи и постоянные магниты, возникают силовые поля, называемые магнитными. Для их графического представления изображают силовые линии – это такие линии, в каждой точке которых магнитная стрелка, помещённая в поле, располагается по касательной к этой линии. Эти линии изображают более «густыми» или более «редкими» в зависимости от значения силы, действующей со стороны магнитного поля.
Во-вторых, нужно было проделать опыты и понять, что силовые линии прямого проводника с током представляют собой концентрические (расходящиеся от общего центра) окружности. Силовые линии можно «увидеть», если проводники пропустить сквозь стекло, на которое насыпать мелкие железные опилки. Более того, нужно было догадаться «приписать» силовым линиям определённое направление в зависимости от направления тока в проводнике. То есть ввести в физику «правило буравчика» или, что то же самое, «правило правой руки», см. рисунок ниже.
В-третьих, нужно было проделать опыты и ввести в физику «правило левой руки», чтобы определять направление силы, действующей на проводник с током, помещённый в магнитное поле, расположение и направление силовых линий которого известно. И лишь после этого, дважды воспользовавшись правилом правой руки и четырежды правилом левой руки, можно было объяснить опыт Ампера.
Силовые линии полей параллельных проводников с током представляют собой концентрические окружности «расходящиеся» вокруг каждого проводника, в том числе туда, где находится второй проводник. Поэтому на него действует магнитное поле, созданное первым проводником, и наоборот: магнитное поле, созданное вторым проводником, достигает первого и действует на него. Направление силовых линий определяется про правилу правой руки, а направление воздействия на проводник – по правилу левой руки.
Остальные, ранее рассмотренные опыты, объясняются аналогично: вокруг магнитов или проводников с током существует магнитное поле, по расположению силовых линий которого можно судить о направлении и величине магнитного поля, а также о том, как оно действует на проводники.
(C) 2011. «Физика.ru» при участии Краюхиной Т.Е. (Нижегородская обл., г. Сергач)
