Магнитное действие тока
Основы магнетизма были заложены уже в XIII веке, но исследование сопутствующих электрическому току явлений стало возможным только после того, как Алессандро Вольта в 1799 году изобрел источник тока. В начале XIX века появилось предположение, что электрические и магнитные явления могут быть связаны между собой. Толчком для этого послужили наблюдения сопутствующих молнии странных явлений. На одном из военных кораблей в результате удара молнии стрелки всех компасов начали указывать в разные стороны. В другом случае после удара молнии в дом стальные предметы в доме намагнитились. Поскольку в то время уже знали, что молния представляет собой кратковременный электрический ток, то предположили, что в странном поведении стрелок компасов и намагничивании стальных предметов в доме может быть «виновато» электричество.
15 февраля 1820 года зависимость между электрическими и магнитными явлениями открыл датский физик Ханс Кристиан Эрстед. В тот день на лекции по физике Эрстед демонстрировал опыт нагревания проводника под действием тока. Недалеко от опытной установки на столе находилась магнитная стрелка. Какой-то внимательный студент обратил внимание профессора на магнитную стрелку, которая поворачивалась и занимала новое положение, пока в проводнике был ток.
Эрстед начал исследования. И уже в августе того же года опубликовал результаты своей работы. Его открытие вызвало сенсацию, и многие физики приступили к исследованиям зависимости между электрическим током и магнитными явлениями. В течение нескольких последующих лет был произведен ряд научных открытий и сделаны первые шаги к их практическому применению. Изобрели гальванометр, электромагнит, открыли принцип работы электродвигателя и т. д.
1. Что открыл Эрстед?
Опыт Эрстеда
Опыт Эрстеда очень простой. Над помещенной на острие магнитной стрелкой параллельно стрелке установлен провод. Когда провод соединяют с источником тока, в нем возникает ток, и в тот же момент поворачивается находящаяся под проводом магнитная стрелка. При прекращении тока стрелка возвращается в исходное положение. Если направление тока в проводе изменить, то северный полюс магнитной стрелки поворачивается в другую сторону.
2. В чем заключается опыт Эрстеда?
Следовательно, в пространстве, окружающем провод с током, на магнитную стрелку действуют силы, которые поворачивают стрелку. Такие же силы действуют на магнитную стрелку вблизи полюсов постоянного магнита. Значит, провод с током ведет себя как постоянный магнит.
Эрстед провел несколько различных опытов. Он помещал провод с током на разных расстояниях от магнитной стрелки и исследовал его влияние на стрелку. В разных опытах он использовал в качестве проводника проволоку из разных веществ. Поскольку магнитная стрелка поворачивалась и тогда, когда проволока была из вещества, не имеющего магнитных свойств, то причиной поворота стрелки мог быть только электрический ток. Когда же ученый рядом с горизонтальной магнитной стрелкой помещал вертикально провод с током, магнитная стрелка всегда поворачивалась перпендикулярно воображаемой прямой, соединяющей центр магнитной стрелки с проводом.
Эрстед не объяснил результатов своего опыта. Многие физики считали, что под действием тока провод становится магнитом. Такой подход казался естественным, поскольку постоянные магниты были хорошо известны, их исследовали уже долгое время.
Гипотеза Ампера
Совершенно другого мнения придерживался французский физик Андре-Мари Ампер. Уже через несколько недель после опубликования результатов опыта Эрстеда он выдвинул для объяснения опыта свою гипотезу. По его мнению, провод под действием тока не становится магнитом, а скорее наоборот – сами по себе магнитные явления обусловлены электрическим током.
Для подтверждения своей гипотезы Ампер провел ряд опытов. Он показал, что два близко расположенных параллельных провода с током притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, одинаковое в них направление тока или противоположное; что катушка (обмотка) с током действует на магнитную стрелку так же, как прямой магнит – если один конец катушки притягивает северный полюс магнитной стрелки, то южный полюс стрелки этот же конец отталкивает; что подвешенная на нити катушка с током поворачивается аналогично магнитной стрелке – одним концом на север, другим на юг. И, наконец, две подвешенные катушки с током притягиваются или отталкиваются друг от друга аналогично двум магнитным стрелкам. А притягиваются они или отталкиваются – это зависит от направления тока в них.
3. Как Ампер объяснял сущность магнитных явлений?
Полезно знать!
Согласно гипотезе Ампера, свойства постоянного магнита обусловлены круговыми электрическими токами внутри магнита. В намагниченном куске железа круговые токи упорядочены, они находятся в параллельных плоскостях и имеют одинаковое направление. Магнитные влияния множества круговых токов складываются и образуют магнитное влияние всего куска железа. А в ненамагниченном куске железа круговые токи не упорядочены, и плоскости их движения расположены хаотично.
В настоящее время известно, что во многих случаях магнитные свойства вещества действительно обусловлены протекающими в веществе круговыми токами. Но к постоянному магниту это, к сожалению, не относится. Магнитные свойства постоянного магнита обусловлены собственными магнитными полями электронов, входящих в состав атомов вещества.
У каждого электрона имеется электрический заряд. Поэтому электрон всегда окружен электрическим полем. Электрическое поле принадлежит электрону, его нельзя отделить. Но электрону присуще и магнитное поле. Если магнитные поля электронов куска железа не имеют предпочтительного направления, то кусок железа не обладает магнитным полем, т. е. кусок железа не намагничен. Но если собственные магнитные поля электронов упорядочены внешним магнитным полем, то кусок железа намагничен. Упорядочение магнитных полей электронов может сохраняться в веществе и после исчезновения внешнего поля. Такой кусок железа и есть постоянный магнит. Но что является причиной собственных магнитных полей электронов, ученым до конца не ясно и по сей день.
4. Как сегодня объясняется намагничивание железа?
Гипотеза Ампера нашла убедительное подтверждение в том смысле, что электрический ток всегда создает магнитное поле. Но магнитное поле может быть обусловлено и другими причинами. Все ли магнитные поля вызываются электрическим током, до сих пор не установлено. Поэтому гипотеза Ампера остается гипотезой до сих пор. Окончательное доказательство она получит только в том случае, если удастся доказать, что собственные магнитные поля частиц тоже каким-то образом обусловлены электрическим током.
