Глава 3. Магнетизм.

В главе 1 были рассмотрены электростатические поля, т.е. электрические поля, не изменяющиеся со временем, которые существуют вокруг зарядов, неподвижных в какой-либо инерциальной системе отсчёта. В главе «Магнетизм» рассматриваются движущиеся заряды, переменные электрические поля и как они изменяют пространство. Основннным объектом рассмотрения в дальнейшем будет магнитное поле.

Огромный круг явлений природы определяется магнитными силами (силами со стороны магнитных полей). Магнитные силы являются источником многих явлений микромира, т. е. поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов и пр.; магнитные явления характерны и для огромных небесных тел. Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновых и гамма-лучей) является магнитной.

Немагнитных веществ не существует. Любое вещество всегда магнитно, т.е. изменяет свои свойства в магнитном поле. Иногда эти изменения невелики и обнаружить их можно только с помощью очень совершенной аппаратуры; иногда они весьма значительны и обнаруживаются без особого труда с помощью очень простых средств. К слабомагнитным веществам относятся медь, алюминий, вода, ртуть и пр., к сильномагнитным или просто магнитным (при обычных температурах) – железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

Изучение магнитных явлений чрезвычайно важно как с теоретической, так и с практической стороны. Современная электротехника весьма широко использует магнитные свойства вещества для получения электрической энергии, для ее превращения в различные другие виды энергии. В аппаратах проволочной и беспроволочной связи, в телевидении, автоматике и телемеханике употребляются материалы с определенными магнитными свойствами. Магнитные явления играют существенную роль также в живой природе.

Необычайная общность магнитных явлений, их огромная практическая значимость, естественно, приводят к тому, что учение о магнетизме является одним из важнейших разделов современной физики.

§31. Магнитное поле.

Магнитное поле - силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.

Впервые термин «Магнитное поле» ввёл в 1845 М. Фарадей, считавший, что как электрические, так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория — в 20-х годах 20 века.

Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в нем электрические заряды. Таким образом, наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него движущиеся заряды, проводники с током или постоянные магниты. В 1820 г. датский физик Эрстед впервые обнаружил, что электрический ток действует на магнитную стрелку (небольшой магнит, свободно вращающийся вокруг своей оси) расположенную рядом с проводником с током, ориентируя ее перпендикулярно проводу. Тогда же французский физик Ампер экспериментально обнаружил и подробно исследовал магнитное взаимодействие двух параллельных проводников с током. Он заметил, что они притягивают друг друга, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкивают, если токи противоположны (рис. 31.1).

рис. 31.1(переделать, согласно тексту.)

Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток.

Подобно тому, как при изучении электростатического поля использовались точечные заряды, при исследовании магнитного поля пользуются замкнутым плоским контуром с током (рамка с током), линейные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле и внесение которого не искажает исследуемого поля. Ориентация контура в пространстве определяется направлением нормали к контуру. Направление нормали задается правилом правого винта: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке (рис. 31.2).

рис. 31.2

Вокруг контура существует магнитное поле, которое определяется так называемым магнитным моментом, который является вектором и определяется выражением

, (31.1)

где - площадь охватываемая рамкой, - ток текущий в контуре, вектор - произведение площади на нормаль

. (31.1)

Очевидно, что направление магнитного момента совпадает с напровлением нормали, т.е. пермендикулярно плоскости витка и определяется согласно правила правого винта.

Модуль магнитного момента рассчитывается по формуле

, (31.3)

Из формулы (31.3) следует, что магнитный момент измеряется в ампер·метр² (A·м²).