3. Проявление магнитной силы
Мощность и направление силы
Опыт
Чтобы понаблюдать действие магнитной силы, необходимо использовать подвижные заряды. Такие заряды должны обладать чрезвычайно слабой инерцией (=массой), чтобы их траектория значительно изменилась под действием магнитной силы. Лучше всего использовать электроны, которые оторвутся от металла при сильном нагреве. Затем следует направить их в вакуумный колокол, чтобы воздух не мешал их движению.
Остается визуализировать траекторию электронов. Это можно сделать, оставив в вакуумном колоколе немного газа со слабым давлением. При прохождении электронов атомы газа приобретают немного их энергии и возвращают ее в виде света (это будет объяснено в части, посвященной излучениям). Таким образом, свет будет возникать по всей траектории движения электронов и позволит сразу ее визуализировать.
При отсутствии магнита траектория прямолинейна: действие тяжести слишком мало, чтобы заставить электроны «упасть», учитывая быстроту их прохождения в вакуумном колоколе.
Теперь приблизим магнит, как показано на рис. 14.9. Далее можно наблюдать следующее:
• Если мы направим магнитное поле в сторону траектории электронов, она не будет изменена (никакого отклонения или ускорения) (➙ рис. 14.9.а).
• Если мы направим магнитное поле перпендикулярно траектории, она изменится и перестанет быть прямолинейной. Сила, действующая на электроны, одновременно перпендикулярна траектории (скорость остается постоянной) и перпендикулярна магнитному полю (➙ рис. 14.9.b). Более того, если мы повернем магнит так, чтобы изменить направление магнитного поля, сила будет направлена в другую сторону.
• Сила оказывается пропорциональна скорости электронов.
• Если заменить электроны другими частицами, окажется, что сила пропорциональна их заряду. Более того, положительный заряд отклоняется в противоположную сторону относительно отрицательного.
• Наконец, если магнит более мощный, сила, действующая на электроны, также более мощная. Если точнее, магнитная сила пропорциональна магнитному полю, созданному магнитом (по природе самого поля).
Вывод
Обозначим ν скорость заряженных частиц, q – их заряд, индукцию магнитного поля B и α – угол между траекторией и магнитным полем. В этом случае сила будет выражена следующим образом:
F = qνB sin β (это называется силой Лоренца)
Рис. 14.9 – Магнитная сила, действующая на электрон
(а) поле, возникающее от близости магнита, направлено по траектории: никакая сила не воздействует.
(b) поле перпендикулярно траектории, сила при этом максимальна. Она одновременно перпендикулярна траектории и магнитному полю.
Итак, мы имеем нулевую силу при нулевом угле α (поле и траектория параллельны) и максимальную силу при угле α = 90° (поле и траектория перпендикулярны).
Кроме того, мы видели, что магнитная сила действует перпендикулярно на траекторию и магнитное поле. Это оставляет силе два возможных направления, которые зависят от знака заряда. Чтобы определить это направление, вы можете снова использовать правило трех пальцев (пользуясь только правой рукой!):
• вытяните большой палец над проводом по направлению траектории;
• одновременно вытяните указательный палец по направлению магнитного поля;
• и наконец, поставьте средний палец перпендикулярно указательному: он показывает направление силы, если заряд положительный, и противоположное направление, если заряд отрицательный (в случае с электронами).
Пользуясь этим правилом, вы также можете определить направление силы на рис. 14.9.
Таким образом, мы имеем дело с довольно «мудреной» силой… Гравитация и электростатическая сила были притягивающими или отталкивающими: масса или заряд притягивали или отталкивали другие частицы. В то время как сила магнита, воздействующая на движущийся заряд, не является ни отталкивающей, ни притягивающей, ее направление выглядит не связанным с присутствием магнита, потому что она перпендикулярна направлению магнита.
Почему же в таком случае два магнита притягиваются? На этот вопрос мы постараемся ответить в следующей главе.
С точки зрения энергии мы можем констатировать одну интересную вещь: будучи перпендикулярной траектории, магнитная сила никогда не меняет скорость частиц. Иными словами, она ни в коем случае не может изменить кинетическую энергию: магнитная сила «не работает», она не оказывает никакого влияния на окружающую среду в плане энергии.
Напряженность магнитного поля
Опыты
При том проявлении силы, которого мы добились, возникает магнитное поле B. Мы говорили, что оно зависит от «мощности магнита», но это понятие остается расплывчатым: от чего именно зависит магнитное поле? Чтобы ответить на этот вопрос, обратим теперь наше внимание на заряды, которые создают силу, а не на те, на которые она воздействует.
Заменим магнит неподвижным кольцом. Мы убедились, что с точки зрения магнетизма это абсолютно одно и то же. Можно сделать два очень простых вывода:
• магнитное поле пропорционально силе тока I, проходящего по кольцу;
• магнитное поле обратно пропорционально квадрату расстояния R.
Существует третий параметр, влияющий на магнитное поле. Чтобы его выявить, нам понадобится электрический ток, проходящий по небольшому участку прямого провода. Мы можем получить его, соединив прямым проводом два заряженных шара.
Мы видим, что на оси провода магнитная сила равна нулю (стрелка компаса не отклонилась бы). Чем больше мы увеличиваем угол с осью провода, тем больше магнитная сила. Она становится максимальной в точке, расположенной на прямой, перпендикулярной оси провода (➙ рис. 14.10).
Рис. 14.10 – Магнитное поле, созданное прямолинейным током
Стрелки представляют магнитное поле, созданное прямолинейным током в разных точках пространства. Видно, что чем ближе мы к оси провода, тем слабее сила (на том же расстоянии от провода).
Если точнее, магнитное поле пропорционально sin β угла между осью провода и прямой, проходящей через заданную точку.
Вывод
Таким образом, магнитное поле выражается:
k здесь простой коэффициент пропорциональности. По причинам, которые мы здесь опустим, его обычно записывают в виде 
μ0 называется магнитной проницаемостью вакуума, или магнитной
постоянной (такая же, как G и ε0, по отношению к гравитации и электростатической силе соответственно).
КАТУШКИ И СОЛЕНОИДЫ
Провод, свернутый кольцом, позволяет воспроизвести магнитное поле, созданное магнитом. Между тем магнитное поле пропорционально силе тока, который его создает: проблема в том, что ток должен быть сильным, чтобы создать мощное магнитное поле…
Хитрость состоит в том, чтобы скрутить провод по кругу несколько раз, чтобы кольца наложились друг на друга. Таким образом, если мы создадим намотку в 10 скрученных колец, получится единое кольцо, по которому проходит десятикратно усиленный ток.
Такое скопление колец называется катушкой: это простейшее средство создать относительно мощное магнитное поле.
Вместо того чтобы наматывать кольца друг на друга, можно повторять их на расстоянии вдоль цилиндра, такая конструкция называется «соленоид». Можно продемонстрировать, что магнитное поле в центре соленоида одинаково во всех точках. Создание однородного магнитного поля – один из главных принципов соленоида.
