5.1. Магнитная индукция

Магнитная стрелка в каждой точке поверхности Земли (при отсутствии помех) принимает строго определенное направление: одним концом она приблизительно указывает в направлении геофизического севера, а другим — на юг. Конец магнитной стрелки, который указывает на север, условно называется северным (N), а противоположный — южным (S) (рис. 5.1). 

 

Рис. 5.1. Поведение магнитной стрелки в магнитном поле Земли  Если в некоторой области пространства на магнитную стрелку действуют силы, стремящиеся установить ее в определенном направлении, то мы говорим, что там имеется магнитное поле. Поведение стрелки компаса в магнитном поле (Земли или любого другого источника) позволяет ввести линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля) по аналогии с силовыми линиями электрического поля. В каком-то смысле это даже легче: стрелка сама указывает направление силовой линии в точке, где она находится. Основной cиловой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В. направленный по касательной к силовой линии, проходящей через данную точку. В различных точках поля индукция по величине и направлению имеет различные значения.  На рис. 5.2 демонстрируется ориентация магнитной стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной и вертикальной осей, вдоль вектора индукции магнитного поля Земли, наклоненного под некоторым углом к горизонту.   Рис. 5.2. Ориентация магнитной стрелки в магнитном поле Земли  Видео 5.2. Опыт Эрстеда: вместо магнитной стрелки рамка с током. На рис. 5.3 показано, что катушка с током в магнитном поле земли ведет себя аналогично магнитной стрелке. Ось длинной катушки с током, подвешенной на тонкой нити в горизонтальном положении, ориентируется вдоль горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции магнитного поля Земли, то есть в направлении север-юг, как и обычная магнитная стрелка.    Рис. 5.3. Ориентация длинной катушки с током в магнитном поле Земли  Линии магнитной индукции, в отличие от линий электростатического поля, всегда замкнуты. Если говорить о магнитном поле постоянных магнитов, то принято считать, что линии выходят из северного полюса магнита, входят в южный и замыкаются внутри магнита (рис. 5.4).

 

Рис. 5.4. Силовые линии постоянного магнита

Видео 5.3. Силовые линии магнитных полей токов различных конфигураций.

На основании опыта установлено, что разноименные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются. В этом смысле взаимодействие магнитов похоже на взаимодействие заряженных тел. Поведение стрелки компаса означает, что существует земной магнетизм, подобно тому, как существует гравитационное поле Земли, обусловленное ее массой. Поскольку обращаемый к северу конец стрелки назвали северным полюсом, а притягиваются разноименные полюса, то вблизи северного географического полюса Земли находится южный магнитный. Иными словами, магнитное поле Земли имеет направление с юга на север (рис. 5.5). 

 Рис. 5.5. Магнитное поле Земли: северный магнитный полюс N находится вблизи южного географического
Показаны радиационные пояса Земли — внутренний (протонный) и внешний (электронный), —
где благодаря магнитному полю задерживаются заряженные частицы космических лучей

Электростатическое поле Е  порождается электрическими зарядами и воздействует на них, что символически изобразим как

Два полюса магнита наводят на мысль о симметричном соотношении

Оказалось, однако, что симметрия между магнитными и электрическими явлениями не столь прямолинейна. Если отдельные тела можно зарядить либо только положительно, либо только отрицательно, поскольку существуют элементарные заряженные частицы — носители электрических зарядов разных видов, — то отделить один из магнитных полюсов от противоположного невозможно. Если разрезать на две части магнит, то каждая часть будет снова вести себя как самостоятельный магнит, имеющий на своих концах противоположные полюсы (рис. 5.6).

Рис. 5.6. При попытке разделить магнит на два разноименных магнитных заряда (монополя)
оказывается, что каждая из частей по-прежнему обладает двумя полюсами 

Что произойдет, если при делении дойти до того, что разбить магнит на отдельные атомы? Можно ли тогда отделить северный полюс от южного? Нет, даже отдельные атомы ведут себя как микроскопические, но тем не менее «полноценные» магниты с северным и южным полюсами. Оказывается, что даже отдельные элементарные частицы (например, электроны) представляют собой микромагниты. В настоящее время отсутствуют какие-либо экспериментальные доказательства того, что в природе могут существовать отдельные магнитные заряды (монополи), подобные электрическим. Оказалось, что магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами и, в свою очередь, оказывает воздействие на них, так что наша схема принимает вид

(5.1)

В быту мы обычно имеем дело с малыми электрическими зарядами. В то же время заряд, протекающий через поперечное сечение проводника даже при небольшом токе, велик из-за огромной концентрации электронов в металле. Поэтому неудивительно, что первые экспериментальные наблюдения связи электрических и магнитных явлений были реализованы по схеме

(5.2)

Если понимать под стрелками в (5.2) экспериментальное подтверждение указанной связи, то первую из них (порождение магнитного поля током) провел датский ученый Г.X. Эрстед.

В 1820 г. Эрстедом было экспериментально установлено, что проводники, по которым текут токи, также взаимодействуют с магнитной стрелкой. Схема опыта Эрстеда показана на рис. 5.7. Около неподвижного провода, расположенного вдоль меридиана, располагается магнитная стрелка, которая при выключенном токе располагается параллельно проводу. При включении тока магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться перпендикулярно проводу.

Рис. 5.7. Опыт Эрстеда:
1 —  схема опыта; 2 —  положение стрелки при выключенном токе; 3 — положение стрелки при включенном токе 

Положение магнитной стрелки, помещенной около проводника с током, изменяется с изменением направления тока, но стрелка совершенно не реагирует на неподвижные электрические заряды. Отсюда можно сделать вывод, что способностью создавать магнитное поле обладают лишь движущиеся электрические заряды (электрический ток), а вокруг неподвижных зарядов существует только электростатическое поле. Магнитное поле, возникающее в пространстве около проводников с током, как и электрическое поле, обусловленное неподвижными зарядами, является одним из видов материи. Как мы вскоре увидим, оно обладает определенными физическими свойствами и характеризуется энергией.

 

Дополнительная информация

http://radiobooka.ru/hrestomat/280-kopengagenskij-professor-fiziki-gans-yersted.html — Ганс Эрстед (1777–1851);

http://www.astronet.ru/db/msg/1181181 — самый сильный магнит во вселенной;

http://www.kosmofizika.ru/spravka/atm_s.htm — Солнце, атмосфера Солнца;

http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast15feb_1/ — солнечная активность;

http://www.ast.obs-mip.fr/users/donati/field.html — космические электромагнитные поля, магнитное поле звезд;

http://www.astronet.ru/db/msg/1173309/page15.html — измерение магнитного поля земли, магнетометры.