Вокруг каких зарядов возникает магнитное поле. Электромагнитное поле
Часть I. Стационарное поле
На поставленный в заголовке вопрос любой ответит утвердительно. Иначе чем кусок железа притягивается к магниту, чем стрелка компаса поворачивается на север? (МП) всесторонне изучено экспериментально, строго описано теоретически, а критерием истинности представлений о нем служит практика. МП вращает роторы электродвигателей, генерирует на электростанциях, служит рабочей средой в электромагнитах, трансформаторах, ускорителях заряженных частиц и многих других устройствах современной техники. Этим полем закаляют сталь, устраняют усадочные раковины при выплавке металлов, уничтожают накипь в паровых котлах и трубах теплоснабжения, а также парафиновые отложения в нефтепроводах. Магнитная обработка картофеля, семян растений, автомобильного топлива, простой воды и т.д. приводит к фантастическим результатам, не объяснимым современной наукой. «Магнетические» явления, как и в средние века, окружены туманом таинственности и соседствуют с магическими. Этим пользуются лжеученые, мошенники и шарлатаны. Если средневековые знахари лечили магнитом порчу и сглаз, то ряд ведущих институтов страны продают магнитотерапевтические аппараты, якобы излечивающие сотни болезней самой разной природы. Астрологи
«научно» подкрепляют
истинность
предсказаний воздействием космического МП планет. Не обходятся без МП и многочисленные изобретатели вечных двигателей,
обещающие
неограниченные
бесплатной и экологически чистой энергии. Вращением магнита создают
мифическое
торсионное
обрабатывают настои трав, получая чудодейственные лекарства от различных болезней. Изобретены магниты, защищающие
доверчивых
молний. Магнетизмом объясняют прилипание тарелок к человеческому телу и многие другие непонятные явления. МП мы ощущаем руками, поднося кусок железа к магниту, а его структуру можем увидеть глазами, воспользовавшись
железными
опилками.
Поскольку
МП дано нам в ощущениях, измеряется приборами и используется на практике, оно признано особым видом материи. Ему приписали массу и энергию. Однако далеко не все то, что дано нам в ощущениях, является
объективной
реальностью,
материей. Человек обладает богатым воображением и часто чувствует то, чего нет на самом деле. Вспомним «чистую» и «нечистую» силы, леших, барабашек, снежного человека, лох-несское чудовище, НЛО. Ведь все это кто-то видел, слышал, трогал руками, зафиксировал на фотографиях и в протоколах, а на тарелках инопланетян некоторые даже летали. Ученые тоже часто наблюдают несуществующее -
квантование
напряжения
температуры, холодный ядерный синтез, многие элементарные частицы, торсионное поле и т.д. Вспомним также историю с флогистоном, учение о котором было господствующим в термодинамике
Ломоносова.
Перетекание
«огненной материи» от горячей печки хорошо ощущается поднесенной к ней рукой. Теория флогистона давала точное описание
тепловых
подтверждалась
практикой. Несмотря на это, с развитием науки от флогистона пришлось
отказаться.
понимание
тепловых процессов стало более строгим, глубоким и простым. А не таким ли «флогистоном» является и МП, понятие о котором досталось нам из истории? В самом деле, что это за материя, которая исчезает при переходе от неподвижной системы отсчета к движущейся вместе с зарядом? Что за поле, если оно не имеет своих материальных
носителей
магнитных
монополей (даже
элементарных
магнетизм
обусловлен круговыми токами)? Может ли материальное МП заставить двигаться носители заряда во вторичной обмотке трансформатора, если на них непосредственно не действует, оставаясь локализованным в железном сердечнике? Возможно ли с материалистических позиций объяснить
отклонение
заряженной
частицы, пролетающей мимо магнита, вне его МП (эффект Ааронова-Бома)? Таких вопросов, как будет показано ниже, можно
задавать
множество. Классическая
электродинамика Ампера-Фарадея-Максвелла не дает на них ответа. Основываясь на существовании МП, электродинамика
противоречит
фундаментальным законам природы. В настоящей работе будет показано, что МП не существует в природе, оно является нашим вымыслом. Все явления и эффекты, приписываемые магнетизму, имеют чисто электрическую природу и без МП описываются более строго, просто и ясно. По
существующим
представлениям
проявляется
фиксируется
стационарное
эффектах
взаимодействия
движущихся зарядов, переменное - в появлении ЭДС в замкнутом контуре. Эти эффекты будут рассмотрены, соответственно, в первой и второй частях работы. Взаимодействие точечных зарядов Термин стационарный, то есть постоянный во времени, создает иллюзию чего-то неизменного и неподвижного.
стационарное
это принципиально динамическое явление. Оно
создается
только движущимися зарядами и обнаруживается только ими. Считается, что стационарное МП имеется у пролетающих мимо нас электрических зарядов, вокруг пучков заряженных частиц и проводов с током, внутри соленоидов, у полюсов постоянных магнитов. Во всех этих случаях
источником
являются
движущиеся
(в постоянных магнитах из ферромагнетиков имеются молекулярные кольцевые токи, а в магнитах из сверхпроводников - кольцевые макротоки). Даже у элементарных частиц - электронов, протонов, нейтронов МП обусловлено круговым движением заряженной материи. Доказательством
реальности
стационарного МП служат
действующие
движущиеся электрические заряды. Его регистрируют и измеряют по отклонению пролетающих заряженных частиц, по притяжению или отталкиванию проводов с током,
магнитов,
соленоидов,
повороту
магнитной стрелки,
намагничиванию
вещества
поляризации элементарных частиц. Все эти случаи сводятся к силе взаимодействия двух движущихся зарядов, которую и рассмотрим в первую очередь. Неподвижный точечный заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле, напряженность Е которого одинакова во всех направлениях и убывает с расстоянием r как 1/r 2 . Вектор Е направлен по радиусу, а эквипотенциальные поверхности имеют вид сфер с общим центром на заряде (рис. 1, а). Взаимодействие двух неподвижных зарядов
q 1 , q 2 описывается законом Кулона: 
где a -
расстояние
зарядами,
абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. При этом силы F 12 , действующая со стороны первого заряда на второй, и F 21 - со стороны второго на первый, равны и противоположны, то есть в соответствии с третьим законом Ньютона действие равно противодействию. 
Поле движущегося заряда отлично от поля неподвижного (рис. 1, б). Эквипотенциальные поверхности уже
являются
концентрическими
их центры
смещаются
движущимся
зарядом. Это
распространяется
конечной
скоростью,
скорости
каждая следующая
испускается
точки пространства, куда смещается заряд. Ввиду отличия полей движущегося и неподвижного зарядов сила взаимодействия движущихся зарядов не равна кулоновской F k (1), а отличается от нее: F = F k + F м (сумма здесь векторная). Добавочная сила Fм, возникающая за счет движения, в классической электродинамике называется магнитной силой и связывается с наличием у движущихся зарядов МП. Она определяется законом Ампера: Прямые скобки здесь означают векторное произведение, В 1 - , создаваемая первым зарядом в месте нахождения второго, В 2 - вторым на месте первого, v 1 и v 2 - скорости зарядов. Если
движутся
параллельно друг другу,
то магнитная сила, как и кулоновская, является центральной и одинаковой на оба заряда, то есть действие равно противодействию.
непараллельного движения силы F 12М и F 21М не равны друг другу и направлены не по одной линии. А если заряды движутся перпендикулярно друг другу, то магнитная сила действует лишь
противодействия
второй (рис. 2) Этот результат противоречит одному из фундаментальных законов природы, гласящему, что действие равно противодействию. Выражения для магнитных сил (2, 3) противоречат и другому фундаментальному закону природы - принципу относительности Галилея, так как силы зависят от абсолютных скоростей, а должны определяться относительными. понимал эти противоречия и давал более сложные выражения для сил, которые
дальнейшем
забылись. Разрешая
противоречия классической
электродинамики,
Эйнштейн
разработал теорию относительности, введя сокращение размеров, замедление времени и прочее для движущихся тел. 
Введение магнитных сил в классической электродинамике
оказалось
необходимым
в ней не учитывается отличие электрического поля движущегося заряда от поля неподвижного, а сила взаимодействия
движущихся
рассчитывается
по статической
Соответственно электрическое поле движущихся зарядов определяют по статическому уравнению Максвелла divD =
εE - электрическая индукция,
ρ - объемная плотность заряда). Если бы Эрстед, Ампер, Фарадей, Максвелл и их последователи учли разницу электрических полей, изображенных
необходимость введения МП и магнитных сил отпала бы. Продемонстрируем это на примере взаимодействия токов. Поле тока Проводник, по которому течет постоянный электрический ток, является электрически незаряженным, так как
положительных
числу отрицательных и сколько зарядов входит с одной стороны, столько и выходит с другой. Однако, несмотря на компенсацию зарядов, создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это связано с тем, что поле движущихся зарядов (в металлах электроны) отлично
неподвижных
(положительных
ионов). Напряженность поля проводника с током Е = Е Д — Е С, где Е Д - напряженность, создаваемая движущимися зарядами, а Е С - статическими той же плотности. Электрическое поле цепочки неподвижных зарядов (заряженной
электростатики
равно Ес= τ /(2 πε r), где
τ - линейная плотность заряда. Вектор Е С перпендикулярен оси нити и направлен по радиусу r. Если же цепочка зарядов движется со скоростью v, то их поле, как говорят, сносится назад эфирным ветром - оно отстает за счет конечной скорости распространения c (рис. 3). Поэтому его напряженность 
Приближение справедливо при скоростях v много меньших скорости света с. *) Суммарное электрическое поле проводника с током где I = v τ - ток,
µ - абсолютная магнитная проницаемость среды. Здесь учтено, что с 2 = 1/(εµ). Хотя это поле и обнаружено экспериментально (оно особенно сильно
сверхпроводниковых
соленоидов,
где протекают большие токи), оно не признается классической электродинамикой. Для описания же создаваемых им эффектов вводят МП с индукцией Однако
объясняет
эффектов
(например, взаимодействие двух токов) и не может объяснить,
например,
воздействие
постоянного
на неподвижный заряд, предсказываемое (5). Взаимодействие токов В 1820 г. Ампер открыл, что два параллельных провода с токами I 1 и I 2 притягиваются, если токи текут в одном
направлении,
отталкиваются,
токи встречные, с силой где а - расстояние между проводами, l - их длина. Он объяснил этот факт взаимодействием магнитных полей токов (6). При этом Ампер не знал о существовании у проводов с током электрических полей (5) и не учитывал силу их взаимодействия. Посмотрим, а не получится ли та же экспериментально измеряемая сила (7) при учете только
электрического
взаимодействия
проводов,
без магнитного. Для определенности свободными носителями заряда будем считать положительные частицы. Сила взаимодействия двух проводов с токами I 1 , I 2 складывается
составляющих: отталкивания положительных зарядов первого и положительных второго провода
притяжения
отрицательных первого
положительных
второго F -1+2 ,
притяжения положительных первого и отрицательных второго F +1-2 , а также отталкивания отрицательных первого и отрицательных второго F -1-2 (рис. 4) - 
Последняя
составляющая
неподвижными
отрицательными
зарядами
определяется
из электростатики: 
где
τ 2 - линейные плотности зарядов в проводах. Расчет остальных сил следует вести с учетом движения цепочек зарядов относительно друг друга согласно (4). При этом в соответствии с принципом относительности в качестве скорости v нужно брать относительною скорость, то есть для F +1-2 v 1 , для F -1+2 v 2 , а для F +1+2 (v 1 -v 2). В результате после сокращения статических составляющих сил получим Подставив сюда значение F c по (9), заменив с 2 на 1/(εµ), v 1 τ 1 на I 1 и v 2 τ 2 на I 2 , получим выражение Ампера (7). Знак минус означает притяжение. Если один изтоков
обратного
направления,
отрицательным, то будет сила отталкивания со знаком плюс. Следовательно, для описания взаимодействия проводов с током не нужно вводить промежуточную среду - МП. Не потеряв, как это сделал Ампер и его последователи, электрическое поле тока, понять и рассчитать это взаимодействие становится проще, строже и нагляднее. При этом отпадают проблемы противоречий с принципом относительности и третьим законом Ньютона. Намагничивание Наряду
описанными
силовыми
эффектами
стационарное МП проявляет себя в намагничивании вещества. Намагничивание - это приобретение телом магнитного момента
p М = q М l , где q М - положительный и отрицательный магнитные заряды, а l - расстояние между ними (рис. 5, а). Магнитный момент единицы объема вещества M = р М /V, где V - объем тела, называется
намагниченностью. Считается, что она пропорциональна напряженности МП Н: а коэффициент пропорциональности
называют магнитной восприимчивостью вещества. Чем больше
Тем лучше намагничивается данное вещество. На самом деле никаких магнитных зарядов q М типа изображенных на рис. 5, а у намагниченных тел не существует. Реальны же только круговые токи, представляющие собой векторную сумму круговых молекулярных токов и называемые токами Ампера I А
(рис. 5, б). Замена реальной физической картины намагниченного
мифический
магнитный диполь (рис. 5, а) возможна потому, что на достаточно большом расстоянии от тела МП В этих структур практически одинаково, а именно оно и наблюдается в
эксперименте. Различие ближнего МП структур проявляется лишь в специально поставленных экспериментах, в которых, в частности, показано, что элементарные
обладают
круговыми
по рис. 5, б, а не магнитными зарядами по рис. 5, а. 
Если площадь основания тела S, а высота l , то в соответствии с рис. 5, а его магнитный момент р М = МSl, а по рис. 5, б p М = SI A . Приравнивая эти значения, получим, что I A = Мl. Если теперь от тока I A перейти к его плотности на единицу длины тела J A = I A /l, то окажется, что Следовательно,
намагниченность
что иное, как линейная плотность кругового тока Ампера. Известно, что не может создаваться стационарным МП, как это утверждает соотношение (11) классической электродинамики. возбуждается только электрическим
возбуждения
кругового тока электрическое поле должно иметь круговую ЭДС E , то есть быть вихревым. Тогда только при неравной нулю круговой проводимости G
G o E. В дифференциальной форме это уравнение выглядит так: где
γ o = G o l/S - удельная круговая электрическая проводимость
вещества,
размерность 1/(Ом м) или См/м. Из полученного уравнения (13) следует, что для «намагничивания» вещества нужно не МП, а неоднородное, вихревое электрическое поле, ротор которого (то есть dE y /dx — dE x /dy) не равен нулю. Такое поле и создают намагничивающие устройства - соленоиды, магниты. Круговая проводимость
γ o характеризует способность вещества
«намагничиваться»
существующей
терминологии), а точнее - проводить круговой электрический ток. В диамагнетиках
γo мала и отрицательна. В парамагнетиках, где имеются круговые токи неспаренных электронов, ориентируемые вихревым электрическим полем, γ o положительна. В
ферромагнетиках
Кюри происходит спонтанная ориентация орбит круговых токов неспаренных электронов и Ампера возникает сам собой, без внешних воздействий. При этом γ o оказывается равной бесконечности. Это означает, что ферромагнетики являются сверхпроводниками, но не обычными с бесконечной линейной проводимостью, а круговыми с бесконечно текущим круговым током. Критическая температура
ферромагнитных сверхпроводников
точке Кюри. Поэтому ферромагнитные вещества являются самыми высокотемпературными сверхпроводниками. Классические (то есть линейные) сверхпроводники также
«намагничиваться»
вихревым
электрическим полем и оставаться постоянными магнитами сколь угодно долго. Однако протекающий в них круговой непрерывный, а не складывающийся из множества молекулярных круговых токов, как в ферромагнетиках. ВЫВОДЫ Таким образом, силы магнитного взаимодействия имеют чисто электрическую природу. Они связаны с отличием электрического поля движущихся зарядов от поля неподвижных. Для их понимания и расчета нет нужды во введении магнитного поля. «Намагничивание» вещества также связано не с
магнитным
а с возбуждением
круговых токов
вихревым
электрическим
Поэтому ферромагнетики
являются
высокотемпературными сверхпроводниками по круговым токам.
Термином «поле» в русском языке обозначают очень большое пространство однородного состава, например, пшеничное или картофельное.
В физике и электротехнике его используют для описания различных видов материи, например, электромагнитной, состоящей из электрической и магнитной составляющих.
Электрический заряд связан с этими формами материи. Когда он неподвижен, то вокруг него всегда есть электрическое поле, а при движении образуется еще и магнитное.
Представление человека о природе электрического (более точное определение - электростатического) поля сложилось на основе исследований опытным путем его свойств, ибо другого метода изучения пока не существует. При этом способе выявлено, что оно воздействует на движущиеся и/или неподвижные электрические заряды с определенной силой. По измерениям ее величины оценивают основные эксплуатационные характеристики.
Электрическое поле
Оно образуется:
вокруг электрических зарядов (тел или частиц);
при изменениях магнитного поля, как, например, происходит во время перемещения .
Изображают его силовыми линиями, которые принято показывать исходящими из положительных зарядов и оканчивающимися на отрицательных. Таким образом, заряды являются источниками электрического поля. По действию на них можно:
выявить наличие поля;
ввести калиброванную величину для измерения его значения.
Для практического использования выбрана силовая характеристика, называемая напряженностью , которая оценивается по действию на единичный заряд положительного знака.
Оно действует на:
электрические тела и заряды, находящиеся в движении с определённым усилием;
магнитные моменты без учета состояний их движения.
Магнитное поле создается:
прохождением тока заряженных частиц;
суммированием магнитных моментов электронов внутри атомов или других частиц;
при временно?м изменении электрического поля.
Его тоже изображают силовыми линиями, но они замкнуты по контуру, не имеют начала и конца в противоположность электрическим.
Взаимодействие электрического и магнитного полей
Первое теоретическое и математическое обоснование процессов, происходящих внутри электромагнитного поля, выполнил Джеймс Клерк Максвелл. Он представил систему уравнений дифференциальной и интегральной форм, в которых показал связи электромагнитного поля с электрическими зарядами и протекающими токами внутри сплошных сред либо вакуума.
В своем труде он использовал законы:
Ампера, описывающие протекание тока по проводнику и создание вокруг него магнитной индукции;
Фарадея, объясняющего возникновение электрического тока от воздействия переменного магнитного поля на замкнутый проводник.
Труды Максвелла определили точные соотношения между проявлениями электрических и магнитных полей, зависящих от распределенных в пространстве зарядов.
После публикации работ Максвелла прошло уже много времени. Ученые постоянно изучают проявления опытных фактов между электрическими и магнитными полями, но даже сейчас не особо получается выяснить их природу. Результаты ограничиваются чисто практическим применением рассматриваемых явлений.
Объясняется это тем, что с нашим уровнем знаний можно только строить гипотезы, ибо пока мы способны лишь предполагать что-то. Ведь природа обладает неисчерпаемыми свойствами, которые еще предстоит много и длительно изучать.
Сравнительная характеристика электрического и магнитного полей
Источники образования
Взаимную связь между полями электричества и магнетизма помогает понять очевидный факт: они не обособленны, а связаны, но могут проявляться по-разному, являясь единым целым - электромагнитным полем.
Если представить, что в какой-то точке пространства создано неоднородное поле электрического заряда, неподвижное относительно поверхности Земли, то определить вокруг него магнитное поле в состоянии покоя не получится.
Если же наблюдатель начнет перемещаться относительно этого заряда, то поле станет меняться по времени и электрическая составляющая образует уже магнитную, которую сможет увидеть своими измерительными приборами настойчивый исследователь.
Аналогичным образом эти явления проявятся тогда, когда на какой-то поверхности расположен неподвижный магнит, создающий магнитное поле. Когда наблюдатель станет перемещаться относительно него, то он обнаружит появление электрического тока. Этот процесс описывает явление электромагнитной индукции.
Поэтому говорить о том, что в рассматриваемой точке пространства имеется только одно из двух полей: электрическое или магнитное, не имеет особого смысла. Этот вопрос надо ставить применительно к системе отсчета:
стационарной;
подвижной.
Другими словами, система отсчета влияет на проявление электрического и магнитного поля таким же образом, как рассматривание пейзажей сквозь светофильтры различных оттенков. Изменение цвета стекол влияет на наше восприятие общей картинки, но, оно, даже если принять за основу естественный свет, создаваемый проходом солнечных лучей через воздушную атмосферу, не даст истинной картины в целом, исказит ее.
Значит, система отсчета является одним из способов изучения электромагнитного поля, позволяет судить о его свойствах, конфигурации. Но, она не обладает абсолютной значимостью.
Индикаторы электромагнитных полей
Электрическое поле
Электрически заряженные тела используют в качестве индикаторов, указывающих на наличие поля в определенном месте пространства. Ими, для наблюдения электрической составляющей, могут использоваться наэлектризованные мелкие кусочки бумаги, шарики, гильзы, «султаны».
Рассмотрим пример, когда по обе стороны плоского наэлектризованного диэлектрика расположены на свободном подвесе два индикаторных шарика. Они будут одинаково притягиваться к его поверхности и вытянутся в единую линию.
На втором этапе между одним из шариков и наэлектризованным диэлектриком поместим плоскую металлическую пластину. Она не изменит действующие на индикаторы силы. Шарики не поменяют свое положение.
Третий этап эксперимента связан с заземлением металлического листа. Сразу только как это произойдет, индикаторный шарик, расположенный между наэлектризованным диэлектриком и заземленным металлом, изменит свое положение, сменив направление на вертикальное. Он перестанет притягиваться к пластине и будет подвержен только гравитационным силам тяжести.
Этот опыт показывает, что заземленные металлические экраны блокируют распространение силовых линий электрического поля.
В этом случае индикаторами могут выступать:
стальные опилки;
замкнутый контур с протекающим по нему электрическим током;
магнитная стрелка (пример с компасом).
Принцип распределения опилок из стали вдоль магнитных силовых линий является наиболее распространенным. Он же заложен в работу магнитной стрелки, которая, для уменьшения противодействия сил трения, закрепляется на остром наконечнике и этим получает дополнительную свободу для вращения.
Законы, описывающие взаимодействия полей с заряженными телами
Электрические поля
Прояснению картины процессов, происходящих внутри электрических полей, послужили опытные работы Кулона, осуществляемые с точечными зарядами, подвешенными на тонкой и длинной нити из кварца.
Когда к ним приближали заряженный шарик, то последний влиял на их положение, заставляя отклоняться на определенную величину. Это значение фиксировалось на лимбе шкалы специально сконструированного прибора.
Таким способом были выявлены силы взаимного действия между электрическими зарядами, называемые . Они описаны математическими формулами, позволяющими проводить предварительные расчеты проектируемых устройств.
Магнитные поля
Здесь хорошо работает на основе взаимодействия проводника с током, размещенного внутри магнитных силовых линий.
Для направления действия силы, осуществляющей воздействие на проводник с протекающим по нему током, применяют правило, использующее расположение пальцев на левой руке. Четыре соединенных вместе пальца необходимо расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля должны входить в ладонь. Тогда оттопыренный большой палец укажет направление действия искомой силы.
Графические изображения полей
Для их обозначения на плоскости чертежа используются силовые линии.
Электрические поля
Для обозначения линий напряженности в этой ситуации используют потенциальное поле, когда имеются неподвижные заряды. Силовая линия выходит из положительного заряда и направляется в отрицательный.
Примером моделирования электрического поля может служить вариант размещения кристаллов хинина в масле. Более современным способом считается использование компьютерных программ графических проектировщиков.
Они позволяют создавать изображения эквипотенциальных поверхностей, судить о численном значении электрического поля, анализировать различные ситуации.
Магнитные поля
У них для наглядности отображения применяются линии, характерные для вихревого поля, когда они замкнуты единым контуром. Приведенный ранее пример со стальными опилками наглядно отображает это явление.
Силовые характеристики
Их принято выражать векторными величинами, имеющими:
определённое направление действия;
значение силы, рассчитываемое по соответствующей формуле.
Электрические поля
Вектор напряженности электрического поля у единичного заряда можно представить в форме трехмерного изображения.
Его величина:
направлена от центра заряда;
имеет размерность, зависящую от способа вычисления;
определяется бесконтактным действием, то есть на расстоянии, как отношение действующей силы к заряду.
Магнитные поля
Напряженность, возникающую в катушке, можно рассмотреть на примере следующей картинки.
Силовые магнитные линии в ней от каждого витка с внешней стороны имеют одинаковое направление и складываются. Внутри межвиткового пространства они направлены встречно. За счет этого внутреннее поле ослаблено.
На величину напряженности влияют:
сила проходящего по обмотке тока;
количество и плотность намотки витков, определяющих осевую длину катушки.
Повышенные токи увеличивают магнитодвижущую силу. Кроме того, в двух катушках с равным числом витков, но разной плотностью их намотки, при прохождении одного и того же тока эта сила будет выше там, где витки расположены ближе.
Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют совершенно определенные отличия, но являются взаимосвязанными составляющими единого общего - электромагнитного.
Основные понятия : магнитное поле, опыт Эрстеда, магнитные линии.
Чтобы изучить магнитное действие электрического тока, воспользуемся магнитной стрелкой. У магнитной стрелки есть два полюса: северный и южный . Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют ее осью .
Рассмотрим опыт, показывающий взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки. Такое взаимодействие впервые обнаружил в 1820 г. датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (рис.1). Его опыт имел большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.
Рис.1. Ханс Кристиан Эрстед.
Расположим проводник, включенный в цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно ее оси (см. рис.2).
Рис.2. Опыт Эрстеда.
При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.
Выполненный опыт наводит на мысль о существовании вокруг проводника с электрическим током магнитного поля . Оно действует на магнитную стрелку, отклоняя ее.
Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Таким образом, вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, вокруг движущихся зарядов, т.е. электрического тока, существует и электрическое
, и магнитное поле
. Магнитное поле появляется вокруг проводника, когда в последнем возникает ток, поэтому ток следует рассматривать как источник магнитного поля. В этом смысле надо понимать выражения «магнитное поле тока» или «магнитное поле, созданное током».
Существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током можно обнаружить различными способами. Один из таких способов заключается в использовании мелких железных опилок.
В магнитном поле опилки - маленькие кусочки железа - намагничиваются и становятся магнитными стрелочками. Ось каждой стрелочки в магнитном поле устанавливается вдоль направления действия сил магнитного поля.
На рисунке 3 изображена картинка магнитного поля прямого проводника с током. Для получения такой картины прямой проводник пропускают сквозь лист картона. На картон насыпают тонкий слой железных опилок, включают ток и опилки слегка встряхивают. Под действием магнитного поля тока железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.
Рис.3. Магнитные линии прямого тока.
Магнитные линии - это линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии.
Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму магнитных линий магнитного поля. Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые, концентрические окружности.
С помощью магнитных линий удобно изображать магнитные поля графически. Так как магнитное поле существует во всех точках пространства, окружающего проводник с током, то через любую точку можно провести магнитную линию .
На рисунке 3,апоказано расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током. (Проводник расположен перпендикулярно плоскости чертежа, ток в нем направлен от нас, что условно обозначено кружком с крестиком.) оси этих стрелок устанавливаются вдоль магнитных линий магнитного поля прямого тока. При изменении направления тока в проводнике все магнитные стрелки поворачиваются на 180 0 (рис. 3,б; в этом случае ток в проводнике направлен к нам, что условно обозначено кружком с точкой.) Из этого опыта можно заключить, что направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике
.
Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии. ()
Перейти к конспектов за 8 класс.
Домашнее задание по этой теме:
А.В. Перышкин, Е.М. Гутник,Физика 9, Дрофа, 2006: § 56, § 57.
Вокруг любого проводника с током, т.е. движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле. Ток следует рассматривать как источник магнитного поля! Вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, а вокруг движущихся зарядов – и электрическое, и магнитное. ХАНС ЭРСТЕД ()
1. Магнитное поле возникает только около движущихся электрических зарядов. 2. Оно ослабевает по мере удаления от проводника с током (или движущегося заряда) и точных границ поля указать нельзя. 3. Действует на магнитные стрелки определённым образом 4. Обладает энергией и имеет свою внутреннюю структуру, которая отображается с помощью магнитных силовых линий. Магнитные линии магнитного поля тока представляют собою замкнутые линии, охватывающие проводник
Если контура с током последовательно соединить в одном месте пространства, то такое образование называется соленоидом. Магнитное поле сконцентрировано внутри соленоида, снаружи рассеяно, и магнитные силовые линии внутри соленоида параллельны между собой и поле внутри соленоида считается однородным, вне соленоида - неоднородным. Поместив внутрь соленоида стальной стержень, мы получим простейший электромагнит. При прочих равных условиях магнитное поле электромагнита гораздо сильнее магнитного поля соленоида.
Совпадают ли магнитные полюсы Земли с географическими полюсами? Менялось ли местоположение магнитных полюсов в истории планеты? Что является надёжным защитником жизни на Земле от космических лучей? В чём заключена причина появления магнитных бурь на нашей планете? С чем связаны магнитные аномалии? Почему магнитная стрелка имеет вполне определённое направление в каждом месте Земли? Куда она указывает?
Мы знаем из опыта, что магниты притягивают железо и другие магниты. Вокруг них существует магнитное поле . При попадании в это поле замкнутого проводящего контура, в нем возможно возникновение электрического тока , то есть, возникновение электрического поля.
Это явление известно и называется электромагнитной индукцией . Однако возникает ряд вопросов. Отличается ли возникшее электрическое поле от поля неподвижных зарядов? Какую роль играет проводник, то есть возникает ли электрическое поле только в поднесенном к магниту проводнике? Или же это поле существует независимо от посторонних объектов, наряду с магнитным?
Ответы на эти вопросы дал английский ученый Джеймс Максвелл, создав теорию электромагнитного поля. В девятом классе этот вопрос изучается только в общих чертах, но на достаточно глубоком уровне, чтобы ответить на вышезаданные вопросы.
Итак, что говорит по поводу электромагнитного поля физика?
Доказано теоретически и практически, что меняющееся со временем магнитное поле порождает переменное электрическое поле, а меняющееся со временем электрическое поле служит источником возникновения магнитного поля. Вот эти меняющиеся поля вместе образуют общее единое электромагнитное поле.
Источник электромагнитного поля это ускоренно движущиеся электрические заряды . Электроны, вращаясь вокруг ядер атомов , движутся с ускорением, соответственно, они порождают вокруг себя это самое электромагнитное поле.
Когда электроны двигаются в проводнике, образуя электрический ток, то они все время движутся с ускорением, так как при этом колеблются, то есть все время меняют направление своего движения. Слабой связью электронов с ядрами и их способностью свободно перемещаться внутри вещества, и обусловлено существование электромагнитного поля в проводниках.
В непроводниках электроны намного сильнее связаны с ядрами атомов, поэтому они не могут свободно перемещаться внутри вещества, а электромагнитные поля, создаваемые ими, компенсируются положительно заряженными ядрами атомов, поэтому вещества остаются нейтральными и не проводят ток.
Однако электромагнитные поля каждого отдельного электрона и протона существуют все равно и ничем не отличаются от таких же полей в проводниках. Поэтому непроводники способны намагничиваться, как например, волосы от расчески, а потом биться током. Это происходит, когда в результате трения некоторая часть электронов все же покидает атомы и образуются ничем не компенсированные заряды.
Теперь мы можем уверенно ответить на заданные выше вопросы. Электрическое поле покоящихся или движущихся зарядов, а также поле, полученное в результате электромагнитной индукции, ничем не отличаются друг от друга.
Вокруг магнита существует общее электромагнитное поле, электрическая составляющая которого существует независимо от того, есть ли рядом проводник или нет. Проводник, попадая в такое поле, фактически является лишь индикатором электрического поля, а показания проводника как индикатора это возникающий в нем электрический ток.