4. Выводы: действие магнитной силы

Свойства магнитной силы могут показаться довольно сложными и совсем нелогичными. Это абсолютно идет вразрез с замечательной простотой гравитации и электростатической силы. Кроме того, похоже, между гравитацией и электростатикой больше сходства, чем между электростатикой и магнетизмом…

Пусть читатель не волнуется: теория относительности (которую мы рассмотрим в главе 26) дает чрезвычайно простое и единое представление об электромагнитной силе. Магнитные свойства, которые сейчас кажутся такими сложными, предстанут логичным проявлением электростатической силы.

Таким образом, в привычном для нас масштабе электростатической силы и гравитации будет достаточно, чтобы все объяснить. А пока свойства магнетизма по-прежнему остаются очень важными для понимания некоторых явлений в масштабе планеты Земля (глава 16), в электричестве (главы 17 и 18) и для всего, что касается света (см. часть, посвященную оптике).

Выше мы говорили, что подвижные заряды создают магнитное поле в каждой точке пространства, магнитная сила которого воздействует на другие подвижные заряды. Представление о магнитном поле, в частности, помогло понять действие магнитов. Но использование этого посредника немного мешает разобраться в прямом взаимодействии между подвижными зарядами под действием магнитной силы.

Итак, подведем итоги, не используя больше понятие магнитного поля: магнитная сила тем мощнее, когда сильный ток (большой заряд и большая скорость) находится близко к другому сильному току. Аналогично электростатическая сила тем мощнее, чем одни сильные заряды ближе к другим сильным зарядам. Кроме того, магнитная сила зависит от направления взаимодействующих токов. Рис. 14.11 и 14.12 позволяют синтезировать множество различных геометрических конфигураций.

Мы видим некоторое природное притяжение токов, движущихся в одном направлении… Помимо сложности магнитной силы, которая явно прослеживается на схемах, это любопытное систематическое свойство заставляет задуматься: теория относительности поможет понять глубокое единство, которое здесь ощущается…

Рис. 14.11 – Взаимодействие двух параллельных проводов под электрическим током

Направление тока обозначено на проводах. Широкие стрелки означают действующую магнитную силу. Пунктирные стрелки представляют магнитное поле. Читатель может определить все эти направления с помощью правила трех пальцев. (а) – параллельные провода, по которым ток идет в одну сторону, притягиваются. (b) – параллельные провода, по которым ток идет в разных направлениях, отталкиваются.

Рис. 14.12 – Взаимодействие перпендикулярных проводов, по которым движется ток

(а) и (b) – магнитная сила стремится заставить провода вращаться, чтобы они были направлены в одну сторону.

Кроме того, на рис. 14.11 мы видели, что два тока, направленные в одну сторону, притягиваются, тогда как два тока, идущие в противоположные стороны, отталкиваются.

В конечном итоге мы констатируем, что во всех приведенных случаях ток «хочет» перемещаться в одном направлении.

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Магнитная сила возникает под действием подвижных зарядов на подвижные заряды. Она пропорциональна скорости этих зарядов.

• Максимальная магнитная сила направлена перпендикулярно току, который ее создает. Она перпендикулярна траектории частиц, на которые воздействует, то есть в любом случае меняет их траекторию.

• Ток создает магнитное поле в любой точке пространства, которое может проявить себя в виде магнитной силы в присутствии движущегося заряда.

• Земля создает магнитное поле, которое заставляет вращаться магниты всегда в одном направлении. Таким образом, можно различить северный и южный полюса магнита: так, в частности, устроен компас (простой вращающийся магнит).

• Согласно определению, магнитное поле ориентировано от южного к северному полюсу компаса, помещенного в определенную точку.

• Некоторые атомы создают магнитное поле из-за вращения электронов вокруг ядра и вокруг своей оси. Такие вещества называют парамагнетиками. В присутствии внешнего магнитного поля магнитные поля этих атомов поворачиваются в том же направлении, и вещество становится намагниченным.

• Чаще всего столкновения атомов гасят намагниченность вещества, когда исчезает внешнее магнитное поле. Намагниченность сохраняется лишь у некоторых веществ, называемых ферромагнетиками: так создаются постоянные магниты.

15. Способы применения магнитостатики

В продолжение предыдущей главы мы рассмотрим некоторое применение магнитной силы. В частности, мы более детально остановимся на магнитном поле земли и его последствиях: намагничивании пород, радиационных поясах, северном сиянии, роли в развитии жизни… Мы также опишем отдельные технические устройства: электромотор и магнитный тормоз.

1. Взаимодействие двух магнитов

Магнитная сила ни в коем случае не может изменить скорость частицы, то есть ее энергию. Она всегда перпендикулярна направлению движения, то есть не является ни притягивающей, ни отталкивающей. Однако два магнита отталкиваются друг от друга (если повернуты разными полюсами). Создается впечатление, что магниты приобретают кинетическую энергию. Как такое возможно?

Чтобы ответить на это, для начала вспомним, что происходит внутри магнита: магнитное поле, вызванное движением электронов в их атомах, которые создают как бы маленькие кольца. Направление этих колец обозначено на рис. 15.1: направление тока таково, чтобы магнитное поле было ориентировано от южного полюса магнита к северному (как внутри катушки). Правило трех пальцев позволяет понять направление тока, указанное на рис. 15.1.

В свою очередь, на рис. 15.2.а изображено внешнее магнитное поле, созданное магнитом (светлый прямоугольник) в различных точках пространства. Мы снова видим, что магнитное поле расходится к северному полюсу (и сходится к южному).

Рис. 15.1 – Направление колец в магните

Кольца соответствуют движению «вращения» электронов в атомах. На схеме показано направление тока: то есть электроны вращаются в обратном направлении.

Магнитное поле внутри магнита, вызванное этими кольцами, представлено на схеме прямыми стрелками: оно однородно в любой точке магнита, как внутри соленоида.

Рис. 15.2 – Сила взаимодействия между двумя магнитами

(а) – стрелки изображают магнитное поле, созданное светлым магнитом.

(b) – мы увеличили масштаб, чтобы видеть, что происходит в темном магните. Магнитное поле светлого магнита порождает магнитную силу на каждом кольце темного магнита. Эта сила стремится не только разбить кольцо, но и притянуть его к светлому магниту.

Подчеркнем, что, как и на рис. 15.1, направление кольца соответствует направлению тока, а не электронов.

Мы также поместили там другой магнит (темный прямоугольник), расположенный южным полюсом в сторону северного полюса светлого магнита (➙ рис. 15.2.а). Мы видим, что магнитное поле, созданное светлым магнитом, не везде направлено в одну сторону внутри темного магнита: оно стремится удалиться от центральной оси и приблизиться к боковым граням.

Чтобы лучше понять, что за этим следует, мы увеличили масштаб внутренности темного магнита (➙ рис. 15.2.b). На нем мы изобразили «кольцо» в соответствии с направлением, указанным на рис. 15.1.

Магнитная сила, действующая на электрон атома темного магнита, одновременно перпендикулярна его движению и магнитному полю. Правило трех пальцев, примененное на рис. 15.2, позволяет сделать вывод, что она в основном стремится разбить кольцо; но это действие магнитной силы остается без последствий, потому что электрон надежно «прикреплен» к ядру с помощью электростатическойсилы.

Гораздо интереснее то, что, как мы видим, магнитная сила также слегка отклоняется в сторону светлого магнита. Таким образом, кольцо притягивается светлым магнитом. Рассуждения аналогичны для всех колец темного магнита, то есть для всех атомов темного магнита: светлый магнит притягивает темный.

Мы видим, что это результат отклонения магнитного поля, созданного светлым магнитом. Однородное магнитное поле не создало бы притягивающей силы: фактом является то, что его направление в пространстве меняется, что влечет появление притягивающей силы.

Также, если мы приблизим северный полюс темного магнита к северному полюсу светлого магнита, будет легко убедиться в том, что они отталкиваются. На рис. 15.2.b ток в кольцах будет направлен в другую сторону, потому что темный магнит был «перевернут», то есть магнитная сила той же мощности была бы направлена в противоположную сторону. В этой ситуации магнитная сила стремится «сузить» кольцо (вместо того чтобы его «разорвать»), отдаляя его от светлого магнита (вместо того чтобы притягивать).

Таким образом, мы видим, что все наблюдения за взаимодействием магнитов могут быть объяснены благодаря микроскопическому движению электронов в их атомах.

Но вопрос, который мы задали в начале этого параграфа, так и остается без ответа: каким образом сила, которая «не работает», может придавать кинетическую энергию темному магниту (притягивая его к светлому)?

На рис. 15.2 мы видим, что магнитная сила только стремится отклонить электроны атомов, не меняя их скорости. Но тут вмешивается другая сила: электростатическая сила, которая не дает электронам удалиться от ядра. Между тем сама электростатическая сила способна придать кинетической энергии зарядам. Таким образом, магнитная сила действует на электроны и атомы, которые затем с помощью электростатической силы действуют на атомные ядра, ускоряя их в сторону светлого магнита. В конечном итоге во время взаимодействия магнитов мы видим, что электростатическая сила играет такую же большую роль, как и магнитная сила.