Физика

Содержание раздела

Электричество и магнетизм

Взаимная связь электрических и магнитных полей

Первый и самый важный шаг в обнаружении новых свойств электрических и магнитных полей был сделан Майклом Фарадеем в 1831 г. Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Для этого достаточно положить его внутрь катушки с током. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока? Фарадею удалось разрешить эту задачу и открыть принцип, лежащий в основе устройства генераторов электростанций во всем мире.

Открытие пришло не сразу, так как трудно было додуматься до главного: только движущийся магнит или переменный ток способны возбудить электрический ток в катушке. Первоначально Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции ("индукция" значит "наведение") с помощью двух изолированных друг от друга проволочных спиралей, намотанных на деревянную катушку. Одна спираль была присоединена к большой гальванической батарее, а другая - к чувствительному регистратору тока - гальванометру. При замыкании и размыкании цепи первой спирали наблюдалось слабое отклонение стрелки гальванометра в цепи второй спирали. Через полтора месяца после первого успешного эксперимента Фарадей обнаружил индукционный ток в катушке в момент вдвигания или выдвигания магнита.

Во всех этих опытах, внешне выглядевших по-разному, Фарадей уловил общую суть. В замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток при изменении магнитного поля, пронизывающего поверхность, ограниченную этим контуром (рис. 16).

Причина изменения магнитного поля не имеет никакого значения. Это может быть и изменение силы тока в соседней катушке, и сближение катушек, и движение магнита.

Возникший в катушке индукционный ток, конечно же, будет взаимодействовать с теми токами, которые его породили. Русский ученый Э. X. Ленц сформулировал общее правило, определяющее направление индукционного тока: этот ток должен отталкивать породивший его первичный ток в момент, когда магнитное поле этого тока, пронизывающее контур с индукционным током, нарастает. Напротив, если это поле убывает, то индукционный ток притягивается к первичному.

Если бы это было не так, то наш мир был бы катастрофически неустойчивым. В нем не сохранялась бы энергия. Действительно, подтолкнув слегка магнит к катушке, мы вызвали бы в ней ток, притягивающий магнит. В результате ток увеличивал бы скорость магнита и благодаря этому увеличивал сам себя. Энергия в системе нарастала бы, что противоречит закону сохранения энергии.

Э. X. Ленц был первым, кто понял связь между сохранением энергии и, направлением индукционного тока.
Явление электромагнитной индукции позволило сконструировать генераторы, преобразующие механическую энергию в энергию электрического тока.

Пусть прямоугольная проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле (рис. 17, а). Число силовых линий, пронизывающих рамку, непрерывно меняется от максимального значения, когда она расположена поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль рамки. В результате в цепи рамки появляется переменный ток (рис. 17, б). В обычной электрической сети ток меняет свое направление 50 раз в секунду.

Индукционный ток взаимодействует с внешним магнитным полем и, в соответствии с правилом Ленца, тормозит вращение рамки. Только поэтому нужно для вращения рамки совершать работу, тем большую, чем больше сила тока в цепи. За счет данной работы и возникает в конечном счете индукционный ток. Реальный генератор устроен, конечно, гораздо сложнее, чем простая рамка, вращающаяся в постоянном магнитном поле. Во-первых, вместо одной рамки имеется сложная обмотка из множества рамок на железном сердечнике - якорь. Во-вторых, магнитное поле, в котором вращается якорь, создает электромагнит, питаемый тем самым током, который вырабатывается генератором. Кроме того, имеется много технических ухищрений, позволяющих сделать к.п.д. генератора близким к 100%.

Что вызывает перемещение электронов в якоре генератора!

Что же вызывает смещение электронов в проводниках якоря генератора? Смещение, которое создает напряжение на его зажимах и приводит в движение электроны во всей цепи на расстояниях в сотни и даже тысячи километров от генератора.

В проводнике есть свободные электроны. Пока рамка неподвижна, неподвижны и они. (В действительности это не совсем так. И в неподвижном проводнике электроны совершают беспорядочное тепловое движение. Но средняя скорость такого движения равна нулю, так как число электронов, движущихся в одном направлении, равно числу электронов, движущихся в противоположном направлении. Средняя сила электрического тока соответственно равна нулю, как если бы электроны покоились.) Но как только проводники рамки приходят в движение, содержащиеся в них электроны сразу начинают двигаться. На движущиеся заряды, согласно закону Ампера, будет действовать сила со стороны магнитного поля. Именно эта сила и приводит электроны в движение.

Работу сил неэлектростатического происхождения (в данном случае магнитных) по перемещению единичного положительного заряда вдоль проводника называют электродвижущей силой в этом проводнике (сокращенно э.д.с.). В якоре генератора возникает э.д.с. индукции, что в конечном счете приводит к перемещению зарядов во всей цепи с помощью того механизма образования поверхностных зарядов, о котором было рассказано.

Если проводник движется в магнитном поле, то индукционный ток возбуждает сила, действующая на свободные заряды со стороны магнитного поля. А как понять причину возникновения индукционного тока, а значит и э.д.с. индукции, если проводник неподвижен, как это было в первом опыте Фа-радея?

Вихревое электрическое поле

Перед нами обыкновенный трансформатор, состоящий из двух катушек на общем железном сердечнике (рис. 18, 19).

Трансформатор применяется для того, чтобы повысить или понизить напряжение переменного тока. Включив первичную обмотку трансформатора в сеть, мы немедленно получим ток в соседней вторичной обмотке, если только она замкнута. Электроны этой обмотки придут в движение. Но какие же силы вызывают их движение?

Магнитное поле этого сделать не может, так как электроны неподвижны. Кроме магнитного поля на электроны может действовать поле электрическое. Причем последнее действует на неподвижные заряды. Однако то поле (электростатическое), о котором шла речь, создается непосредственно электрическими зарядами. В трансформаторе же индукционный ток появляется под действием переменного магнитyого поля. Уж не появляются ли здесь какие-то новые, особые поля?

Спешить с подобными заключениями, усложняющими картину мира, нет нужды. Ведь пока мы знаем основные свойства постоянных (не изменяющихся со временем) электрических и магнитных полей. А что если у переменных полей есть новые свойства? Тогда для объяснения появления индукционного тока в неподвижном проводнике остается единственная возможность. Электроны во вторичной обмотке трансформатора приходят в движение под действием электрического поля, но это электрическое поле порождается не зарядами, а переменным магнитным полем. Таким образом утверждается существование нового фундаментального свойства электромагнитного поля: переменное магнитное поле порождает в пространстве вокруг себя электрическое поле.

Итак, в явлении электромагнитной индукции главное - это рождение переменным магнитным полем в пустом пространстве электрического поля. Присутствие проводника - факт второстепенный. Проводник с его запасом свободных электронов - просто регистратор возникающего электрического поля. Оно приводит в движение электроны и тем самым обнаруживает себя.

Истинный смысл закона электромагнитной индукции был найден английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Он же придал этому закону ту простую и ясную математическую форму, которой сейчас пользуется весь мир.

Возникающее при изменении магнитного поля электрическое поле имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно создается не зарядами, а возникает под влиянием магнитного поля непосредственно в пространстве (пустом или заполненном веществом - безразлично). Соответственно, его силовые линии ни на чем не начинаются и ни на чем не кончаются. Они всегда замкнуты подобно линиям магнитного поля (рис. 20). Такое поле называется вихревым. Оно не имеет потенциального характера. При перемещении заряда вдоль замкнутой силовой линии электрического поля совершается работа, отличная от нуля. Она и представляет собой э.д.с. индукции в обмотке трансформатора.

Может быть, у вас возникнет вопрос: а каков же "механизм" порождения электрического поля магнитным? Нельзя ли разъяснить в деталях, как и за счет чего осуществляется связь электрического и магнитного полей в природе? Увы, нельзя. Закон электромагнитной индукции - это основной, или, можно сказать, первичный, закон природы. Действием его можно объяснить массу явлений, но сам он остается необъяснимым просто по той причине, что более глубоких законов, из которых он бы вытекал как следствие, мы не знаем. Такова судьба всех фундаментальных законов: закона всемирного тяготения, законов Кулона, Ампера.

Ток смещения

Порождение электрического поля магнитным Максвелл усмотрел в явлении электромагнитной индукции. Следующий, и последний, шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был сделан им уже без какой-либо помощи эксперимента.

Магнитное поле рождает электрическое. Не может ли существовать обратный процесс, когда переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное? Максвелл допустил, что такого рода процесс должен реально происходить в природе. Кроме соображений симметрии свойств полей для этого было еще одно важное основание. На строгом языке математики оно выглядело весьма убедительно. Замкнутость силовых линий магнитного поля требует (показать это можно только с помощью сложной математики) замкнутости электрического тока, который порождает магнитное поле.

Однако обычный электрический ток, или ток проводимости, как его часто называют, не всегда замкнут. Пусть в цепь включен конденсатор: две пластины на небольшом расстоянии друг от друга (рис. 21). Если приложенное напряжение является переменным, то конденсатор будет попеременно заряжаться и разряжаться и в цепи пойдет ток, хотя никакого движения зарядов между пластинками конденсатора нет.

В пространстве между пластинками изменяющийся электрический заряд пластин создает переменное электрическое поле. Вот это поле Максвелл и назвал током смещения. Добавка "смещение" к слову "ток", с одной стороны, говорит нам, что это не обычный ток, а нечто специфическое, а с другой стороны, напоминает о том отдаленном времени, когда с изменением электрического поля в пустоте связывалось механическое смещение частиц гипотетической среды - мирового эфира, заполняющего все пространство. Гипотеза Максвелла позволила рассматривать ток в цепи как замкнутый: между пластинками ток смещения продолжает ток проводимости. Тем самым ликвидировалось противоречие между замкнутостью силовых линий магнитного поля и незамкнутостью тока проводимости в данном частном случае. Но суть гипотезы состояла, конечно, не в придумывании нового термина. Переменное электрическое поле (по Максвеллу - ток смещения) порождает магнитное поле по точно таким же законам, как и обычный ток проводимости. Причем Максвелл не только высказал данную гипотезу, но тут же нашел точный количественный закон, определяющий напряженность магнитного поля в зависимости от скорости изменения поля электрического.

Справедливость этого утверждения Максвелла была доказана экспериментально лишь спустя почти 10 лет после его смерти, когда были обнаружены электромагнитные волны. Электромагнитная индукция и ток смещения полностью определяют возможность существования электромагнитных волн. Таким образом, еще одно фундаментальное, не подлежащее разложению на более элементарные, свойство электромагнитного поля было обнаружено. Переменное электрическое поле порождает в пустом пространстве магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями. Причем в растущем электрическом поле силовые линии магнитного поля образуют правый винт с полем (рис. 22), в отличие от левого винта для поля в явлении электромагнитной индукции (рис. 20). Глубокий смысл этого мы выясним немного позднее.

Сама возможность появления гипотезы Максвелла возникла лишь после объяснения электромагнитной индукции на основе представлений о поле. В то время когда большинство известных ученых не придавало самому понятию поля серьезного значения и когда до момента экспериментального доказательства его существования оставалось более десяти лет, Максвелл смело положил в основу количественной теории представление о поле. И далее, идя шаг за шагом, опираясь на установленные опытным путем закономерности, он пришел к конечной цели. Предположение о существовании токов смещения было последним важным звеном. Здесь Максвелл наделил предполагаемый объект (поле) новым предполагаемым свойством, не имея на то, в отличие от предыдущих случаев, прямых экспериментальных указаний.

Электромагнитное поле

После открытия взаимосвязи электрического и магнитного полей стал очевидным важнейший факт: эти поля не суть нечто обособленное, независимое одно от другого. Они - проявление единого целого, которое может быть названо электромагнитным полем.

Пусть в некоторой области пространства есть неоднородное электрическое поле, созданное каким-либо зарядом, покоящимся относительно Земли. Магнитного поля вокруг заряда нет. Но так будет только по отношению к Земле (в системе отсчета, неподвижной относительно Земли, как говорят физики). Для движущегося наблюдателя неоднородное, но не меняющееся со временем поле будет представляться уже переменным. А переменное поле рождает магнитное, и движущийся наблюдатель может обнаружить магнитное поле наряду с электрическим. Точно так же лежащий на Земле магнит создает только магнитное поле. Но движущийся относительно него наблюдатель обнаруживает и электрическое поле в полном соответствии с явлением электромагнитной индукции.

Поэтому утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое (или магнитное) поле, само по себе лишено смысла. Нужно добавить: по отношению к определенному наблюдателю, по отношению к определенной системе отсчета. Среди бесчисленных следствий, вытекающих из теории электромагнитного поля Максвелла, содержится важный результат: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Согласно теории дальнодействия, сила, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. В действительности дело обстоит совершенно иначе.

Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле (ток смещения) порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, рождает переменное электрическое поле; электрическое, в свою очередь, - магнитное и т. д. (рис. 23). Причем возникающие вихри магнитного (или электрического) поля охватывают новые и новые области пространства. Все происходит по тем правилам определения направления полей, о которых мы уже говорили раньше. Если бы поля были направлены иначе, то это привело бы к нарушению закона сохранения энергии. Созданное в пространстве магнитное поле нарастало бы со временем, распространяясь во все стороны.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, к жизни дремавшие до этого способности электромагнитного поля, и в результате всплеск этого поля, распространяясь, охватывает все большие и большие области окружающего пространства. Наконец этот всплеск достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент, когда сместится первый заряд. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был раскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью; Максвелл чисто математически показал, что эта скорость равна скорости света в пустоте: 300000км/с.

Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923)

Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии (1901). В 1895 г. открыл особого рода излучение - рентгеновские лучи, или Х-лучи. Рентгеновские лучи и радиоактивность, обнаруженная вскоре после открытия рентгеновских лучей, привели к созданию физики атома. Рентгеновские лучи сразу же получили широкое применение в медицине. Рентген был блестящим экспериментатором. До нашего времени сохранили значение его рекордные по точности измерения отношения теплоемкостей газов, вязкости и диэлектрической проницаемости ряда жидкостей. Рентгену принадлежат классические исследования пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств кристаллов, опыты по измерению магнитного поля, создаваемого движущимися зарядами на изолированных друг от друга проводниках.

Леонид Исаакович Мандельштам (1879-1944)

Советский физик, академик, лауреат Государственной премии СССР. Научные труды Мандельштама относятся к оптике, теории колебаний и радиофизике. Совместно с Г. С. Ландсбергом (независимо от индийского физика Ч. Рамана) открыл комбинационное рассеяние света в кристаллах. Один из создателей теории нелинейных колебаний. Совместно с Н. Д. Па-палекси предложил новый метод возбуждения электрических колебаний, так называемую параметрическую генерацию; разработал интерференционный метод измерения скорости распространения радиоволн и применил его к измерению больших расстояний. Мандельштаму принадлежат работы по статистической и квантовой физике и теории относительности.
 

перейти к началу страницы