Взаимодействие магнитов

Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Поэтому, если есть одна магнитная стрелка с известным расположением северного и южного полюса, то можно легко определить северный и южный полюс у любого другого магнита.

С помощью магнитной стрелки можно легко различить, имеем ли мы дело с ненамагниченным куском железа или с магнитом. Поднося к концу стрелки магнит, мы вызовем или притяжение или отталкивание в зависимости от того, сближаются ли одноименные или разноименные полюсы стрелки и исследуемого магнита. При поднесении же к концу стрелки железа мы всегда обнаружим притяжение. Ближайший к полюсу стрелки конец железа всегда намаг­ничивается противоположно этому полюсу; второй, уда­ленный конец железного куска намагничивается, конечно, противоположно ближнему концу, т. е. одноименно с рас­сматриваемым полюсом стрелки, но его взаимодействие со стрелкой будет гораздо слабее, и мы обнаружим только взаимодействие разноименных полюсов – притяжение стрелки к железу.

СТОП! Решите самостоятельно: А4, В5, С1.

Магнитное действие электрического тока.

Магнитное поле

В 1820 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) собрал электрическую цепь (рис. 7.8, а, где: 1 – провод, 2 – магнитная стрел­ка, подвешенная параллельно проводу, 3 – батарея гальванических элементов, 4 – реостат; 5 – ключ) и произвел следующий опыт.

Рис. 7.8

Магнитная стрелка 2 подвешена на тонкой нити над неподвижным проводом 1, расположенным вдоль мериди­ана, т.е. в направлении север–юг. Стрелка, как из­вестно, устанавливается также приблизительно по линии север – юг, и поэтому располагается примерно па­раллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и пустим ток по проводу 1, мы увидим, что магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться под прямым углом к нему, т.е. в плоскости, перпендикулярной к проводу (рис. 7.8, б).

Этот фундаментальный опыт показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, дей­ствуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки, т.е. силы, подобные тем, которые действуют вблизи ес­тественных и искусственных магнитов. Такие силы мы будем называть магнитными силами, так же как мы назы­ваем силы, действующие на электрические заряды, электрическими.

Ранее мы ввели понятие электрического поля для обозначения того особого состояния пространства, которое проявляется в действиях электрических сил. Точно так же мы будем называть магнитным полем то состояние пространства, которое дает о себе знать действием магнит­ных сил. Таким образом, опыт Эрстеда доказывает, что в пространстве, окружающем электрический ток, возни­кают магнитные силы, т. е. создается магнитное поле.

Рассмотрим еще один опыт, в котором проявляется магнитное действие тока. Рамка 1, сделанная из нескольких витков проволоки, свободно подвешена между полюсами неподвижного магнита 2 (рис. 7.9, а). К ней может быть подведен ток через зажимы 3. После включения тока рамка устанавливается перпендикулярно к линии, соеди­няющей полюсы магнита (рис. 7.9, б). Такое устройство из магнита и рамки используется в гальванометрах, для измерения постоянного тока.

Рис. 7.9

Немного позже Араго[1] и Ампер нашли способ сильно намагничивать железо и сталь при помощи электрического тока. Они наматывали провод в виде спирали из большого числа витков и внутрь такой катушки помещали стальную иглу. По этой спирали они пропускали сильный электри­ческий ток, а затем вынимали иглу, которая оказывалась сильно намагниченной. На одном конце ее был северный полюс, на другом – южный. При перемене направления тока полюсы менялись местами.

Магнитная стрелка, могущая свободно вращаться вокруг вертикальной оси, устанавливается, как известно, в определенном направлении – приблизительно с севера на юг. Ориентирует ли Земля также и электрические токи? В том же 1820 г. Ампер обнаружил и ориентирующее влияние Земли на виток с электрическим током.

Прибор Ампера состоял из проволочного витка 1 в форме почти замкнутого кольца диаметра около 40 см или квадратной рамки (рис. 7.10, а).Концы витка находятся точно один под другим на небольшом расстоянии друг от друга. К ним прикреплены два стальных острия 2, опущен­ных в чашечки с ртутью, к которым присоединены про­водники, идущие от батареи. Благодаря такому устрой­ству виток мог свободно вращаться на остриях, и при этом движении цепь тока не прерывалась.

Рис. 7.10

Вместо этого можно, конечно, просто подвесить рамку или соленоид на гибких металлических шнурах, как в опыте на рис. 7.9. При замыкании тока виток приходил в движение, и плоскость его устанавливалась приблизительно в направлении с запада на восток. Таким образом, действие магнитного поля Земли на виток с током такое же, как и на магнитную стрелку, ось которой перпендикулярна к плоскости витка. Особенно удобно наблюдать ориентирующее действие Земли на виток с током, если в приборе Ампера подвесить не один виток, а катушку, или, как говорят, соленоид, состоящий из большого числа таких витков (рис. 7.10, б).

Рис. 7.11

Ампер установил также новое и чрезвычайно важное явление – взаимодействие между двумя проводниками, по которым идет ток. Если мы расположим, например, две длинные гибкие проволоки параллельно друг другу, то при включении в них тока эти проволоки будут друг от друга отталкиваться, если токи в них противоположны по направлению (рис. 7.11, а). Напротив, проволоки будут друг к другу притягиваться, если токи в них имеют оди­наковое направление (рис. 7.11, б). Штриховыми линиями на рисунке показано положение обоих проводов при отсутст­вии тока в них.

Рис. 7.12

Движения проводни­ков, вызываемые взаимодействием между ними, могут быть весьма разнообразны в зависимости от формы провод­ников, их взаимного расположения и условий закрепления. Опыт, иллюстрирующий характер взаимодействия между двумя соленоидами с током, изображен на рис. 7.12.

Сначала соленоид 1 закреплен неподвижно, соленоид 2 подвешен нагибком проводнике (рис. 7.12, а); при включении тока соленоид 2 поворачи­вается так, чтобы направления тока в соленоидах 1 к 2 были одина­ковы, притягивается к соленоиду 1 и надевается на него. При пере­мене направления тока (рис. 7.12, б) в одном из соленоидов соленоид 2 слетает с соленоида 1,поворачивается на 180° и снова надевается на него. Сле­дует обратить внимание на то, что движения – повороты, притяжения и отталкивания – двух соленоидов носят такой же характер, как и движения двух намагниченных брусков (магнитных стрелок). Мы видим, что по всем своим магнитным свойствам соленоид с током подобен магнитной стрелке.

Из этих опытов можно заключить, что магнитное действие магнитов вполне тождественно магнитному действию токов при соответствующем подборе тока и формы проводника.