Глава XIV. Электромагнетизм
§ 94. Постоянный магнит и круговой ток. Магнитные поля магнитов и токов
Магнитные явления были известны еще в глубокой древности из наблюдений над свойством природного магнитного железняка (закись - окись железа 
притягивать железные предметы и намагничивать их. Тогда же были замечены магнитные свойства Земли, благодаря которым стержневой магнит, уравновешенный на острие, самопроизвольно устанавливался почти вдоль географического меридиана. Основанный на этом свойстве компас существовал в Китае еще примерно 3000 лет тому назад.
Первое подробное исследование и описание свойств постоянных магнитов было выполнено в 1600 г. Гильбертом. Выяснилось, что постоянный магнит имеет два полюса — концевые области, притягивающие железные предметы с наибольшей силой, и расположенную между ними нейтральную зону, которая практически не обнаруживает сил притяжения, Между полюсами магнита существует различие, выражающееся в том, что, как уже отмечалось, магнит всегда ориентируется одним определенным полюсом на север, а другим — на юг; первый назван северным, или положительным магнитным полюсом, второй — южным, или отрицательным магнитным полюсом. Оказалось также, что разноименные полюсы магнитов взаимно притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
В результате этих исследований в физике возникло представление об особой магнитной субстанции, сосредоточенной в полюсах магнита и названной соответственно положительной и отрицательной «магнитной массой» («магнитным зарядом»). Однако наряду с этим появилось и серьезное сомнение в реальности такой субстанции, поскольку оказалось, что никаким способом невозможно разделить полюсы магнита, т. е. получить отдельно друг от друга положительный и отрицательный «магнитный заряд» (подобно тому, как отделяют положительные и отрицательные электрические заряды, образующиеся, например, при электризации тел). Из разрезанного поперек оси магнита всегда получались два меньших магнита, каждый из которых имел северный и южный полюсы.
Уже в XVIII в. было обращено внимание на намагничивание железных предметов и перемагничивание компаса, если вблизи них происходил грозовой разряд. Это наводило на мысль о связи магнитных явлений с электрическими. Справедливость такого предположения была экспериментально подтверждена в 1820 г. датским физиком Эрстедом, установившим, что, как и постоянный магнит, электрический ток в проводе воздействует на расположенную поблизости магнитную стрелку, ориентируя ее вполне определенным образом
(перпендикулярно проводу). Тогда же французский физик Ампер экспериментально обнаружил и подробно исследовал магнитное взаимодействие двух проводников с током.
Последующие опыты, поставленные в XIX в. рядом ученых, показали, что магнитные свойства обнаруживает не только ток в проводах, но и ток в жидкостях и газах и вообще всякий движущийся электрический заряд. Неподвижный электрический заряд воздействует (посредством электрического поля) на электрические же заряды, но не на магнитную стрелку; магнитное воздействие свойственно только движущимся электрическим зарядам (и изменяющимся электрическим полям).
Рис. 212
Таким образом, выяснилось, что вокруг движущихся электрических зарядов (токов) возникает еще один вид поля — магнитное поле, посредством которого эти заряды взаимодействуют с магнитами или с другими движущимися электрическими зарядами.
Так как магнитное поле является силовым полем, то его удобно изображать графически посредством силовых линий, подобно тому, как это делалось в отношении электрического поля (см. § 75). Касательная к магнитной силовой линии в любой ее точке должна совпадать по направлению с силой, с которой магнитное поле действует в этой точке на положительный магнитный полюс. Конфигурацию магнитных силовых линий в каждом конкретном случае можно установить, например, с помощью магнитной стрелки, ориентирующейся вдоль этих линий; за направление линии принято считать направление от южного к северному полюсу стрелки. Как известно из школьного курса физики, весьма наглядное представление о магнитных силовых линиях можно также получить с помощью железных опилок, насыпанных тонким слоем на стекло. На рис. 212 изображено изученное таким путем магнитное поле длинного стержневого магнита (магнитной спицы).
В упомянутом опыте Эрстеда силовые линии магнитного поля, созданного током 
в прямолинейном проводе, представляют собой концентрические окружности, перпендикулярные проводу, центры которых находятся на этом проводе (рис. 213). Направление силовых линий магнитного поля тока определяется по правилу буравчика; рукоятка буравчика, ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении магнитных силовых
Рис. 213
линий. В отличие от силовых линий электрического поля магнитные силовые линии всегда замкнуты (т. е. не имеют ни начала, ни конца).
В соответствии с правилом буравчика магнитное поле кругового тока 
имеет вид, представленный на рис. 214, а; на этом же рисунке изображено магнитное поле очень короткого постоянного магнита — магнитного листка (рис. 214, б). Сравнение рис. 214, а и б обнаруживает полное сходство магнитных полей кругового тока и постоянного магнита. Поэтому круговой ток ориентируется во внешнем магнитном поле точно так же, как и постоянный магнит: он устанавливается своей осевой линией (т. е. центральной силовой линией собственного магнитного поля) вдоль внешнего магнитного поля.
Рис. 214
В связи с отмеченным сходством магнита с круговым током Ампер в 1820 г. выдвинул гипотезу о том, что магнитное свойство постоянных магнитов обусловлено существующими в них элементарными круговыми токами. Однако происхождение этих токов оставалось неясным вплоть до начала текущего столетия, когда благодаря открытиям в области строения атома выяснилось, что круговые токи образованы вращательным движением электронов вокруг собственных осей и вокруг ядер атомов.
Таким образом, было окончательно установлено, что в природе нет особой магнитной субстанции — «магнитных масс» или «магнитных зарядов»; магнитные свойства вещества обусловлены элементарными круговыми токами в атомах и молекулах этого вещества.
Более подробно вопрос о природе магнетизма мы рассмотрим в § 99, а сейчас перейдем к изучению магнитного поля и электромагнитных явлений на основе магнитного взаимодействия токов.
Первоначальное изучение электромагнитных явлений и магнитного поля как силового поля можно осуществить несколькими различными способами. Во-первых, на основе воздействия поля на постоянный магнит (магнитную стрелку); именно этот способ исторически и был использован в качестве исходного для изучения электромагнитных явлений. Во-вторых, на основе воздействия поля на замкнутый контур (рамку) с током. В-третьих, на основе взаимодействия токов посредством их магнитных полей. Эти способы являются лишь методическими вариантами начала изложения электромагнетизма и приводят, конечно, к одинаковому результату в описании электромагнитных явлений.
Мы воспользуемся третьим способом — магнитным взаимодействием токов, поскольку из выражающего это взаимодействие закона Ампера почти непосредственно следуют (легко выводятся) важнейшие закономерности электромагнетизма: закон Био - Савара — Лапласа и формула Ампера.
