§ 51. Магнитное поле

СВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА И ОПЫТ ЭРСТЕДА

До начала XIX века электрические и магнитные явления изучались учёными изолированно и считались совершенно независимыми областями природы. Электричество связывали с накоплением неподвижных зарядов на стекле и янтаре или с протеканием тока от гальванических батарей, а магнетизм — исключительно со свойствами железной руды и компасных стрелок.

Первое указание на их глубинное родство дало магнитное действие тока: обычный железный гвоздь, обмотанный изолированным проводом, при включении тока мгновенно превращается в магнит и притягивает железные предметы. Это навело физиков на мысль, что электрический ток способен порождать магнитные силы.

Решающий шаг сделал в 1820 году датский профессор физики Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851). Он провёл классический опыт, перевернувший представления всей мировой науки:

1. Над свободно вращающейся магнитной стрелкой компаса был параллельно натянут металлический проводник (рис. 120).
2. Пока в цепи не было тока, стрелка оставалась в покое, ориентируясь вдоль меридиана Земли.
3. В момент замыкания электрической цепи магнитная стрелка мгновенно дёрнулась и повернулась почти перпендикулярно проводнику.
4. При размыкании цепи стрелка тут же возвращалась в своё исходное положение.

Опыт Эрстеда доказал, что электрический ток оказывает силовое действие на магнитную стрелку на расстоянии. Это открытие породило новую фундаментальную область науки — электромагнетизм.

Вскоре физики экспериментально установили и обратные эффекты: не только ток действует на магнит, но и постоянные магниты действуют на подвижные проводники с током (заставляя их отклоняться или втягиваться в зазор магнита). Более того, два параллельных проводника с током взаимодействуют друг с другом: если токи текут в одном направлении, проводники притягиваются, а если в противоположных — отталкиваются.

ЧТО ТАКОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО СВОЙСТВА

Возникает фундаментальный вопрос: каким образом проводник с током и магнитная стрелка действуют друг на друга, если между ними нет никакой механической связи, а разделяет их обычный воздух или даже абсолютный вакуум?

Современная физика объясняет это тем, что любое намагниченное тело и любой проводник с током порождают в окружающем пространстве особую форму материи — магнитное поле.

Свойства магнитного поля:

• Материальность: Магнитное поле объективно существует в пространстве независимо от наших органов чувств и сознания. Мы не можем видеть или осязать его напрямую, но непреложно регистрируем его по реальному механическому действию на проводники с током и магнитные стрелки.
• Силовое действие: На любой помещённый в поле проводник с током или магнитную стрелку поле действует с некоторой силой, которую называют магнитной силой.
• Связь с направлением тока: Если в проводнике изменить направление электрического тока на противоположное, магнитная стрелка немедленно развернётся на 180°. Это доказывает, что направление магнитных сил строго ориентировано и напрямую зависит от направления движения зарядов.

Подобно тому как вокруг неподвижных электрических зарядов существует невидимое электрическое поле, так вокруг проводников с протекающим током неизбежно формируется магнитное поле.

ГИПОТЕЗА АМПЕРА О ПРИРОДЕ МАГНЕТИЗМА

После триумфального опыта Эрстеда выдающийся французский физик и математик Андре Мари Ампер задался вопросом: если электрический ток создаёт магнитное поле, то почему же магнитным полем обладают природные куски руды и постоянные стальные магниты, к которым никакие провода и батареи не подключены?

Ампер выдвинул смелую и гениальную для своего времени гипотезу о микроскопических токах:

• Внутри любого вещества циркулируют бесчисленные крошечные замкнутые круговые электрические токи (так называемые элементарные молекулярные токи Ампера).
• В обычных немагнитных телах (или в ненамагниченном куске стали) плоскости этих микротоков ориентированы совершенно хаотично из-за теплового движения частиц. Их магнитные поля направлены в разные стороны и полностью компенсируют (гасят) друг друга, поэтому тело снаружи не проявляет магнитных свойств (рис. 121, слева).
• Если же поместить сталь во внешнее магнитное поле, микротоки поворачиваются и выстраиваются строго согласованно в одном направлении. Их элементарные магнитные действия складываются, взаимно усиливая друг друга, и тело превращается в постоянный магнит (рис. 121, справа).

Во времена Ампера строение атома было неизвестно. Спустя столетие квантовая физика блестяще подтвердила правоту Ампера: элементарными токами оказались орбитальное движение электронов вокруг атомных ядер и собственный механико-магнитный момент вращения электрона (спин).

ГЛАВНЫЙ ВЫВОД: ДВИЖУЩИЕСЯ ЗАРЯДЫ И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Обобщая все опыты Эрстеда, Ампера и выводы современной науки, можно сформулировать краеугольный закон электродинамики:

Магнитное поле существует вокруг любых движущихся электрических зарядов (электрических токов) и оказывает силовое действие исключительно на движущиеся электрические заряды (токи и движущиеся частицы).

Вокруг неподвижного электрического заряда существует только статическое электрическое поле. Но как только заряд начинает двигаться, в дополнение к электрическому полю вокруг него неизбежно рождается поле магнитное.