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:
- Над свободно вращающейся магнитной стрелкой компаса был параллельно натянут металлический проводник (рис. 120).
- Пока в цепи не было тока, стрелка оставалась в покое, ориентируясь вдоль меридиана Земли.
- В момент замыкания электрической цепи магнитная стрелка мгновенно дёрнулась и повернулась почти перпендикулярно проводнику.
- 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.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Опыт Ханса Эрстеда (1820 г.):
- Впервые экспериментально доказал связь между электричеством и магнетизмом;
- При замыкании тока в проводнике параллельная ему магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно проводу;
- При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение вдоль меридиана.
- Взаимодействие проводников с током:
- Токи одного направления — притягиваются;
- Токи противоположных направлений — отталкиваются.
- Магнитное поле:
- Особый материальный вид материи, непрерывно распределённый в пространстве вокруг проводников с током и постоянных магнитов;
- Обнаруживается по силовому действию на магнитные стрелки и проводники с током;
- Направление магнитной силы меняется на 180° при изменении направления тока.
- Гипотеза Ампера:
- Магнетизм постоянных магнитов обусловлен внутренними замкнутыми микроскопическими круговыми токами частиц;
- Ненамагниченное тело — токи направлены хаотично (поля гасят друг друга);
- Намагниченное тело — микротоки выстроены сонаправленно (поля складываются);
- В атоме эти токи создаются вращением электронов вокруг ядер и их собственным спином.
- Главный закон темы: Неподвижные заряды создают только электрическое поле; движущиеся заряды (токи) всегда создают магнитное поле, которое действует только на движущиеся заряды.