Магнитное поле - это невидимая, но ощутимая сила, которая окружает нас повсюду. Понимание ее природы помогло человечеству создать множество полезных технологий - от компаса до магнитно-резонансной томографии. Давайте разберемся, откуда берется это удивительное явление.
Исторический экскурс
Впервые магнитное поле было обнаружено в 1269 году французским ученым Пьером Перегрином. Он отметил, что железные опилки выстраиваются вдоль определенных линий вокруг сферического магнита. Эти линии пересекались в двух точках, которые Перегрин назвал "полюсами".
Почти три века спустя английский врач Уильям Гилберт впервые четко заявил, что сама Земля является гигантским магнитом. Его работа "О магните" (1600 г.) заложила основы магнетизма как науки.
В 1820 году произошло сразу три важных открытия:
- датский физик Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле;
- Ампер показал, что параллельные провода с током притягиваются;
- Био и Савар открыли математический закон, описывающий магнитное поле вокруг проводника.
Эти результаты позволили связать электричество и магнетизм. Ампер предложил рассматривать магнитное поле как результат движения электрических зарядов. Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции. Максвелл в 1865 году описал электромагнитное поле с помощью своих знаменитых уравнений.
Что такое магнитное поле
Магнитное поле - это особое состояние пространства, характеризующееся наличием и направлением магнитной силы в каждой его точке. Оно действует на движущиеся электрические заряды, заставляя их отклоняться или испытывать ускорение. Также магнитное поле взаимодействует с магнитными моментами атомов.
В отличие от электростатического, магнитное поле всегда является вихревым - у него есть направление. Это наглядно видно на примере постоянных магнитов, у которых четко выражены полюса.
Магнитные поля создаются движущимися зарядами, электрическими токами в проводниках или изменяющимися во времени электрическими полями. Поэтому магнитное поле можно рассматривать как электромагнитное явление. В то же время у него есть и собственные характеристики.
Как возникает магнитное поле
Как уже отмечалось, магнитное поле порождается тремя основными источниками:
- Движущимися электрическими зарядами
- Электрическими токами в проводниках
- Переменными электрическими полями
Рассмотрим их поочередно.
Любой движущийся заряд создает вокруг себя магнитное поле. Его направление задается правилом левой руки (правилом буравчика): если буравчик вращать по направлению движения заряда, то он будет указывать направление линий магнитного поля.
На этом же принципе основано возникновение магнитных полей вокруг проводников с электрическим током. Ведь ток - это упорядоченное движение заряженных частиц (обычно электронов). По закону Ампера, параллельные проводники с током притягиваются, если токи направлены в одну сторону, и отталкиваются при противоположных направлениях.
Наконец, согласно уравнениям Максвелла, переменное электрическое поле также порождает магнитное. Это объясняет, почему электромагнитные волны (в том числе свет) имеют двойственную природу.
Давайте подробнее разберемся с механизмом возникновения магнитного поля вокруг движущегося заряда. Согласно теории, когда заряженная частица, например электрон, начинает движение, вокруг нее тут же возникает магнитное поле. При этом сам электрон как бы "увлекает" за собой линии этого поля.
Скорость распространения магнитного поля
Важный вопрос - насколько быстро распространяется магнитное поле в пространстве? Оказывается, что со скоростью света, то есть 300 000 км/с! Это объясняется тем, что магнитное поле порождается движением электронов, а электромагнитные взаимодействия по своей природе не могут распространяться быстрее света.
Усиление магнитного поля
В ряде случаев требуется усилить магнитное поле, сгенерированное движением зарядов. Например, в электродвигателях или генераторах. Это достигается различными способами.
Во-первых, можно увеличить силу тока в проводнике. Это приведет к увеличению числа движущихся зарядов и соответственно - напряженности магнитного поля вокруг проводника.
Во-вторых, применяют специальные магнитные материалы - ферромагнетики. Благодаря их высокой магнитной проницаемости, магнитный поток в ферромагнетике значительно (иногда в тысячи раз) превышает поток в вакууме при одинаковой напряженности поля.
Конфигурация магнитного поля
Интересный вопрос - можно ли как-то изменить конфигурацию магнитного поля движущегося заряда? В принципе да, для этого подходит несколько методов.
Во-первых, можно изменить траекторию движения самого заряда. Например, заставить электрон двигаться не по прямой, а по окружности или спирали. Тогда и конфигурация магнитного поля будет меняться.
Во-вторых, можно комбинировать магнитные поля от нескольких движущихся зарядов так, чтобы они усиливали или ослабляли друг друга в разных направлениях. Этот метод используется, к примеру, при создании магнитных ловушек для удержания плазмы в термоядерных реакторах.
Пространственное распределение
Как уже говорилось, магнитное поле порождается движением зарядов и где возникает вокруг них. Важно, что это поле носит протяженный характер и плавно убывает при удалении от источника. Математически это описывается так называемым законом Био-Савара-Лапласа, показывающим зависимость магнитного поля от расстояния.
На большом расстоянии от проводника с током это поле становится практически однородным и описывается предельно просто с помощью закона Ампера. Однако вблизи самого проводника картина гораздо сложнее и требует точных расчетов.
Взаимодействие магнитных полей
Рассмотренные выше магнитные поля можно комбинировать и заставлять взаимодействовать между собой. Это лежит в основе работы многих электротехнических устройств.
К примеру, катушка с током создает собственное магнитное поле. Если в центре этой катушки поместить ферромагнитный сердечник, то его магнитное поле будет взаимодействовать с полем катушки. В результате суммарное магнитное поле резко усиливается, так как линии магнитной индукции замыкаются через ферромагнетик.
Магнитное поле в движении
Что происходит с магнитным полем при перемещении его источника в пространстве? Можно показать, что поле как бы "увлекается" вслед за движущимися зарядами.
Например, если проводник с током начнет движение, то конфигурация его магнитного поля останется неизменной. Однако относительно внешнего наблюдателя это будет выглядеть так, как если бы само поле начало движение со скоростью проводника. Интересно, что распространение изменений этого магнитного поля также происходит со скоростью света.
Вещество в магнитном поле
Чем порождается реакция различных веществ на внешнее магнитное поле? Все определяется строением этих веществ на атомном и молекулярном уровне.
Как известно, атомы и молекулы сами обладают магнитными моментами за счет движения электронов. Под действием внешнего поля эти магнитные моменты выстраиваются по-разному в зависимости от типа вещества, что и определяет его магнитные свойства.
Применение магнитных полей
Уникальные особенности магнитных полей широко используются на практике. Рассмотрим лишь несколько примеров такого применения.
Во-первых, широчайшее использование магнитных полей в электротехнике и электронике. Это электродвигатели, генераторы, трансформаторы, магнитные усилители, запоминающие устройства и многое другое.
Во-вторых, магнитные поля помогают удерживать плазму в термоядерных реакторах. Без этого невозможно проведение реакции синтеза.
