Магнитное поле прямого проводника. Магнитные линии (Гребенюк Ю.В.)
1. Природный магнит
Вероятнее всего, необычные свойства природного минерала магнетита (см. Рис. 1) были известны в Месопотамии ещё в бронзовом веке, а после возникновения железной металлургии нельзя было не заметить, что магнетит притягивает железные изделия.
Рис. 1. Магнетит
О причинах такого притяжения думал ещё древнегреческий философ Фалес Милетский, который объяснял его особой одушевлённостью этого минерала, поэтому, неудивительно, что слово магнит тоже имеет греческие корни. Старинная греческая легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус. Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии).
2. Разветвление: История магнетизма
Магнитными явлениями интересовались ещё в Древнем Китае, так китайские мореплаватели в 11-ом веке уже пользовались морскими компасами.
Первое в Европе описание свойств природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. В 1269 году он отправил приятелю в Пикардию документ, который вошёл в историю науки как «Письмо о магните». В этом документе француз рассказывал о своих опытах с магнетитом, он заметил, что в каждом куске этого минерала есть две области, которые особенно сильно притягивают железо. Марикур усмотрел параллель между этими областями и полюсами небесной сферы, поэтому мы теперь говорим о южном и северном магнитном полюсе.
В 1600 году английский ученый Уильям Гильберт опубликовал труд «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». В этой книге Гильберт привёл все известные свойства природных магнитов, а также описал свои опыты с шаром из магнетита, с помощью которого он воспроизвёл основные черты земного магнетизма.
После Гильберта вплоть до начала 19-го века наука о магнетизме практически не развивалась.
3. Разветвление: Чем магнетизм хуже электричества?
Как объяснить то, что наука о магнетизме, в сравнении с учением об электричестве, развивалась очень медленно? Главная проблема заключалась в том, что магниты в то время существовали только в природе, их невозможно было получить в лабораторных условиях. Это очень сильно ограничивало возможности экспериментаторов.
Электричество находилось в более выгодном положении – его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов в 1663 году построил бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (см. Рис. 2)
Рис. 2. Немецкий физик Отто фон Герике и первый генератор статического электричества
В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст, а в 1745 году голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку – первый электрический конденсатор (см. Рис. 3), в то время появились и первые электрометры. В результате к концу 18-го века наука знала об электричестве намного больше, чем о магнетизме.
Рис. 3. Лейденская банка
Однако в 1800 году Алессандро Вольта изобрёл первый химический источник электрического тока – гальваническую батарею (вольтов столб) (см. Рис. 4). После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом оказывалось делом неизбежным.
Стоит заметить, что открытие такой связи могло произойти через несколько лет после изобретения лейденской банки, однако французский учёный Лаплас не предал значение тому, что параллельные проводники при прохождению по ним тока в одном направлении притягиваются.
Рис. 4. Первая гальваническая батарея
4. Опыт Эрстеда
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед, который вполне сознательно пытался получить связь между магнитными явлениями и электрическими, установил, что провод, по которому течёт электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Первоначально Эрстед располагал проводник с током перпендикулярно стрелке – стрелка оставалась неподвижной. Однако на одной из лекций он расположил проводник параллельно стрелке, и она отклонилась.
Для того чтобы воспроизвести опыт Эрстеда необходимо к источнику тока через реостат (сопротивление) подключить проводник, возле которого расположена магнитная стрелка (см. Рис. 5). При протекании тока по проводнику наблюдается отклонение стрелки, это доказывает, что электрический ток в проводнике оказывает влияние на магнитную стрелку.
Рис. 5. Опыт Эрстеда
5. Разветвление: Решение задач
Задача 1
На рисунке 13 изображена линия магнитного поля проводника с током. Укажите направление тока.
Рис. 13 Иллюстрация к задаче
Решение
Для решения данной задачи воспользуемся правилом правой руки. Расположим правую руку так, чтобы четыре согнутых пальца совпадали с направлением магнитных линий, тогда большой палец укажет направление тока в проводнике (см. Рис. 14).
Рис. 14. Иллюстрация к задаче
Ответ
Ток течёт из точки B в точку A.
Задача 2
Укажите полюса источника электрического тока, которые замкнуты проводом (магнитная стрелка находится под проводом) (см. Рис.15). Изменится ли ответ, если такое же положение будет занимать стрелка, расположенная над проводом.
Рис. 15. Иллюстрация к задаче
Решение
Направление линий магнитного поля совпадают с направлением северного полюса магнитной стрелки (синяя часть). Следовательно, по правилу правой руки, располагаем руку так, чтобы четыре согнутых пальца совпадали с направлением магнитных линий и огибали провод, тогда большой палец укажет направление тока в проводнике. Ток протекает от «плюса» к «минусу», поэтому полюса источника электрического тока располагаются как на рисунке 16.
Рис. 16. Иллюстрация к задаче
Если бы стрелка располагалась над проводом, то получили бы противоположное течение тока и знаки полюсов были другими (см.Рис. 17).
Рис. 17. Иллюстрация к задаче
Опыт Ампера
После оглашения результатов опыта французский физик и математик Анри Ампер решил заняться экспериментами по выявлению магнитных свойств электрического тока. Вскоре Ампер установил, что если по двум расположенным параллельно проводникам течёт электрический ток в одну сторону, то такие проводники притягиваются (см.Рис. 6 б) если ток течёт в противоположные стороны – проводники отталкиваются (см. Рис. 6 а).
Рис. 6. Опыт Ампера
6. Выводы из опыта Ампера
Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:
1) Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле;
2) Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле;
3) Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник с током;
4) Взаимодействие проводника с током и магнита, а также взаимодействие магнитов можно объяснить, предположив существование внутри магнита незатухающих молекулярных электрических токов.
Таким образом, все магнитные явления Ампер объяснял взаимодействием движущихся заряженных частиц. Взаимодействия осуществляются с помощью магнитных полей этих частиц.
Магнитное поле – особая форма материи, которая существует вокруг движущихся заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие заряженные частицы или тела, движущиеся в этом поле.
7. Магнитные линии. Правило буравчика. Правило правой руки
Издавна для изучения магнитных явлений применяются магнитные стрелки (магниты в виде ромба). Если расположить вокруг магнита большое количество маленьких магнитных стрелок (на подставках, чтобы стрелки могли свободно вращаться), то они определённым образом соориентируются в магнитном поле магнита (см. Рис. 9). Оси магнитных стрелок будут проходить вдоль определённых линий. Такие линии называются линиями магнитного поля или магнитными линиями.
За направление линий магнитного поля принимают направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки (см. Рис. 9).
Рис. 9. Расположение магнитных стрелок вокруг магнита
С помощью магнитных линий удобно изображать магнитные поля графически (см. Рис. 10)
Рис. 10. Изображение графически магнитных линий
Однако для определения направления магнитных линий не обязательно пользоваться магнитными стрелками.
Рис. 11. Расположение железных опилок вокруг проводника с током
Если вокруг проводника с током высыпать железные опилки, то через некоторое время опилки, попав в магнитное поле проводника, намагнитятся и расположатся по окружностям, которые охватывают проводник (см. Рис.11). Для определения направления магнитных линий в таком случае можно воспользоваться правилом буравчика - если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока. (см. Рис. 12). Также можно использовать правило правой руки - если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 13).
Рис. 11.Правило буравчика
Рис. 12. Правило правой руки
8. Подведение итогов
Мы начали изучение магнетизма, обсудили историю изучения данного явления и узнали о линиях магнитного поля.