Что такое магнитное действие тока определение. Магнитное действие тока. Опыт Эрстеда
Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это представление было настолько распространено, что сначала Кардан, а затем и Гильберт считали его предрассудком и всячески старались показать различие этих двух явлений. Но это предположение снова возникло в XVIII в. уже с большим основанием, когда было установлено намагничивающее действие молнии, а Франклину и Беккариа удалось добиться намагничивания с помощью разряда лейденской банки. Законы Кулона, формально одинаковые для электростатических и магнитостатических явлений, вновь выдвинули эту проблему.
После того как благодаря батарее Вольта появилась возможность получать электрический ток в течение долгого времени, попытки обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями стали более частыми и более интенсивными. И все же, несмотря на интенсивные поиски, открытие заставило себя ждать целых двадцать лет. Причины такой задержки следует искать в научных представлениях, господствовавших в те времена. Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т.е. как силы, которые действуют между материальными частицами по соединяющей их прямой. Поэтому исследователи старались обнаружить силы именно этого рода, создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и электрическим током (или, выражаясь более общим образом, между «гальваническим» флюидом и магнитным флюидом) или же пытались намагнитить стальную иглу, направляя по ней ток.
Когда 21 июля 1820 г. в статье на латинском языке, озаглавленной “Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam”, датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777 – 1851) описал фундаментальный опыт по электромагнетизму, доказывающий, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет магнитную иглу от направления меридиана, интерес и удивление ученых были велики не только потому, что было получено столь долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неньютоновского типа. В самом деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т.е. она, как тогда говорили, является «силой поворачивающей». Значение этого факта чувствовалось уже тогда, хотя полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую трещину в ньютоновской модели мира.
О том затруднении, в которое попала наука, можно судить, например, по замешательству, в котором находились итальянские, французские, английские и немецкие переводчики, переводившие на родной язык латинскую статью Эрстеда. Часто, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечании латинский оригинал.
Действительно неясным в статье Эрстеда еще и сегодня остается объяснение, которое он пытается дать наблюдавшимся им явлениям, обусловленным, по его мнению, двумя противоположно направленными спиральными движениями вокруг проводника «электрической материи, соответственно положительной и отрицательной».
Исключительность явления, открытого Эрстедом, сразу же привлекла к нему большое внимание экспериментаторов и теоретиков. Араго, вернувшись из Женевы, где он присутствовал при аналогичных опытах, повторенных Де ла Ривом, рассказал о них в Париже, а в сентябре 1820 г. собрал свою известную установку с вертикальным проводником тока, проходящим сквозь горизонтально расположенный кусок картона, посыпанный железными опилками. Но окружностей из железных опилок, которые мы обычно замечаем при проведении этого опыта, он не обнаружил. Экспериментаторы видят ясно эти окружности с тех пор, как Фарадей выдвинул теорию «магнитных кривых», или «силовых линий». Действительно, нередко, чтобы увидеть что-то, нужно очень желать этого! Араго же видел только, что проводник, по его выражению, «облепливается железными опилками так, как если б это был магнит», из чего он сделал заключение, что «ток вызывает магнетизм в железе, которое не подвергалось предварительному намагничиванию».
Простейшие электрические и магнитные явления известны людям с очень давних времен.
По-видимому, уже за 600 лет до н. э. греки знали, что магнит притягивает к себе железо, а натертый янтарь – легкие предметы, вроде соломинок и т. п. Однако различие между электрическими и магнитными притяжениями было еще не ясно; те и другие считались явлениями одной природы.
Четкое разграничение этих явлений – заслуга английского врача и естествоиспытателя Уильяма Гильберта (1544-1603), который в 1600 г. выпустил в свет книгу под названием «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». С этой книги, собственно, и начинается подлинно научное изучение электрических и магнитных явлений. Гильберт описал в своей книге все свойства магнитов, которые в его эпоху были известны, а также изложил результаты собственных очень важных опытов. Он указал на ряд существенных различий между электрическими и магнитными притяжениями и ввел слово «электричество».
Хотя после Гильберта различие между электрическими и магнитными явлениями было уже для всех неоспоримо ясно, тем не менее ряд фактов указывал на то, что при всем своем различии эти явления каким-то образом тесно и неразрывно связаны друг с другом. Наиболее бросающимися в глаза были факты намагничивания железных предметов и перемагничивания магнитных стрелок под влиянием молний. В своей работе «Гром и молния» французский физик Доминик Франсуа Араго (1786-1853) описывает, например, такой случай. «В июле 1681 г. корабль «Королева», находившийся в сотне миль от берега, в открытом море, был поражен молнией, которая причинила значительные повреждения в мачтах, парусах и пр. Когда же наступила ночь, то по положению звезд выяснилось, что из трех компасов, имевшихся на корабле, два, вместо того чтобы указывать на север, стали указывать на юг, а третий стал указывать на запад». Араго описывает также случай, когда молния, ударившая в дом, сильно намагнитила в нем стальные ножи, вилки и другие предметы.
В начале XVIII века было уже установлено, что молния, по сути дела, представляет собой сильный электрический ток, идущий через воздух; поэтому факты вроде описанных выше могли подсказать мысль, что всякий электрический ток обладает какими-то магнитными свойствами. Однако обнаружить на опыте эти свойства тока, и изучить их удалось только в 1820 г. датскому физику Гансу Христиану Эрстеду (1777-1851).
Основной опыт Эрстеда изображен на рис. 199. Над неподвижным проводом 1, расположенным вдоль меридиана, т. е. в направлении север-юг, подвешена на тонкой нити магнитная стрелка 2 (рис. 199, а). Стрелка, как известно, устанавливается также приблизительно по линии север-юг, и поэтому она располагается примерно параллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и пустим ток по проводу 1, мы увидим, что магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться под прямым углом к нему, т. е. в плоскости, перпендикулярной к проводу (рис. 199, б). Этот фундаментальный опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки, т. е. силы, подобные тем, которые действуют вблизи естественных и искусственных магнитов. Такие силы мы будем называть магнитными силами, так же как мы называем силы, действующие на электрические заряды, электрическими.
Рис. 199. Опыт Эрстеда с магнитной стрелкой, обнаруживающий существование магнитного поля тока: 1 – провод, 2 – магнитная стрелка, подвешенная параллельно проводу, 3 – батарея гальванических элементов, 4 – реостат, 5 – ключ
В гл. II мы ввели понятие электрического поля для обозначения того особого состояния пространства, которое проявляется в действиях, электрических сил. Точно так же мы будем называть магнитным полем то состояние пространства, которое дает о себе знать действием магнитных сил. Таким образом, опыт Эрстеда доказывает, что в пространстве, окружающем электрический ток, возникают магнитные силы, т. е. создается магнитное поле.
Первый вопрос, который поставил перед собой Эрстед после того, как он сделал свое замечательное открытие, был таков: влияет ли вещество провода на создаваемое током магнитное поле? «Соединительный провод, – пишет Эрстед, – может состоять из нескольких проволок или металлических полос. Природа металла не меняет результата, разве только, пожалуй, в отношении величины.
С одинаковым результатом мы пользовались проволоками из платины, золота, серебра, латуни и железа, а также оловянными и свинцовыми полисами и ртутью».
Все свои опыты Эрстед проводил с металлами, т. е. с проводниками, в которых проводимость, как мы теперь знаем, имеет электронный характер. Нетрудно, однако, осуществить опыт Эрстеда, заменив металлический провод трубкой с электролитом или трубкой, в которой происходит разряд в газе. Такие опыты мы уже описали в § 40 (рис. 73) и видели, что хотя в этих случаях электрический ток обусловлен движением положительных и отрицательных ионов, но действие его на магнитную стрелку то же, что и в случае тока в металлическом проводнике. Какова бы ни была природа проводника, по которому течет ток, вокруг проводника всегда создается магнитное поле, под влиянием которого стрелка поворачивается, стремясь стать перпендикулярно к направлению тока.
Таким образом, мы можем утверждать: вокруг всякого тока возникает магнитное поле. Об этом важнейшем свойстве электрического тока мы уже упоминали (§ 40), когда говорили подробнее о других его действиях – тепловом и химическом.
Из трех свойств или проявлений электрического тока наиболее характерным является именно создание магнитного поля. Химические действия тока в одних проводниках – электролитах – имеют место, в других – металлах – отсутствуют. Выделяемое током тепло может быть при одном и том же токе больше или меньше в зависимости от сопротивления проводника. В сверхпроводниках возможно даже прохождение тока без выделения тепла (§ 49). Но магнитное поле – неотделимый спутник всякого электрического тока. Оно не зависит ни от каких специальных свойств того или иного проводника и определяется лишь силой и направлением тока. Большинство технических применений электричества также связано с наличием магнитного поля тока.
Магнитное действие тока
Марио Льоцци
ОПЫТ ЭРСТЕДА
Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это представление было настолько распространено, что сначала Кардан, а затем и Гильберт считали его предрассудком и всячески старались доказать различие этих двух явлений. Но это предположение снова возникло в XVIII веке уже с большим основанием, когда было установлено намагничивающее действие молнии, а Франклину и Беккариа удалось добиться намагничивания с помощью разряда лейденской банки. Законы Кулона, формально одинаковые для электростатических и магнитостатических явлений, вновь выдвинули эту проблему.
После того как благодаря батарее Вольта появилась возможность получать электрический ток в течение долгого времени, попытки обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями стали более частыми и более интенсивными. И все же, несмотря на интенсивные поиски, открытие заставило себя ждать целых двадцать лет. Причины такой задержки следует искать в научных представлениях, господствовавших в те времена. Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т. е. как силы, которые действуют между материальными частицами по соединяющей их прямой. Поэтому исследователи старались обнаружить силы именно этого рода, создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и электрическим током (или, выражаясь более общим образом, между "гальваническим флюидом" и магнитным флюидом) или же пытались намагнитить стальную иглу, направляя по ней ток.
Взаимодействие между гальваническим и магнитным флюидом пытался обнаружить и Джан Доменико Романьози (17611835) в опытах, описанных им в статье 1802 г., на которую Гульельмо Либри (18031869), Пьетро Конфильякки (17771844) и многие другие ссылались потом, приписывая Романьози приоритет этого открытия. Достаточно, однако, прочесть эту статью, чтобы убедиться, что в опытах Романьози, проводившихся с батареей с незамкнутой цепью и магнитной иглой, вообще нет электрического тока, и поэтому самое большее, что он мог наблюдать, это обычное электростатическое действие.
Когда 21 июля 1820 г. в одной очень лаконичной статье на четырех страничках (на латинском языке), озаглавленной "Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam" датский физик Ганс Христиан Эрстед (17771851) описал фундаментальный опыт по электромагнетизму, доказывающий, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет магнитную иглу от направления меридиана, интерес и удивление ученых были велики не только потому, что было получено столь, долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неньютоновского типа. В самом деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. она, как тогда говорили, является "силой поворачивающей". Значение этого факта чувствовалось, уже тогда, хотя полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую трещину в ньютоновской модели мира.
О том затруднении, в которое попала наука, можно судить, например, по замешательству, в котором находились итальянские, французские, английские и немецкие переводчики, переводившие на родной язык латинскую статью Эрстеда. Часто, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечании латинский оригинал.
Действительно неясным в статье Эрстеда еще и сегодня остается объяснение, которое он пытается дать наблюдавшимся им явлениям, обусловленным, по его мнению, двумя противоположно направленными спиральными движениями вокруг проводника "электрической материи, соответственно положительной и отрицательной".
Исключительность явления, открытого Эрстедом, сразу же привлекла к нему большое внимание экспериментаторов и теоретиков. Араго, вернувшись из Женевы, где он присутствовал при аналогичных опытах, повторенных Де ла Ривом, рассказал о них в Париже, а в сентябре того же 1820 г. собрал свою известную установку с вертикальным проводником тока, проходящим сквозь горизонтально расположенный кусок картона, посыпанный железными опилками. Но окружностей из железных опилок, которые мы обычно замечаем при проведении этого опыта, он не обнаружил. Экспериментаторы видят ясно эти окружности с тех пор, как Фарадей выдвинул теорию "магнитных кривых", или "силовых линий". Действительно, нередко, чтобы увидеть что-то, нужно очень желать этого! Араго же видел только, что проводник, по его выражению, "облепливается железными опилками так, как если б это был магнить", из чего он сделал заключение, что "ток вызывает магнетизм в железе, которое не подвергалось предварительному намагничиванию".
Все в том же 1820 г. Био зачитал два доклада (30 октября и 18 декабря), в которых сообщал о результатах проведенного им вместе с Саваром экспериментального исследования. Пытаясь открыть закон, определяющий зависимость величины электромагнитной силы от расстояния, Био решил воспользоваться методом колебаний, которым раньше пользовался уже Кулон. Для этого он собрал установку, состоящую из толстого вертикального проводника, расположенного рядом с магнитной стрелкой: при включении ток
О причинах возникновения и природе магнитно-силовых линий (МСЛ), возникающих вблизи постоянных магнитов и проводников с током. В предыдущей статье я высказал гипотезу, о том, что магнитное поле вблизи постоянного магнита или проводника с током представляет собой интерференционную картину из МСЛ различной интенсивности. В термин МСЛ я вкладываю определенный физический смысл. Это не просто геометрические линии, а часть сложной структуры магнитного поля, состоящая, в свою очередь, из микроскопических волн, обладающих магнитными свойствами. При воздействии магнитного поля постоянного магнита на кусок железа или на железные опилки это поле является внешним (ВМП), по отношению к куску железа или железным опилкам. ВМП вначале индуцирует собственное магнитное поле (СМП) в куске железа или в железных опилках, а затем уже взаимодействует с этим СМП, посредством их МСЛ.
Аналогично это касается и проводников с током. Пока в проводниках замкнутой цепи есть ток (а значит, есть СМП вокруг проводников), ВМП взаимодействует с СМП проводников посредством их МСЛ. Когда в проводнике нет тока, а значит, и нет МСЛ вокруг проводника, ВМП не действует на сам проводник, хотя его МСЛ пронизывают микроструктуру проводника.
В этой статье поговорим о взаимодействии магнитов и проводников с током посредством МСЛ.
Вспомним, что известно об этом из научных публикаций. Как уже было сказано ранее, Г.Эрстед в 1820 году экспериментально продемонстрировал взаимодействие магнита и проводника с током. Поведение магнитной стрелки вблизи проводника с постоянным током говорило о том, что вокруг этого проводника находится магнитное поле. Впоследствии была установлена тесная связь магнитного поля с током. Обобщая свои опыты, Эрстед показал, что наличие тока в проводниках замкнутой цепи, какова бы не была их природа, всегда влечет за собой образование МСЛ магнитного поля вокруг проводников этой цепи. Именно взаимодействие МСЛ проводника с МСЛ магнитной стрелки заставляет ее поворачиваться одним из своих полюсов к проводнику с током.
В 1821 году французский ученый А.Ампер установил взаимосвязь электричества и магнетизма в случае прохождения по цепи электрического тока и отсутствия такой взаимосвязи у статического электричества.
Чтобы проверить является ли указанное взаимодействие МСЛ обоюдным, т.е. действует ли магнит на проводник с током, был проведен следующий опыт (рис.1). Над неподвижным постоянным магнитом подвешивали проводник с постоянным током. Оказалось, что проводник с током ведет себя аналогично магнитной стрелке.
Интересен опыт с гибким проводником, который расположен в непосредственной близости к параллельно полосовому магниту. Когда в проводнике появлялся ток, то он обвивался вокруг полосового магнита (рис.2). Это говорило о том, что вокруг каждого участка проводника с током появляются МСЛ, которые взаимодействуют с МСЛ полосового магнита.
Такой же вывод был сделан и Д.Араго, который в своем опыте обратил внимание на то, что если погрузить изолированный провод, по которому идет ток, в металлические опилки, то опилки пристают к нему по всей длине как к магниту. При выключении тока опилки отпадают.
Аналогичные взаимодействия были установлены между двумя, находящимися вблизи друг от друга, проводниками с постоянным током. В опыте (рис.3) два параллельных проводника установлены на небольшом расстоянии друг от друга. Эти проводники притягивались или отталкивались в зависимости от его направления. В этих и других опытах было показано, что магнитное действие электрического тока аналогично взаимодействию двух магнитов.
Рассмотренные нами опыты по взаимодействию магнитных полей показывают, что все взаимодействия и в случае с постоянными магнитами, и между постоянными магнитами и проводниками с током, а также двумя проводниками с током между собой сводятся к взаимодействию магнитных полей посредством их МСЛ. С учетом того, что на практике большое количество технических устройств создано на основе взаимодействия магнитных полей, в частности, на основе взаимодействия магнитных полей и проводников с током, следует привести некоторые опыты, которые понадобятся нам позднее для объяснения некоторых явлений в этой области.
Рассмотрим следующий опыт по взаимодействию магнитного поля и проводника с током. В магнитном поле подковообразного магнита расположен прямолинейный участок проводника с током. (рис.4). Изменяя направление тока в проводнике, и меняя его расположение относительно направления магнитного поля можно определить направление силы, действующей на проводник. При включении тока (в зависимости от его направления) проводник может втягиваться в магнит или выталкиваться из магнита. При этом магнитное поле действует на проводник с током только тогда, когда он расположен перпендикулярно направлению МСЛ поля. При параллельном расположении проводника и МСЛ поля взаимодействия не происходит.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, определяется из соотношения:
F= k*H*I*L*sina,
где H- напряженность магнитного поля, I-сила тока, L- длина прямолинейного участка проводника, а- угол между H и I.
Это соотношение носит название закона Ампера. На практике в большинстве случаев приходится иметь дело с проводниками различной формы, по которым протекает ток, и действие магнитного поля на такие проводники с током имеет довольно сложный характер. Посмотрим, как магнитное поле действует на простые формы проводников с током в виде витка или соленоида.
Виток с током, как показали опыты, подобен плоскому магниту, полюса которого (северный и южный) находятся на противоположных плоскостях витка. Полюса перпендикулярны к плоскостям витка с током. Определить какой из этих полюсов северный, а какой южный можно по правилу буравчика. Северный полюс витка с током определяется по направлению его рукоятки вращения – аналогия направления МСЛ. Если ввинчивать буравчик по направлению тока, то выходящие из плоскости витка МСЛ укажут на северный полюс. Магнитные полюса соленоида определяют таким же образом.
Внешнее магнитное поле, воздействуя на виток с током, стремится повернуть его так, чтобы МСЛ витка были параллельны МСЛ внешнего магнитного поля. Для анализа сил, действующих на виток с током, удобно сделать его прямоугольной формы. В этом случае, предположим, что две стороны витка параллельны направлению магнитного поля, а две другие перпендикулярны (рис.5). На первые две стороны витка магнитное поле не действует, а на две другие стороны витка действуют равные и противоположные магнитные силы, создаваемые противоположным направлением тока. Эти силы образуют вращающий момент, поворачивающий виток с током плоскостью перпендикулярно к направлению магнитного поля. На две другие стороны витка магнитное поле действует двумя равными, но противоположно направленными силами, которые стремятся деформировать (сжать или растянуть) виток в зависимости от направления тока.
На основании результатов приведенных и других опытов можно сделать следующие выводы.
Магнитное поле действует на прямолинейный участок проводника с током с силой, направление которой перпендикулярно к направлению тока и направлению МСЛ магнитного поля;
Магнитное поле создает вращающий момент, который стремится повернуть виток или соленоид так, чтобы направление от южного полюса витка или соленоида к северному полюсу совпало с направлением поля;
Магнитное поле не действует на проводники с током, расположенные вдоль направления МСЛ;
МСЛ это не просто геометрические линии, а часть сложной структуры магнитного поля, состоящая, в свою очередь, из микроскопических волн, обладающих магнитными свойствами.
О природе и особенностях этих и других сил мы поговорим в следующей статье.
