Kvant. Магнетизм2

А так ли хорошо знаком вам магнетизм? // Квант. — 1992. — №2. — С. 40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям.
А.-М. Ампер

Так как я уже давно рассматривал силы, проявляющиеся в
электрических явлениях всеобщими природными силами,
то я должен был отсюда вывести и магнитные действия.
X. Эрстед

В конце лета 1820 года редакции научных журналов, физические общества и некоторые видные физики Европы получили из Копенгагена небольшую — всего в 4 страницы — брошюру на латинском языке. Автором ее был датчанин X. Эрстед, а называлась она «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». В брошюре сообщалось об опытах по воздействию на магнитную стрелку электрического тока, текущего по проволоке, замыкающей вольтову батарею.

Тщательное исследование поведения собственно магнитов было проведено еще У. Гильбертом на рубеже XVI и XVII веков. Но идея связи магнитных и электрических явлений, если и приходила кому-то в голову, экспериментального подтверждения долгое время не получала. Открытие Эрстеда послужило началом цепной реакции исследований и величайших достижений в области электромагнетизма, повлекших через полстолетия мощный технический переворот. И здесь нельзя не назвать имена А.-М. Ампера, М. Фарадея, Д. Араго, Э. Ленца, Д. Максвелла,..

Эти странички нашего «Калейдоскопа» — всего лишь крохотное окошко в мир электромагнетизма, причем сегодня нас будет интересовать только его «магнитная сторона».

Вопросы и задачи

1. Имеются два одинаковых стальных стержня, один из которых намагничен. Как узнать, какой из них намагничен, не пользуясь ничем, кроме самих стержней?
2. К небольшому латунному диску свободно подвесили несколько стальных иголок, как показано на рисунке. Если снизу к иголкам медленно подносить сильный магнит (например, южным полюсом), то сначала иголки разойдутся, а затем, когда магнит приблизится почти вплотную, снова вернутся в вертикальное положение. Почему?

   

3. Намагнитится ли однородный железный стержень, если пропустить ток через катушку, намотанную на стержень так, как изображено на этом рисунке?

   

4. Незаряженное металлическое кольцо охладили до сверхпроводящего состояния и начали быстро вращать. Возникнет ли вокруг этого кольца магнитное поле?
5. К двум противоположным точкам проволочного кольца подведены идущие радиально провода, соединенные с весьма удаленным источником тока. Чему равна индукция магнитного поля в центре кольца?
6. Отчего два параллельных проводника, по которым идут токи в одном направлении, притягиваются, а два параллельных катодных пучка отталкиваются?
7. Один конец проводящей пружины закреплен, а другой погружен в чашечку со ртутью. Почему при пропускании тока проводник то сокращается, размыкая цепь, то удлиняется, вновь замыкая ее?

   

8. Около сильного длинного прямолинейного магнита помещают гибкий свободный проводник. Как расположится проводник, если по нему пропустить ток, направленный сверху вниз?

   

9. Прямолинейный ток I₁ проходит по оси кругового тока I₂. С какой силой взаимодействуют эти токи?

   

10. Две катушки, по которым текут токи, взаимодействуют между собой с определенной силой. Как изменится эта сила, если обе катушки свободно надеть иа общий замкнутый железный сердечник?
11. Картина линий индукции магнитного поля Земли выглядит, как показано на рисунке. Какой формы электрический ток мог бы создать магнитное поле такой же конфигурации?

    

Микроопыт

Прикрепите магнитную стрелку к пробке и опустите в воду. Как будет вести себя стрелка под действием лишь магнитного поля Земли? А если к ней поднести полюс постоянного магнита?

Любопытно, что…

... большинство китайских мудрецов объясняли в древности поведение магнитной стрелки действием внеземных сил, например притяжением конца стрелки Полярной звездой.

... безразличное отношение физиков в начале XIX века к вопросу о магнитном действии постоянного тока объяснялось тем, что некрытое», незримо текущее «вольтово электричество» считалось особым, «тихим» состоянием электричества, неспособным на магнитное воздействие, наблюдаемое при бурном искровом электрическом разряде.

...как это случается, сам Эрстед дал открытому им явлению неверное толкование, считая, что воздействие на магнитную стрелку является результатом нагревания проводника током.

... уже в первом докладе Ампера, состоявшемся менее чем через два месяца после выхода в свет брошюры Эрстеда, содержалась его революционная теория, ликвидирующая представление о невесомых магнитных субстанциях, считавшееся неоспоримым на протяжении более тридцати лет.

... в прошлом веке была широко распространена точка зрения на хорошо знакомые нам линии индукции магнитного поля как на натяжения эфирной материи.

... многие небесные тела — планеты и звезды — обладают собственными магнитными полями. Однако наши ближайшие соседи — Луна, Венера и Марс — не имеют поля, подобного земному. Магнитное же поле Земли «непостоянно» — его полюса «гуляют» со скоростью 5—6 километров в год; это явление называют вековой вариацией магнитного поля.

... палеомагнитные исследования — самое строгое доказательство дрейфа континентов. По намагниченности железных месторождений, возникших несколько сот миллионов лет назад, можно «восстановить» некогда существовавший в Южном полушарии единый гигантский суперконтинент Гондвану, который позже раскололся на Южную Америку, Африку, Азию (частично), Австралию и, возможно, Антарктиду.

Что читать о магнетизме в «Кванте»

1. «Пути электромагнитной теории» — 1988, № 2, с. 2;
2. «Полярные сияния» — 1989, № 5, с. 58;
3. «Калейдоскоп «Кванта» — 1990, № 4, с. 40;
4. «Сила Ампера в однородном магнитном поле» — 1991, № 5, с. 39.

Ответы

1. Необходимо прикоснуться концом одного стержня к середине другого (в виде буквы Т).
2. Сначала магнит создает в нижних концах иголок одноименные магнитные полюса, что вызывает отталкивание иголок друг друга. Когда магнит приближается на достаточно малое расстояние, взаимодействие между ним и каждой из иголок становится сильнее взаимодействия между иголками, и они опускаются, притягиваясь к магниту.
3. Да, на концах стержня будут одноименные полюса.
4. Возникнет. Электроны сверхпроводящего кольца не будут увлечены движением, а положительные ионы кристаллической решетки — будут, что и создаст магнитное поле.
5. Нулю.
6. В проводниках объемный электрический заряд равен нулю, поэтому проявляются только магнитные силы. В случае катодных пучков действуют и магнитные, и электрические силы, но преобладают силы отталкивания между одноименными зарядами.
7. Витки пружины представляют собой параллельные проводники, по которым течет ток в одном направлении. При прохождении тока витки притягиваются друг к другу, что вызывает размыкание цепи. Магнитное поле исчезает, пружина распрямляется, нижним концом замыкает цепь, и все повторяется.
8. Провод обовьется вокруг магнита.
9. Сила взаимодействия равна нулю, так как направление кругового тока совпадает с направлением линий магнитной индукции прямолинейного тока.
10. Сила взаимодействия уменьшится.
11. Кольцевой ток, текущий в плоскости, близкой к экваториальной.

Микроопыт

Магнитное поле Земли на расстояниях порядка длины магнитной стрелки практически однородно, поэтому, действуя на стрелку, может создавать только вращающий момент. Поле постоянного магнита на этих же расстояниях неоднородно, поэтому вызывает не только вращательное, но и поступательное движение стрелки.

Материал подготовил А.Леонович