Взаимодействие движущихся электрических зарядов

С взаимодействием движущихся зарядов люди столкнулись тысячи лет назад. Но только никто не подозревал, что знакомство состоялось. Находили странные камни, способные к небольшим "чудесам". Камни на расстоянии заставляли подпрыгивать и притягиваться к ним такие же по виду камушки. Это был магнитный железняк. До конца XVI в. притяжение магнитов путали с притяжением наэлектризованных тел. Лишь английский ученый Уильям Гильберт понял, что это совсем не одно и то же. Гильберт первым догадался, что Земля - это огромный магнит и поэтому магнитная стрелка ориентируется определенным образом.

Взаимодействие магнитов внимательно изучил Кулон. Используя тот же метод, что и при исследовании взаимодействия электрических зарядов, он нашел закон взаимодействия полюсов (т. е. концов) длинных магнитов, который оказался подобным уже известному нам закону взаимодействия электрических зарядов.

Невозможность получить магнит с одним полюсом Кулон объяснял так. В природе существуют магнитные заряды противоположного знака, подобные электрическим. Но они не способны перемещаться из одной молекулы в другую, как электрические.

Кулон думал, что открытый им закон взаимодействия "магнитных зарядов" исчерпывает проблему магнетизма. Видимых оснований для сомнений в этом не было. Почему, собственно, в одном случае (электрическое взаимодействие) открытый закон является фундаментальным, а во втором (магнитное взаимодействие) - нет? В действительности все оказалось значительно сложнее. Природа сумела преподнести здесь исследователям один из своих очередных сюрпризов.

Начало настоящему пониманию природы магнетизма положил Эрстед в 1820 г. своим знаменитым опытом по обнаружению поворота магнитной стрелки вблизи проводника с током. Все остальное было сделано французским ученым Ампером. О ходе мысли этого гениального человека можно судить по его сообщениям Парижской академии наук, следовавшим друг за другом. Сначала под непосредственным впечатлением от наблюдения поворота магнитной стрелки вблизи тока Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами,

обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Главный шаг был сделан. Было понято, что магнитные свойства тела можно объяснить циркулирующим внутри него током. Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Этот решающий шаг от возможности объяснения магнитных свойств токами к категорическому утверждению, что магнитное взаимодействие - это взаимодействие токов, - свидетельство большой научной смелости Ампера.

Рис. 14. Молекулярные токи в намагниченном теле, согласно гипотезе Ампера, ориентированы строго определенным образом.

Согласно предположению Ампера, внутри атомов и молекул вещества циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи расположены хаотически по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируется и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы определенным образом, так что их действия складываются (рис. 14).

Там, где Кулон видел неразделимые магнитные заряды (или полюсы) молекул, оказались просто замкнутые электрические токи. Неразделимость магнитных полюсов полностью потеряла свою загадочность. Нет магнитных зарядов, и нечего делить. Магнитные взаимодействия обусловлены не особыми магнитными зарядами, подобными электрическим, а движением электрических зарядов - токами. Впоследствии их существование было доказано прямыми опытами.

Выполнив серию опытов, Ампер открыл закон механического взаимодействия между электрическими токами, решив тем самым проблему магнитного взаимодействия. Тот закон взаимодействия полюсов магнита, который Кулон считал фундаментальным, оказался одним из бесчисленных следствий открытия Ампера.

В обычных условиях силы магнитного взаимодействия частиц гораздо слабее кулоновских. Тем не менее силы взаимодействия токов могут достигать огромной величины. Достаточно вспомнить, что именно эти силы приводят во вращение якорь любого, в том числе и самого большого, электромотора. Более мощные кулоновские силы почти никак не удается использовать в технике. Все дело в том, что мы можем создавать очень большой силы токи, т. е. приводить в движение (правда, сравнительно медленно) громадные количества электронов в проводниках. Создать же очень большие электрические заряды не удается. Большой заряд просто не удержится на теле из-за мощных сил отталкивания. В природе, напротив, роль магнитных взаимодействий по сравнению с электрическими довольно скромна. Сила тока в природе редко достигает большой величины (молния).

Внутри атомов и молекул основное значение имеет кулоновское взаимодействие заряженных частиц. Магнитные силы не могут действовать мгновенно непосредственно через пустое пространство. Подобно тому как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем движущиеся заряды (т. е. электрический ток), дополнительно возникает особого рода поле, которое называется магнитным полем. Взаимодействие между токами осуществляется посредством магнитного поля. Один ток не непосредственно действует на другой. Первый ток создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на второй, и наоборот.

Ответ на вопрос, что такое магнитное поле, также сводится к перечислению его свойств. Как и в случае электрического поля, иного ответа мы дать не можем. Основное свойство магнитного поля - способность его действовать на движущиеся заряды с определенной силой.

Рис. 15. Силовые линии магнитного поля прямого тока.

Силовые линии магнитного поля охватывают токи в виде замкнутых линий, не имеющих ни начала, ни конца. (Силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.) Их можно сделать "видимыми" с помощью железных опилок на гладкой стеклянной пластинке. Если слегка постукивать по пластинке для уменьшения сил трения, то опилки будут выстраиваться вдоль силовых линий (рис. 15).

Максвеллом на основе открытий Кулона и Ампера были сформулированы точные законы, определяющие напряженность электрического и магнитного полей в зависимости от распределения в пространстве зарядов и их скоростей.

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879)

Английский физик, член Лондонского королевского общества, основоположник теории электромагнетизма. Максвелл дополнил и развил идеи Фарадея и облек их в совершенную математическую форму. Из теории Максвелла следует, что скорость распространения электромагнитных процессов конечна и определяется свойствами среды. Дальнейшее развитие теории привело Максвелла к выводу об электромагнитной теории света. Он ввел в физику методы математической статистики, пользуясь которыми сформулировал в кинетической теории газов закон распределения молекул по скоростям. Выполнил ряд крупных работ по оптике, молекулярной физике, теории упругости, исследовал устойчивость колец Сатурна и показал, что эти кольца не являются сплошными, а образованы множеством мелких спутников.

перейти к началу страницы