Магнітні взаємодії

Від імені гори Магнезія, яка знаходиться на території сучасної Туреччини, пішли такі терміни як:

  • магніт;
  • магнітний;
  • магнетизм і т. д.

Здатність природного матеріалу магнетиту притягувати невеликі шматочки заліза з часів Стародавньої Греції вважалася «таємничою». Шматочки заліза, що знаходяться поруч з природним магнітом також набувають слабкі магнітні властивості, тобто здатні намагнічуватися.

Винайдений в стародавньому Китаї компас, намагнічена стрілка якого завжди вказувала на північ, дозволив здійснювати далекі подорожі і багато в чому сприяв великим географічним відкриттям, які послужили могутнім поштовхом до розвитку сучасної цивілізації.

Магнітна стрілка компаса досі служить інструментом і символом вивчення магнітних явищ.

Перше дійсно наукові описи властивостей магнітів і магнітних взаємодій належить придворному лікаря англійської королеви Єлизавети Д. Гильберту, який в 1611 році опублікував книгу «Про магніти і великий магніт Земля». У цій книзі вперше послідовно були описані і розділені електричні і магнітні явища, з’явилися такі збереглися до теперішнього часу терміни «північний і південний полюси».

На підставі спостережень і експериментів Д. Гільберт довів, що намагнічені тіла можуть, як притягатися, так і відштовхуватися. Причому ці явища виявилися, в деякому розумінні, аналогічні електричним: різнойменні полюси магніту притягуються, однойменні – відштовхуються.

Здавалося, що вивчення і опис магнітних взаємодій піде по вже второваній дорозі – за аналогією з описом гравітаційних і електричних явищ.

Були зроблені численні спроби, знайти магнітні заряди (які, природно, спочатку описувалися у вигляді гіпотетичних магнітних рідин) і встановити закон їх взаємодії аналогічний законам всесвітнього тяжіння І. Ньютона і закону електростатичних взаємодій О. Кулона. Однак до теперішнього часу ці спроби не увінчалися успіхом. На відміну від позитивних і негативних електричних зарядів, які досить легко розділити, магнітні полюси нероздільні.

Якщо намагнічений стрижень розпиляти на дві частини, то замість «ізольованих» полюсів вийде два магніти – кожен з яких має два власних полюса.

Більше того, цілий ряд елементарних частинок (електрони, протони, нейтрони) беруть участь у магнітних взаємодіях, але і в цьому випадку магнітні «полюси» частинок нероздільні – тобто кожна така частинка являє собою невеликий магніт з двома полюсами, тобто магнітний диполь.

Таким чином, відсутність в природі магнітних зарядів є в даний час експериментально встановленим фактом. Відсутність точкових джерел магнітних взаємодій не дає можливості побудувати теорію цих взаємодій так, як це було зроблено для гравітаційних і електричних явищ.

Звичайно, в принципі, можна:

  • побудувати теорію магнітних взаємодій, визначивши деяку фізичну величину, що характеризує магнітні властивості тіла (якийсь магнітний момент – за аналогією з електричним дипольним моментом);
  • ввести одиницю її виміру;
  • експериментально встановити закони взаємодії точкових диполів;
  • встановити принцип суперпозиції і так далі.

Однак природа виявилася простішою і витонченішою – магнітні взаємодії все-таки тісно пов’язані з електричними явищами. Забігаючи наперед, зазначимо, що зв’язок між електричними і магнітними явищами настільки тісний, що їх не можна розділяти – слід завжди говорити про єдині електромагнітні явища.

Першим кроком на шляху встановлення цих зв’язків з’явилося відкриття датського фізика Ерстеда, зроблене в 1777 році. Ерстед зауважив, що при пропущенні електричного струму по дроту, розташована поруч магнітна стрілка, спочатку орієнтована на північ, повертається і займає певне положення, залежне від орієнтації провідника зі струмом. За однією з легенд, це найважливіше відкриття було зроблено випадково.

Під час однієї зі своїх лекцій з електрики один із студентів Ерстеда звернув увагу, що при замиканні ланцюга, магнітна стрілка здригається. Не суттєво, хто перший помітив реакцію стрілки – головне, зв’язок між електричними і магнітними явищами був виявлений.

Найсуттєвіше в цьому відкритті було те, що магніт реагував не просто на електричний заряд, а на рухомий електричний заряд, на електричний струм!

Дослід Ерстеда легко відтворити в шкільній лабораторії. Для цього достатньо взяти вертикальний провідник, навколо нього розташувати на підставках декілька магнітних стрілок і пропустити по провіднику електричний струм. При відсутності струму, магнітні стрілки, як і належить, орієнтуються в напрямку «північ-південь», при замиканні ланцюга і збільшенні сили струму стрілки починають орієнтуватися по колу, прагнучи зайняти положення перпендикулярне провіднику зі струмом і відрізку, що з’єднує стрілку з провідником. Такій повній орієнтації, природно заважає вплив магнітних полюсів Землі.

Повідомлення про відкриття Ерстеда швидко поширилося по Європі і справило на фізиків того часу найсильніше враження – дійсно між магнітними і електричними явищами, які з часів Гільберта вважалися принципово різними, був встановлений ​​такий простий зв’язок.

Звістка про це відкриття стала зоряним часом для французького фізика А. М. Ампера, який протягом двох місяців фактично створив нову науку про магнітні взаємодії – електродинаміку (до речі, цей термін, як і багато інших, придумав А. М. Ампер). Геніальна здогадка Ампера полягала в тому, що магнітні взаємодії є взаємодії електричних струмів.

Цю гіпотезу А. М. Ампер зумів підтвердити численними експериментами.

Насамперед, він експериментально довів, два паралельних провідника, по яких протікають електричні струми, взаємодіють між собою, причому якщо струми течуть в одному напрямку, то провідники притягуються один до одного, а якщо струми течуть в протилежних напрямках, то провідники відштовхуються.

Амперу вдалося навіть встановити закон взаємодії таких провідників, з яким ми познайомимося трохи пізніше.

Далі А. М. Ампер показав, що вільно підвішена котушка зі струмом (і навіть один її виток) поводиться так само як магнітна стрілка. При пропущенні через котушку електричного струму її вісь орієнтується в напрямку «північ-південь», а при зміні напрямку струму на протилежне, котушка повертається навколо вертикальної осі на 180°.

Крім того, взаємодія двох витків зі струмом повністю аналогічно взаємодії двох магнітних стрілок.

Таким чином, А. М. Ампер експериментально довів, що магнітні взаємодії обумовлені взаємодією електричних струмів. Нарешті, А. М. Ампер висунув гіпотезу про, так звані, атомні токи, яка отримала своє підтвердження тільки після того, як було з’ясовано будову атомів. Відповідно до цієї гіпотези магнітні властивості кожного атома аналогічні властивостям невеликого витка зі струмом. Дійсно, електрон, що обертається навколо ядра, створює круговий струм, який і призводить до магнітних взаємодій. Тому намагнічення зразка пояснюється орієнтацією його атомів в одному напрямку, завдяки чому магнітні ефекти можуть бути помітні для всього тіла цілком.

Ми не будемо розглядати детально теорію А. М. Ампера, оскільки вона становить інтерес для історії фізики. А. М. Ампер також як і його великі співвітчизники (О. Кулон, А. Пуассон, Біо, Саварр, П. С. Лаплас) був прихильником теорії дальнодії, яка допускала можливість дію одного тіла на інше на відстані, без безпосереднього контакту.

Втім, ми про це говорили досить при обговоренні поняття електричного поля. Тому зараз можна просто послатися на ці міркування і висловити точку зору англійських фізиків М. Фарадея і Д. К. Максвелла, яка підтверджена всім наступним розвитком фізики: переносником електричних і магнітних взаємодій є електромагнітне поле.

При вивченні електростатики ми з’ясували, що нерухомі електричні заряди створюють електростатичне поле, яке впливає на інші заряди.

Основа сучасної теорії магнітних взаємодій полягає в наступному твердженні: рухомі електричні заряди створюють магнітне поле, яке здатне впливати на інші рухомі електричні заряди.

Ця точка зору містить, на перший погляд, істотне внутрішнє протиріччя. Як відомо всякий механічний рух відносно, тобто можна говорити тільки про рух одного тіла щодо іншого, або характер руху залежить від обраної системи відліку. Тому твердження про те, що тільки рухомий заряд створює магнітне поле, справедливо тільки тоді, коли вказана система відліку, щодо якої даний заряд рухається, отже, і наявність магнітного поля також залежить від вибору системи відліку!?

Припустимо, що електрично заряджене тіло знаходиться у літаку, що швидко летить. Чи створює воно магнітне поле? Відповідь залежить від вибору системи відліку – якщо в якості такої ми виберемо землю (щодо якої літак і поміщене в нього тіло рухається), то слід стверджувати, що рухомий заряд створює магнітне поле; якщо ж розглядати заряд в системі відліку, пов’язаної з літаком, то цей заряд нерухомий і, отже, ніякого магнітного поля не створює.

Так що ж це за вид об’єктивної реальності, саме існування якого залежить від системи відліку? Чи реально існує це саме магнітне поле, або просто плід уяви вчених фізиків? Відповіді на ці питання давно дали – реально існує єдине електромагнітне поле.

При русі заряджених частинок між ними діють як електричні, так і магнітні сили, тому є сенс говорити про єдині електромагнітні взаємодії.

Поділ цього єдиного поля на електричне і магнітне можливо тільки в деяких найпростіших ситуаціях.

Якщо в деякій системі відліку всі заряди спочивають, то електромагнітне поле можна описувати як електростатичне. При описі цієї ж сукупності зарядів в іншій (рухомій) системі відліку вимагає розгляду і магнітних взаємодій. Підкреслимо, що електричне поле рушійного заряду відрізняється від поля нерухомого заряду – дійсно, і характеристики вже знайомого нам електричного поля залежать від вибору системи відліку!

І в цьому твердженні немає ніякого протиріччя здоровому глузду, якщо визнати, що основним критерієм істинності фізичної теорії є експеримент. Іншими словами, немає таких приладів (як природних, так і винайдених людиною), які б вивчали характеристики поля безпосередньо. Завжди електромагнітне поле виявляється по його впливу на заряджені частинки, а сили, що діють на заряджені частинки, залежать тільки від відносних швидкостей рухомих заряджених частинок.

Продовжимо розгляд електричного заряду, поміщеного в рухомому літаку. Якщо прилад, реєструюче магнітне поле, нерухомий відносно заряду. То він не зареєструє наявність магнітного поля, якщо ж він рухається щодо заряду (або заряд рухається щодо приладу), то магнітне поле буде виявлено.

Розглянемо ще один найпростіший приклад – нехай в деякій системі відліку покояться дві заряджені частинки. Сила взаємодії між частинками є електростатичною і повністю описується законом О. Кулона. В іншій «рухомій» системі відліку, частинки будуть знаходитися в русі, тому частинки будуть створювати магнітне поле, завдяки якому з’явиться їх магнітна взаємодія. Однак при цьому зміниться сила електричної взаємодії так, що сумарна сили взаємодії (електричного і магнітного) залишиться незмінною, тому рівняння механіки, що описують рухи частинок також залишаться незмінними, інваріантними.

Всі фізичні величини, піддаються виміру (наприклад, сили, що діють на частинки; енергія, імпульс, що переносяться полем), залишаються незмінними при їх описі в будь-якій інерційній системі відліку.

Іншими словами, рівняння Дж. Максвелла, що описують електромагнітне поле, інваріантні щодо вибору системи відліку.

Раніше ми вивчали, як змінюються координати точок при переході з однієї системи відліку в іншу (так звані перетворення Галілея) і показали, що рівняння динаміки Ньютона інваріантні щодо цих перетворень. Однак, виявилося, що рівняння Максвелла такою властивістю не володіють. На початку ХХ століття була створена теорія відносності, в рамках якої були встановлені інші більш точні закони зміни координат при зміні системи відліку (перетворення Лоренца). Виявилося, що рівняння Максвелла інваріантні відносно перетворень Лоренца – тобто теорія електромагнітного поля Максвелла задовольняє теорії відносності, не дивлячись на те, що була розроблена на півстоліття раніше. Більше того, ретельне дослідження властивостей рівнянь Максвелла в чому сприяло створенню теорії відносності. Але ці проблеми більш детально ми будемо розглядати вже у дванадцятому класі.

Відзначимо, що взаємодії між зарядженими частинками, що рухаються з малими швидкостями з високим ступенем точності можна описувати як електростатичні, бо магнітна складова сил взаємодії істотна лише при швидкостях частинок, близьких до швидкості світла.

При вивченні взаємодії провідників, які залишаються електрично нейтральними, але по яких протікають електричні струми, електрична взаємодія відсутня, тому магнітні сили проявляються «в чистому вигляді», що і дозволяє їх досить легко вивчати і описувати.

Таким чином, наша задача полягає у вивченні та описі магнітного поля, створюваного постійними струмами (і постійними магнітами, властивості яких, відповідно до гіпотези А. Ампера, також обумовлені постійними струмами), а також впливу магнітного поля на рухомі заряджені частки, тобто на провідники, по яких протікають електричні струми.

Основні віхи побудови теорії магнітного поля аналогічні теорії електричного поля:

  • Необхідно ввести фізичну величину, що характеризує магнітне поле (такою є вектор індукції магнітного поля);
  • Далі встановити закон, що дозволяє розраховувати цю характеристику (в даному випадку таким є закон Біо-Саварра-Лапласа);
  • Нарешті, отримати основні теореми, що описують векторне магнітне поле (як і для будь-якого векторного поля, такими є теореми про поток і циркуляцію вектора магнітної індукції).
Посилання на основну публікацію