Кто открыл магнитное поле

Магнетизм – от Фалеса до Максвелла

Еще за тысячу лет до первых наблюдений электрических явлений, человечество уже начало накапливать знания о магнетизме. И всего четыреста лет тому назад, когда становление физики как науки только началось, исследователи отделили магнитные свойства веществ от их электрических свойств, и только после этого начали изучать их самостоятельно. Так было положено экспериментальное и теоретическое начало, ставшее к середине 19 века фундаментом единой теории электрических и магнитных явлений.

Похоже, что необычные свойства магнитного железняка были известны еще в период бронзового века в Месопотамии. А после начала развития железной металлургии люди заметили, что он притягивает изделия из железа. О причинах этого притяжения задумывался и древнегреческий философ и математик Фалес из города Милет (640−546 гг. до н. э.), он объяснял это притяжение одушевленностью минерала.

Греческие мыслители представляли, как невидимые пары окутывают магнетит и железо, как эти пары влекут вещества друг к другу. Слово «магнит» могло произойти он названия города Магнесии-у-Сипила в Малой Азии, недалеко от которого залегал магнетит. Одна из легенд рассказывает, что пастух Магнис как-то оказался со своими овцами рядом со скалой, которая притянула к себе железный наконечник его посоха и сапоги.

В древнекитайском трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю» (240 г. до н. э.) упоминается свойство магнетита притягивать к себе железо. Через сто лет китайцы отметили, что магнетит не притягивает ни медь, ни керамику. В 7-8 веках они заметили, что намагниченная железная игла, будучи свободно подвешена, поворачивается по направлению к Полярной звезде.

Так ко второй половине 11 века в Китае начали изготавливать морские компасы, которые европейские мореплаватели освоили лишь через сто лет после китайцев. Тогда китайцы уже обнаружили способность намагниченной иглы отклоняться в направлении восточнее северного, и открыли таким образом магнитное склонение, опередив в этом европейских мореплавателей, пришедших к точно такому выводу только в 15 столетии.

В Европе первым свойства природных магнитов описал философ из Франции Пьер де Марикур, который в 1269 году пребывал на службе в армии сицилийского короля Карла Анжуйского. В период осады одного из итальянских городов, он отправил другу в Пикардию документ, вошедший в историю науки под названием «Письмо о магните», где и рассказал о своих экспериментах с магнитным железняком.

Марикур отметил, что в любом куске магнетита есть две области, которые особенно сильно притягивают к себе железо. Он заметил в этом сходство с полюсами небесной сферы, поэтому позаимствовал их названия для обозначения областей максимума магнитной силы. Оттуда и пошла традиция называть полюса магнитов южным и северным магнитными полюсами.

Марикур писал, что если разбить любой кусок магнетита на две части, то в каждом осколке появятся собственные полюса.

Марикур впервые связал эффект отталкивания и притяжения магнитных полюсов с взаимодействием разноименных (южного и северного), либо одноименных полюсов. Марикур по праву считается пионером европейской экспериментальной научной школы, его заметки о магнетизме воспроизводились в десятках списков, а с появлением книгопечатания издавались в форме брошюры. Их цитировали многие ученые натуралисты вплоть до 17 столетия.

С трудом Марикура был хорошо знаком и английский естествоиспытатель, ученый и врач Уильям Гильберт. В 1600 году он опубликовал труд «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». В этом труде Гильберт привел все известные на тот момент сведения о свойствах природных магнитных материалов и намагниченного железа, а также описал свои собственные опыты с магнитным шаром, в которых воспроизвел модель земного магнетизма.

В частности он опытным путем установил, что на обоих полюсах «маленькой Земли» стрелка компаса поворачивается перпендикулярно ее поверхности, у экватора устанавливается параллельно, а на средних широтах – поворачивается в промежуточное положение. Таким образом Гильберту удалось смоделировать магнитное наклонение, о котором в Европе знали более 50 лет (в 1544 году его описал Георг Хартман, механик из Нюрнберга).

Гильберт воспроизвел также геомагнитное склонение, которое он приписал не идеально гладкой поверхности шара, а в масштабе планеты объяснил этот эффект притяжением между континентами. Он обнаружил, как сильно разогретое железо теряет свои магнитные свойства, а при охлаждении – восстанавливает их. Наконец, Гильберт первым четко различил притяжение магнита и притяжение янтаря, натертого шерстью, которое назвал электрической силой. Это был поистине новаторский труд, оцененный как современниками, так и потомками. Гильберт открыл, что Землю будет правильным считать «большим магнитом».

До самого начала XIX века наука о магнетизме продвинулась очень немного. В 1640 году Бенедетто Кастелли, ученик Галилея, объяснил притяжение магнетита множеством очень маленьких магнитных частиц, входящих в его состав.

В 1778 году Себальд Бругманс, уроженец Голландии, заметил, как висмут и сурьма отталкивали полюса магнитной стрелки, что стало первым примером физического феномена, который позже Фарадей назовет диамагнетизмом.

Шарль-Огюстен Кулон в 1785 году, посредством точных измерений на крутильных весах, доказал, что сила взаимодействия магнитных полюсов между собой обратно пропорциональна квадрату расстояния между полюсами – так же точно, как и сила взаимодействия электрических зарядов.

С 1813 года датский физик Эрстед усердно пытался экспериментально установить связь электричества с магнетизмом. В качестве индикаторов исследователь использовал компасы, но долго не мог достичь цели, ведь он ожидал, что магнитная сила параллельна току, и располагал электрический провод под прямым углом к стрелке компаса. Стрелка никак не реагировала на возникновение тока.

Весной 1820 года, во время одной из лекций, Эрстед натянул провод параллельно стрелке, причем не ясно, что привело его к этой идее. И вот стрелка качнулась. Эрстед почему-то прекратил эксперименты на несколько месяцев, после чего вернулся к ним и понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток».

Вывод был парадоксальным, ведь раньше вращающиеся силы не проявляли себя ни в механике, ни где-либо еще в физике. Эрстед написал статью, где изложил свои выводы, и больше электромагнетизмом так и не занимался.

Осенью того же года француз Андре-Мари Ампер приступил к опытам. Перво-наперво повторив и подтвердив результаты и выводы Эрстеда, в начале октября он обнаружил притяжение проводников, если токи в них направлены одинаково, и отталкивание, если токи противоположны.

Ампер изучил также взаимодействие между непараллельными проводниками с током, после чего описал его формулой, названой позже законом Ампера. Ученый показал и то, что свернутые в спираль провода с током поворачиваются под действием магнитного поля, как это происходит со стрелкой компаса.

Наконец, он выдвинул гипотезу о молекулярных токах, согласно которой внутри намагниченных материалов имеют место непрерывные микроскопические параллельные друг другу круговые токи, служащие причиной магнитного действия материалов.

В то же время Био и Савар совместно вывели математическую формулу, позволяющую вычислять интенсивность магнитного поля постоянного тока.

И вот, к концу 1821 года Майкл Фарадей, уже работавший в Лондоне, изготовил устройство, в котором проводник с током вращался вокруг магнита, а другой магнит поворачивался вокруг другого проводника.

Фарадей выдвинул предположение, что и магнит, и провод окутаны концентрическими силовыми линиями, которые и обуславливают их механическое воздействие.

Со временем Фарадей уверился в физической реальности силовых магнитных линий. К концу 1830-х ученый уже четко осознавал, что энергия как постоянных магнитов, так и проводников с током, распределена в окружающем их пространстве, которое заполнено силовыми магнитными линиями. В августе 1831 года исследователю удалось заставить магнетизм производить генерацию электрического тока.

Устройство состояло из железного кольца с расположенными на нем двумя противоположными обмотками. Первую обмотку можно было замыкать на электрическую батарею, а вторая соединялась с проводником, помещенным над стрелкой магнитного компаса. Когда по проводу первой катушки тек постоянный ток, стрелка не меняла своего положения, но начинала качаться в моменты его выключения и включения.

Фарадей пришел к заключению, что в эти моменты в проводе второй обмотки возникали электрические импульсы, связанные с исчезновением или возникновением магнитных силовых линий. Он сделал открытие, что причиной возникающей электродвижущей силы является изменение магнитного поля.

В ноябре 1857 года Фарадей написал письмо в Шотландию профессору Максвеллу с просьбой придать математическую форму знаниям об электромагнетизме. Максвелл просьбу выполнил. Понятие электромагнитного поля нашло место в 1864 году в его мемуарах.

Максвелл ввел термин «поле» для обозначения части пространства, которая окружает и содержит тела, пребывающие в магнитном или электрическом состоянии, причем он особо подчеркнул, что само это пространство может быть и пустым и заполненным совершенно любым видом материи, а поле все равно будет иметь место.

В 1873 году Максвелл издал «Трактат об электричестве и магнетизме», где представил систему уравнений, объединяющих электромагнитные явления. Он дал им название общих уравнений электромагнитного поля, и по сей день они зовутся уравнениями Максвелла. По теории Максвелла магнетизм – это взаимодействие особого рода между электрическими токами. Это фундамент, на котором построены все теоретические и экспериментальные работы, относящиеся к магнетизму.

История развития представлений о магнитном поле

Один из первых рисунков магнитного поля (Рене Декарт, 1644). Хотя магниты и магнетизм были известны гораздо раньше, изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский ученый Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя, Уильям Гильберт Колчестер использовал труд Петра Перегрина и впервые определённо заявил, что сама Земля является магнитом. Опубликованная в 1600 году, работа Гилберта «De Magnete», заложила основы магнетизма как науки.

В 1750 году Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются в соответствии с законом обратных квадратов. Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально проверил это утверждение в 1785 году и прямо заявил, что Северный и Южный полюс не могут быть разделены. Основываясь на этой силе, существующей между полюсами, Симеон Дени Пуассон, (1781—1840) создал первую успешную модель магнитного поля, которую он представил в 1824 году. В этой модели магнитное H-поле производится магнитными полюсами и магнетизм происходит из-за нескольких пар (север/юг) магнитных полюсов (диполей). [15]

Три открытия подряд бросили вызов этой «основе магнетизма». Во-первых, в 1819 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле вокруг себя. Затем, в 1820 году, Андре-Мари Ампер показал, что параллельные провода, по которым идёт ток в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу. Наконец, Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году открыли закон, названный законом Био-Савара-Лапласа, который правильно предсказывал магнитное поле вокруг любого провода, находящегося под напряжением. [15]

Расширив эти эксперименты, Ампер издал свою собственную успешную модель магнетизма в 1825 году. В ней он показал эквивалентность электрического тока в магнитах, и вместо диполей магнитных зарядов модели Пуассона, предложил идею, что магнетизм связан с постоянно текущими петлями тока. Эта идея объясняла, почему магнитный заряд не может быть изолирован. Кроме того, Ампер вывел закон, названный его именем, который, как и закон Био-Савара-Лапласа, правильно описал магнитное поле, создаваемое постоянным током, а также была введена теорема о циркуляции магнитного поля. Кроме того, в этой работе, Ампер ввел термин «электродинамика» для описания взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, когда он обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электричество. Он создал определение этого феномена, которое известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Позже Франц Эрнст Нейман доказал, что для движущегося проводника в магнитном поле, индукция является следствием действия закона Ампера. При этом он ввел векторный потенциал электромагнитного поля который, как позднее было показано, был эквивалентен основному механизму, предложенному Фарадеем. В 1850 году лорд Кельвин, тогда известный как Уильям Томсон, различие между двумя магнитными полями обозначил как поля H и B. Первое было применимо к модели Пуассона, а второе — к модели индукции Ампера. Кроме того, он вывел как H и B связаны друг с другом. Между 1861 и 1865 годами Джеймс Клерк Максвелл разработал и опубликовал уравнения Максвелла, которые объяснили и объединили электричество и магнетизм в классической физике. Первая подборка этих уравнений была опубликована в статье в 1861 году, озаглавленной «On Physical Lines of Force». Эти уравнения были признаны действительными, хотя и неполными. Максвелл завершил свои уравнения в своей более поздней работе 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля» и определил, что свет представляет собой электромагнитные волны. Генрих Герц экспериментально подтвердил этот факт в 1887 году. Хотя подразумеваемая в законе Ампера сила магнитного поля движущегося электрического заряда не была явно заявлена, в 1892 году Хендрик Лоренц вывел её из уравнений Максвелла. При этом классическая теория электродинамики была в основном завершена.

Двадцатый век расширил взгляды на электродинамику, благодаря появлению теории относительности и квантовой механики. Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года, где была обоснована его теория относительности, показал, что электрические и магнитные поля являются частью одного и того же явления, рассматриваемого в разных системах отсчета — мысленный эксперимент, который в конечном итоге помог Эйнштейну в разработке специальной теории относительности. Наконец, квантовая механика была объединена с электродинамикой для формирования квантовой электродинамики (КЭД).

Магнитное поле. Применение магнитного поля

Открытие магнитного поля датским физиком Эрстедом

В 11 веке уже использовали компас. В Европе компас появился в 13 веке. Магнитное поле было открыто в 1820 году датским физиком Эрстедом при помощи опыта. Он собрал цепь из источника тока, реостата и соединительных проводов. К одному из проводников он поднес магнитную стрелку, и увидел, что магнитная стрелка повернулась. Допустим в левую сторону южным полюсом, а правую сторону повернулась северным полюсом. Чтобы убедиться, что это произошло не случайно поменял направление тока. Он увидел, что магнитная стрелка повернулась на 180 градусов. Отсюда сделал вывод.

Вокруг всякого проводника с током существует магнитное поле.

Исследование магнитного поля французским физиком Ампером

После сообщения Эрстедом о своём открытии, ученые многих стран стали исследовать магнитное поле. Французский физик Ампер хотел узнать как будет действовать магнитное поле на проводник с током помещенным в него. Взял два проводника и расположил их на расстояние в 1 м. Ток в проводниках направил в одну сторону. Проводники стали друг к другу притягиваться. А если ток в проводниках был направлен в разную сторону, то они стали друг от друга отталкиваться. Ученый определил силу взаимодействия между проводниками.

F = 2* 10 -7 H

Свойства магнитного поля

1) Возникает вокруг проводника с током или движущихся заряженных частиц.

2) Не имеет границ.

3) Нельзя обнаружить органами чувств.

4) Движется со скоростью света = 3 * 10 8 м/с.

5) Ориентирует магнитную стрелку или рамку с током.

6) Действует с силой на проводник с током или движущуюся заряженную частицу.

Силовые линии магнитного поля

Магнитным полем называют особый вид материи, который существует вокруг всякого проводника с током или движущимся электрическим зарядом и действует с силой на другой проводник с током или движущийся электрический заряд.

Магнитное поле, которое возникает вокруг проводника с током или движущейся заряженной частицы, или вокруг нашей планеты Земля. Изображается на чертеже в виде силовых линий. Рассмотрим опыт: воспользуемся соленоидом, который установлен внутри столика. Направим ток вдоль соленоида. Если на столик посыпать железные опилки, то они располагаются в виде замкнутых концентрических окружностей, которые начинаются на северном полюсе, а заканчиваются на южном полюсе. Любая катушка, по которой течет ток, сама становится магнитом. У неё возникают магнитные полюса, которые можно определить при помощи магнитных стрелок.

Применение магнитного поля

Электромагнитом называют катушку с железным сердечником внутри.

Магнитные свойства электромагнита зависят:

1) От металла, из которого изготовлен сердечник.

2) От числа витков проволоки, намотанной на катушку.

3) От величины силы тока в катушке.

Электромагниты имеют широкое применение:

  • в телефонах
  • для переноски тяжелых грузов в цехах
  • в автоматических устройствах
  • для сортировки изделий по цвету, по форме, по качеству обработки изделий
  • для очистки зерна от мелких металлических изделий (в сепараторах)
  • в телеграфах

Вращение катушки с током в магнитном поле используется в устройстве электрического двигателя. Первый электрический двигатель создан русским физиком, Б.С. Якоби.

1. Якорь (состоит из металлического цилиндра, в пазах которого укладываются обмотки, сделанные вдоль боковой поверхности железного цилиндра)

2. Электромагнит (усиливает магнитное поле)

3. Коллектор (состоит из медных пластин, к которым припаиваются обмотки, находящиеся в пазах якоря)

4. Щётки (при помощи которых подаётся ток на пластины коллектора)

Двигатели постоянного тока нашли широкое применение на транспорте: электровоз, трамваи, троллейбусы. В промышленности применяют двигатели, работающие на переменном токе. Их используют в насосах для выкачивания нефти из скважин, в работе различных станков. Практически во всех бытовых приборах применяют электрические двигатели. Электрические двигатели имеют большое преимущество. При работе они не выделяют газа, дым, пар. Их можно установить в удобном месте на станке, на тележке электровоза, в электробритвах, в прокатных станах, кораблях. Коэффициент полезного действия электрических двигателей высокий. Достигает 98%. Такого высокого коэффициента не имеет никакой другой двигатель.

История открытия магнетизма

МАГНЕТИЗМ (греч. μαγνῆτις — магнитный железняк, магнит, от Магнесия , города в Малой Азии, где были залежи этой руды) — совокупность нек-рых свойств и явлений, связанных с особым родом взаимодействия тел. В макроскопических масштабах магнетизм проявляется как взаимодействие (притяжение и отталкивание) между элоктрич. токами, между токами и телами, обладающими магнитным моментом,— магнитами (постоянными и временными), а также между магнитами.

Что такое магнетизм

Это взаимодействие осуществляется магнитным полем, являющимся одним из видов электромагнитного поля, к-рое представляет собой особую форму материи. Макроскопическое магнитное взаимодействие тел вызывается магнетизм микроскопіи, атомных частиц (электронов, протонов, нейтронов), к-рые, наряду с массой и элементарным электрич. зарядом, обладают элементарным магнитным моментом; кроме того, эти частицы создают также магнитные поля, связанные с их поступательным движением (скоростью), и подвергаются воздействию со стороны внешнего магнитного поля в зависимости от скорости своего движения в этом поле. Магнитные свойства присущи в той или иной степени всем телам. При рассмотрении магнитных свойств веществ для последних употребляют общий термин — магнетики.

Магнитное взаимодействие тел

Магнитное взаимодействие играет существенную роль во всех физико-химич. процессах в веществе. Земля, другие планеты,Солнце и звёзды также являются магнитами. Магнитные поля в межзвёздных и межпланетных пространствах оказывают влияние на движение частиц, образующих космические лучи (магнетизм). Широкий диапазон явлений магнетизм, простирающийся от внутриатомного и внутриядерного магнетизм до магнетизм космических пространств, обусловливает большую роль магнетизм в науке и в практике. Магнитные свойства ряда веществ широко используются в современной технике. Современное учение о магнетизм разделяется на три части: магнетизм атомных частиц, магнетизм взаимодействующих коллективов атомов и молекул (магнетизм веществ) и земной магнетизм (смагнетизм).

История учения о магнетизме

Точных данных о времени и месте открытия магнетизм не имеется. Впервые магнетизм был обнаружен в виде естественной намагниченности нек-рых железных руд. Наиболее древнее практическое применение магнетизм известно в Китае. магнетизм был известен и народам, жившим в бассейне Средиземного моря. Древнегреческие и римские учёные неоднократно упоминали о магнетизм железа и железных руд. В средние века отдельные упоминания о магнетизм встречаются у арабских учёных (напр., у Абу-Муза-Джабера, 800 н. э.).

У. Гильберт «О магните, магнитных телах и о великом магните Земли»

В 12 и 13 веке появляется описание стрелочного компаса в трудах европейских учёных. Систематическое опытное изучение магнетизм берёт начало с работы англ, учёного У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о великом магните Земли» (1600). Гильберт доказал невозможность разъединения двух разноимённых полюсов магнита, обнаружил, что магнит теряет магнитные свойства при нагревании до яркого каления и вновь обретает их при охлаждении, использовал магнитное ярмо (насадки из мягкого железа к постоянным магнитам) для увеличения их силы притяжения; он первый стал рассматривать Землю как магнит. Зная лишь статические свойства магнетизм и электричества, он пришёл к ошибочному выводу об отсутствии связи между магнитными и электрич. явлениями.

Учение Гильберта было развито итал. учёным Г. Галилеем (начало 17 в.). Опытные данные Гильберта были истолкованы амер. учёным В. Франклином (середина 18 в.) на основе примитивного представления о магнетизм как особой жидкости, находящейся в намагниченном теле и обусловливающей, в зависимости от её избытка или недостатка, притяжение или отталкивание. Крупный шаг в развитии учения о магнетизм был сделан в Петербургской академии наук. магнетизм В. Ломоносов, отмечая важность и трудность теории магнетизм как «тончайших всех материй, что ни есть в физике», высказал идею о необходимости замены старого объяснения магнетизм как результата истечения особых частиц теорией, основанной на идее эфира.

Ф. Эпинус «Опыт теории электричества и магнетизма»

Исследоваиия Ломоносова и Г. В. Рихмана по электричеству явились источником трактата русского академика Ф. Эпинуса «Опыт теории электричества и магнетизма» (1759), в к-ром дано тооротич. обобщение всего известного к тому времени материала о магнетизм Исходя из гипотезы Франклина о существовании особой магнитной жидкости, Ф. Эпинус ввёл в учение о магнетизм понятие о силах притяжении и отталкивания (однако природу этих сил он считал неизвестной). Эпинус подчеркнул тесную аналогию между магнетизм и электричеством, открыл явления индуктивного намагничивания, ввёл понятие о саморазмагничивающем действии поверхности магнита, дал обоснование приемам изготовления искусственных магнитов, объяснил образование магнитных фигур (спектров) из опилок около магнитов и др. Трактат Эпинуса оказал большое влияние на последующее развитие учения о магнетизм Петербургский академик Л. Эйлер развил эфирную теорию магнетизма (середина 18 в.). Франц, физик Ш. Кулон принял гипотезу существования двух магнитных жидкостей, ввёл представление об элементарных магнитиках — молекулах; с помощью крутильных весов установил закон взаимодействия «точечных» магнитных полюсов (1785—89).

А. Ампер и законы магнитного взаимодействия токов

Новый этап в развитии учения о магнетизм начинается с открытия (1820) датским физиком X. Эрстедом магнитного поля тока; этим была установлена внутренняя связь между магнетизм и электричеством. Вскоре после открытия Эрстеда франц. физик А. Ампер установил законы магнитного взаимодействия токов, доказал теорему об эквивалентности магнитных свойств кругового тока и магнитного листка и высказал в связи с этим гипотезу о том, что намагниченность тел создаётся молекулярными токами, представляющими собой элементарные магнитики; г. о., Ампер рассматривал магнетизм как раздел электромагнетизма.

Франц, физики Ж. Био, Ф. Савар и П. Лаплас установили закон взаимодействия между магнитом и электрич. током (1820). Тогда же франц. физик Д. Араго открыл явление намагничивания тел током, что послужило основой создания электромагнитов. Немецкие учёные К. Гаусс и В. Вебер (в 30-х гг. 19 в.) развили математич. теорию магнетизм, однако, на основе идеи дальнодействия.

Явление электромагнитной индукции Фарадея

Последовательная трактовка магнетизм на основе представления о реальности электромагнитного поля была впервые дана англ, физиком магнетизм Фарадеем. Открыв явление электромагнитной индукции (1831), Фарадей установил, что электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом. Он доказал наличие магнитных свойств у всех тел; одни из этих тел отталкиваются от магнита (диамагнетики), а другие — притягиваются (парамагнетики). Ферромагнетизм он рассматривал как частный случай парамагнетизма. Фарадей наблюдал магнитную анизотропию в кристаллах диамагнетиков. Он открыл магнитное вращение плоскости поляризации света (явление Фарадея).

Теория электромагнитного поля Максвелла

Англ, физик Дж. Максвелл развил дальше теорию электромагнитного поля и доказал электромагнитную природу света (1873). Теория Максвелла получила подтверждение в опытах русских физиков Н. Н. Шиллера и Р. А. Колли (в 70— 80-х гг. 19 в.), в открытии немагнетизм физиком Г. Герцем электромагнитных волн (1887—88) прусским учёным П. Н. Лебедевым давления света (1899).

Русский учёный А. С. Попов (1895) изобретением радио поставил электромагнитные волны на службу человеку.

К. Гаусс (в 1838) и русский физик Н. А. Умов (в 1904) развили теорию земного магнетизма.

П. Н. Лебедев предпринял опыты по обнаружению магнетизм вращающихся тел (1911).

Русский физик А. А. Эйхенвальд (в 1901—03) установил тождественность магнитного действия конвекционных токов и токов проводимости, впервые доказал существование магнитного поля токов смещения.

Это окончательно доказало, что любое движение электричества создаёт магнитное поле по одним и тем же законам. С середины 19 в., в связи с разработкой русскими учёными Э. X. Ленцем и Б. С. Якоби основ электротехники, начинаются систоматич. исследования ферромагнетиков.

Русский физик А. Г. Столетов в работе «Исследование о функции намагничивания железа» (1871) исследовал кривую намагничивания вещества ферромагнетика, исключив размагничивающее действие поверхностей образца. «Кривая Столетова» показывает зависимость магнитной восприимчивости вещества от величины магнитного поля. Открытия Столетова положили начало современным методам измерений и расчётов магнитных систем.

Франц, учёный П.Кюри исследовал температурную зависимость магнитных свойств магнетиков (1895).

Представление о магнитном поле

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий