§ 114. Магнитное действие электрического тока.
Простейшие
электрические и магнитные явления известны людям с очень давних времен.
По-видимому,
уже за 600 лет до н. э. греки знали, что магнит притягивает к себе железо, а
натертый янтарь – легкие предметы, вроде соломинок и т. п. Однако различие
между электрическими и магнитными притяжениями было еще не ясно; те и другие
считались явлениями одной природы.
Четкое
разграничение этих явлений – заслуга английского врача и естествоиспытателя
Уильяма Гильберта (1544-1603), который в 1600 г. выпустил в свет книгу под
названием «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». С этой книги,
собственно, и начинается подлинно научное изучение электрических и магнитных
явлений. Гильберт описал в своей книге все свойства магнитов, которые в его
эпоху были известны, а также изложил результаты собственных очень важных
опытов. Он указал на ряд существенных различий между электрическими и
магнитными притяжениями и ввел слово «электричество».
Хотя
после Гильберта различие между электрическими и магнитными явлениями было уже
для всех неоспоримо ясно, тем не менее ряд фактов указывал на то, что при всем
своем различии эти явления каким-то образом тесно и неразрывно связаны друг с
другом. Наиболее бросающимися в глаза были факты намагничивания железных
предметов и перемагничивания магнитных стрелок под влиянием молний. В своей
работе «Гром и молния» французский физик Доминик Франсуа Араго (1786-1853)
описывает, например, такой случай. «В июле 1681 г. корабль «Королева»,
находившийся в сотне миль от берега, в открытом море, был поражен молнией,
которая причинила значительные повреждения в мачтах, парусах и пр. Когда же
наступила ночь, то по положению звезд выяснилось, что из трех компасов, имевшихся
на корабле, два, вместо того чтобы указывать на север, стали указывать на юг, а
третий стал указывать на запад». Араго описывает также случай, когда молния,
ударившая в дом, сильно намагнитила в нем стальные ножи, вилки и другие
предметы.
В
начале XVIII века было уже установлено, что молния, по сути дела, представляет
собой сильный электрический ток, идущий через воздух; поэтому факты вроде
описанных выше могли подсказать мысль, что всякий электрический ток обладает
какими-то магнитными свойствами. Однако обнаружить на опыте эти свойства тока,
и изучить их удалось только в 1820 г. датскому физику Гансу Христиану Эрстеду
(1777-1851).
Основной
опыт Эрстеда изображен на рис. 199. Над неподвижным проводом 1, расположенным
вдоль меридиана, т. е. в направлении север-юг, подвешена на тонкой нити
магнитная стрелка 2 (рис. 199,а). Стрелка, как известно, устанавливается также
приблизительно по линии север-юг, и поэтому она располагается примерно
параллельно проводу. Но как только мы замкнем ключ и пустим ток по проводу 1,
мы увидим, что магнитная стрелка поворачивается, стремясь установиться под
прямым углом к нему, т. е. в плоскости, перпендикулярной к проводу (рис.
199,б). Этот фундаментальный опыт показывает, что в пространстве, окружающем
проводник с током, действуют силы, вызывающие движение магнитной стрелки, т. е.
силы, подобные тем, которые действуют вблизи естественных и искусственных
магнитов. Такие силы мы будем называть магнитными силами, так же как мы
называем силы, действующие на электрические заряды, электрическими.
Рис. 199. Опыт Эрстеда с
магнитной стрелкой, обнаруживающий существование магнитного поля тока: 1 –
провод, 2 – магнитная стрелка, подвешенная параллельно проводу, 3 – батарея
гальванических элементов, 4 – реостат, 5 – ключ
В
гл. II мы ввели понятие электрического поля для обозначения того особого
состояния пространства, которое проявляется в действиях, электрических сил.
Точно так же мы будем называть магнитным полем то состояние пространства,
которое дает о себе знать действием магнитных сил. Таким образом, опыт Эрстеда
доказывает, что в пространстве, окружающем электрический ток, возникают
магнитные силы, т. е. создается магнитное поле.
Первый
вопрос, который поставил перед собой Эрстед после того, как он сделал свое
замечательное открытие, был таков: влияет ли вещество провода на создаваемое
током магнитное поле? «Соединительный провод, – пишет Эрстед, – может состоять
из нескольких проволок или металлических полос. Природа металла не меняет
результата, разве только, пожалуй, в отношении величины.
С
одинаковым результатом мы пользовались проволоками из платины, золота, серебра,
латуни и железа, а также оловянными и свинцовыми полисами и ртутью».
Все
свои опыты Эрстед проводил с металлами, т. е. с проводниками, в которых проводимость,
как мы теперь знаем, имеет электронный характер. Нетрудно, однако, осуществить
опыт Эрстеда, заменив металлический провод трубкой с электролитом или трубкой,
в которой происходит разряд в газе. Такие опыты мы уже описали в § 40 (рис. 73)
и видели, что хотя в этих случаях электрический ток обусловлен движением
положительных и отрицательных ионов, но действие его на магнитную стрелку то
же, что и в случае тока в металлическом проводнике. Какова бы ни была природа
проводника, по которому течет ток, вокруг проводника всегда создается магнитное
поле, под влиянием которого стрелка поворачивается, стремясь стать
перпендикулярно к направлению тока.
Таким
образом, мы можем утверждать: вокруг всякого тока возникает магнитное поле. Об
этом важнейшем свойстве электрического тока мы уже упоминали (§ 40), когда
говорили подробнее о других его действиях – тепловом и химическом.
Из
трех свойств или проявлений электрического тока наиболее характерным является
именно создание магнитного поля. Химические действия тока в одних проводниках –
электролитах – имеют место, в других – металлах – отсутствуют. Выделяемое током
тепло может быть при одном и том же токе больше или меньше в зависимости от
сопротивления проводника. В сверхпроводниках возможно даже прохождение тока без
выделения тепла (§ 49). Но магнитное поле – неотделимый спутник всякого
электрического тока. Оно не зависит ни от каких специальных свойств того или
иного проводника и определяется лишь силой и направлением тока. Большинство
технических применений электричества также связано с наличием магнитного поля
тока.
