В восьмом классе мы с вами затрагивали тему магнитных полей. Тогда мы говорили о том, что магнитное поле порождается электрическим током. Подобно другим физическим полям, магнитное поле не действует на наши органы чувств. Но реальность его существования проявляется, например, в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые принято называть магнитными силами.
То, что между электричеством и магнетизмом существует связь, можно показать с помощью опыта, проведённого в тысяча восемьсот двадцатом году датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом. Установка состоит из магнитной стрелки, укреплённой на острие, и проводника, соединённого с источником тока. До включения тока стрелка располагается в магнитном поле Земли, ориентируясь с севера на юг. Проводник располагают над магнитной стрелкой, параллельно ей. Замкнув цепь, мы увидим, как магнитная стрелка начнёт поворачиваться, пока не установится перпендикулярно проводнику с током. Разомкнём цепь — стрелка возвращается в своё исходное положение.
Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то стрелка также поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но уже в противоположном направлении.
Таким образом, можно говорить о том, что магнитная стрелка взаимодействует с проводником с током. Следовательно, вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое и совершает работу по повороту магнитной стрелки.
На основании подобных многочисленных опытов было установлено, что во всех случаях при движении заряженных частиц обязательно появляется магнитное поле, независимо от рода проводника или среды, в которой эти частицы движутся.
А теперь давайте вспомним, как объясняется наличие магнитного поля у постоянных магнитов. Итак, согласно гипотезе великого французского физика Андре Мари Ампера, внутри каждой молекулы вещества, подобного железу или его сплавам, циркулируют кольцевые электрические токи.
И если эти элементарные токи ориентированы одинаково, то вокруг них существуют магнитные поля, которые также будут иметь одинаковое направление. В результате эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита. Гипотеза Ампера была очень прогрессивна для начала девятнадцатого века, поскольку ещё не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц — электронов вокруг ядра.
Существование магнитного поля вокруг магнита можно обнаружить множеством способов. На практике удобнее использовать мелкие железные опилки, насыпанные на картонный или пластиковый экран.
Изучим магнитное поле прямого проводника с током. Для этого сквозь лист картона пропустим проводник, соединённый с источником тока. Насыплем на картон тонкий слой железных опилок. При включении тока железные опилки под действием магнитного поля переориентируются, показывая картину линий магнитного поля.
Несколько изменим опыт: вместо металлических опилок поставим на лист картона магнитные стрелки. При замыкании электрической цепи стрелки расположатся вдоль линий магнитного поля. Если же изменить направление тока в проводнике, то все стрелки повернутся на 180о.
Наш опыт позволяет наглядно показать так называемые силовые линии магнитного поля (или просто магнитные линии). В восьмом классе мы говорили о том, что магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы магнитные стрелки, помещённые в магнитное поле.
Исходя из результатов опыта, мы можем утверждать, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике. В настоящее время принято считать, что направление линий магнитного поля в каждой точке совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещённый в эту точку поля.
Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в которой существует магнитное поле. При этом надо помнить, что она проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпала с осью магнитной стрелки, помещённой в эту точку.
Теперь давайте вспомним, как выглядят линии магнитного поля постоянного полосового магнита. Для этого расположим маленькие магнитные стрелки вокруг магнита. Они мгновенно придут в движение и расположатся в строго определённом порядке.
Из курса физики восьмого класса вы уже знаете, что магнитные линии полосового магнита выходят из его северного полюса и входят в южный. При этом они не имеют ни начала ни конца: они либо замкнуты, либо уходят на бесконечность, в чём легко убедиться с помощью железных опилок.
Не трудно заметить, что опилки располагаются в виде цепочек, причём с разной плотностью вокруг магнита. Это говорит о том, что действия, которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее сильно это действие проявляется возле полюсов магнита. А чем дальше от полюсов, тем слабее подобное действие, следовательно, тем слабее магнитное поле.
Такое магнитное поле в физике называют неоднородным. Его магнитные линии искривлены, а густота меняется от точки к точке.
Примером неоднородного магнитного поля служит и поле прямого проводника с током.
На рисунке вы видите схематические изображения двух участков таких проводников.
Давайте вспомним, что кружочек в центре обозначает сечение проводника, крестик — что ток направлен от нас за чертёж, а точка — что ток направлен наоборот, из-за чертежа к нам. Эти обозначения именуют правилом стрелы. Точка обозначает острие, летящей в нашу сторону стрелы, а крестик её хвостовое оперение, которое можно было бы увидеть, если бы стрела улетела от нас.
Обратите внимание на то, что магнитные линии прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является сам проводник с током. В тех областях пространства, где магнитное поле сильнее, магнитные линии изображаются ближе друг к другу (то есть гуще), и наоборот.
Таким образом, по картине магнитных линий можно судить не только о направлении магнитного поля, но и о его величине.
Что касается однородного магнитного поля, то его есть смысл рассматривать только в некотором приближении. Дело в том, что однородное магнитное поле — это поле, в каждой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
Поскольку линии магнитного поля всегда искривлены, то об однородности поля и говорят только приблизительно. Примером однородного магнитного поля может служить поле внутри полосового магнита вблизи его середины.
Ещё одним примером практически однородного поля является поле, возникающее внутри соленоида, если длина соленоида намного больше его диаметра. Однако вне катушки с током, поле неоднородно и его магнитные линии располагаются примерно также, как и у полосового магнита.
Также видно, что магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Рассмотрим ещё один опыт. Расположим магнитные стрелки вокруг проводника с током, имеющего форму витка. Замкнув цепь увидим, что стрелки в магнитном поле расположились вдоль линий магнитного поля, но ориентированы они по-разному. Объясняется это тем, что в левой части установки ток «выходит» из листа, а в правой — «входит» в него.
Исходя из результата этого опыта, говорить о том, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике.
Эта связь может быть выражена с помощью правила буравчика (или правила правого винта). Он заключается в следующем: если вращать ручку буравчика так, чтобы его остриё двигалось по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока.
Направление линий магнитного поля можно определить и иначе, например, с помощью правила правой руки: если обхватить проводник с током ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был сонаправлен с током, то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного поля.
Похожее правило применимо и для определения направления магнитного поля внутри соленоида: если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы согнутые четыре пальца указывали направление тока в витках, то отставленный на девяносто градусов большой палец, укажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
И последнее, на что хотелось бы обратить ваше внимание. Для изображения однородного магнитного поля, перпендикулярного плоскости чертежа, пользуются таким приёмом. Если линии магнитного поля направлены от нас за чертёж, то их изображают крестиками.
А если из-за чертежа к нам — то точками. Как и в случае с током, крестик — это как бы видимое нами оперение стрелы, летящей от нас, а точка — это остриё стрелы, летящей к нам.
