§ 51. Магнитное поле

особая форма материи, непрерывно существующая в пространстве вокруг движущихся электрических зарядов (любых электрических токов) и постоянных магнитов, посредством которой осуществляется силовое взаимодействие между ними:

• 1. Материальность поля — магнитное поле материально, обладает энергией и массой, распространяется в пространстве с конечной скоростью (скоростью света) и обнаруживается по силовому действию на проводники с током и магнитные стрелки.
• 2. Фундаментальный источник поля — магнитное поле порождается исключительно движущимися электрическими зарядами. Вокруг неподвижного заряда существует только электростатическое поле, вокруг движущегося заряда — одновременно и электрическое, и магнитное поля.

исторический фундаментальный эксперимент датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, доказавший прямую физическую связь между электричеством и магнетизмом:

• Расположенная под прямым проводом магнитная стрелка при замыкании цепи мгновенно поворачивается и стремится установиться строго перпендикулярно проводнику. При смене направления тока стрелка разворачивается на $180^\circ$.
• 1. Вывод опыта — электрический ток оказывает силовое действие на магнитную стрелку на расстоянии, создавая вокруг проводника собственное магнитное поле.

сила, с которой магнитное поле действует на внесенный в него проводник с током, движущуюся заряженную частицу или постоянный магнит (магнитную стрелку):

• 1. Зависимость от тока и поля — величина силы прямо пропорциональна силе тока в проводнике и индукции внешнего магнитного поля.
• 2. Направление силы — направление магнитной силы строго определяется ориентацией линий магнитного поля и направлением протекания тока в проводнике.

теория французского физика Андре-Мари Ампера, объяснившая магнетизм вещества существованием внутри атомов и молекул непрерывных круговых микроскопических электрических токов:

• 1. Ненамагниченное состояние — микротоки ориентированы в объеме тела совершенно хаотично из-за теплового движения, их индивидуальные магнитные поля взаимно гасят друг друга, и тело не проявляет магнитных свойств.
• 2. Намагниченное состояние — под действием внешнего поля микротоки разворачиваются и ориентируются согласованно, их магнитные поля складываются, и тело становится постоянным магнитом.

Выдающийся датский физик и естествоиспытатель, непременный секретарь Королевского датского общества наук, открывший фундаментальную связь между электрическими и магнитными явлениями и заложивший основы науки об электромагнетизме.

• В 1820 году экспериментально обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, доказав, что протекающий по проводнику ток создаёт вокруг себя магнитное поле.
• В классическом опыте установил проводник параллельно магнитной стрелке и показал, что при замыкании цепи стрелка резко разворачивается перпендикулярно проводу, а при размыкании возвращается в исходное положение.
• Открытие Эрстеда разрушило господствовавшее представление об изолированности электричества и магнетизма, положив начало новой фундаментальной эпохе в физике — электромагнетизму.

Выдающийся французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской академии наук, один из основоположников электродинамики, выдвинувший фундаментальную гипотезу о природе магнетизма постоянных магнитов.

• Выдвинул смелую научную гипотезу о том, что магнитные свойства тел обусловлены существованием внутри них замкнутых микроскопических электрических токов (токов Ампера).
• Объяснил, что в ненамагниченном веществе элементарные микротоки ориентированы хаотично и взаимно компенсируют магнитные поля друг друга, тогда как при намагничивании они выстраиваются сонаправленно, превращая тело в магнит.
• Разработанная Ампером гипотеза молекулярных токов блестяще подтвердилась в XX веке с открытием электронного строения атомов и спинового магнитного момента электронов.

Опыт Эрстеда (1820 г.):

• Над магнитной стрелкой, свободно покоящейся на острие в направлении север–юг, параллельно её оси располагают прямой металлический проводник, включённый в электрическую цепь с источником и ключом.
• В момент замыкания ключа, как только по проводнику начинает течь электрический ток, магнитная стрелка мгновенно поворачивается, стремясь расположиться перпендикулярно проводнику с током.
• При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.
• Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, стрелка снова разворачивается перпендикулярно проводу, но ее полюсы меняются местами (поворот на $180^\circ$).
• Вывод: вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле, оказывающее силовое воздействие на магнитную стрелку.

Магнитное поле порождается:

• 1. Любыми движущимися электрическими зарядами (электрическим током в металлических проводниках, электролитах, плазме или пучками свободных заряженных частиц в вакууме);
• 2. Постоянными магнитами (в которых поле создается упорядоченным движением электронов внутри атомов — микротоками Ампера);
• 3. Переменными во времени электрическими полями (согласно электромагнитной теории Максвелла).

Магнитное поле оказывает силовое действие исключительно на:

• 1. Движущиеся электрические заряды (частицы, летящие в магнитном поле, испытывают действие силы Лоренца; неподвижные заряды со стороны магнитного поля силе не подвержены);
• 2. Проводники с электрическим током (на них действует сила Ампера);
• 3. Постоянные магниты и магнитные стрелки, стремясь ориентировать их вдоль линий поля.

Гипотеза Ампера:

Магнитные свойства любого тела определяются существованием внутри него замкнутых микроскопических электрических токов (круговых молекулярных токов):

• В ненамагниченных телах эти микротоки ориентированы совершенно беспорядочно в различных плоскостях, поэтому создаваемые ими микроскопические магнитные поля компенсируют (гасят) друг друга, и результирующее поле снаружи равно нулю.
• При намагничивании тела во внешнем поле элементарные токи ориентируются параллельно друг другу в одном направлении. Их магнитные поля складываются, и тело приобретает макроскопические свойства постоянного магнита.

Гипотеза на основе атомного строения:

С позиций современной физики и планетарной модели Резерфорда-Бора токи Ампера представляют собой:

• Орбитальное движение электронов: отрицательно заряженные электроны непрерывно обращаются по замкнутым траекториям (орбиталям) вокруг положительных ядер атомов. Движение электрона по замкнутому контуру эквивалентно микроскопическому круговому витку с электрическим током, создающему элементарный орбитальный магнитный момент.
• Собственный магнитный момент (спин): каждый электрон обладает собственным квантовым механическим моментом импульса и связанным с ним собственным спиновым магнитным моментом (вращение вокруг собственной оси). Именно согласованная ориентация спинов неспаренных электронов в ферромагнитных атомах железа, кобальта и никеля порождает мощный естественный магнетизм постоянных магнитов.

Ответ: Работа по преодолению трения в опоре и повороту магнитной стрелки совершена за счёт энергии электрического поля источника тока (энергии электрической цепи).

• Механизм преобразования энергии: при замыкании цепи источник тока совершает работу по созданию тока и связанного с ним вихревого магнитного поля. При повороте стрелки в поле проводника в цепи возникает обратная электродвижущая сила самоиндукции (индукционное противодействие), в результате чего источник тока затрачивает дополнительную порцию электрической энергии, точно равную сумме кинетической энергии поворота стрелки, преодоления трения и изменения потенциальной энергии стрелки в магнитном поле.