Що ми знаємо про силові лінії магнітного поля, крім того, що в локальному просторі біля постійних магнітів або провідників зі струмом, існує магнітне поле, яке виявляє себе у вигляді силових ліній, або у більш звичному поєднанні – у вигляді магнітно-силових ліній?

Існує дуже зручний спосіботримати наочну картину силових ліній магнітного поля за допомогою залізної тирси. Для цього потрібно насипати на аркуш паперу або картону трохи залізної тирси і піднести знизу один з полюсів магніту. Тирса намагнічується і розташовуються по силових лініях магнітного поля у вигляді ланцюжків мікро магнітів. У класичній фізиці магнітно- силові лініївизначають як лінії магнітного поля, дотичні до яких у кожній їх точці вказують напрямок поля в цій точці.

На прикладі кількох малюнків з різним розташуванням магнітно-силових ліній розглянемо характер магнітного поля навколо провідників зі струмом та постійних магнітів.

На рис.1 наведено вигляд магнітно-силових ліній кругового витка зі струмом, а на рис.2 наведено картину магнітно-силових ліній навколо прямолінійного дроту зі струмом. На рис.2 замість тирси використовують маленькі магнітні стрілки. На цьому малюнку показано, як при зміні напряму струму, змінюється напрямок магнітно-силових ліній. Зв'язок між напрямком струму та напрямом магнітно-силових ліній зазвичай визначають за допомогою «правила буравчика», обертання рукоятки якого покаже напрямок магнітно-силових ліній, якщо вкручувати буравчик у напрямку струму.

На рис.3 наведено картину магнітно-силових ліній смугового магніту, а на рис.4 картину магнітно-силових ліній довгого соленоїда зі струмом. Привертає увагу подібність зовнішнього розташування магнітно-силових ліній на обох малюнках (рис.3 і рис.4). Силові лінії від одного кінця соленоїда зі струмом тягнуться до іншого так само, як у смугового магніту. Сама форма магнітно-силових ліній зовні соленоїда зі струмом ідентична формою ліній смугового магніту. У соленоїда зі струмом є полюси північний і південний, а також нейтральна зона. Два соленоїди зі струмом або соленоїд і магніт взаємодіють як два магніти.

Що ж можна побачити, дивлячись на картинки магнітних полів постійних магнітів, прямолінійних провідників зі струмом або витків зі струмом з використанням залізної тирси? Головна особливістьмагнітно-силових ліній, як показують картинки розташування тирси, це їхня замкнутість. Інша особливість магнітно-силових ліній – це їхня спрямованість. Маленька магнітна стрілка, поміщена у будь-якій точці магнітного поля, своїм північним полюсом вкаже напрямок магнітно-силових ліній. Для певності домовилися вважати, що магнітно-силові лінії виходять із північного магнітного полюса смугового магніту і входять до його південного полюса. Локальний магнітний простір поблизу магнітів або провідників зі струмом є суцільним пружним середовищем. Пружність цього середовища підтверджують численні досліди, наприклад при відштовхуванні однойменних полюсів постійних магнітів.

Ще раніше я висловив гіпотезу про те, що магнітне поле навколо магнітів або провідників зі струмом є суцільним пружним середовищем, що володіє магнітними властивостями, в якому утворюються інтерференційні хвилі. Частина цих хвиль замкнута. Саме в цьому суцільному пружному середовищі утворюється інтерференційна картина магнітно-силових ліній, яка проявляється з використанням залізної тирси. Суцільне середовище створюється випромінюванням джерел у мікроструктурі речовини.

Згадаймо досліди з інтерференції хвиль з підручника з фізики, в якому пластинка, що коливається, з двома вістрями вдаряє по воді. У цьому досвіді видно, що взаємне перетин під різними кутамидвох хвиль жодного впливу не робить на їхнє подальше переміщення. Тобто хвилі проходять один через одного без подальшого впливу на поширення кожної з них. Для світлових (електромагнітних) хвиль справедлива та сама закономірність.

Що ж відбувається у тих областях простору, у яких дві хвилі перетинаються (Мал. 5) – накладаються одна на одну? Кожна частка середовища перебуває у шляху двох хвиль одночасно бере участь у коливаннях цих хвиль, тобто. її рух є сумою коливань двох хвиль. Ці коливання є картиною інтерференційних хвиль з їх максимумами і мінімумами в результаті накладання двох або більшого числахвиль, тобто. складання їх коливань у кожній точці середовища, якою ці хвилі проходять. Досвідами встановлено, що явище інтерференції спостерігається як у хвиль, що розповсюджуються в середовищах, так і електромагнітних хвиль, тобто інтерференція є виключно властивістю хвиль і не залежить ні від властивостей середовища, ні від його наявності. Слід пам'ятати, що інтерференція хвиль виникає за умови, якщо коливання когерентні (узгоджені), тобто. коливання повинні мати постійну у часі різницю фаз і однакову частоту.

У нашому випадку із залізною тирсою магнітно-силовими лініямиє лінії з найбільшою кількістютирси, розташованої в максимумах інтерференційних хвиль, а лінії з меншою кількістю тирси розташовані між максимумами (у мінімумах) інтерференційних хвиль.

На підставі вище наведеної гіпотези, можна зробити такі висновки.

1.Магнітне поле - це середовище, яке утворюється поблизу постійного магніту або провідника зі струмом в результаті випромінювання джерелами в мікроструктурі магніту або провідника окремих мікромагнітних хвиль.

2.Ці мікромагнітні хвилі взаємодіють у кожній точці магнітного поля, утворюючи інтерференційну картину у вигляді магнітно-силових ліній.

3.Мікромагнітні хвилі це замкнуті мікроенергетичні вихори з мікро полюсами здатні притягуватися між собою, утворюючи пружні замкнуті лінії.

4.Мікро джерела в мікро структурі речовини, що випромінюють мікромагнітні хвилі, які утворюють інтерференційну картину магнітного поля, мають однакову частоту коливань, а їхнє випромінювання постійну в часі різниця фаз.

Як же відбувається процес намагнічування тіл, що призводить до утворення навколо них магнітного поля, тобто. які процеси відбуваються в мікроструктурі магнітів та провідників зі струмом? Щоб відповісти на це та інші питання необхідно згадати деякі особливості будови атома.

Таким чином, індукція магнітного поля на осі кругового витка зі струмом зменшується назад пропорційно до третього ступеня відстані від центра витка до точки на осі. Вектор магнітної індукції на осі витка паралельний осі. Його напрям можна визначити за допомогою правого гвинта: якщо направити правий гвинт паралельно осі витка і обертати його за напрямком струму у витку, то напрямок поступального руху гвинта покаже напрямок вектора магнітної індукції.

3.5 Силові лінії магнітного поля

Магнітне поле, як і електростатичне, зручно представляти у графічній формі – за допомогою силових ліній магнітного поля.

Силова лінія магнітного поля – це лінія, яка стосується якої у кожній точці збігається з напрямком вектора магнітної індукції.

Силові лінії магнітного поля проводять так, що їх густота пропорційна величині магнітної індукції: чим більша магнітна індукція в деякій точці, тим більша густота силових ліній.

Таким чином, силові лінії магнітного поля мають схожість із силовими лініями електростатичного поля.

Проте їм властиві деякі особливості.

Розглянемо магнітне поле, створене прямим провідником із струмом I.

Нехай цей провідник перпендикулярний до площини малюнка.

У різних точках, розташованих на однакових відстанях від провідника, індукція однакова за величиною.

Напрямок вектору В в різних точкахпоказано малюнку.

Лінією, дотична до якої у всіх точках збігається з напрямком вектора магнітної індукції, є коло.

Отже, силові лінії магнітного поля в цьому випадку є колами, що охоплюють провідник. Центри всіх силових ліній розташовані на провіднику.

Таким чином, силові лінії магнітного поля замкнуті (силові електростатичні лінії не можуть бути замкнуті, вони починаються і закінчуються на зарядах).

Тому магнітне поле є вихровим(Так називають поля, силові лінії яких замкнені).

Замкненість силових ліній означає ще одну, дуже важливу особливість магнітного поля – у природі немає (принаймні, поки що не виявлено) магнітних зарядів, які були джерелом магнітного поля певної полярності.

Тому не буває окремо існуючого північного або південного магнітного полюса магніту.

Навіть якщо розпиляти навпіл постійний магніт, то вийде два магніти, кожен з яких має обидва полюси.

3.6. Сила Лоренця

Експериментально встановлено, що у заряд, який у магнітному полі, діє сила. Цю силу прийнято називати силою Лоренца:

.

Модуль сили Лоренця

,

де a – кут між векторами v і B .

Напрямок сили Лоренца залежить від напрямку вектора. Його можна визначити за допомогою правила правого гвинта чи правила лівої руки. Але напрям сили Лоренца не обов'язково збігається з напрямком вектора!

Справа в тому, що сила Лоренца дорівнює результату твору вектора [ v , В ] на скаляр q. Якщо заряд позитивний, то F лпаралельна вектору [ v , В ]. Якщо ж q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , В ] (Див. малюнок).

Якщо заряджена частка рухається паралельно силовим лініям магнітного поля, то кут a між векторами швидкості та магнітної індукції дорівнює нулю. Отже, сила Лоренца такий заряд не діє (sin 0 = 0, F л = 0).

Якщо ж заряд буде рухатися перпендикулярно силовим лініям магнітного поля, то кут між векторами швидкості і магнітної індукції дорівнює 90 0 . В цьому випадку сила Лоренца має максимально можливе значення: F л = q v B.

Сила Лоренца завжди перпендикулярна швидкості руху заряду. Це означає, що сила Лоренца неспроможна змінити величину швидкості руху, але змінює її напрямок.

Тому в однорідному магнітному полі заряд, що влетів у магнітне поле перпендикулярно до його силових ліній, буде рухатися по колу.

Якщо заряд діє лише сила Лоренца, то рух заряду підпорядковується наступному рівнянню, складеному з урахуванням другого закону Ньютона: ma = F л.

Оскільки сила Лоренца перпендикулярна швидкості, остільки прискорення зарядженої частки є доцентровим (нормальним): (тут R- Радіус кривизни траєкторії зарядженої частинки).

Силові лінії магнітного поля

Магнітні поля, як і електричні, можна зображати графічно за допомогою силових ліній. Магнітною силовою лінією, або лінією індукції магнітного поля називають лінію, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямком вектора магнітної індукції поля.

а)	б)	в)

Рис. 1.2. Силові лінії магнітного поля прямого струму (а),

кругового струму (б), соленоїда (в)

Магнітні силові лінії так само, як і електричні, не перетинаються. Їх прокреслюють з такою густотою, щоб число ліній, що перетинають одиницю поверхні, перпендикулярної до них, було (або пропорційно) величині магнітної індукції магнітного поля в даному місці.

На рис. 1.2, анаведено силові лінії поля прямого струму, які є концентричними колами, центр яких розташований на осі струму, а напрямок визначається правилом правого гвинта (струм у провіднику спрямований на читача).

Лінії магнітної індукції можна «проявити» за допомогою залізної тирси, що намагнічується в досліджуваному полі і ведуть себе подібно до маленьких магнітних стрілок. На рис. 1.2, бпоказано силові лінії магнітного поля кругового струму. Магнітне поле соленоїда представлене на рис. 1.2, в.

Силові лінії магнітного поля замкнуті. Поля, що мають замкнені силові лінії, отримали назву вихрових полів. Очевидно, що магнітне поле – вихрове поле. У цьому полягає суттєва відмінність магнітного поля від електростатичного.

В електростатичному полі силові лінії завжди розімкнені: вони починаються і закінчуються на електричних зарядах. Магнітні силові лінії не мають ні початку, ні кінця. Це відповідає тому, що у природі немає магнітних зарядів.

1.4. Закон Біо-Савара-Лапласа

Французькі фізики Ж. Біо і Ф. Савар провели в 1820 р. дослідження магнітних полів, створюваних струмами, що течуть по тонких дротах різної форми. Лаплас проаналізував експериментальні дані, отримані Біо та Саваром, та встановив залежність, яка отримала назву закону Біо-Савара-Лапласа.

Відповідно до цього закону, індукція магнітного поля будь-якого струму може бути обчислена як векторна сума (суперпозиція) індукцій магнітних полів, створюваних окремими елементарними ділянками струму. Для магнітної індукції поля, створюваного елементом струму довжиною, Лаплас отримав формулу:

, (1.3)

де - вектор, по модулю рівний довжині елемента провідника і збігається у напрямку зі струмом (рис. 1.3); - Радіус-вектор, проведений від елемента в ту точку, в якій визначається ; – модуль радіусу-вектора.

> Лінії магнітного поля

Як визначити силові лінії магнітного поля: схема сили та напрямків ліній магнітного поля, використання компасу для визначення магнітних полюсів, малюнок.

Лінії магнітного полякорисні для візуального відображення сили та напрямки магнітного поля.

Завдання навчання

• Співвіднести сили магнітного поля із щільністю ліній магнітного поля.

Основні пункти

• Напрямок магнітного поля відображає стрілки компаса, що стосуються ліній магнітного поля будь-якої вказаної точки.
• Сила Поля виступає назад пропорційної дистанції між лініями. Вона також точно пропорційна числу ліній на одиницю площі. Одна лінія ніколи не перетинає іншу.
• Магнітне поле є унікальним у кожній точці простору.
• Лінії не перериваються та створюють замкнені петлі.
• Лінії тягнуться із північного до південного полюса.

Терміни

• Лінії магнітного поля – графічне зображення величини та напрями магнітного поля.
• В-полі – синонім для магнітного поля.

Лінії магнітного поля

Кажуть, що у дитинстві Альберт Ейнштейн любив розглядати компас, розмірковуючи у тому, як голка відчуває силу без прямого фізичного контакт. Глибоке мислення і серйозний інтерес призвели до того, що дитина виросла і створила свою революційну теорію відносності.

Оскільки магнітні сили впливають на віддаленості, ми обчислюємо магнітне поле для відображення цих сил. Графічна передача ліній корисна для візуалізації сили та напрями магнітного поля. Витягнутість ліній свідчить про північну орієнтацію стрілки компаса. Магнітне називають В-полем.

(а) – Якщо для зіставлення магнітного поля навколо стрижневого магніту використовують невеликий компас, він покаже потрібний напрямоквід північного полюса до південного. (b) – Додавання стрілок створює безперервні лініїмагнітного поля. Сила виступає пропорційною близькості ліній. (с) – Якщо можна вивчити нутрощі магніту, то лінії відобразяться у вигляді замкнутих петель

Немає нічого складного у порівнянні магнітного поля об'єкта. Для початку обчисліть силу та напрямок магнітного поля в декількох місцях. Позначте ці точки векторами, що вказують у напрямі локального магнітного поля з величиною, пропорційною його силі. Можна об'єднати стрілки і сформувати лінії магнітного поля. Напрямок у будь-якій точці виступить паралельним напряму найближчих ліній поля, а локальна щільність може бути пропорційної міцності.

Силові лінії магнітного поля нагадують контурні на топографічні карти, Оскільки показують щось безперервне. Багато законів магнетизму можна сформулювати за допомогою простих понять, як кількість польових ліній крізь поверхню.

Напрямок ліній магнітного поля, представлених вирівнюванням залізної тирси на папері, розташованому над стрижневим магнітом

На відображення ліній впливають різні явища. Наприклад, залізна тирса на лінії магнітного поля створюють лінії, які відповідають магнітним. Також вони візуально відображаються у полярних сяйвах.

Відправлений у полі невеликий компас вирівнюється паралельно до лінії поля, а північний полюс вкаже на Ст.

Мініатюрні компаси можна використовувати для показу полів. (а) – Магнітне поле круглого струмового контуру нагадує магнітне. (b) – Довгий та прямий провід формує поле з лініями магнітного поля, що створює кругові петлі. (с) – Коли провід виявляється у площині паперу, то поле виступає перпендикулярним паперу. Позначте, які саме символи використовують для поля, що вказує всередину та назовні

Детальне вивчення магнітних полів допомогло вивести низку важливих правил:

• Напрямок магнітного поля стосується лінії поля у будь-якій точці простору.
• Сила поля виступає пропорційною близькості лінії. Вона також точно пропорційна до кількості ліній на одиницю площі.
• Лінії магнітного поля ніколи не стикаються, а значить у будь-якій точці простору магнітне поле буде унікальним.
• Лінії залишаються безперервними і випливають з північного до південного полюса.

Останнє правило полягає в тому, що полюси не можна розділити. І це відрізняється від ліній електричного поля, У яких кінець і початок знаменується позитивними та негативними зарядами.

Теми кодифікатора ЄДІ : взаємодія магнітів, магнітне поле провідника зі струмом

Магнітні властивості речовини відомі людям давно. Магніти отримали свою назву від античного міста Магнесія: на його околицях був розповсюджений мінерал (названий згодом магнітним залізняком або магнетитом), шматки якого притягували залізні предмети.

Взаємодія магнітів

На двох сторонах кожного магніту розташовані північний полюсі Південний полюс. Два магніти притягуються одна до одної різноіменними полюсами і відштовхуються однойменними. Магніти можуть діяти один на одного навіть крізь вакуум! Все це нагадує взаємодію електричних зарядів, проте взаємодія магнітів не є електричною. Про це свідчать такі досвідчені факти.

Магнітна сила слабшає під час нагрівання магніту. Сила ж взаємодії точкових зарядів не залежить від їхньої температури.

Магнітна сила слабшає, якщо трясти магніт. Нічого подібного з електрично зарядженими тілами не відбувається.

Позитивні електричні зарядиможна відокремити від негативних (наприклад, при електризації тіл). А ось розділити полюси магніту не виходить: якщо розрізати магніт на дві частини, то в місці розрізу також виникають полюси, і магніт розпадається на два магніти з різноіменними полюсами на кінцях (орієнтованих так само, як і полюси вихідного магніту).

Таким чином, магніти завждидвополюсні, вони існують лише у вигляді диполів. Ізольованих магнітних полюсів (так званих магнітних монополів- аналогів електричного заряду) у природі не існує (принаймні, експериментально вони поки не виявлені). Це, мабуть, найвражаюча асиметрія між електрикою та магнетизмом.

Як і електрично заряджені тіла, магніти діють електричні заряди. Однак магніт діє тільки на рухаєтьсязаряд; якщо заряд спочиває щодо магніту, то дії магнітної сили на заряд не спостерігається. Навпаки, на електризоване тіло діє будь-який заряд, незалежно від цього, лежить він чи рухається.

За сучасними уявленнями теорії близькодії, взаємодія магнітів здійснюється за допомогою магнітного поля.А саме, магніт створює в навколишньому просторі магнітне поле, яке діє на інший магніт і викликає видиме тяжіння чи відштовхування цих магнітів.

Прикладом магніту є магнітна стрілкакомпасу. За допомогою магнітної стрілки можна судити про наявність магнітного поля в даній області простору, а також напрям поля.

Наша планета Земля є величезним магнітом. Неподалік північного географічного полюса Землі розташований південний магнітний полюс. Тому північний кінець стрілки компаса, повертаючись до південного магнітного полюса Землі, вказує на географічну північ. Звідси, власне, і виникла назва "північний полюс" магніту.

Лінії магнітного поля

Електричне поле, нагадаємо, досліджується за допомогою маленьких пробних зарядів, по дії на які можна судити про величину та напрямок поля. Аналогом пробного заряду у разі магнітного поля є невелика магнітна стрілка.

Наприклад, можна отримати деяке геометричне уявлення про магнітне поле, якщо розмістити в різних точках простору дуже малі стрілки компаса. Досвід показує, що стрілки вишикуються вздовж певних ліній -так званих ліній магнітного поля. Дамо визначення цього поняття у вигляді наступних трьохпунктів.

1. Лінії магнітного поля, або магнітні силові лінії - це спрямовані лінії у просторі, що мають наступну властивість: маленька стрілка компаса, поміщена в кожній точці такої лінії, орієнтується по дотичній до цієї лінії.

2. Напрямком лінії магнітного поля вважається напрямок північних кінців стрілок компаса, розташованих у точках даної лінії.

3. Чим густіше йдуть лінії, тим сильніше магнітне поле в цій галузі простору.

Роль стрілок компаса з успіхом можуть виконувати залізну тирсу: в магнітному полі маленька тирса намагнічується і поводяться точно як магнітні стрілки.

Так, насипавши залізну тирсу навколо постійного магніту, ми побачимо приблизно наступну картину ліній магнітного поля (рис. 1).

Рис. 1. Поле постійного магніту

Північний полюс магніту позначається синім кольором та літерою; південний полюс - червоним кольором та літерою. Зверніть увагу, що лінії поля виходять із північного полюса магніту і входять до південного полюса: адже саме до південного полюса магніту буде спрямований північний кінець стрілки компаса.

Досвід Ерстеда

Незважаючи на те, що електричні та магнітні явищабули відомі людям ще з античності, жодного взаємозв'язку між ними довгий часне спостерігалося. Протягом кількох століть дослідження електрики та магнетизму йшли паралельно та незалежно один від одного.

Той чудовий факт, що електричні та магнітні явища насправді пов'язані один з одним, був уперше виявлений у 1820 році – у знаменитому досвіді Ерстеда.

Схема досвіду Ерстеда показано на рис. 2 (зображення із сайту rt.mipt.ru). Над магнітною стрілкою (і - північний та південний полюси стрілки) розташований металевий провідник, підключений до джерела струму. Якщо замкнути ланцюг, то стрілка повертається перпендикулярно до провідника!
Цей простий досвід прямо вказав на взаємозв'язок електрики та магнетизму. Експерименти, що пішли за досвідом Ерстеда, твердо встановили наступну закономірність: магнітне поле породжується електричними струмамиі діє на струми.

Рис. 2. Досвід Ерстеда

Картина ліній магнітного поля, породженого провідником із струмом, залежить від форми провідника.

Магнітне поле прямого дроту зі струмом

Лінії магнітного поля прямолінійного дроту зі струмом є концентричними колами. Центри цих кіл лежать на дроті, які площини перпендикулярні дроту (рис. 3 ).

Рис. 3. Поле прямого дроту зі струмом

Для визначення напрямку ліній магнітного поля прямого струму існують два альтернативні правила.

Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть проти годинникової стрілки, якщо дивитися так, щоб струм тек на нас.

Правило гвинта(або правило буравчика, або правило штопора- це вже кому що ближче; -)). Лінії поля йдуть туди, куди треба обертати гвинт (зі звичайним правим різьбленням), щоб він рухався по різьблення у напрямку струму.

Користуйтеся тим правилом, яке вам більше до вподоби. Краще звикнути до правила годинникової стрілки - ви самі згодом переконаєтеся, що воно більш універсальне і ним простіше користуватися (а потім з подякою згадайте його на першому курсі, коли вивчатимете аналітичну геометрію).

На рис. 3 з'явилося і щось нове: це вектор, який називається індукцією магнітного поля, або магнітною індукцією. Вектор магнітної індукції є аналогом вектора напруги електричного поля: він служить силовою характеристикоюмагнітного поля, визначаючи силу, з якою магнітне поле діє на заряди, що рухаються.

Про сили в магнітному полі ми поговоримо пізніше, а поки що відзначимо лише, що величина та напрямок магнітного поля визначається вектором магнітної індукції. У кожній точці простору вектор спрямований туди, куди і північний кінець стрілки компаса, поміщеної в дану точку, а саме по дотичній до лінії поля в напрямку цієї лінії. Вимірюється магнітна індукція в теслах(Тл).

Як і у випадку електричного поля, для індукції магнітного поля справедливо принцип суперпозиції. Він у тому, що індукції магнітних полів , створюваних у цій точці різними струмами, складаються векторно і дають результуючий вектор магнітної індукції:.

Магнітне поле витка зі струмом

Розглянемо круговий виток, яким циркулює постійний струм. Джерело, що створює струм, ми малюнку не показуємо.

Картина ліній поля нашого витка матиме приблизно такий вигляд (рис. 4).

Рис. 4. Поле витка зі струмом

Нам буде важливо вміти визначати, до якого напівпростору (щодо площини витка) спрямоване магнітне поле. Знову маємо два альтернативні правила.

Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть туди, дивлячись звідки струм здається циркулюючим проти годинникової стрілки.

Правило гвинта. Лінії поля йдуть туди, куди переміщатиметься гвинт (зі звичайним правим різьбленням), якщо обертати його в напрямку струму.

Як бачите, струм і поле змінюються ролями - у порівнянні з формулюваннями цих правил для прямого струму.

Магнітне поле котушки зі струмом

Котушкавийде, якщо щільно, виток до витка, намотати провід досить довгу спіраль (рис. 5 - зображення з сайту en.wikipedia.org). У котушці може бути кілька десятків, сотень чи навіть тисяч витків. Котушка називається ще соленоїдом.

Рис. 5. Котушка (соленоїд)

Магнітне поле одного витка, як ми знаємо, виглядає не дуже просто. Поля? окремих витків котушки накладаються один на одного, і, здавалося б, в результаті повинна вийти зовсім заплутана картина. Однак це не так: поле довгої котушки має несподівано просту структуру (рис. 6).

Рис. 6. поле котушки зі струмом

На цьому малюнку струм у котушці йде проти годинникової стрілки, якщо дивитися зліва (так буде, якщо на рис. 5 правий кінець котушки підключити до плюса джерела струму, а лівий кінець - до мінуса). Ми бачимо, що магнітне поле котушки має дві характерні властивості.

1. Усередині котушки далеко від її країв магнітне поле є однорідним: у кожній точці вектор магнітної індукції однаковий за величиною та напрямком. Лінії поля – паралельні прямі; вони викривляються лише поблизу країв котушки, коли виходять назовні.

2. Поза котушки поле близько до нуля. Чим більше витків у котушці - тим слабше поле зовні.

Зауважимо, що нескінченно довга котушка взагалі не випускає поле назовні: поза котушкам магнітне поле відсутнє. Усередині такої котушки поле усюди є однорідним.

Нічого не нагадує? Котушка є "магнітним" аналогом конденсатора. Ви ж пам'ятаєте, що конденсатор створює в собі однорідне електричне полелінії якого викривляються лише поблизу країв пластин, а поза конденсатором поле близько до нуля; конденсатор із нескінченними обкладками взагалі не випускає поле назовні, а всюди всередині нього поле однорідне.

А тепер – головне спостереження. Зіставте, будь ласка, картину ліній магнітного поля поза котушки (рис. 6) з лініями поля магніту на рис. 1 . Одне й те саме, чи не так? І ось ми підходимо до питання, яке, ймовірно, у вас вже давно виникло: якщо магнітне поле породжується струмами і діє на струми, то яка причина виникнення магнітного поля поблизу постійного магніту? Адже цей магніт начебто не є провідником зі струмом!

Гіпотеза Ампера. Елементарні струми

Спочатку вважали, що взаємодія магнітів пояснюється спеціальними магнітними зарядами, зосередженими на полюсах. Але, на відміну електрики, ніхто було ізолювати магнітний заряд; адже, як ми вже казали, не вдавалося отримати окремо північний і південний полюс магніту - полюси завжди присутні у магніті парами.

Сумніви щодо магнітних набоїв посилив досвід Ерстеда, коли з'ясувалося, що магнітне поле породжується електричним струмом. Більше того, виявилося, що для будь-якого магніту можна підібрати провідник зі струмом відповідної конфігурації, такою, що поле цього провідника збігається з полем магніту.

Ампер висунув сміливу гіпотезу. Немає жодних магнітних зарядів. Дія магніту пояснюється замкнутими електричними струмами всередині нього.

Що це за струми? Ці елементарні струмициркулюють усередині атомів та молекул; вони пов'язані з рухом електронів за атомними орбітами. Магнітне поле будь-якого тіла складається з магнітних полів цих елементарних струмів.

Елементарні струми можуть бути безладно розташовані один щодо одного. Тоді їхні поля взаємно погашаються, і тіло не виявляє магнітних властивостей.

Але якщо елементарні струми розташовані узгоджено, їх поля, складаючи, посилюють одне одного. Тіло стає магнітом (рис. 7; магніте поле буде спрямоване на нас; також на нас буде спрямований і північний полюс магніту).

Рис. 7. Елементарні струми магніту

Гіпотеза Ампера про елементарні струми прояснила властивості магнітів. Нагрівання та тряска магніту руйнують порядок розташування його елементарних струмів, та магнітні властивостіслабшають. Нероздільність полюсів магніту стала очевидною: у місці розрізу магніту ми отримуємо самі елементарні струми на торцях. Здатність тіла намагнічуватися в магнітному полі пояснюється узгодженим вибудовуванням елементарних струмів, що «повертаються» належним чином (про поворот кругового струму в магнітному полі читайте в наступному листку).

Гіпотеза Ампера виявилася справедливою – це показало подальший розвитокфізики. Уявлення про елементарні струми стали невід'ємною частиною теорії атома, розробленої вже у ХХ столітті – майже через сто років після геніального припущення Ампера.