Глава 4. МАГНЕТИЗМ

§ 38. МАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ

Электричество и магнетизм. Явления взаимного притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов во многом сходны с явлениями притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита. Однако многочисленные попытки ученых установить связь между электрическими и магнитными явлениями на протяжении многих столетий оставались безрезультатными.

Впервые эта связь была обнаружена в 1820 г. датским физиком Гансом Христианом Эрстедом, заметившим, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее. Явление, открытое Эрстедом, можно объяснить двумя различными способами. Можно предположить, как это и сделало большинство современников Эрстеда, что при пропускании тока проводник становится магнитом. Тогда взаимодействие тока с магнитом сводится по существу к магнитным взаимодействиям.

Возможность другого варианта объяснения была показана Ампером. В том же 1820 г. он установил, что электрический ток действует не только на магнитную стрелку, но и на другой электрический ток: два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях. Явление взаимодействия электрических токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием.

Открытие электродинамического взаимодействия электрических токов многим современникам Ампера показалось малозначительным, почти само собой разумеющимся фактом. После сообщения о результатах своих опытов Ампер получил вопрос: «Но что же, собственно, нового в том, что Вы нам сказали? Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на стрелку, то они оказывают действие также и друг на друга». Ампер не нашел сразу нужного ответа, но ему на помощь пришел Араго. Он вынул из кармана два

железных ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга»; Те же ученые, которые понимали принципиальную важность открытия Ампера, считали его невероятным. Так, рассказывают, что Лаплас, присутствовавший на демонстрации опыта Ампера, по окончании лекции дождался его ассистента и спросил: «А не Вы ли это, молодой человек, подталкивали провод?»

На основании своих опытов Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока с магнитом можно объяснить, если предположить, что внутри магнита существуют незатухающие круговые токи. При этом взаимодействие магнита с током сводится к взаимодействию электрических токов.

Исторический путь открытия и исследования магнитных взаимодействий тесно связан с исследованием и использованием постоянных магнитов. Однако для выяснения физической сущности магнитных явлений не обязательно следовать этим долгим и трудным путем. В последующих параграфах мы рассмотрим магнитные явления, опираясь лишь на опыт Ампера, не прибегая к использованию сведений о постоянных магнитах.

Взаимодействие движущихся электрических зарядов. Взаимодействие двух точечных электрических зарядов находящихся в вакууме на расстоянии друг от друга, описывается законом Кулона:

Кажется очевидным, что при любом движении этих двух зарядов сила их взаимодействия на расстоянии друг от друга должна определяться тем же самым выражением. Но в физике ни одно утверждение не принимается без экспериментального доказательства, каким бы очевидным оно ни казалось.

Для экспериментального исследования взаимодействия движущихся электрических зарядов используем в качестве прибора, создающего пучок быстро движущихся заряженных частиц, электронно-лучевую трубку осциллографа. Параллельно электронному пучку расположим проводник. Провод в целом электрически нейтрален, поэтому поднесение проводника к электронно-лучевой трубке не оказывает никакого влияния на движущиеся в ней электроны.

Теперь подключим проводник к источнику постоянного тока. В проводнике возникает упорядоченное движение электронов, но, как и в первом опыте, он остается электрически нейтральным. Опыт приводит к совершенно неожиданному результату: при пропускании электрического тока через проводник, расположенный параллельно оси электронно-лучевой трубки, светящаяся точка на экране осциллографа смещается из своего первоначального положения (рис. 81)! Смещение светового пятна на экране трубки свидетельствует о том, что траектория движения электронов в ней изменилась. Следовательно, при возникновении тока в проводнике на электроны,

Рис. 81. Опыт с электронным пучком и проводником с током

движущиеся в электронно-лучевой трубке, действует какая-то сила.

Взаимодействие электрических зарядов, возникающее при их движении дополнительно к электрическому, назовем магнитным взаимодействием электрических зарядов. Основные закономерности магнитного взаимодействия электрических зарядов установим опытным путем.

Зависимость силы магнитного взаимодействия двух параллельно движущихся зарядов от расстояния между ними, скорости движения и величины электрических зарядов. Удаляя проводник с током от трубки, мы обнаруживаем, что смещение электронного луча уменьшается с увеличением расстояния между проводником и электронным лучсм. Результаты тщательно выполненных опытов подобного рода позволяют сделать вывод, что сила магнитного взаимодействия движущихся электрических зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними :

Исследовать зависимость силы магнитного взаимодействия от величины скорости движения зарядов можно путем изменения

напряжения, разгоняющего электроны в трубке, и напряжения, приложенного к концам проводника.

Как показывает эксперимент, сила магнитного взаимодействия электрических зарядов прямо пропорциональна скорости движения каждого из них:

Для установления зависимости силы магнитного взаимодействия от электрического заряда движущихся частиц могут быть использованы пучки однозарядных и многозарядных ионов, которые получаются примерно таким же способом, как и электронные пучки. Опыты с ионными пучками показывают, что сила магнитного взаимодействия прямо пропорциональна электрическим зарядам движущихся частиц:

Объединив выражения (4.2), (4.3) и (4.4), получим:

где — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения физических величин.

Мы получили, что сила магнитного взаимодействия электрических зарядов, движущихся параллельно, прямо пропорциональна зарядам скоростям их движения и и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними