Глава XIV. Силы, действующие в магнитном поле на проводники с током

§ 132. Введение. В предыдущих главах мы познакомились с разнообразными электромагнитными явлениями. Были рассмотрены различные случаи взаимодействия магнитов ■между собой, действия токов на магниты и магнитов на токи, равно как и взаимодействия токов. Во всех этих случаях дело сводится к воздействию магнитного поля, созданного какими-либо магнитами и токами, на помещенные в это поле магниты и токи. Но магнитные свойства постоянных магнитов также обусловливаются токами, непрерывно цир­кулирующими в частицах, из которых построено вещество этих магнитов (молекулярные амперовы токи). Таким образом, в основе всех магнитных взаимодействий лежит воздействие магнитного поля на токи. Поэтому более подробное рассмотрение этого вопроса представляет глубо­кий научный интерес. С другой стороны, и огромное число технических применений электромагнитных явлений сво­дится к воздействию магнитного поля на проводники, по которым идет ток. В соответствии с этим мы в настоящей главе рассмотрим более подробно силы, действующие в магнитном поле на проводники с током.

дится под действием значительного поля, так что наблю­даемые силы являются силами, с которыми магнитное поле действует на прямолинейный ток. Изменяя направление тока в проводнике ab (например, с помощью переключателя)

Рис. 233. Действие магнитного поля на прямолинейный проводник с током. Сила F выталкивает проводник с током ab

и изменяя направление магнитного поля (например, пово­рачивая магнит), можно исследовать _v направление дейст­вующей силы (рис. 234) ¹). Эти опыты показывают, что проводник ab отклоняется вправо или влево (рис. 233) или стремится переместиться вверх или вниз (рис. 234, а и б). Наконец, оказывается, что поле не действует на проводник, когда ток в нем течет параллельно направлению поля (рис. 234, в). Выполняя разнообразные опыты такого рода, можно сделать следующий общий вывод.

Направление силы F, с которой магнитное поле дейст­вует на прямолинейный проводник с током I, всегда перпен­дикулярно к проводнику и к направлению магнитной индук­ции В. На проводники, расположенные вдоль направления линий магнитного поля, поле не действует.

При этом ток I, индукция В и сила F направлены так, как показано на рис. 235. Для запоминания этого взаимного

расположения удобно пользоваться правилом левой руки

(рис. 236).

Если расположить левую ладонь так, чтобы вытянутые ^ пальцы указывали направление тока, а линии магнитного поля впивались в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Рис. 234. При перемене направления тока изменяется направление силы F: проводник с током, который выталкивался из магнитного поля (о), начинает втягиваться в него (б). Если направление тока па­раллельно линиям магнитного поля, то оно не действует на проводник

с током (в)

Если направление магнитной индукции В составляет некоторый угол с направлением тока I, то для определения силы действия поля на ток надо разложить магнитную индукцию В на две составляющие: В\\ , параллельную току,

Рис. 235. Различные случаи взаимного расположения направлений магнитной индукции В и тока I: F — сила, действующая на провод­ник с током

и 2?_х, перпендикулярную к нему (рис. 237). Лишь эта последняя и обусловливает силу действия поля, и по отно­шению к ней надо применять правило левой руки.

Если выполнять измерение модуля силы F, пользуясь показаниями весов или динамометра (рис. 234, а и, б), то

можно установить, что эта сила пропорциональна силе тока, магнитной индукции и длине проводника ab ¹). Это соот­ношение носит название закона Ампера. Конечно, подобны­ми опытами оно может быть проверено лишь очень грубо.

НапраВление тот I

Направление | { движения ' I ¹ проводника

Рис. 236. Правило левой руки

Однако, пользуясь им для рас­чета сил, действующих на слож­ные проводники в самых раз­нообразных случаях, и сравни-

Рис. 237. Разложение магнит­ной индукции В на две со­ставляющие: /?ц , параллель­ную гоку, и В±, перпенди­кулярную к нему

вая результаты расчета с опытом, можно убедиться в спра­ведливости этого закона.

Если магнитная индукция равна В, сила тока равна I, длина прямолинейного проводника с током равна I и угол между вектором В и проводником с током / равен ф, то закон Ампера выразится в виде соотношения

F = Bll sirup. (133.1)

Из формулы (133.1) следует, что когда проводник паралле­лен индукции В (т. е. <p=0), то F—0, т. е. на проводники, параллельные направлению поля, поле не действует, как это и вытекает из опытов, описанных в этом параграфе (рис. 234, в).

Мы уже говорили о том, что два параллельных прямо­линейных проводника притягиваются друг к друг, если по ним проходят одинаково направленные токи, и отталкива­ются, если токи направлены навстречу друг другу (§ 115). Это нетрудно объяснить, если учесть, что каждый провод­ник находится в магнитном поле, создаваемом током в другом проводнике, и воспользоваться правилами бурав­чика и левой руки.

Что касается силы притяжения (или отталкивания), то она пропорциональна произведению сил токов 1_Х и /₂ в

первом и втором проводниках и длине проводников I и обратно пропорциональна расстоянию между проводника­ми г:

р Но ^1^2^

2п

(133.2)

где Цо — магнитная ^постоянная (см. формулу (126.2)). Получается это потому, что индукция магнитного поля Bi тока /_г на расстоянии г от первого проводника пропорцио­нальна Ijr, а сила, действующая на второй проводник (длины /), в соответствии с формулой (133.1), пропорциональ­на BJJ. Угол ф в данном случае прямой, т. е. sincp=l. Легко понять, что такая же по модулю сила действует на первый проводник в магнитном поле тока /₂.

Для сравнения сил токов и. установления единицы силы тока можно, вообще говоря, воспользоваться любым из различных действий (проявлений) электрического тоиа — тепловым (§ 57), химическим (§ 65) или магнитным (гл. XII).

В СИ единица силы тока ампер (одна из основных еди­ниц в этой системе) определяется при помощи сил взаимо­действия между проводниками, по которым текут токи. Для определения используется именно формула (133.2), выражающая силу взаимодействия двух параллельных то­ков: один ампер есть сила неизменяющегося тот, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии одного метра один от дру­гого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2-10~⁷ ньютона на каждый метр длины.

Практически трудно с достаточной точностью обеспе­чить условия применимости формулы (133.2) и измерять в этих условиях силу F. Поэтому на практике для установ­ления эталона ампера и для калибровки других приборов, предназначенных для измерения силы тока, пользуются другим прибором — так называемыми ампер-весами. В них при помощи точных весов измеряется сила взаимодействия двух катушек, по которым проходит один и тот же ток. Для этих условий тоже можно вывести точную формулу, кото­рая, подобно формуле (133.2), связывает силу притяжения катушек с силой тока в них.

^ 133.1. Проводник ab укреплен на острие так, что он может сво-

• бодно вращаться вокруг оси О (рис. 238). Концы проводника за­гнуты и погружены в кольцеобразные желобки с ртутью, соединен­ные с полюсами батареи. Таким образом, через проводник посто­янно проходит ток в направлении стрелки /*. В горизонтальной плоскости находится проводник cd, по которому идет ток в направ-

о'лс

лении стрелки /₂. Как установится проводник об под действием магнитного поля, создаваемого током в проводнике cdf 133.2. Как направлена сила, с которой магнитное поле Земли действует в северном полушарии на горизонтальный проводник.с

током, если этот проводник: а) расположен в плоскости магнит­ного меридиана и ток идет с севера на юг; б) если проводник пер­пендикулярен к плоскости магнитного меридиана и ток идет с запада на восток?

§ 134. Действие магнитного поля на виток или соленоид с током. В предыдущем параграфе мы рассмотрели действие поля на искусственно выделенный прямолинейный участок проводника с током. Но ток, протекающий по проводнику,

Н

Рис. 239. Виток с током (а) и соленоид (б) для проведения исследований в маг. нитном поле

представляет собой зам­

кнутую цепь, и дейст­вие магнитного поля на ток весьма сложным образом зависит от фор­мы проводников и от их расположения в поле. Мы ограничимся рассмот­рением сравнительно простых, но важных случаев, когда провод­ник представляет собой один виток или сово­купность последователь­но соединенных витков (соленоид). Для изуче­ния действия магнитного поля на такой виток или соле­ноид удобно придать приборам форму, изображенную на рис. 239, где провода ab и Ы, подводящие ток от батареи,

сделаны длинными и тонкими, так что они одновременно служат подвесами, дающими возможность витку легко поворачиваться и перемещаться. Помещая такой виток или соленоид в магнитное поле, например в магнитное поле Земли или между полюсами магнита или электромагнита, мы можем изучать действие поля на виток (соленоид). При этом можно пренебречь действием поля на подводящие провода, если они расположены очень тесно друг к другу или, еще лучше, обвивают друг друга. Действительно, по этим проводам текут токи одинаковой силы и противополож­ного направления и они находятся в одном и том же поле. Следовательно (§ 133), на подводящие провода действуют равные и противоположно направленные силы, так что под­вес остается в покое.

Мы неоднократно обращали внимание на то, что виток, по которому течет ток, эквивалентен короткому магниту, направление которого перпендикулярно к плоскости витка, причем северный полюс этого магнита расположен на той стороне плоскости витка, с которой ток кажется циркули­рующим' против часовой стрелки (правило буравчика, § 124; см. также § 119), а южный на противоположной стороне. Соленоид же эквивалентен магниту, лежащему вдоль оси соленоида. Ось это­го магнита совпадает с осью соленоида, а расположение северного и южного полюсов определяется правилом бурав­чика, так же как и в случае витка. Естественно поэтому, что на такой виток или солено­ид поле действует, как на магнитную стрелку, а именно: однородное поле создает вра­щающий момент, стремящийся повернуть виток или соленоид так, чтобы ось его располо­жилась вдоль поля и направ­ление от южного полюса витка (соленоида) к северному сов­пало С направлением полй ^Рис- ^240, Положение, которое / тл! п принимают в магнитном поле

(рис. 240). В неоднородном по- виток с током (а) и соленоид(б) ле к этому вращающему мо­менту присоединяется сила, увлекающая повернувшийся виток (соленоид) в том -направлении, в каком увеличи­вается магнитная индукция поля.

Пользуясь сведениями, полученными нами в § 133 отно­сительно действия магнитного поля на прямолинейный проводник с током, мы можем яснее представить себе происхождение вращающего момента и влекущей силы, которые действуют на виток с током в магнитном поле.

2::щ	- -х. Г-	:tz	sf::: И
В2-/~

В'

.z

а) 5)

Рис. 241. Рамка с током в однородном поле устанавливается так, чтобы плоскость ее была перпендикулярна к линиям поля: о) вид сбоку; 6) вид сверху

Пусть виток имеет прямоугольную форму (рис. 241) и рас­положен в однородном поле так, что две его стороны парал­лельны направлению поля, а две перпендикулярны к нему. На первые две поле не действует (рис. 234, в), а на две вторые действует с равными и противоположно направленными

^2¹

В

б)

Рис. 242. Рамка с током, стоящая перпендикулярно к линиям однород­ного поля. Действующие на нее силы стремятся деформировать рамку (сжать или растянуть ее), не вызывая ее поступательного движения как целого: а) вид сбоку (магнитное поле направлено к наблюдателю);

б) вид сверху

силами Ft и F₂, потому что обе эти стороны имеют одинако­вую длину I и по ним течет ток / одинаковой силы, но противоположного направления (рис. 241). Таким образом, силы, с которыми однородное поле действует на виток с то­ком, составляют пару сил, которая и обусловливает вра­щающий момент, поворачивающий виток так, что плоскость его устанавливается перпендикулярно к направлению поля.

Если поле однородно, то этим поворотом и ограничивается воздействие поля, ибо в этом положении действие поля сво­дится к четырем направленным в разные стороны силам F_b Ь\ и F₃, F_i, которые не могут перемещать виток, а только стремятся его деформировать и уравновешиваются упругими силами, возникающими при деформации жесткого витка (рис. 242). Но если поле неоднородно и, следовательно,

Рис. 243. а) Рамка, находящаяся в неоднородном поле (вид сверху). Действующие на нее силы вызывают движение рамки в область наи­большей магнитной индукции поля, б) Сложение сил F, и F₂, дей­ствующих на боковые стороны рамки. Равнодействующая сила F стремится втянуть рамку в область наибольшей магнитной индукции

поля

магнитная индукция поля в разных местах его имеет раз­личное направление (и модуль), то результат будет несколь­ко сложнее (рис. 243). Силы, действующие на разные сторо­ны повернувшегося витка, теперь не равны и направлены не в прямо противоположные стороны, а составляют неко­торый угол между собой (рис. 243, а), ибо эти силы перпен­дикулярны к направлению магнитной индукции поля. Их равнодействующая F направлена в сторону возрастания магнитной индукции (рис. 243, б) ¹).

Наше рассмотрение касалось прямоугольного витка. Оно сохраняет свою силу и для витка любой формы, только в этом случае расчет более сложен, и мы его не приводим.

В случае соленоида сказанное применимо к каждому витку. Вращающие моменты, действующие на каждый виток жесткого соленоида, складываясь, дают результирующий вращакиций момент, поворачивающий весь соленоид. При неоднородном поле силы, влекущие каждый виток в сторо­ну возрастания магнитной индукции поля, окажут такое же действие и на весь соленоид в целом. Это рассмотрение объясняет нам, каким образом действие поля на каждый эле­ментарный амперов ток приводит к повороту всей магнит­ной стрелки и к ее увлечению вдоль поля', если оно неод­нородно.

л 134.1. В горизонтальной плоскости лежит виток. Однородное

• магнитное поле направлено вертикально сверху вниз (рис. 244). Как будут направлены силы, действующие на виток: а) если по нему пропустить ток в направлении, указанном стрелкой; б) если

Рис. 244. Купражнению 134.1 Рис. 245. Купражнению 134.3

ток идет в рбратном направлении? Какую форму стремится при­нять виток, если он сделан из очень гибкой проволоки, в обоих случаях?

2. Если через проволочную спираль пропускать ток, то витки ее притягиваются друг к другу и спираль стягивается по оси. Объясните это явление.

3. Объясните опыт с «танцующей пружиной», изображенной на рис. 245. Ток подводится к пружине через верхний неподвиж­ный конец 1 и через чашечку с ртутью 2, в которую погружен нижний конец пружины. При включении [тока пружина начинает периодически сжиматься и растягиваться, причем конец ее то выходит из ртути, то снова входит в нее. Какой из известных нам приборов напоминает это устройство? Для какой цели его можно было бы использовать?

4. Кусок железа, помещенный перед катушкой, втягивается в нее при включении тока независимо от направления тока. На этом основано устройство амперметров и вольтметров так назы­ваемой электромагнитной системы, применяемых для измерения переменного тока и напряжения (на рис. 246 для ясности кусок железа снабжен стрелкой и показана шкала).. Объясните этот опыт. Пришло бы железо в движение, если бы мы поместили его внутрь катушки, т. е. в область, где магнитное поле однородно?

5. На рис. 247 изображена модель «электропушки», представ­ляющая собой горизонтально укрепленный соленоид 1, намо­танный на медную или стеклянную трубку. У одного конца его находится железный «снаряд» (гвоздь) 2. Если на короткое время

включить достаточно большой ток, то снаряд втянется внутрь со­леноида, пролетит сквозь него и вылетит с довольно значительной скоростью. В какой момент нужно выключить ток, чтобы снаряд вылетел из соленоида с наибольшей скоростью? Каково будет движение снаряда, если ток останется включенным все время?

ванометра с вращаю­щейся катушкой: 1 — свободно подвешенная катушка из многих вит­ков тонкой изолиро­ванной проволоки, 2 — • магнит

тушки соответствуют можность по углу поворота судить ке. Показания прибора отсчитывают на шкале по положе­нию стрелки, прикрепленной к катушке, а в более чувстви­тельных приборах — с помощью светового зайчика, отбрасы­ваемого прикрепленным к рамке легким зеркальцем на удаленную шкалу.

§ 135. Гальванометр, основанный на взаимодействии магнитного поля й тока. Так как силы, действующие в маг­нитном поле на ток, пропорциональны силе тока, то это действие удобно использовать для измерения тока, т. е. для построения электроизмерительных приборов, носящих общее название гальванометров. Наиболее распространен­ными являются гальванометры с вра­щающейся катушкой (рамкой). Схема такого гальванометра изображена на рис. 248. Легкая плоская катушка (рамка) 1 из очень тонкой медной про­волоки висит на упругих подвесах или вращается на подшипниках и удер­живается в положении равновесия упругими пружинками (наподобие «волоска» карманных часов). Ток в ка­тушку подводится через подвесы или через очень тонкие ленточки из какого- либо мягкого металла (например, из сусального золота). Катушка помеща­ется между полюсами магнита 2 та­ким образом, чтобы под действием упругих креплений в отсутствие тока плоскость катушки располагалась вдоль направления магнитного поля. При прохождении тока магнитное поле поворачивает катушку до тех пор, пока вращающий момент поля не будет уравновешен вращающим мо­ментом закручивающегося подвеса или упругих пружинок. Проградуи­ровав предварительно прибор, т. е. определив, какие углы поворота ка- разным токам, мы получаем воз- о силе тока в катуш-

Чувствительность гальванометров такого типа может быть сделана очень высокой, до 10^-9 и даже 10~¹⁰ А на одно деление шкалы. Очень чувствительные гальванометры удается также осуществить по принципу рис. 234. Провод­ником ab служит очень тонкая и легкая проволочка, удер­живаемая упругими растяжками в магнитном поле. При прохождении тока она слегка смещается под действием силы F. Смещение нити, зависящее от силы тока, отсчитывают при помощи микроскопа с небольшим увеличением (струн­ный гальванометр).

§ 136. Сила Лоренца. В § 127 мы показали, что ма&нитное поле электрического тока следует рассматривать как поле, создаваемое движущимися зарядами. Эта важная мысль, высказанная голландским физиком Хендриком Антоном Лоренцем (1853—1928), была подтверждена опытами А. А. Эйхенвальда, В. К. Рентгена и других. Лоренцу же принадлежит и обратный вывод: силы, с которыми магнит­ное поле действует на проводник с током, являются силами, действующими на движущиеся заряды (электроны или ионы), которые и составляют' ток. Эти силы называют силами Лоренца. Но так как движущиеся заряды сталкиваются с атомами вещества, то силы, действую­щие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, увлекают и про­водник, в котором эти заряды дви­жутся, т. е. по которому проходит ток. Таким образом, силы взаимодей­ствия между током и полем, рассмот­ренные в предыдущих параграфах, _{рт 24д э} сводятся к силам Лоренца. Сущест- магнитном поле вование сил Лоренца отчетливее все­го проявляется в опытах по отклонению электронного луча в магнитном поле, которые рассмотрены в § 103. Эти опыты показывают, что сила Лоренца, действующая на элек­трон е, движущийся в магнитном поле, перпендикулярна к скорости электрона v и к магнитной индукции В (рис. 249). Направление этой силы может быть определено по правилу левой руки (§ 133), только надо учесть, что направление движения электронов противоположно направлению элект­рического тока, ибо электроны несут отрицательный заряд; поэтому пальцы левой руки, указывающие направление тока, должны располагаться навстречу движению электро­нов.

Модуль силы Лоренца ¹) определяется формулой (cpt с (133.1))

F = et>fisina, (136.1)

где е — заряд электрона, а — угол между направлениями векторов v и В (рис. 249).

? 136.1.. Какие из катодных лучей сильнее отклоняются одним и тем же магнитным полем: более быстрые или более медленные? Предполагаем, что поле протяженно, и мы можем рассматривать электроны, не вылетевшие за его пределы.

2. Есть ли разница в отклонении одним и тем же магнитным полем ионов в ионизованном газе: а) положительных и отрица­тельных; б) заряженных однократно, двукратно и более; в) ионов с большой и малой молекулярной массой?

3. Пучок электронов, имеющих одинаковую скорость попа­дает в область однородного магнитного поля с индукцией В и здесь искривляется под действием сил Лоренца. По какой кривой будут двигаться электроны? Изменяется ли при этом модуль ско­рости, с которой двигались электроны?

4. В электроннолучевой трубке с магнитным управлением (применяемой в телевизорах) пучок электронов, падающих на светящийся под их ударами экран, отклоняется от прямолинейно­го пути магнитным полем. Если пучок направлен горизонтально, а магнитное поле направлено сверху вниз, то как отклоняется пучок электронов? Как отклоняются положительные и отрица­тельные ионы газа, присутствующие в плохо откачанной трубке?

5. На рис. 173 показано, как смещается пятно на экране элект­роннолучевой трубки, если к ней подносить магнит. Проверьте правильность этого рисунка, пользуясь правилом левой руки.

В опытах с катодными лучами электроны движутся в вакууме, и поэтому отклонение их магнитным полем явля­ется прямым и легко наблюдаемым результатом действия сил Лоренца. В случае же токов в проводниках (твердых, жидких и газообразных) силы Лоренца проявляются в действии на проводник благодаря взаимодействию движу­щихся ионов и электронов с атомами и молекулами про­водника. Существование такого взаимодействия — своего рода трения между заряженными и незаряженными части­цами — нетрудно обнаружить и показать на ряде простых опытов.

На рис. 250 изображен сосуд, наполненный раствором- какого-либо электролита; два электрода — кольцо 1 и стер­жень 2— присоединены к полюсам батареи. Ток в элект­

ролите идет сет 1 к 2, т. е. ионы движутся рдоль радиусов сосуда. Поставим сосуд на один из полюсов магнита, на­пример на северный, так что магнитное поле направлено • кверху, перпендикулярно к направлению движения ионов. Силы Лоренца стремятся перемещать ионы в направлении горизонтальной стрелки по ок­ружностям перпендикулярно к радиусам сосуда. Мы обнаружим, что в этом направлении начинает двигаться весь раствор, что ука­зывается движением поплавка с флажком. Если изменить на обратное направление тока в электролите или направление магнитного поля, то изменится и направлениедвижения поплавка.

по радиусам сосуда (поло­жительные от анода 1 к ка­тоду 2, отрицательные — в обратном направлении), от­клоняются магнитным полем и увлекают за собой частицы жидкости. Поплавок с флаж­ком начинает двигаться по окружности

Чтобы понять смысл этого опыта, надо вспомнить, что ионы составляют лишь малую долю от общего числа молекул раствора.

Только движущиеся ионы нахо­дятся непосредственно под дей­ствием сил Лоренца; вся же мас­са нейтральных молекул жидко­сти приходит в круговое движе­ние благодаря столкновению ионов с молекулами. Наш опыт доказывает, следовательно, не только существование сил, дей­ствующих rta движущиеся ионы со стороны магнит­ного поля, но и существование сил «трения» между ионами и молекулами жидкости.

Аналогичный опыт, обнаруживающий «трение» между электронами и атомами металла, можно осуществить, налив а сосуд, изображенный на рис. 250, вместо электролита . ртуть.

Рис. 251 изображает опыт, иллюстрирующий «трение» между электронами и атомами твердого металла. Между полюсами подковообразного магнита 2 может вращаться медный диск 1, кромка которого погружена в желоб с ртутью 3, служащий для подведения тока от батареи к кром­ке диска. Второй полюс батареи соединен с осью диска. Если замкнуть клюя, то диск начинает вращаться. При изменении направления тока или направления магнитного подя направление вращения изменяется на обратное. Объяс-

нение явления аналогично изложенному выше. При про­хождении тока электроны движутся вдоль радиуса между центром диска и точкой соприкосновения диска с ртутью. Силы Лоренца стремятся отклонять их в перпендикуляр­ном направлении. Вследствие «трения» между электронами

Рис. 251. Электроны, движущиеся по радиусам диска 1, отклоняются магнитным полем подковообразного магнита 2 и приводят диск во

вращение

и атомами металла весь диск приходит во вращение. На­правление вращения можно установить, пользуясь прави­лом левой руки.

Напомним об опытах, выяснивших природу электрического тока в металлах (§ 86), в которых также было обнаружено взаимодействие между частицами металла и свободными электронами в нем. В извест­ном смысле слова это опыты, обратные по отношению к описанным здесь. Там обнаружилось увлечение электронов при движении вещества в це­лом, здесь обнаруживается увлечение вещества при движении электро­нов. Но и здесь и там опыты показывают существование того «трения» между электронами и веществом, которое позволяет с помощью сил Ло­ренца объяснить действие магнитного поля на проводники с током.

136.6. Определите, в каком направлении вращается диск на рис.

• 251.

Вся совокупность описанных опытов дает неопровержи­мое качественное подтверждение правильности точки зре­ния Лоренца. Но сам Лоренц пошел дальше. Тщательно

изучив законы, определяющие силы, которые действуют на отдельные движущиеся заряженные частицы, он показал, что все силы, действующие в магнитном поле на проводники с током, могут быть не только качественно, но и количест­венно объяснены как результат действия поля на отдельные частицы, движение которых -в проводнике и есть электри­ческий ток.

Учет лоренцевых сил приводит к чрезвычайно важным заключениям. Так, например, измеряя отклонение электро­нов в магнитном поле, происходящее под действием сил Ло­ренца, и отклонение их в электрическом поле, удалось определить чрезвычайно важную характеристику электро­на — отношение его электрического заряда е к массе т. Оказалось, что, каким бы путем мы ни получали поток свободных электронов — испусканием из раскаленных тел (§ 90), или в результате фотоэффекта (§ 9), или при выбива­нии ударами ионов (§ 101),— получающиеся электроны всегда характеризуются- одним и тем же значением отноше­ния е/т. Таким образом, эти измерения доказывают, что при этих опытах выделяются частицы — электроны — одной и той же природы.

Отношение заряда к массе электрона

-=1,76-10¹¹ Кл/кг.

т

Можно измерить и'заряд электрона и притом различны­ми способами. Все они дают для заряда электрона значение

е= 1,60-10-¹⁹ Кл.

Таким образом, масса электрона

/п = 0,91 • 10^-30 кг.

Для того чтобы более наглядно представить себе, как мала масса электрона, укажем, что она приблизительно во столько же раз меньше массы 1 г, во сколько раз масса 1 г меньше массы всего земного шара.

Интересно сопоставить найденное нами значение массы электрона с массой атома самого легкого вещества — водо­рода. В одном моле водорода, т. е. в 0,002016 кг его, со­держится 6,02-10?³ молекул (постоянная Авогадро). Сле­довательно молекула водорода имеет массу

О^е^кг/модь _Д з ₃₅.₁₀-_Икг. 6,02-10²з моль"* !

Но молекула водорода Н, состоит из двух атомов. Поэтому масса атома водорода в два раза меньше, т. е. равна 1,67-х х 10~^гг кг. Таким образом, масса электрона приблизительно в 2000 раз (точнее, в 1836 раз) меньше массы атома самого легкого вещества — водорода.

§ 137. Сила Лоренца и полярные сияния. Сила Лореица, вызывающая отклонение электронов* движущихся в магнитных полях, от их первона­чального пути, проявляется во многих явлениях природы, которые толь­ко с помощью этих сил и удается объяснить. Одно из самых красивых и

Рис. 252. Полярное сияние (одна из его форм)

величественных явлений такого рода — это полярные сияния. В местах земного шара, расположенных в сравнительно высоких широтах, пре­имущественно за северном или южным полярным кругом, во время дол­гой полярной ночи часто наблюдают на небе явление поразительной кра­соты: на небе вдруг вспыхивает свечение разнообразной окраски и фор­мы. Иногда оно имеет вид однородной дуги, неподвижной или пульсирую­щей, иногда как бы состоит из множества' лучей разной длины, которые переливаются, свиваются в виде лент или драпировок и т. п. (рис. 252). Цвет этого свечения желтовато-зеленый, красный, серо-фиолетовый. Вот в каких словах описывал это прекрасное явление природы великий русский ученый, мыслитель и поэт М. В. Ломоносов, который был одним из первых исследователей этого явления и оставил нам ряд превосход­ных зарисовок его:

«Но где ж, натура, твой закон?

С полночных стран грядет заря!

Не Солнце ль ставит там свой трон?

Не льдисты ль мещут огнь моря?

Се хладный пламень нас покрыл!

Се в ночь на Землю день вступил!»

Долгое время природа и происхождение полярных сияний остава­лись совершенно загадочными, и только сравнительно недавно удалось подойти к решению этой загадки.

Прежде всего удалось установить, «а какой высоте вспыхивают полярные сияния.. Для этого фотографировали одно и то же сияние из двух точек, отстоящих одна от другой на несколько десятков километров. По этим фотографиям удалось выяснить, что полярные сияния возникают на высоте от 80 до 1000 км над Землей, чаще всего на высоте около 100 км. В дальнейшем было выяснено, что полярные сияния представляют со­бой свечение разреженных газов земной'атмосферы, до известной степе­ни сходное с тем свечением, которое’наблюдается в разрядных трубках (§ 100).

Подмечена очень интересная связь между полярными сияниями и рядом других явлений. Полярные сияния не всегда появляются одина­ково часто. В одни годы их бывает меньше, S другие больше. Многолет­ние наблюдения показали, что периоды максимальной частоты поляр­ных сияний регулярно повторяются через 11,5 года. В течение каждого такого промежутка число, полярных сияний сначала от года к году убывает, а затем начинает возрастать, чтобы через 11,5 года снова до­стичь максимума.

При наблюдении поверхности Солнца уже давно были замечены на его диске неправильной формы темные пятна, часто изменяющие свой вид и положение на солнечном диске. Оказалось, что число и общая пло­щадь этих пятен изменяются от года к году не случайно, а периодически, с тем же периодом в 11,5 года. При этом в годы максимума солнечных пятен или, как говорят, в годы максимальной солнечной активности, достигает максимума и число полярных сияний, а по мере уменьшения числа пятен ослабевают и полярные сияния. Такой же ход имеет и чис­ло магнитных бурь (§ 131), которое также достигает максимума в годы наибольшей солнечной активности. В самые последние годы удалось с несомненностью установить такого же характера связь между солнеч­ной активностью (числом пятен) и условиями распространения, радио­волн в верхних слоях атмосферы. Вопрос приобрел, таким образом, по­мимо чисто научного интереса, также и важное практическое значение.

Сопоставляя эти факты, норвежский ученый Биркеланд высказал предположение, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в окружающее пространство пото­ки заряженных частиц — электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, они заставляют светиться составляющие ее газы, подобно тому как они .светятся под влиянием ударов электронов в разрядной трубке. Эти же электроны оказывают влияние на магнитное поле Земли и на условия распространения радиоволн вблизи земной поверхности.

Но если это так, то почему полярные сияния наблюдаются только в высоких широтах, т. е. в местностях, не очень удаленных отземных по­люсов? Ведь солнечные лучи освещают всю Землю. На этот вопрос отве­тил другой норвежец, Штермер. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. Здесь на них действует сила Лоренца, отклоняющая их от первоначального прямого пути. Штермер произвел сложные математические вычисления и рассчитал пути этих электронов в'магнитном поле Земли. Он показал, что, действительно, заряженные частицы, отклоняемые земным магнит­ным полем, могут попадать только в приполярные области земного шара.

Эта теория, основанная на учете действия силы Лоренца, отклоняю­щей заряжённые частицы» которые движутся в магнитном поле Земли, хорошо согласуется с большим числом известных из опыта фактов и яв­ляется в настоящее время общепринятой, хотя в самое последнее время и выяснился ряд трудностей в количественном объяснении с этой точки зрения всей совокупности явлений,

Г л а в а XV. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ