Первую попытку научного подхода к изучению магнетизма совершил в XIII в. французский физик Пьер Пелерен де Марикур (точные даты жизни неизвестны) в своем трактате «Послание о магните». Более системно свойства постоянных магнитов исследовал Уильям Гильберт (1544-1603) — английский физик и врач, один из основателей науки об электричестве. С целью изучения земного магнетизма Уильям Гильберт изготовил постоянный магнит в виде шара (модель Земли). Расположив на шаре компас, он заметил, что стрелка компаса ведет себя так же, как на поверхности Земли. Эксперименты позволили ученому предположить, что Земля — это огромный магнит, а на севере нашей планеты находится ее южный магнитный полюс.
Долгое время электрические и магнитные явления рассматривались как не связанные между собой. Впервые связь между ними установил датский физик Эрстед. Выполняя опыт в 1820 г., он заметил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с проводником, при замыкании цепи вращается и размещается почти перпендикулярно к проводнику.
Если электрическую цепь разомкнуть, то стрелка вернется в прежнее положение. Этот опыт свидетельствует о том, что электрический ток каким-то образом действует на магнитную стрелку. Итак, между электрическими и магнитными явлениями существует определенная связь.
В опыте Эрстеда впервые было обнаружено магнитное поле, вызванное протеканием электрического тока. На самом деле, если проводник с электрическим током действует на магнитную стрелку, то следует считать, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Французский математик и физик Андре Мари Ампер (1775-1836) впервые услышал об опытах Г. Эрстеда 4 сентября 1820 г. и уже через неделю продемонстрировал взаимодействие двух параллельно расположенных проводников с током. Ампер также показал, что катушки, в которых проходит электрический ток, ведут себя как постоянные магниты. Анализируя результаты опытов, ученый пришел к выводу: поскольку проводники являются электрически нейтральными (они незаряженные), их притяжения или отталкивания не может объясняться действием электрических сил, — «поведение» проводников является следствием действия магнитных сил.
Поскольку электрический ток — это направленное движение электрически заряженных частиц, то мы приходим к выводу, что вокруг любой подвижной заряженной частицы существуют одновременно магнитное поле и электрическое поле. Вокруг неподвижных зарядов есть только электрическое поле.
Для исследования индукции магнитного поля воспользуемся методом спектров, который мы применяли для выявления магнитного поля постоянных магнитов.
Мы не можем увидеть магнитное поле, однако для лучшего понимания магнитных явлений важно научиться наглядно изображать. В этом нам, помимо железных опилок, показывающих силовые линии поля, помогут магнитные стрелки, которые показывают также направление магнитного поля. Каждая такая стрелка — это маленький постоянный магнит, который легко поворачивается в горизонтальной плоскости. О том, как графически изображают магнитное поле и какая физическая величина его характеризует, вы узнаете из этой статьи.
Опыт 1. Через отверстие в горизонтально расположенном листе картона пропустим вертикальный проводник с током. Посыпьте картон железными опилками и замкните электрическую цепь. В результате опыта мы увидим, что опилки разместились вокруг проводника концентрическими кругами. Если опилки заменить магнитными стрелками, то они размещаются так, как показано на рисунке.
Здесь изображен вид сверху на картон с цепочками опилок. Круг в центре — поперечное сечение проводника с током. В нем крестиком обозначены ток в направлении в картон (как хвостовое оперение стрелы от лука, летящий от нас). Точкой в круге обозначено ток в направлении из-за картона (как наконечник стрелы, летящей на нас).
Из результатов опыта видно, что свойства магнитного поля тока такие же, как у магнитного поля постоянного магнита. Поэтому можно повторить выводы относительно графического изображения магнитного поля, помня, что его источником могут быть и постоянный магнит, и электрический ток.
Воображаемые линии, вдоль которых в магнитном поле размещаются продольные оси маленьких магнитных стрелок, называют линиями магнитного поля (магнитными силовыми линиями).
Направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление линии магнитного поля. В магнитном поле железные или стальные опилки показывают форму магнитных линий этого поля. Линии магнитного поля тока — это замкнутые линии, которые окружают проводник с током.
Выполним предварительный опыт, но изменим направление тока в проводнике на противоположный. Окажется, что все магнитные стрелки повернутся на 180°. Направление линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, на практике его можно установить по правилу буравчика.
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением магнитных силовых линий.
Опыт 2. Возьмем длинный прямой изолированный провод, намотаем его на деревянную или пластмассовую катушку. Присоединим ее к источнику тока. В катушке будет проходить электрический ток и к ее концам будут притягиваться железные предметы, например винт.
Опыт 3. Подвесим катушку с током на длинных тонких и гибких проводниках. Если поблизости нет магнитных материалов или других магнитных полей, то катушка установится в пространстве так, как магнитная стрелка компаса: одна сторона катушки будет направлена на север, другая — на юг.
Катушка с током имеет два магнитных полюса: северный N и южный S.
На рисунке также показано, как отталкиваются постоянный магнит и катушка с током, поскольку они размещены одноименными полюсами друг к другу.
Опыт 4. На пластинку из оргстекла положим железные опилки и по катушке пропустим электрический ток. Опилки расположатся в определенном порядке. Как видим, линии магнитного поля катушки с током являются замкнутыми кривыми. Считают, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному. Магнитное поле катушки с током очень похоже на магнитное поле постоянного магнита.
Выясним теперь, от чего зависит сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Опыт 5. Прикрепим катушку 1 к чувствительному динамометру 3, разместив ее внутри неподвижной катушки 2 с сильным постоянным магнитным полем. Пропустим по обеим катушках токи одинакового направления. Катушка 1 будет втягиваться внутрь катушки 2, пружина динамометра растягиваться, измеряя силу взаимодействия токов.
Будем пропускать через катушку 1 токи I, 2I, 3I …. Тогда сила, с которой действует на нее магнитное поле катушки 2, равна соответственно Р, 2Р, 3Р …. Следовательно, сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока в проводнике: Р ~ I.
Изменяя длину проводника, намотанного на катушку 1, аналогично можно убедиться, что Р ~ L, где L -длина проводника, который расположен в магнитном поле.
Кроме того, сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, зависит от свойств самого поля. Различные магнитные поля на один и тот же проводник действуют неодинаково. Эта зависимость характеризуется величиной, которая получила название индукции магнитного поля (обозначают буквой В).
Если заряженная частица движется в магнитном поле, то поле будет действовать на частицу с некоторой силой. Значение этой силы зависит от заряда частицы, направления и значение скорости ее движения, а также от того, насколько сильно поле.
Чем больше индукция магнитного поля, тем с большей силой оно действует на перпендикулярен проводник с током: Р ~ В. Объединяя результаты опытов, получаем: F = BIL. Из этого соотношения определяем индукцию магнитного поля: В = F/IL. Таким образом, индукция магнитного поля определяется силой, с которой магнитное поле действует на проводник длиной 1 м, по которому проходит ток 1 А.
Тогда единицей индукции магнитного поля в СИ является Тесла:
1 Н / 1 А • 1 м = 1 Н / А • м = 1 Тл.
За единицу индукции магнитного поля 1 тесла (1 Тл) принимается индукция такого магнитного поля, при котором на каждый 1 м длины проводника с током 1 А действует силой 1 Н. Единица индукции магнитного поля названа в честь сербского физика и электротехника Николы Теслы (1856-1943).
Индукция магнитного поля является величиной векторной: она имеет не только числовое значение, но и направление. Определение направления индукции магнитного поля основывается на таком опытном факте.
Как известно, магнитная стрелка в магнитном поле поворачивается. А значит, со стороны магнитного поля на нее действуют силы. В состоянии покоя эти силы направлены по одной прямой, но в противоположные стороны. За направление индукции магнитного поля принимают направление силы, действующей со стороны магнитного поля в направлении северного полюса магнитной стрелки.
Подводим итоги
Индукция магнитного поля В — это векторная физическая величина, характеризующая силовое воздействие магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением, в котором указывает северный полюс магнитной стрелки. Единица магнитной индукции в СИ — тесла (Тл).
Условные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, вне магнита они выходят из северного полюса магнита и входят в южный, они плотнее расположены в тех областях магнитного поля, где модуль магнитной индукции больше.
Планета Земля имеет магнитное поле. Вблизи северного географического полюса Земли расположен ее южный магнитный полюс, вблизи южного географического полюса — северный магнитный полюс.