Магнетизм разделы физики. Магнетизм для чайников: основные формулы, определение, примеры

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля — векторная характеристика поля, сила, действующая на единичный покоящийся в данной системе отсчета электрический заряд.

Напряженность определяется по формуле:

$E↖{→}={F↖{→}}/{q}$

где $E↖{→}$ — напряженность поля; $F↖{→}$ — сила, действующая на помещенный в данную точку поля заряд $q$. Направление вектора $E↖{→}$ совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.

Единицей напряженности в СИ является вольт на метр (В/м).

Напряженность поля точечного заряда. Согласно закону Кулона, точечный заряд $q_0$ действует на другой заряд $q$ с силой, равной

$F=k{|q_0||q|}/{r^2}$

Модуль напряженности поля точечного заряда $q_0$ на расстоянии $r$ от него равен

$E={F}/{q}=k{|q_0|}/{r^2}$

Вектор напряженности в любой точке электрического поля направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд.

Силовые линии электрического поля

Электрическое поле в пространстве принято представлять силовыми линиями. Понятие о силовых линиях ввел М. Фарадей при исследовании магнетизма. Затем это понятие было развито Дж. Максвеллом в исследованиях по электромагнетизму.

Силовая линия, или линия напряженности электрического поля, — это линия, касательная к которой в каждой ее точке совпадает с направлением силы, действующей на положительный точечный заряд, находящийся в этой точке поля.

Линии напряженности положительно заряженного шарика;

Линии напряженности двух разноименно заряженных шариков;

Линии напряженности двух одноименно заряженных шариков

Линии напряженности двух пластин, заряженных разными по знаку, но одинаковыми по абсолютной величине зарядами.

Линии напряженности на последнем рисунке почти параллельны в пространстве между пластинами, и плотность их одинакова. Это говорит о том, что поле в этой области пространства однородно. Однородным называется электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства.

В электростатическом поле силовые линии не замкнуты, они всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Они нигде не пересекаются, пересечение силовых линий говорило бы о неопределенности направления напряженности поля в точке пересечения. Плотность силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля больше.

Поле заряженного шара. Напряженность поля заряженного проводящего шара на расстоянии от центра шара, превышающем его радиус $r≥R$, определяется по той же формуле, что и поля точечного заряда. Об этом свидетельствует распределение силовых линий, аналогичное распределению линий напряженности точечного заряда.

Заряд шара распределен равномерно по его поверхности. Внутри проводящего шара напряженность поля равна нулю.

Магнитное поле. Взаимодействие магнитов

Явление взаимодействия постоянных магнитов (установление магнитной стрелки вдоль магнитного меридиана Земли, притяжение разноименных полюсов, отталкивание одноименных) известно с древних времен и систематически исследовано У. Гильбертом (результаты опубликованы в 1600 г. в его трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле»).

Природные (естественные) магниты

Магнитные свойства некоторых природных минералов были известны уже в древности. Так, имеются письменные свидетельства более чем 2000-летней давности об использовании в Китае естественных постоянных магнитов в качестве компасов. О притяжении и отталкивании магнитов и намагничивании ими железных опилок упоминается в трудах древнегреческих и римских ученых (например, в поэме «О природе вещей» Лукреция Кара).

Природные магниты представляют собой куски магнитного железняка (магнетита), состоящего из $FeO$ (31 %) и $Fe_2O$ (69 %). Если такой кусок минерала поднести к мелким железным предметам — гвоздям, опилкам, тонкому лезвию и т. д., они к нему притянутся.

Искусственные постоянные магниты

Постоянный магнит — это изделие из материала, являющегося автономным (самостоятельным, изолированным) источником постоянного магнитного поля.

Искусственные постоянные магниты изготавливают из специальных сплавов, в которые входят железо, никель, кобальт и др. Эти металлы приобретают магнитные свойства (намагничиваются), если их поднести к постоянным магнитам. Поэтому, чтобы изготовить из них постоянные магниты, их специально держат в сильных магнитных полях, после чего они сами становятся источниками постоянного магнитного поля и способны длительное время сохранять магнитные свойства.

На рисунке изображены дугообразный и полосовой магниты.

На рис. даны картины магнитных полей этих магнитов, полученных методом, который впервые применил в своих исследованиях М. Фарадей: с помощью железных опилок, рассыпанных на листе бумаги, на котором лежит магнит. У каждого магнита есть два полюса — это места наибольшего сгущения магнитных силовых линий (их называют также линиями магнитного поля , или линиями магнитной индукции поля ). Это места, к которым сильнее всего притягиваются железные опилки. Один из полюсов принято называть северным (($N$), другой — южным ($S$). Если поднести два магнита друг к другу одноименными полюсами, можно увидеть, что они отталкиваются, а если разноименными — притягиваются.

На рис. наглядно видно, что магнитные линии магнита — замкнутые линии . Показаны силовые линии магнитного поля двух магнитов, обращенных друг к другу одноименными и разноименными полюсами. Центральная часть этих картин напоминает картины электрических полей двух зарядов (разноименных и одноименных). Однако существенным различием электрического и магнитного полей является то, что линии электрического поля начинаются на зарядах и заканчиваются на них. Магнитных же зарядов в природе не существует. Линии магнитного поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный, они продолжаются и в теле магнита, т. е., как было сказано выше, являются замкнутыми линиями. Поля, силовые линии которых замкнуты, называются вихревыми . Магнитное поле — это вихревое поле (в этом его отличие от электрического).

Применение магнитов

Самым древним магнитным прибором является всем хорошо известный компас. В современной технике магниты используются очень широко: в электродвигателях, в радиотехнике, в электроизмерительной аппаратуре и т. д.

Магнитное поле Земли

Земной шар является магнитом. Как у всякого магнита, у него есть свое магнитное поле и свои магнитные полюсы. Именно поэтому стрелка компаса ориентируется в определенном направлении. Понятно, куда именно должен указывать северный полюс магнитной стрелки, ведь притягиваются разноименные полюсы . Поэтому северный полюс магнитной стрелки указывает на южный магнитный полюс Земли. Этот полюс находится на севере земного шара, несколько в стороне от северного географического полюса (на острове Принца Уэльского — около $75°$ северной широты и $99°$ западной долготы, на расстоянии примерно $2100$ км от северного географического полюса).

При приближении к северному географическому полюсу силовые линии магнитного поля Земли все под большим углом наклоняются к горизонту, и в области южного магнитного полюса становятся вертикальными.

Северный магнитный полюс Земли находится вблизи южного географического полюса, а именно на $66.5°$ южной широты и $140°$ восточной долготы. Здесь силовые линии магнитного поля выходят из Земли.

Другими словами, магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Поэтому направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана, и магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север.

На стрелку компаса могут влиять также некоторые природные явления, например, магнитные бури, которые являются временными изменениями магнитного поля Земли, связанными с солнечной активностью. Солнечная активность сопровождается выбросом с поверхности Солнца потоков заряженных частиц, в частности, электронов и протонов. Эти потоки, движущиеся с большой скоростью, создают свое магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем Земли.

На земном шаре (кроме кратковременных изменений магнитного поля) встречаются области, в которых наблюдается постоянное отклонение направления магнитной стрелки от направления магнитной линии Земли. Это области магнитной аномалии (от греч. anomalia — отклонение, ненормальность). Одной из самых больших таких областей является Курская магнитная аномалия. Причиной аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине.

Земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно.

Полеты межпланетных космических станций и кораблей позволили установить, что у Луны и планеты Венера отсутствует магнитное поле, а у планеты Марс оно очень слабое.

Опыты Эрстедаи Ампера. Индукция магнитного поля

В 1820 г. датский ученый Г. X. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника, по которому течет ток, поворачивается, стремясь расположиться перпендикулярно к проводнику.

Схема опыта Г. X. Эрстеда изображена на рисунке. Проводник, включенный в цепь источника тока, расположен над магнитной стрелкой параллельно ее оси. При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое первоначальное положение. Отсюда следует, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом. На основании этого опыта можно сделать вывод о существовании магнитного поля, связанного с протеканием тока в проводнике и о вихревом характере этого поля. Описанный опыт и его результаты явились важнейшей научной заслугой Эрстеда.

В том же году французский физик Ампер, которого заинтересовали опыты Эрстеда, обнаружил взаимодействие двух прямолинейных проводников с током. Оказалось, что если токи в проводниках текут в одну сторону, т. е. параллельны, то проводники притягиваются, если в противоположные стороны (т. е. антипараллельны), то отталкиваются.

Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными, а силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, — магнитными силами.

Согласно теории близкодействия, которой придерживался М. Фарадей, ток в одном из проводников не может непосредственно влиять на ток в другом проводнике. Аналогично случаю с неподвижными электрическими зарядами, вокруг которых существует электрическое поле, был сделан вывод, что в пространстве, окружающем токи, существует магнитное поле, которое действует с некоторой силой на другой проводник с током, помещенный в это поле, либо на постоянный магнит. В свою очередь, магнитное поле, создаваемое вторым проводником с током, действует на ток в первом проводнике.

Подобно тому как электрическое поле обнаруживается по его воздействию на пробный заряд, внесенный в это поле, магнитное поле можно обнаружить по ориентирующему действию магнитного поля на рамку с током малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно меняется) размеров.

Провода, подводящие ток к рамке, следует сплести (или расположить близко друг к другу), тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти провода, будет равна нулю. Силы же, действующие на такую рамку с током, будут ее поворачивать, так что ее плоскость установится перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. В примере, рамка повернется так, чтобы проводник с током оказался в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводнике рамка повернется на $180°$. В поле между полюсами постоянного магнита рамка повернется плоскостью перпендикулярно магнитным силовым линиям магнита.

Магнитная индукция

Магнитная индукция ($В↖{→}$) — это векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле.

За направление вектора магнитной индукции $В↖{→}$ принимается:

1) направление от южного полюса $S$ к северному полюсу $N$ магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле, или

2) направление положительной нормали к замкнутому контуру с током на гибком подвесе, свободно устанавливающемся в магнитном поле. Положительной считается нормаль, направленная в сторону перемещения острия буравчика (с правой нарезкой), рукоятку которого вращают по направлению тока в рамке.

Ясно, что направления 1) и 2) совпадают, что было установлено еще опытами Ампера.

Что касается величины магнитной индукции (т. е. ее модуля) $В$, которая могла бы характеризовать силу действия поля, то экспериментами было установлено, что максимальная сила $F$, с которой поле действует на проводник с током (помещенный перпендикулярно линиям индукции магнитного поля), зависит от силы тока $I$ в проводнике и от его длины $∆l$ (пропорциональна им). Однако сила, действующая на элемент тока (единичной длины и силы тока), зависит только от самого поля, т. е. отношение ${F}/{I∆l}$ для данного поля является величиной постоянной (аналогично отношению силы к заряду для электрического поля). Эту величину и определяют как магнитную индукцию .

Индукция магнитного поля в данной точке равна отношению максимальной силы, действующей на проводник с током, к длине проводника и силе тока в проводнике, помещенном в эту точку.

Чем больше магнитная индукция в данной точке поля, тем с большей силой будет действовать поле в этой точке на магнитную стрелку или движущийся электрический заряд.

Единицей магнитной индукции в СИ является тесла (Тл), названная в честь сербского электротехника Николы Теслы. Как видно из формулы, $1$ Тл $=l{H}/{A·м}$

Если имеется несколько различных источников магнитного поля, векторы индукции которых в данной точке пространства равны ${В_1}↖{→}, {В_2}↖{→}, {В_3}↖{→},...$, то, согласно принципу суперпозиции полей , индукция магнитного поля в этой точке равна сумме векторов индукции магнитных полей, создаваемых каждым источником .

$В↖{→}={В_1}↖{→}+{В_2}↖{→}+{В_3}↖{→}+...$

Линии магнитной индукции

Для наглядного представления магнитного поля М. Фарадей ввел понятие магнитных силовых линий, которые он неоднократно демонстрировал в своих опытах. Картина силовых линий легко может быть получена с помощью железных стружек, насыпанных на картон. На рисунке представлены: линии магнитной индукции прямого тока, соленоида, кругового тока, прямого магнита.

Линиями магнитной индукции , или магнитными силовыми линиями , или просто магнитными линиями называют линии, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции $В↖{→}$ в этой точке поля.

Если вместо железных опилок вокруг длинного прямолинейного проводника с током поместить маленькие магнитные стрелки, то можно увидеть не только конфигурацию силовых линий (концентрические окружности), но и направление силовых линий (северный полюс магнитной стрелки указывает направление вектора индукции в данной точке).

Направление магнитного поля прямого тока можно определить по правилу правого буравчика.

Если вращать рукоятку буравчика так, чтобы поступательное движение острия буравчика указывало направление тока, то направление вращения рукоятки буравчика укажет направление силовых линий магнитного поля тока.

Направление магнитного поля прямого тока можно определять также и с помощью первого правила правой руки.

Если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец по направлению тока, то кончики остальных пальцев в каждой точке покажут направление вектора индукции в этой точке.

Вихревое поле

Линии магнитной индукции являются замкнутыми, это свидетельствует о том, что в природе нет магнитных зарядов. Поля, силовые линии которых замкнуты, называют вихревыми полями . То есть магнитное поле — это вихревое поле. Этим оно отличается от электрического поля, создаваемого зарядами.

Соленоид

Соленоид — это проволочная спираль с током.

Соленоид характеризуется числом витков на единицу длины $n$, длиной $l$ и диаметром $d$. Толщина провода в соленоиде и шаг спирали (винтовой линии) малы по сравнению с его диаметром $d$ и длиной $l$. Термин «соленоид» применяют и в более широком значении — так называют катушки с произвольным сечением (квадратный соленоид, прямоугольный соленоид), и не обязательно цилиндрической формы (тороидальный соленоид). Различают длинный соленоид ($l>>d$) и короткий ($l

Соленоид был изобретен в 1820 г. А. Ампером для усиления открытого X. Эрстедом магнитного действия тока и применен Д. Араго в опытах по намагничиванию стальных стержней. Магнитные свойства соленоида были экспериментально изучены Ампером в 1822 г. (тогда же им был введен термин «соленоид»). Была установлена эквивалентность соленоида постоянным природным магнитам, что явилось подтверждением электродинамической теории Ампера, которая объясняла магнетизм взаимодействием скрытых в телах кольцевых молекулярных токов.

Силовые линии магнитного поля соленоида изображены на риcунке. Направление этих линий определяют с помощью второго правила правой руки.

Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по току в витках, то отставленный большой палец укажет направление магнитных линий внутри соленоида.

Сравнив магнитное поле соленоида с полем постоянного магнита, можно заметить, что они очень похожи. Как и у магнита, у соленоида есть два полюса — северный ($N$) и южный ($S$). Северным полюсом называют тот, из которого магнитные линии выходят; южным полюсом — тот, в который они входят. Северный полюс у соленоида всегда располагается с той стороны, на которую указывает большой палец ладони при ее расположении в соответствии со вторым правилом правой руки.

Соленоид в виде катушки с большим числом витков используют в качестве магнита.

Исследования магнитного поля соленоида показывают, что магнитное действие соленоида увеличивается с увеличением силы тока и числа витков в соленоиде. Кроме того, магнитное действие соленоида или катушки с током усиливается при введении в него железного стержня, который называют сердечником.

Электромагниты

Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагниты могут содержать не одну, а несколько катушек (обмоток) и иметь при этом разные по форме сердечники.

Подобный электромагнит впервые был сконструирован английским изобретателем У. Стердженом в 1825 г. При массе $0.2$ кг электромагнит У. Стерджена удерживал груз весом $36$ Н. В том же году Дж. Джоуль увеличил подъемную силу электромагнита до $200$ Н, а через шесть лет американский ученый Дж. Генри построил электромагнит массой $300$ кг, способный удерживать груз массой $1$ т!

Современные электромагниты могут поднимать грузы массой несколько десятков тонн. Они используются на заводах при перемещении тяжелых изделий из чугуна и стали. Электромагниты используются также в сельском хозяйстве для очистки зерен ряда растений от сорняков и в других отраслях промышленности.

Сила Ампера

На прямолинейный участок проводника $∆l$, по которому течет ток $I$, в магнитном поле с индукцией $В$ действует сила $F$.

Для вычисления этой силы используют выражение:

$F=B|I|∆lsinα$

где $α$ — угол между вектором $B↖{→}$ и направлением отрезка проводника с током (элементом тока); за направление элемента тока принимают направление, в котором по проводнику течет ток. Сила $F$ называется силой Ампера в честь французского физика А. М. Ампера, который первым обнаружил действие магнитного поля на проводник с током. (На самом деле Ампер установил закон для силы взаимодействия между двумя элементами проводников с током. Он был сторонником теории дальнодействия и не пользовался понятием поля.

Однако по традиции и в память о заслугах ученого выражение для силы, действующей на проводник с током со стороны магнитного поля, также называют законом Ампера.)

Направление силы Ампера определяется с помощью правила левой руки.

Если расположить ладонь левой руки так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее перпендикулярно, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник с током. Таким образом, сила Ампера всегда перпендикулярна как вектору индукции магнитного поля, так и направлению тока в проводнике, т. е. перпендикулярна плоскости, в которой лежат эти два вектора.

Следствием действия силы Ампера является вращение рамки с током в постоянном магнитном поле. Это находит практическое применение во многих устройствах, например, в электроизмерительных приборах — гальванометрах, амперметрах, где подвижная рамка с током вращается в поле постоянного магнита и по углу отклонения стрелки, неподвижно связанной с рамкой, можно судить о величине тока, протекающего в цепи.

Благодаря вращающему действию магнитного поля на рамку с током возможным стало также создание и использование электродвигателей — машин, в которых электрическая энергия превращается в механическую.

Сила Лоренца

Сила Лоренца — это сила, действующая на движущийся точечный электрический заряд во внешнем магнитном поле.

Нидерландский физик X. А. Лоренц в конце XIX в. установил, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу, всегда перпендикулярна направлению движения частицы и силовым линиям магнитного поля, в котором эта частица движется.

Направление силы Лоренца можно определить с помощью правила левой руки.

Если расположить ладонь левой руки так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление движения заряда, а вектор магнитной индукции поля входил в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд.

Если заряд частицы отрицательный, то сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону.

Модуль силы Лоренца легко определяется из закона Ампера и составляет:

где $q$ — заряд частицы, $υ$ — скорость ее движения, $α$ — угол между векторами скорости и индукции магнитного поля.

Если кроме магнитного поля есть еще и электрическое поле, которое действует на заряд с силой ${F_{эл}}↖{→}=qE↖{→}$, то полная сила, действующая на заряд, равна:

$F↖{→}={F_{эл}}↖{→}+{F_л}↖{→}$

Часто именно эту полную силу называют силой Лоренца, а силу, выраженную формулой $F=|q|υBsinα$, называют магнитной частью силы Лоренца.

Поскольку сила Лоренца перпендикулярна направлению движения частицы, она не может изменить ее скорость (она не совершает работы), а может изменить лишь направление ее движения, т. е. искривить траекторию.

Такое искривление траектории электронов в кинескопе телевизора легко наблюдать, если поднести к его экрану постоянный магнит: изображение исказится.

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Пусть заряженная частица влетает со скоростью $υ$ в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям напряженности. Сила, действующая со стороны магнитного поля на частицу, заставит ее равномерно вращаться по окружности радиусом г, который легко найти, воспользовавшись вторым законом Ньютона, выражением для центростремительного ускорения и формулой $F=|q|υBsinα$:

${mυ^2}/{r}=|q|υB$

Отсюда получим

$r={mυ}/{|q|B}$

где $m$ - масса частицы.

Применение силы Лоренца. Действие магнитного поля на движущиеся заряды применяется, например, в масс-спектрографах , позволяющих разделять заряженные частицы по их удельным зарядам, т. е. по отношению заряда частицы к ее массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц.

Вакуумная камера прибора помещена в поле (вектор индукции $B↖{→}$ перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластину, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории $r$. По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная заряд иона, легко вычислить его массу.

Магнитные свойства веществ

Для того, чтобы объяснить существование магнитного поля постоянных магнитов, Ампер предположил, что в веществе, обладающем магнитными свойствами, существуют микроскопические круговые токи (они были названы молекулярными ). Идея эта впоследствии, после открытия электрона и строения атома, блестяще подтвердилась: эти токи создаются движением электронов вокруг ядра и, будучи ориентированы одинаково, в сумме создают поле вокруг и внутри магнита.

На рис. плоскости, в которых расположены элементарные электрические токи, ориентированы беспорядочно вследствие хаотического теплового движения атомов, и вещество не проявляет магнитных свойств. В намагниченном состоянии (под действием, например, внешнего магнитного поля) эти плоскости ориентированы одинаково, и их действия складываются.

Магнитная проницаемость. Реакция среды на воздействие внешнего магнитного поля с индукцией $В_0$ (поле в вакууме) определяется магнитной восприимчивостью $μ$:

где $В$ — индукция магнитного поля в веществе. Магнитная проницаемость аналогична диэлектрической проницаемости $ε$.

По своим магнитным свойствам вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики . У диамагнетиков коэффициент $μ$, характеризующий магнитные свойства среды, меньше $1$ (например, у висмута $μ = 0.999824$); у парамагнетиков $μ > 1$ (у платины $μ = 1.00036$); у ферромагнетиков $μ >> 1$ (железо, никель, кобальт).

Диамагнетики отталкиваются от магнита, парамагнетики — притягиваются. По этим признакам их можно отличить друг от друга. У большинства веществ магнитная проницаемость практически не отличается от единицы, только у ферромагнетиков намного превосходит ее, достигая нескольких десятков тысяч единиц.

Ферромагнетики. Наиболее сильные магнитные свойства проявляют ферромагнетики. Магнитные поля, создаваемые ферромагнетиками, намного сильнее внешнего намагничивающего поля. Правда, магнитные поля ферромагнетиков создаются не вследствие обращения электронов вокруг ядер — орбитального магнитного момента , а вследствие собственного вращения электрона — собственного магнитного момента, называемого спином.

Температура Кюри ($Т_с$) — это температура, выше которой ферромагнитные материалы теряют свои магнитные свойства. Для каждого ферромагнетика она своя. Например, для железа $Т_с = 753°$С, для никеля $Т_с = 365°$С, для кобальта $Т_с = 1000°$ С. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых $Т_с

Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым (1839-1896).

Применяются ферромагнетики очень широко: в качестве постоянных магнитов (в электроизмерительных приборах, громкоговорителях, телефонах и т. д.), стальных сердечников в трансформаторах, генераторах, электродвигателях (для усиления магнитного поля и экономии электроэнергии). На магнитных лентах, изготовленных из ферромагнетиков, осуществляется запись звука и изображения для магнитофонов и видеомагнитофонов. На тонкие магнитные пленки производится запись информации для запоминающих устройств в электронно-вычислительных машинах.

Правило Ленца

Правило Ленца (закон Ленца) было установлено Э. X. Ленцем в 1834 г. Оно уточняет закон электромагнитной индукции, открытый в 1831 г. М. Фарадеем. Правило Ленца определяет направление индукционного тока в замкнутом контуре при его движении во внешнем магнитном поле.

Направление индукционного тока всегда таково, что испытываемые им со стороны магнитного поля силы противодействуют движению контура, а создаваемый этим током магнитный поток $Ф_1$ стремится компенсировать изменения внешнего магнитного потока $Ф_e$.

Закон Ленца является выражением закона сохранения энергии для электромагнитных явлений. Действительно, при движении замкнутого контура в магнитном поле за счет внешних сил необходимо выполнить некоторую работу против сил, возникающих в результате взаимодействия индуцированного тока с магнитным полем и направленных в сторону, противоположную движению.

Правило Ленца иллюстрируют рисунок. Если постоянный магнит вдвигать в катушку, замкнутую на гальванометр, индукционный ток в катушке будет иметь такое направление, которое создаст магнитное поле с вектором $В"$, направленным противоположно вектору индукции поля магнита $В$, т. е. будет выталкивать магнит из катушки или препятствовать его движению. При вытягивании магнита из катушки, наоборот, поле, создаваемое индукционным током, будет притягивать катушку, т. е опять препятствовать его движению.

Для применения правила Ленца с целью определения направления индукционного тока $I_е$ в контуре необходимо следовать таким рекомендациям.

1. Установить направление линий магнитной индукции $В↖{→}$ внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром ($∆Ф > 0$), или уменьшается ($∆Ф
3. Установить направление линий магнитной индукции $В"↖{→}$ магнитного поля индукционного тока $I_i$. Эти линии должны быть направлены, согласно правилу Ленца, противоположно линиям $В↖{→}$, если $∆Ф > 0$,и иметь одинаковое с ними направление, если $∆Ф
4. Зная направление линий магнитной индукции $В"↖{→}$, определить направление индукционного тока $I_i$, пользуясь правилом буравчика.

Формулы электричества и магнетизма. Изучение основ электродинамики традиционно начинается с электрического поля в вакууме. Для вычисления силы взаимодействия между двумя точными зарядами и вычисления напряженности электрического поля, созданного точечным зарядом, нужно уметь применять закон Кулона. Для вычисления напряженностей полей, созданных протяженными зарядами (заряженной нитью, плоскостью и т.д.), применяется теорема Гаусса. Для системы электрических зарядов необходимо применять принцип

При изучении темы "Постоянный ток" необходимо рассмотреть во всех формах законы Ома и Джоуля-Ленца При изучении "Магнетизма" необходимо иметь в виду, что магнитное поле порождается движущимися зарядами и действует на движущиеся заряды. Здесь следует обратить внимание на закон Био-Савара-Лапласа. Особое внимание следует обратить на силу Лоренца и рассмотреть движение заряженной частицы в магнитном поле.

Электрические и магнитные явления связаны особой формой существования материи - электромагнитным полем. Основой теории электромагнитного поля является теория Максвелла.

Таблица основных формул электричества и магнетизма

Физические законы, формулы, переменные	Формулы электричество и магнетизм
Закон Кулона: где q 1 и q 2 - величины точечных зарядов, ԑ 1 - электрическая постоянная; ε - диэлектрическая проницаемость изотропной среды (для вакуума ε = 1), r - расстояние между зарядами.
Напряженность электрического поля: где Ḟ - сила, действующая на заряд q 0 , находящийся в данной точке поля.
Напряженность поля на расстоянии r от источника поля: 1) точечного заряда 2) бесконечно длинной заряженной нити с линейной плотностью заряда τ: 3) равномерно заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда σ: 4) между двумя разноименно заряженными плоскостями
Потенциал электрического поля: где W - потенциальная энергия заряда q 0 .
Потенциал поля точечного заряда на расстоянии r от заряда:
По принципу суперпозиции полей, напряженность:
Потенциал: где Ē i и ϕ i - напряженность и потенциал в данной точке поля, создаваемый i-м зарядом.
Работа сил электрического поля по перемещению заряда q из точки с потенциалом ϕ 1 в точку с потенциалом ϕ 2 :
Связь между напряженностью и потенциалом 1) для неоднородного поля: 2) для однородного поля:
Электроемкость уединенного проводника:
Электроемкость конденсатора:
Электроемкость плоского конденсатора: где S - площадь пластины (одной) конденсатора, d - расстояние между пластинами.
Энергия заряженного конденсатора:
Сила тока:
Плотность тока: где S - площадь поперечного сечения проводника.
Сопротивление проводника: l - длина проводника; S - площадь поперечного сечения.
Закон Ома 1) для однородного участка цепи: 2) в дифференциальной форме: 3) для участка цепи, содержащего ЭДС: Где ε - ЭДС источника тока, R и r - внешнее и внутреннее сопротивления цепи; 4) для замкнутой цепи:
Закон Джоуля-Ленца 1) для однородного участка цепи постоянного тока: где Q - количество тепла, выделяющееся в проводнике с током, t - время прохождения тока; 2) для участка цепи с изменяющимся со временем током:
Мощность тока:
Связь магнитной индукции и напряженности магнитного поля: где B - вектор магнитной индукции, μ √ магнитная проницаемость изотропной среды, (для вакуума μ = 1), µ 0 - магнитная постоянная , H - напряженность магнитного поля.
Магнитная индукция (индукция магнитного поля): 1) в центре кругового тока где R - радиус кругового тока, 2) поля бесконечно длинного прямого тока где r - кратчайшее расстояние до оси проводника; 3) поля, созданного отрезком проводника с током где ɑ 1 и ɑ 2 - углы между отрезком проводника и линией, соединяющей концы отрезка и точкой поля; 4) поля бесконечно длинного соленоида где n - число витков на единицу длины соленоида.

За последние 50 лет все отрасли наук шагнули стремительно вперед. Но прочитав множество журналов о природе магнетизма и гравитации, можно прийти к выводу, что у человека появляется еще больше вопросов, чем было.

Природа магнетизма и гравитации

Всем очевидно и понятно, что предметы, подброшенные вверх, стремительно падают на землю. Что же их притягивает? Можно смело предположить, что они притягиваются какими-то неведомыми силами. Те самые силы получили название - природная гравитация. После каждый интересующийся сталкивается со множеством споров, догадок, предположений и вопросов. Какова природа магнетизма? Чем являются В результате какого воздействия они образуются? В чем проявляется их сущность, а также частота? Как они воздействуют на окружающую среду и на каждого человека по отдельности? Как рационально можно использовать это явление во благо цивилизации?

Понятие магнитизма

В начале девятнадцатого века физик Эрстед Ханс Кристиан открыл магнитное поле электрического тока. Это дало возможность предполагать, что природа магнетизма тесно взаимосвязана с электрическим током, который образуется внутри каждого из существующих атомов. Возникает вопрос, какими явлениями можно объяснить природу земного магнетизма?

На сегодняшний день установлено, что магнитные поля в намагниченных объектах зарождаются в большей степени электронами, которые беспрерывно делают обороты вокруг своей оси и около ядра существующего атома.

Давно установлено, что хаотичное перемещение электронов являет собой самый настоящий электрический ток, а его прохождение провоцирует зарождение магнитного поля. Подводя итог этой части, можно смело утверждать, что электроны вследствие своего хаотичного перемещения внутри атомов порождают внутриатомные токи, которые, в свою очередь, способствуют зарождению магнитного поля.

Но чем же обусловлено то, что в разных материях магнитное поле имеет значительные отличия в собственной величине, а также различную силу намагничивания? Это связано с тем, что оси и орбиты перемещения самостоятельных электронов в атомах способны быть в разнообразных положениях относительно друг друга. Это приводит к тому, что в соответствующих положениях располагаются и произведенные перемещающимися электронами магнитные поля.

Таким образом, следует отметить, что среда, в которой зарождается магнитное поле, оказывает воздействие непосредственно на него, преумножая или ослабевая само поле.

Поле которых ослабляет результирующее поле, получили название диамагнитные, а материалы, весьма слабо усиливающие магнитное поле, именуются парамагнитными.

Магнитные особенности веществ

Следует отметить, то природа магнетизма зарождается не только благодаря электрическому току, но и постоянными магнитами.

Постоянные магниты могут быть изготовлены из небольшого количества веществ на Земле. Но стоит отметить, что все предметы, которые будут находиться в радиусе магнитного поля, намагнитятся и станут непосредственными Проведя анализ вышеизложенного, стоит добавить, что вектор магнитной индукции в случае наличия вещества отличается от вектора вакуумной магнитной индукции.

Гипотеза Ампера о природе магнетизма

Причинно-следственная связь, в результате которой была установлена связь обладания тел магнитными особенностями, была открыта выдающимся французским ученым Андре-Мари Ампером. Но в чем состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма?

История положила свое начало благодаря сильному впечатлению от увиденного ученым. Он стал свидетелем исследований Эрстеда Лмиера, который смело предположил, что причиной магнетизма Земли являются токи, которые регулярно проходят внутри земного шара. Был сделан основополагающий и самый весомый вклад: магнитные особенности тел можно было объяснить беспрерывной циркуляцией в них токов. После Ампер выдвинул следующее заключение: магнитные особенности любого из существующих тел определены замкнутой цепью электрических токов, протекающих внутри них. Заявление физика было смелым и отважным поступком, поскольку он перечеркнул все предшествующие открытия, объяснив магнитные особенности тел.

Перемещение электронов и электрический ток

Гипотеза Ампера гласит, что внутри каждого атома и молекулы существует элементарный и циркулирующий заряд электрического тока. Стоит отметить, что на сегодняшний день нам уже известно, что те самые токи образуются в результате хаотичного и беспрерывного перемещения электронов в атомах. Если оговариваемые плоскости находятся беспорядочно относительно друг к друга вследствие теплового перемещения молекул, то их процессы взаимокомпенсируются и совершенно никакими магнитными особенностями не владеют. А в намагниченном предмете простейшие токи направлены на то, чтобы их действия слаживались.

Гипотеза Ампера в силах объяснить, почему магнитные стрелки и рамки с электрическим током в магнитном поле ведут себя идентично друг другу. Стрелку, в свою очередь, следует рассмотреть как комплекс небольших контуров с током, которые направлены идентично.

Особую группу в которых значительно усиливается магнитное поле, называют ферромагнитной. К этим материал относится железо, никель, кобальт и гадолиний (и их сплавы).

Но как объяснить природу магнетизма постоянных поля образуются ферромагнетиками не исключительно в результате перемещения электронов, но и в результате их собственного хаотичного движения.

Момент импульса (собственного вращательного момента) приобрел название - спин. Электроны в течение всего времени существования вращаются вокруг своей оси и, имея заряд, зарождают магнитное поле вместе с полем, образующимся вследствие их орбитального перемещения около ядер.

Температура Мария Кюри

Температура, выше которой вещество-ферромагнетик теряет намагниченность, получила свое определенное название - температура Кюри. Ведь именно французский ученый с данным именем сделал это открытие. Он пришел к выводу: если существенно нагреть намагниченный предмет, то он лишится возможности притягивать к себе предметы из железа.

Ферромагнетики и их использование

Невзирая на то, что ферромагнитных тел в мире существует не так много, их магнитные особенности имеют большое практическое применение и значение. Сердечник в катушке, изготовленный из железа или стали, многократно усиливает магнитное поле, при этом не превышает расхода силы тока в катушке. Это явление значительно помогает экономить электроэнергию. Сердечники изготавливаются исключительно из ферромагнетиков, и не имеет значения, для каких целей послужит эта деталь.

Магнитный способ записи информации

С помощью ферромагнетиков изготавливают первоклассные магнитные ленты и миниатюрные магнитные пленки. Магнитные ленты имеют широкое применение в сферах звуко-и видеозаписи.

Магнитная лента является пластичной основой, состоящей из полирхлорвинила или прочих составляющих. Поверх нее наносится слой, представляющий собой магнитный лак, которые состоит из множества очень маленьких игольчатых частичек железа или прочего ферромагнетика.

Процесс звукозаписи осуществляется на ленту благодаря поле которых подвергается изменениям в такт вследствие колебаний звука. В результате движения ленты около магнитной головки, каждый участок пленки подвергается намагничиванию.

Природа гравитации и его понятия

Стоит прежде всего отметить, что гравитация и ее силы заключены в пределах закона всемирного тяготения, который гласит о том, что: две материальные точки притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Современная наука немного иначе стала рассматривать понятия гравитационной силы и объясняет его как действие гравитационного поля самой Земли, происхождение которой до сих пор, к сожалению ученых, не установлено.

Подводя итоги всего вышеизложенного, хочется отметить, что все в нашем мире тесно взаимосвязано, и существенного отличия между гравитацией и магнетизмом нет. Ведь гравитация обладает тем самым магнетизмом, просто не в большой мере. На Земле нельзя отрывать объект от природы - нарушается магнетизм и гравитация, что в будущем может значительно усложнить жизнь цивилизации. Следует пожинать плоды научных открытий великих ученых и стремиться к новым свершениям, но использовать всю данность следует рационально, не причиняя вреда природе и человечеству.

Содержит теоретический материал по разделу «Магнетизм» дисциплины «Физика».

Предназначен для оказания помощи студентам технических специальностей всех форм обучения в самостоятельной работе, а также при подготовке к упражнениям, коллоквиумам и экзаменам.

© Андреев А.Д., Черных Л.М., 2009

 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича», 2009

ВВЕДЕНИЕ

В 1820 г. профессор университета в Копенгагене Ганс Христиан Эрстед читал лекции по электричеству, гальванизму и магнетизму. В то время электричеством называли электростатику, гальванизмом назывались явления, вызываемые постоянным током, получаемым от батарей, магнетизм был связан с известными свойствами железных руд, со стрелкой компаса, с магнитным полем Земли.

В поисках связи между гальванизмом и магнетизмом Эрстед проделал опыт с пропусканием тока через проволоку, подвешенную над стрелкой компаса. При включении тока стрелка отклонялась в сторону от меридионального направления. Если изменялось направление тока или стрелка помещалась над током, она отклонялась в другую сторону от меридиана.

Открытие Эрстеда явилось мощным стимулом для дальнейших исследований и открытий. Прошло немного времени и Ампер, Фарадей и другие провели полное и точное исследование магнитного действия электрических токов. Открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции произошло через 12 лет после опыта Эрстеда. На основе этих экспериментальных открытий была построена классическая теория электромагнетизма. Максвелл придал ей окончательный вид и математическую форму, а Герц в 1888 г. блестяще подтвердил, экспериментально доказав существование электромагнитных волн .

1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

1.1. Взаимодействие токов. Магнитная индукция

Электрические токи взаимодействуют между собой. Как показывает опыт, два прямолинейных параллельных проводника, по которым текут токи, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если токи противоположны по направлению (рис. 1). При этом сила их взаимодействия на единицу длины проводника прямо пропорциональна силе тока в каждом из проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Закон взаимодействия токов был установлен Андре Мари Ампером в 1820 г. экспериментально.

В металлах суммарный заряд положительно заряженной ионной решетки и отрицательно заряженных свободных электронов равен нулю. Заряды распределены в проводнике равномерно. Таким образом, электрическое поле вокруг проводника отсутствует. Именно поэтому проводники при отсутствии тока не взаимодействуют друг с другом.

Однако при наличии тока (упорядоченного движения свободных носителей заряда) между проводниками возникает взаимодействие, которое принято называть магнитным.

В современной физике магнитное взаимодействие токов трактуется как релятивистский эффект, возникающий в системе отсчета, относительно которой имеет место упорядоченное движение зарядов . В данном пособии будем использовать понятие магнитного поля как свойство пространства, окружающего электрический ток. Существование магнитного поля тока проявляется при взаимодействии с другими проводниками с током (закон Ампера), или при взаимодействии с движущейся заряженной частицей (сила Лоренца, подразд. 2.1), или при отклонении магнитной стрелки, помещенной вблизи проводника с током (опыт Эрстеда).

Для характеристики магнитного поля тока введем понятие вектора магнитной индукции. Для этого, аналогично тому как при определении характеристик электростатического поля использовалось понятие пробного точечного заряда , при введении вектора магнитной индукции будем использовать пробный контур с током. Пусть это будет плоский замкнутый контур произвольной формы и малых размеров. Настолько малых, что в точках места его расположения магнитное поле можно считать одинаковым. Ориентацию контура в пространстве будем характеризовать вектором нормали к контуру, связанным с направлением тока в нем правилом правого винта (буравчика): при вращении ручки буравчика в направлении тока (рис. 2) поступательное движение кончика буравчика определяет направление единичного вектора нормали к плоскости контура.

Характеристикой пробного контура является его магнитный момент , где s – площадь пробного контура.

Если поместить пробный контур с током в выбранную точку рядом с прямым током, то токи будут взаимодействовать. При этом на пробный контур с током будет действовать вращательный момент пары сил М (рис. 3). Величина этого момента, как показывает опыт, зависит от свойств поля в данной точке (контур мал по размеру) и от свойств контура (его магнитного момента).

На рис. 4, представляющем собой сечение рис. 3 горизонтальной плоскостью, показаны несколько положений пробного контура с током в магнитном поле прямого тока I . Точка в кружке обозначает направление тока к наблюдателю. Крест обозначает направление тока за рисунок. Положение 1 соответствует устойчивому равновесию контура (М = 0), когда силы растягивают его. Положение 2 соответствует неустойчивому равновесию (М = 0). В положении 3 на пробный контур с током действует максимальный вращающий момент сил. В зависимости от ориентации контура величина вращающего момента может принимать любые значения от нуля до максимального . Как показывает опыт, в любой точке , т. е. максимальное значение механического момента пары сил зависит от величины магнитного момента пробного контура и не может служить характеристикой магнитного поля в исследуемой точке. Отношение максимального механического момента пары сил к магнитному моменту пробного контура не зависит от последнего и может служить характеристикой магнитного поля. Эта характеристика называется магнитной индукцией (индукцией магнитного поля)

Введем ее как векторную величину. За направление вектора магнитной индукции будем принимать направление магнитного момента пробного контура с током, помещенного в исследуемую точку поля, в положении устойчивого равновесия (положение 1 на рис. 4). Это направление совпадает с направлением северного конца магнитной стрелки, помещенной в эту точку. Из сказанного следует, что характеризует силовое действие магнитного поля на ток и, следовательно, является аналогом напряженности поля в электростатике. Поле вектора можно представить при помощи линий магнитной индукции. В каждой точке линии вектор направлен по касательной к ней. Так как вектор магнитной индукции в любой точке поля имеет определенное направление, то и направление линии магнитной индукции – единственное в каждой точке поля. Следовательно, линии магнитной индукции, так же как и силовые линии электрического поля, не пересекаются. На рис. 5 представлено несколько линий индукции магнитного поля прямого тока, изображенных в плоскости, перпендикулярной току. Они имеют вид замкнутых окружностей с центрами на оси тока.

Следует отметить, что линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Это отличительная черта вихревого поля, в котором поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен нулю (теорема Гаусса в магнетизме).

1.2. Закон Био–Савара–Лапласа.
Принцип суперпозиции в магнетизме

Био и Савар провели в 1820 г. исследование магнитных полей токов различной формы. Они установили, что магнитная индукция во всех случаях пропорциональна силе тока, создающего магнитное поле. Лаплас проанализировал экспериментальные данные, полученные Био и Саваром, и нашел, что магнитное поле тока I любой конфигурации может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока.

Длина каждого участка тока настолько мала, что его можно считать прямым отрезком, расстояние от которого до точки наблюдения много больше . Удобно ввести понятие элемента тока где направление вектора совпадает с направлением тока I , а его модуль равен (рис. 6).

Для индукции магнитного поля , создаваемого элементом тока в точке, находящейся на расстоянии r от него (рис. 6), Лаплас вывел формулу, справедливую для вакуума:

. (1.1)

Формула закона Био–Савара–Лапласа (1.1) написана в системе СИ, в которой постоянная называется магнитной постоянной.

Уже отмечалось, что в магнетизме, как и в электричестве, имеет место принцип суперпозиции полей, т. е. индукция магнитного поля, создаваемого системой токов, в данной точке пространства равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых в этой точке каждым из токов в отдельности :

На рис. 7 приведен пример построения вектора магнитной индукции в поле двух параллельных и противоположных по направлению токов и :

1.3. Применение закона Био–Савара–Лапласа.
Магнитное поле прямого тока

Рассмотрим отрезок прямого тока. Элемент тока создает магнитное поле, индукция которого в точке А (рис. 8) по закону Био–Савара–Лапласа находится по формуле:

, (1.3)

Магнетизм изучается с давних времен, а за последние два столетия стал основой современной цивилизации.

Алексей Левин

Человечество собирает знания о магнитных явлениях не меньше трех с половиной тысяч лет (первые наблюдения электрических сил имели место тысячелетием позже). Четыреста лет назад, на заре становления физики, магнитные свойства веществ были отделены от электрических, после чего долгое время те и другие изучались самостоятельно. Так была создана экспериментальная и теоретическая база, ставшая к середине XIX века основой единой теории электромагнитных явлений Вероятнее всего, необычные свойства природного минерала магнетита (магнитного железняка, Fe3O4) были известны в Месопотамии еще в бронзовом веке. А после возникновения железной металлургии нельзя было не заметить, что магнетит притягивает железные изделия. О причинах такого притяжения думал уже отец греческой философии Фалес из Милета (примерно 640−546 годы до н.э.), который объяснял его особой одушевленностью этого минерала (Фалес также знал, что натертый о шерсть янтарь притягивает сухие листья и мелкие щепочки, а потому наделял и его духовной силой). Позднее греческие мыслители рассуждали о невидимых парах, окутывающих магнетит и железо и влекущих их друг к другу. Неудивительно, что само слово «магнит» тоже имеет греческие корни. Скорее всего, оно восходит к названию Магнесии-у-Сипила, города в Малой Азии, вблизи которого залегал магнетит. Греческий поэт Никандр упоминал о пастухе Магнисе, оказавшемся рядом со скалой, которая тянула к себе железный наконечник его посоха, но это, по всей вероятности, просто красивая легенда.

Природными магнитами интересовались и в Древнем Китае. Способность магнетита притягивать железо упоминается в трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю», датируемом 240 годом до н.э. Столетие спустя китайцы заметили, что магнетит не действует ни на медь, ни на керамику. В VII—VIII вв. /bm9icg===>еках они выяснили, что свободно подвешенная намагниченная железная игла поворачивается к Полярной звезде. В результате во второй половине XI века в Китае появились настоящие морские компасы, европейские мореплаватели освоили их сотней лет позже. Примерно тогда же китайцы обнаружили, что намагниченная игла смотрит восточнее направления на север и открыли тем самым магнитное склонение, намного опередив в этом вопросе европейских мореплавателей, которые пришли к этому выводу только в XV столетии.

Маленькие магнитики

В ферромагнетике собственные магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (энергия такой ориентации минимальна). В результате образуются намагниченные области, домены — микроскопические (10−4-10−6 м) постоянные магнитики, разделённые доменными стенками. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы в ферромагнетике хаотически, во внешнем поле границы начинают смещаться, так что домены с моментами параллельно полю вытесняют все остальные — ферромагнетик намагничивается.

Зарождение науки об магнетизме

Первое в Европе описание свойств природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. В 1269 году он служил в армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Оттуда он и отправил приятелю в Пикардию документ, который вошел в историю науки как «Письмо о магните» (Epistola de Magnete), где рассказал о своих опытах с магнитным железняком. Марикур заметил, что в каждом куске магнетита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо. Он усмотрел параллель между этими зонами и полюсами небесной сферы и позаимствовал их названия для областей максимума магнитной силы — поэтому мы теперь и говорим о северном и южном магнитных полюсах. Если разбить кусок магнетита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются собственные полюса. Марикур не только подтвердил, что между кусками магнетита возникает как притяжение, так и отталкивание (это уже было известно), но впервые связал этот эффект с взаимодействием между разноименными (северным и южным) либо одноименными полюсами.

Многие историки науки считают Марикура бесспорным пионером европейской экспериментальной науки. Во всяком случае, его заметки о магнетизме ходили в десятках списков, а после появления книгопечатания издавались отдельной брошюрой. Их с уважением цитировали многие натуралисты вплоть до XVII столетия. Этот труд был хорошо известен и английскому естествоиспытателю и врачу (лейб-медику королевы Елизаветы и ее преемника Якова I) Уильяму Гильберту, который в 1600 году опубликовал (как положено, на латыни) замечательный труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». В этой книге Гильберт не только привел практически все известные сведения о свойствах природных магнитов и намагниченного железа, но и описал собственные опыты с шаром из магнетита, с помощью которых он воспроизвел основные черты земного магнетизма. Например, он обнаружил, что на обоих магнитных полюсах такой «маленькой Земли» (по латыни terrella) компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе — параллельно, а на средних широтах — в промежуточном положении. Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали более полувека (в 1544 году это явление впервые описал нюрнбергский механик Георг Хартман).

Революция в навигации. Компас произвёл настоящую революцию в морской навигации, сделав глобальные путешествия не единичными случаями, а привычной регулярной рутиной.

Гильберт воспроизвел на своей модели и геомагнитное склонение, которое приписал не идеально гладкой поверхности шара (и потому в планетарном масштабе объяснял этот эффект притяжением континентов). Он обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, Гильберт первым провел четкое различие между притяжением магнита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского названия янтаря electrum). В общем, это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками. Утверждение Гильберта, что Землю следует считать «большим магнитом», стало вторым по счету фундаментальным научным выводом о физических свойствах нашей планеты (первый — открытие ее шарообразности, сделанное еще в Античности).

Два века перерыва

После Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало. Сделанное за это время можно буквально перечесть по пальцам. В 1640 году ученик Галилея Бенедетто Кастелли объяснил притяжение магнетита наличием в его составе множества мельчайших магнитных частиц — первая и очень несовершенная догадка, что природу магнетизма следует искать на атомном уровне. Голландец Себальд Бругманс в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются от полюсов магнитной стрелки — это был первый пример физического явления, которое 67 годами позже Фарадей назвал диамагнетизмом. В 1785 году Шарль-Огюстен Кулон посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами (в 1750 году к аналогичному выводу пришел англичанин Джон Мичелл, но кулоновское заключение много надежней).

А вот изучение электричества в те годы двигалось семимильными шагами. Объяснить это нетрудно. Единственными первичными источниками магнитной силы оставались природные магниты — других наука не знала. Их сила стабильна, ее нельзя ни изменить (разве что уничтожить нагревом), ни тем более генерировать по собственному желанию. Понятно, что это обстоятельство сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество было в гораздо более выгодном положении — ведь его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов построил в 1663 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (знаменитые магдебургские полушария — тоже его детище). Век спустя такие генераторы стали столь широко распространены, что их демонстрировали даже на великосветских приемах. В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст и немногим позже голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку — первый электрический конденсатор; тогда же появились и первые электрометры. В результате к концу XVIII века наука знала об электричестве куда больше, чем в его начале. А вот о магнетизме этого сказать было нельзя.

А потом все изменилось. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый химический источник электрического тока — гальваническую батарею, также известную как вольтов столб. После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом стало вопросом времени. Оно могло состояться уже на следующий год, когда французский химик Николя Готеро заметил, что два параллельных провода с током притягиваются друг к другу. Однако ни он, ни великий Лаплас, ни замечательный физик-экспериментатор Жан-Батист Био, которые позже наблюдали это явление, не придали ему никакого значения. Поэтому приоритет справедливо достался ученому, давно предположившему существование такой связи и много лет посвятившему ее поискам.

От Копенгагена до Парижа

Все читали сказки и истории Ганса Христиана Андерсена, но мало кто знает, что когда будущий автор «Голого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним подростком добрался до Копенгагена, он обрел друга и покровителя в лице своего двойного тезки, ординарного профессора физики и химии Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда. И оба прославили свою страну на весь мир.

Многообразие магнитных полей Ампер изучил взаимодействие между параллельными проводниками с током. Его идеи развил Фарадей, который предложил концепцию магнитных силовых линий.

Эрстед с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом (он был приверженцем великого философа Иммануила Канта, полагавшего, что все природные силы обладают внутренним единством). В качестве индикаторов Эрстед использовал компасы, но долгое время безрезультатно. Эрстед ожидал, что магнитная сила тока параллельна ему самому, и для получения максимального крутящего момента располагал электрический провод перпендикулярно стрелке компаса. Естественно, что стрелка не реагировала на включение тока. И только весной 1820 года во время лекции Эрстед протянул провод параллельно стрелке (либо чтобы посмотреть, что из этого получится, либо у него появилась новая гипотеза — об этом историки физики спорят до сих пор). И вот тут-то стрелка и качнулась — не слишком сильно (у Эрстеда была маломощная батарея), но все-таки заметно.

Правда, великое открытие тогда еще не состоялось. Эрстед почему-то прервал эксперименты на три месяца и вернулся к ним лишь в июле. И вот тут-то он понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток». Это был парадоксальный вывод, ведь ранее вращающиеся силы не появлялись ни в механике, ни в какой-либо другой ветви физики. Эрстед изложил свои выводы в статье и 21 июля отправил ее в несколько научных журналов. Потом он больше электромагнетизмом не занимался, и эстафета перешла к другим ученым. Первыми ее приняли парижане. 4 сентября известный физик и математик Доминик Араго рассказал об открытии Эрстеда на заседании Академии наук. Его коллега Андре-Мари Ампер решил заняться магнитным действием токов и буквально на следующий день приступил к экспериментам. Первым делом он повторил и подтвердил опыты Эрстеда, а в начале октября обнаружил, что параллельные проводники притягиваются, если токи текут через них в одном и том же направлении, и отталкиваются — если в противоположных. Ампер изучил взаимодействие и между непараллельными проводниками и представил его формулой (закон Ампера). Он показал также, что свернутые в спираль проводники с током поворачиваются в магнитном поле, подобно стрелке компаса (и между делом изобрел соленоид — магнитную катушку). Наконец, он выдвинул смелую гипотезу: внутри намагниченных материалов текут незатухающие микроскопические параллельные круговые токи, которые и служат причиной их магнитного действия. Тогда же Био и Феликс Савар совместными усилиями выявили математическую зависимость, позволяющую определять интенсивность магнитного поля, создаваемого постоянным током (закон Био-Савара).

Чтобы подчеркнуть новизну изученных эффектов, Ампер предложил термин «электродинамические явления» и постоянно пользовался им в своих публикациях. Но это еще не было электродинамикой в современном смысле. Эрстед, Ампер и их коллеги работали с постоянными токами, создававшими статичные магнитные силы. Физикам только предстояло обнаружить и объяснить действительно динамичные нестационарные электромагнитные процессы. Эта задача была решена в 1830—1870-х. К ней приложили руку около дюжины исследователей из Европы (в том числе и России- вспомним правило Ленца) и США. Однако главная заслуга бесспорно принадлежит двум титанам британской науки — Фарадею и Максвеллу.

Лондонский тандем

Для Майкла Фарадея 1821 год стал воистину судьбоносным. Он получил заветную должность суперинтенданта лондонского Королевского института и фактически случайно начал исследовательскую программу, благодаря которой занял уникальное место в истории мировой науки.

Магнитные и не очень. Различные вещества во внешнем магнитном поле ведут себя по‑разному, это обусловлено различным поведением собственных магнитных моментов атомов. Наиболее известны ферромагнетики, существуют парамагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики, а также диамагнетики, у атомов которых нет собственных магнитных моментов (во внешнем поле они слабо намагничиваются «против поля»).

Произошло это так. Редактор журнала «Анналы философии» Ричард Филипс предложил Фарадею написать критический обзор новых работ, посвященных магнитному действию тока. Фарадей не только последовал этому совету и опубликовал «Исторический эскиз электромагнетизма», но приступил к собственным исследованиям, которые растянулись на долгие годы. Сначала он, как и Ампер, повторил эксперимент Эрстеда, после чего двинулся дальше. К концу 1821 года он изготовил устройство, где токонесущий проводник вращался вокруг полосового магнита, а другой магнит поворачивался вокруг второго проводника. Фарадей предположил, что и магнит, и провод под током окружены концентрическими силовыми линиями, lines of force, которыми и обусловлено их механическое воздействие. Это уже был зародыш концепции магнитного поля, хотя сам Фарадей таким термином не пользовался.

Поначалу он почитал силовые линии удобным методом описания наблюдений, но со временем уверился в их физической реальности (тем более что нашел способ наблюдать их с помощью рассыпанных между магнитами железных опилок). К концу 1830-х он четко осознал, что энергия, источником которой служат постоянные магниты и проводники под током, распределена в пространстве, заполненном силовыми линиями. Фактически Фарадей уже мыслил в теоретико-полевых терминах, в чем значительно опередил своих современников.

Но главное его открытие состояло в другом. В августе 1831 года Фарадей смог заставить магнетизм генерировать электрический ток. Его прибор состоял из железного кольца с двумя противоположными обмотками. Одну из спиралей можно было замкнуть на электрическую батарею, другая соединялась с проводником, расположенным над магнитным компасом. Стрелка не меняла положения, если по первой катушке шел постоянный ток, но качалась во время его включения и выключения. Фарадей понял, что в это время во второй обмотке возникали электрические импульсы, обусловленные возникновением или исчезновением магнитных силовых линий. Иначе говоря, он открыл, что причиной электродвижущей силы служат изменения магнитного поля. Этот эффект обнаружил также американский физик Джозеф Генри, но он опубликовал свои результаты позднее, чем Фарадей, и не сделал столь серьезных теоретических выводов.

Электромагниты и соленоиды лежат в основе множества технологий, без которых невозможно представить современную цивилизацию: от вырабатывающих электроэнергию электрогенераторов, электродвигателей, трансформаторов до радиосвязи и вообще практически всей современной электроники.

К концу жизни Фарадей пришел к заключению, что новые знания об электромагнетизме нуждаются в математическом оформлении. Он решил, что эта задача придется по плечу Джеймсу Клерку Максвеллу, молодому профессору Маришал-колледжа в шотландском городе Абердине, о чем ему и написал в ноябре 1857 года. И Максвелл действительно объединил все тогдашние знания об электромагнетизме в единую математизированную теорию. Эта работа была в основном выполнена в первой половине 1860-х годов, когда он стал профессором натуральной философии лондонского Кингз-колледжа. Понятие электромагнитного поля впервые появилось в 1864 году в мемуаре, представленном Лондонскому Королевскому обществу. Максвелл ввел этот термин для обозначения «той части пространства, которая содержит и окружает тела, пребывающие в электрическом или магнитном состоянии», причем специально подчеркнул, что это пространство может быть как пустым, так и заполненным любым видом материи.

Главным итогом трудов Максвелла стала система уравнений, связывающих между собой электромагнитные явления. В опубликованном в 1873 году «Трактате об электричестве и магнетизме» он назвал их общими уравнениями электромагнитного поля, а сегодня они зовутся уравнениями Максвелла. Позднее их не раз обобщали (например, для описания электромагнитных явлений в различных средах), а также переписывали с использованием все более совершенного математического формализма. Максвелл показал также, что эти уравнения допускают решения, включающие незатухающие поперечные волны, частным случаем которых является видимый свет.

Теория Максвелла представила магнетизм как особого рода взаимодействие между электрическими токами. Квантовая физика XX века добавила к этой картине всего два новых момента. Теперь мы знаем, что электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами и что электроны и многие другие элементарные частицы обладают собственными магнитными моментами. На этом фундаменте построены все экспериментальные и теоретические работы в области магнетизма.