Магнитные действия электрического тока
Ранее мы говорили о причинах возникновения и природе магнитно-силовых линий (МСЛ), возникающих вблизи постоянных магнитов и проводников с током. В предыдущей статье я высказал гипотезу, о том, что магнитное поле вблизи постоянного магнита или проводника с током представляет собой интерференционную картину из МСЛ различной интенсивности. В термин МСЛ я вкладываю определенный физический смысл. Это не просто геометрические линии, а часть сложной структуры магнитного поля, состоящая, в свою очередь, из микроскопических волн, обладающих магнитными свойствами. При воздействии магнитного поля постоянного магнита на кусок железа или на железные опилки это поле является внешним (ВМП), по отношению к куску железа или железным опилкам. ВМП вначале индуцирует собственное магнитное поле (СМП) в куске железа или в железных опилках, а затем уже взаимодействует с этим СМП, посредством их МСЛ.
Аналогично это касается и проводников с током. Пока в проводниках замкнутой цепи есть ток (а значит, есть СМП вокруг проводников), ВМП взаимодействует с СМП проводников посредством их МСЛ. Когда в проводнике нет тока, а значит, и нет МСЛ вокруг проводника, ВМП не действует на сам проводник, хотя его МСЛ пронизывают микроструктуру проводника.
В этой статье поговорим о взаимодействии магнитов и проводников с током посредством МСЛ.
Вспомним, что известно об этом из научных публикаций. Как уже было сказано ранее, Г.Эрстед в 1820 году экспериментально продемонстрировал взаимодействие магнита и проводника с током. Поведение магнитной стрелки вблизи проводника с постоянным током говорило о том, что вокруг этого проводника находится магнитное поле. Впоследствии была установлена тесная связь магнитного поля с током. Обобщая свои опыты, Эрстед показал, что наличие тока в проводниках замкнутой цепи, какова бы не была их природа, всегда влечет за собой образование МСЛ магнитного поля вокруг проводников этой цепи. Именно взаимодействие МСЛ проводника с МСЛ магнитной стрелки заставляет ее поворачиваться одним из своих полюсов к проводнику с током.
В 1821 году французский ученый А.Ампер установил взаимосвязь электричества и магнетизма в случае прохождения по цепи электрического тока и отсутствия такой взаимосвязи у статического электричества.
Рис. 1
Чтобы проверить является ли указанное взаимодействие МСЛ обоюдным, т.е. действует ли магнит на проводник с током, был проведен следующий опыт (рис.1). Над неподвижным постоянным магнитом подвешивали проводник с постоянным током. Оказалось, что проводник с током ведет себя аналогично магнитной стрелке.
Рис. 2
Интересен опыт с гибким проводником, который расположен в непосредственной близости к параллельно полосовому магниту. Когда в проводнике появлялся ток, то он обвивался вокруг полосового магнита (рис.2). Это говорило о том, что вокруг каждого участка проводника с током появляются МСЛ, которые взаимодействуют с МСЛ полосового магнита.
Такой же вывод был сделан и Д.Араго, который в своем опыте обратил внимание на то, что если погрузить изолированный провод, по которому идет ток, в металлические опилки, то опилки пристают к нему по всей длине как к магниту. При выключении тока опилки отпадают.
Рис. 3
Аналогичные взаимодействия были установлены между двумя, находящимися вблизи друг от друга, проводниками с постоянным током. В опыте (рис.3) два параллельных проводника установлены на небольшом расстоянии друг от друга. Эти проводники притягивались или отталкивались в зависимости от его направления. В этих и других опытах было показано, что магнитное действие электрического тока аналогично взаимодействию двух магнитов.
Рассмотренные нами опыты по взаимодействию магнитных полей показывают, что все взаимодействия и в случае с постоянными магнитами, и между постоянными магнитами и проводниками с током, а также двумя проводниками с током между собой сводятся к взаимодействию магнитных полей посредством их МСЛ. С учетом того, что на практике большое количество технических устройств создано на основе взаимодействия магнитных полей, в частности, на основе взаимодействия магнитных полей и проводников с током, следует привести некоторые опыты, которые понадобятся нам позднее для объяснения некоторых явлений в этой области.
Рис. 4
Рассмотрим следующий опыт по взаимодействию магнитного поля и проводника с током. В магнитном поле подковообразного магнита расположен прямолинейный участок проводника с током. (рис.4). Изменяя направление тока в проводнике, и меняя его расположение относительно направления магнитного поля можно определить направление силы, действующей на проводник. При включении тока (в зависимости от его направления) проводник может втягиваться в магнит или выталкиваться из магнита. При этом магнитное поле действует на проводник с током только тогда, когда он расположен перпендикулярно направлению МСЛ поля. При параллельном расположении проводника и МСЛ поля взаимодействия не происходит.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, определяется из соотношения:
F= k*H*I*L*sina,
где H- напряженность магнитного поля, I-сила тока, L- длина прямолинейного участка проводника, а- угол между H и I.
Это соотношение носит название закона Ампера. На практике в большинстве случаев приходится иметь дело с проводниками различной формы, по которым протекает ток, и действие магнитного поля на такие проводники с током имеет довольно сложный характер. Посмотрим, как магнитное поле действует на простые формы проводников с током в виде витка или соленоида.
Виток с током, как показали опыты, подобен плоскому магниту, полюса которого (северный и южный) находятся на противоположных плоскостях витка. Полюса перпендикулярны к плоскостям витка с током. Определить какой из этих полюсов северный, а какой южный можно по правилу буравчика. Северный полюс витка с током определяется по направлению его рукоятки вращения – аналогия направления МСЛ. Если ввинчивать буравчик по направлению тока, то выходящие из плоскости витка МСЛ укажут на северный полюс. Магнитные полюса соленоида определяют таким же образом.
Рис. 5
Внешнее магнитное поле, воздействуя на виток с током, стремится повернуть его так, чтобы МСЛ витка были параллельны МСЛ внешнего магнитного поля. Для анализа сил, действующих на виток с током, удобно сделать его прямоугольной формы. В этом случае, предположим, что две стороны витка параллельны направлению магнитного поля, а две другие перпендикулярны (рис.5). На первые две стороны витка магнитное поле не действует, а на две другие стороны витка действуют равные и противоположные магнитные силы, создаваемые противоположным направлением тока. Эти силы образуют вращающий момент, поворачивающий виток с током плоскостью перпендикулярно к направлению магнитного поля. На две другие стороны витка магнитное поле действует двумя равными, но противоположно направленными силами, которые стремятся деформировать (сжать или растянуть) виток в зависимости от направления тока.
На основании результатов приведенных и других опытов можно сделать следующие выводы.
-магнитное поле действует на прямолинейный участок проводника с током с силой, направление которой перпендикулярно к направлению тока и направлению МСЛ магнитного поля;
-магнитное поле создает вращающий момент, который стремится повернуть виток или соленоид так, чтобы направление от южного полюса витка или соленоида к северному полюсу совпало с направлением поля;
-магнитное поле не действует на проводники с током, расположенные вдоль направления МСЛ;
-МСЛ это не просто геометрические линии, а часть сложной структуры магнитного поля, состоящая, в свою очередь, из микроскопических волн, обладающих магнитными свойствами.
О природе и особенностях этих и других сил мы поговорим в следующей статье.
<— Устройство электрона Силы Лоренца —>