2. Магнитное поле

Природа и направление магнитного поля

Магнитное поле магнита

Рассмотрим действие неподвижного магнита. Если мы положим рядом с ним компас, его стрелка (которая сама является магнитом) отклонится. Таким образом, в любой точке пространства вокруг неподвижного магнита существует невидимое «нечто», способное заставить стрелку компаса отклониться. Это «нечто» называется магнитным полем.

То есть любой магнит создает вокруг себя магнитное поле, заполняющее все пространство: как только мы помещаем в эту область другой магнит, магнитное поле проявляет себя, заставляя магнит вращаться.

Магнитное поле представлено вектором магнитной индукции B^→;. Направление поля B^→; условно обозначено стрелкой компаса (в данный момент неподвижной): стрелка B^→; направлена от южного полюса к северному.

Поскольку север компаса направлен к югу магнита, отсюда следует, что поле B^→; расходится от северного полюса магнита и сходится к южному полюсу магнита (➙ рис. 14.5).

Рис. 14.5 – Магнитное поле, созданное магнитом

Стрелки на компасе ориентированы с юга на север, как мы изобразили в примере на схеме.

С одной стороны, силовые линии магнитного поля идут от северного полюса к южному. С другой стороны, его мощность уменьшается с увеличением расстояния.

Что касается силы магнитного поля, она связана с силой, которую ощутил бы подвижный заряд в этой точке (в магните подвижными зарядами являются электроны атомов). Мы поговорим об этом подробнее в параграфе 3 «Проявление магнитной силы», с..

В дальнейшем мы ограничимся воздействием неподвижных магнитов – так называемой магнитостатикой. В случае с подвижными магнитами появляются новые феномены, о которых мы поговорим в главе 17.

Магнитное поле, вызванное электрическим током

Мы видели, что только подвижные заряды способны проявлять магнитную силу: чтобы уточнить, от чего зависит магнитное поле, рассмотрим действие электрического провода, по которому проходит мощный электроток. В нем содержится множество подвижных зарядов (свободные электроны проводника).

Начнем с простого прямолинейного провода и поместим рядом магнит: стрелка компаса расположена перпендикулярно проводу (то есть перпендикулярно направлению перемещения электронов). Направление компаса также перпендикулярно прямой, соединяющей подвижный заряд и компас (➙ рис. 14.6).

Рис. 14.6 – Магнитное поле, созданное прямолинейным током

Направление магнитного поля одновременно перпендикулярно проводу и прямой (пунктир), соединяющей компас и провод.

Кроме того, если мы изменим направление тока, направление стрелки компаса тоже изменится. Наконец, если мы поместим компас с другой стороны провода, стрелка будет указывать в противоположном направлении.

Направление магнитного поля довольно трудно определить. Чтобы это сделать, можно воспользоваться так называемым правилом трех пальцев, которое задействует три пальца вашей правой руки (только не левой, результат будет обратный!):

• положите правую руку на провод. Вытяните большой палец в направлении движения тока (противоположное движению электронов).

• Одновременно вытяните указательный палец в сторону компаса.

• Вытяните средний палец перпендикулярно указательному: он показывает направление магнитного поля на уровне компаса, вызванное электротоком, над которым находится ваша рука.

Вы можете использовать этот прием, чтобы определить направление магнитного поля на рис. 14.6…

Связь между магнитом и подвижными зарядами

Вращение электронов

А теперь скрутим наш провод так, чтобы получился почти круг: у нас получился один виток спирали (➙ рис. 14.7.а). Используйте правило трех пальцев – так вы сможете определить, что магнитное поле в центре витка направлено по его оси. Если мы поместим компас перед кольцом, его южный полюс укажет на кольцо. Если мы положим его позади кольца, на него укажет северный полюс компаса. В итоге мы видим, что кольцо ведет себя точно так же, как магнит, у которого сзади южный полюс, а спереди северный (➙ рис. 14.7.b).

Рис. 14.7 – Магнитное поле, созданное кольцевым проводом и магнитом

Есть ли внутри магнита кольца? Да, есть! Вращаясь вокруг ядра атомов, электроны магнита описывают круг. То же самое происходит, когда электроны вращаются вокруг своей оси. То есть каждый атом магнита ведет себя как кольцо.

Почему же в таком случае не все вещества являются магнитами? На это есть две причины: мы объясним это, сделав обзор трех основных типов веществ.

Диамагнитные вещества

Первая причина состоит в том, что атомы содержат множество «вращающихся» электронов. Между тем в некоторых атомах есть электроны, вращающиеся как в одну, так и в другую сторону (это явление позволяет понять квантовая физика). Магнитное воздействие электронов в этом случае попарно нейтрализуется: магнитное поле возникнуть не может. То есть вещество, состоящее из таких атомов, не может намагнититься. Такое вещество называют диамагнитным.

Парамагнитные вещества

Большинство веществ, не являющихся диамагнетиками, являются парамагнетиками: они обладают атомами, которые создают магнитное поле благодаря вращению электронов. Но электроны вращаются вокруг ядра хаотично… В итоге некоторые атомы создают магнитное поле, направленное в одну сторону, другие создают поле, направленное в противоположную сторону. В целом магнитные свойства всех атомов уравновешиваются, и общее магнитное поле равно нулю (➙ рис. 14.8.а).

Таким образом, в крупном масштабе мы имеем тот же вывод, что и с диамагнитным веществом.

Но поместим теперь парамагнитное вещество рядом с южным полюсом магнита: каждый атом вещества ведет себя как маленький магнит, который будет вращаться, чтобы повернуться своим северным полюсом к южному полюсу магнита. В итоге все «кольца», сформированные атомами, окажутся повернутыми в одну сторону (➙ рис. 14.8.b). На этот раз магнитные поля, созданные каждым атомом, складываются, вместо того чтобы уравновешиваться: общее магнитное поле оказывается довольно сильным. Рядом с магнитом вещество тоже превратилось в магнит. Об этом мы уже говорили, когда речь шла о некоторых металлах.

Такое свойство намагничиваться, разумеется, невозможно для диамагнитного вещества.

Рис. 14.8 – Намагничивание парамагнитного вещества

Каждая стрелка представляет магнитное поле, созданное атомом вещества, которое ведет себя как маленькое кольцо.

Ферромагнитные вещества

Что происходит, когда мы снова убираем магнит? Беспрерывные столкновения атомов быстро перенаправляют кольца во все стороны (особенно при повышенной температуре): вещество быстро теряет намагниченность, приобретенную в присутствии магнита. Однако в некоторых веществах (таких как магнетит!) направление колец очень сложно изменить, и намагниченность сохраняется: мы создали «постоянный магнит».

Вещества, способные удерживать намагниченность, называются ферромагнитными. Эти вещества также имеют свойство намагничивать друг друга сильнее, чем парамагнетики, особенно это касается железа.

Различия парамагнетиков и ферромагнетиков на микроуровне довольно сложны, и мы не будем подробно их здесь рассматривать.