Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии (Ерюткин Е.С.)
Введение
С древнейших времён люди замечали удивительные явления природы. Ещё задолго до появления электричества, молний и батареек, человечество знало о существовании особых камней, которые способны притягивать железо. Эти камни называли магнитами, и они вызывали неподдельный интерес и восхищение. С тех пор прошло много веков, но интерес к магнетизму не исчез. Сегодня магнетизм и электричество изучаются как части одного большого раздела физики — электромагнетизма.
Магнитное поле — это одна из форм материи, через которую осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими зарядами. Оно проявляется в действии на другие токи, магниты и на любые тела, обладающие магнитными свойствами. Особенно интересно то, что магнитное поле может создаваться не только естественными магнитами, но и электрическим током. Это открытие стало одним из важнейших событий в истории физики.
В этой статье мы разберём, как возникло слово «магнит», как учёные открыли связь между электричеством и магнетизмом, какие опыты проводили Эрстед и Ампер, а также как можно определить форму и направление магнитных линий вокруг проводника с током.
Возникновение слова «магнит»
Слово «магнит» происходит от названия древнегреческого города Магнезия, расположенного в Малой Азии. Именно там в древности был найден минерал — магнитный железняк (Fe₃O₄), обладающий способностью притягивать железо. С тех пор этот минерал стали называть «магнитом».
Магнитные свойства природного железняка долгое время оставались загадкой. Однако наблюдения за компасом — устройством, основанным на действии магнитного поля Земли — помогли людям понять, что магнетизм имеет природный характер и подчиняется определённым законам.
Магнитные действия
Магнитное поле можно обнаружить по его действию на магнитную стрелку или на ферромагнитные вещества (железо, никель, кобальт). Магнит может притягивать или отталкивать другие магниты и железные предметы.
Позднее учёные обнаружили, что подобные магнитные действия возникают и вокруг проводников, по которым протекает электрический ток. Это стало одним из величайших открытий XIX века, показавшим, что электричество и магнетизм — тесно связанные явления.
Эксперимент Эрстеда
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед проводил демонстрацию опыта со своими студентами. На столе лежал проводник, подключённый к источнику тока, а рядом находился компас. Когда Эрстед замкнул электрическую цепь, стрелка компаса неожиданно повернулась в сторону!
Это означало, что ток, проходящий по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку. После размыкания цепи стрелка возвращалась в прежнее положение.
Таким образом, Эрстед доказал, что электрический ток является источником магнитного поля. Это открытие стало основой для развития новой науки — электромагнетизма, изучающей взаимодействие электрических и магнитных явлений.
Исследования магнитного поля Ампером
После открытия Эрстеда французский учёный Андре-Мари Ампер начал активно исследовать свойства магнитного поля, создаваемого электрическим током.
Он провёл серию опытов и установил, что два параллельных проводника, по которым текут токи, взаимодействуют между собой:
-
если токи текут в одном направлении, проводники притягиваются;
-
если токи текут в противоположных направлениях, проводники отталкиваются.
Из этого Ампер сделал важный вывод: взаимодействие между токами происходит через магнитное поле, создаваемое каждым проводником. Так Ампер экспериментально доказал существование магнитного поля тока и сформулировал закон взаимодействия токов, который стал одним из фундаментальных законов электродинамики.
Свойства магнитного поля
Магнитное поле обладает рядом свойств, которые отличают его от других физических полей:
-
Магнитное поле создаётся движущимися зарядами — электрическим током.
-
Магнитное поле существует вокруг проводников и магнитов, а также вокруг катушек с током.
-
Оно действует на другие движущиеся заряды и токи.
-
Магнитное поле можно изобразить при помощи магнитных линий, которые показывают его форму и направление.
Определение формы магнитного поля
Чтобы определить форму магнитного поля вокруг прямого проводника с током, можно воспользоваться простым экспериментом.
Если сквозь лист картона вертикально пропустить провод и пропустить по нему ток, а на поверхность листа насыпать железные опилки, то при лёгком постукивании по листу опилки расположатся по концентрическим окружностям вокруг проводника. Это наглядно показывает, что магнитное поле прямого тока имеет форму окружностей, охватывающих проводник.
Линии магнитного поля
Для удобства изучения магнитного поля вводят понятие магнитных линий. Это воображаемые линии, которые показывают направление и форму магнитного поля.
Основные свойства магнитных линий:
-
Они замкнуты — не имеют ни начала, ни конца.
-
Направление линий определяют по правилу буравчика (или правой руки):
Если вращать буравчик так, чтобы направление его поступательного движения совпадало с направлением тока, то направление вращения ручки покажет направление магнитных линий.
Или, если обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал направление тока, то согнутые пальцы покажут направление магнитных линий. -
Чем ближе линии расположены друг к другу, тем сильнее магнитное поле.
Значение открытия
Опыты Эрстеда и Ампера доказали, что электрический ток всегда сопровождается магнитным полем. Это открытие легло в основу работы многих современных устройств: электродвигателей, трансформаторов, генераторов, динамиков, микрофонов и множества других приборов.
Без понимания свойств магнитного поля невозможно представить современную электротехнику, связь и промышленность.
Вопросы для самопроверки
-
Откуда произошло слово «магнит»?
-
Что называют магнитным полем?
-
Как можно обнаружить наличие магнитного поля?
-
В чём суть опыта Эрстеда?
-
Что доказал опыт Ампера?
-
Как направлены магнитные линии вокруг прямого проводника с током?
-
Сформулируйте правило буравчика и правило правой руки.
-
Какие свойства характерны для магнитного поля?
-
Что показывает расстояние между магнитными линиями?
-
Почему магнитное поле прямого тока имеет форму окружностей?