ФІЗИКА

Частина 3 ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ

 

Розділ 9 МАГНЕТИЗМ. МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

 

9.2. Природа магнетизму. Досліди Ейхенвальда

 

Вивчаючи магнетизм, У. Гільберт 1600 р. висловив думку про те, що, незважаючи на деяку зовнішню аналогію, яка є між електричними й магнітними явищами, природа їх різна. Проте вже в середині XVIII ст. наука мала у своєму розпорядженні окремі дані, що свідчили про тісний зв’язок між електричними й магнітними явищами. До них належить спостереження за намагнічуванням кусків заліза та перемагнічуванням стрілки компаса, якщо поблизу них відбувався грозовий розряд. Зрозуміло, що такі окремі дані лише наводили на думку про існування зв’язку між електричними й магнітними явищами, але не були доказом його. Потрібні були систематичні експериментальні дослідження, якими стали дослідження X. Ерстеда, проведені ним 1820 р. Спостерігаючи за розміщеною поблизу прямолінійного провідника магнітною стрілкою, X. Ерстед встановив, що при проходженні струму через провідник магнітна стрілка відхиляється від свого попереднього положення і намагається розміститися так, щоб її вісь була перпендикулярною до провідника. Зі зміною напряму струму змінюється напрям відхилення стрілки. Подальші експериментальні дослідження впливу на магнітну стрілку електричних струмів, що проходять по провідниках довільної форми, дали змогу зробити остаточний висновок: при проходженні струму через провідник навколо нього виникає магнітне поле, яке впливає на орієнтацію магнітної стрілки.

Якщо замість металевого провідника електричний струм пропускати через електроліт або газорозрядну трубку, то магнітна стрілка також відхилятиметься. В 1911 р. А. Ф. Йоффе експериментально довів тотожність магнітного поля електронного пучка і прямого струму.

Дуже просте експериментальне підтвердження справедливості положення про те, що магнітне поле утворюється будь-якими рухомими зарядами (струмом), зробив О. О. Ейхенвальд 1901 р. Схему одного з дослідів О. О. Ейхенвальда зображено на рис. 9.1. Два паралельних металевих диски D1 і D2 могли обертатися навколо осі ОО'. Поблизу дисків на тонкій нитці підвісили невелику магнітну стрілку А, вісь якої паралельна площині дисків. Для спостереження за зміщенням стрілки до неї прикріпили невелике дзеркальце. Стрілка містилась усередині провідного кожуха, що захищав її від дії електричного поля і від потоків повітря при обертанні дисків. Обидва диски заряджали різнойменно і швидко обертали. При цьому обертався або один із дисків, або обидва диски разом як в одному, так і в протилежних напрямах. Досліди показали, що при обертанні дисків магнітна стрілка відхиляється, що вказує на появу магнітного поля. Якщо між дисками D1 і D2 помістити диск D3 із діелектрика з діелектричною проникністю ε, то заряд на металевих дисках збільшиться в є разів і дорівнюватиме εq. Тому при обертанні дисків і нерухомому діелектрику магнітне поле збільшиться також в є разів.

 

 

Рис. 9.1

 

На поверхні діелектрика виникають поляризаційні заряди, які на кожній поверхні диска D3 дорівнюють (ε-1)q. Якщо залишити диски D1 і D2 нерухомими, а обертати диск D3, то також виникне магнітне поле. Проте це поле буде значно меншим, ніж при обертанні диска D1 або D2, оскільки на диску D3 виникають заряди двох знаків і його дія аналогічна двом коловим струмам, напрямленим протилежно. Якщо обертати весь конденсатор з діелектриком як ціле, то на кожному металевому диску буде переміщатися заряд εq, а на прилеглій до нього поверхні діелектрика — заряд протилежного знака — (ε-1)q. Тому магнітна дія буде пропорційна εq - (ε -1)q = q, тобто буде такою, як і без діелектрика. Всі ці випадки О. О. Ейхенвальд перевірив експериментально. Досліди показали, що магнітне поле виникає при русі будь-яких електричних зарядів незалежно від природи їх, у тому числі й поляризаційних.

Отже, магнітне поле виникає не тільки поблизу природних і штучних магнітів, а й біля провідників, по яких проходить електричний струм, причому магнітне поле постійних магнітів нічим не відрізняється від магнітного поля струму.

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції , який у даній точці поля пропорційний силі, що діє на північний полюс нескінченно малої магнітної стрілки, вміщеної в цю точку магнітного поля. Сила, що діє з боку магнітного поля на південний полюс стрілки, напрямлена протилежно вектору . Нескінченно мала магнітна стрілка не змінює істотно магнітного поля, в яке вона вноситься. Обидва полюси такої стрілки містяться в нескінченно близьких точках поля. Отже, сили, що діють на полюси, чисельно дорівнюють одна одній і напрямлені протилежно. Під дією такої пари сил магнітна стрілка повертається так, щоб вісь стрілки, яка з’єднує південний і північний полюси, збіглася з напрямом поля, тобто з напрямом вектора .

Як і електростатичні поля, магнітні поля можна зображати графічно за допомогою ліній вектора магнітної індукції. Лініями вектора магнітної індукції (магнітними силовими лініями) називають криві, дотичні до яких в кожній точці збігаються з напрямом вектора у цих точках. Конфігурацію магнітних силових ліній можна встановити в кожному конкретному випадку за допомогою магнітної стрілки, яка орієнтується вздовж цих ліній. Як відомо зі шкільного курсу фізики, наочне уявлення про лінії магнітної індукції можна дістати за допомогою дрібних залізних ошурок, які намагнічуються в досліджуваному полі й поводять себе подібно до мініатюрних магнітних стрілок. На рис. 9.2 зображено плоский переріз магнітного поля прямого струму. Для визначення напряму ліній індукції магнітного поля струму можна скористатися правилом свердлика: якщо свердлик закручувати так, щоб напрям його поступального руху збігався з напрямом струму, то напрям обертального руху рукоятки покаже напрям ліній вектора магнітної індукції.

Рис. 9.2

 

Наочне уявлення про магнітне поле струму, що проходить по кільцевому провіднику. Силові лінії магнітного поля охоплюють провідник так, що з одного боку вони виходять із контуру витка, а з другого входять у нього. Магнітне поле колового струму подібне до магнітного поля короткого магніту. Один бік витка діє на магнітну стрілку як північний полюс магніту, другий — як південний. Зі зміною напряму струму змінюються полюси витка.

Якщо скласти схему з паралельних колових струмів одного напряму, то магнітні поля їх дадуть сумарне магнітне поле, подібне до поля штабового магніту. Систему паралельних колових струмів одного напряму називають соленоїдом. Північний полюс магніту збігається з тим кінцем соленоїда, з якого струм у витках напрямлений проти ходу стрілки годинника.

З рис. 9.2 видно, що лінії вектора магнітної індукції, на відміну від силових ліній електростатичного поля, завжди замкнені й охоплюють провідник зі струмом. На перший погляд здається, що у разі штабових магнітів лінії магнітної індукції розімкнені. Проте це не так. Проведені дослідження показали, що всередині штабових магнітів існує поле, яке нагадує поле всередині соленоїда. Лінії магнітної індукції цього поля є продовженням ліній індукції поля, що існує ззовні штабового магніту.

Повна аналогія між магнітними полями штабових магнітів і соленоїдів дала змогу видатному фізику А. Амперу 1821 р. висловити гіпотезу, що магнітні властивості постійних магнітів зумовлені мікрострумами, що існують у них. Природу й характер цих мікрострумів А. Ампер не міг пояснити, оскільки в той час вчення про будову речовини було в початковій стадії. Тільки після відкриття електрона і з’ясування будови атомів і молекул, тобто майже через 100 років, гіпотеза Ампера була підтверджена і стала основою сучасних уявлень про магнітні властивості речовини. Гіпотетичні мікроструми Ампера дістали просте й наочне тлумачення. Відомо, що в атомах усіх тіл є електрони, що рухаються по замкнених орбітах. Вони подібно до витка зі струмом утворюють магнітні поля. Якщо в якомусь тілі елементарні струми, зумовлені рухом електронів, розміщені так, що їхні магнітні поля взаємно підсилюють одне одного (як у соленоїда), то результуюче магнітне поле може бути значним і таке тіло

буде магнітом. У ненамагніченому тілі всі елементарні струми розміщені хаотично. Процес намагнічення тіл полягає в тому, що під дією зовнішнього магнітного поля елементарні струми більшою чи меншою мірою, залежно від величини зовнішнього поля, встановлюються паралельно один одному і утворюють результуюче магнітне поле.

Отже, джерелом магнітного поля є електричний струм, тобто рухомий електричний заряд. Існування магнітного поля є необхідною і достатньою умовою для виявлення зв’язаного з ним електричного струму. Магнітне поле — один із проявів електричного струму — не може існувати окремо й незалежно від нього. Воно, як і електричне, є одним із видів матерії.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити