Читать онлайн «Понятная физика». Страница 16

§ 37. Опыт Фарадея

В 1821 году Фарадей взял коробку из-под булавок и выломал у неё дно. На боковые стенки он намотал тонкий изолированный провод, столько витков, сколько поместилось. Получилась прямоугольная обмотка в виде рамки. Подвесив рамку на нити в поле постоянного подковообразного магнита, он пропустил через обмотку ток. Рамка повернулась вокруг вертикальной оси так, что линии магнитного поля прошли через её середину. Фарадей предположил, что у рамки с током появились полюсы, как у природного магнита.

Что же случилось с полем прямого провода с током после того, как его намотали на стенки коробка? Пока провод был прямым, вокруг него циркулировало поле. Линии этого поля были окружностями. При сгибании провода в виток линии поля сгустились внутри витка, но стали реже снаружи. Когда витками покрылась все стенки, линии внутри коробка сгустились ещё больше и выпрямились. Так сформировалось однородное поле. Фарадей решил, что внутри рамки возникло магнитное поле и она повернулась в однородном поле подковообразного магнита, как повернулась бы стрелка компаса.

Опыт Фарадея является обратным по отношению к опыту Эрстеда. В опыте Эрстеда прямой ток создавал циркуляцию поля. В опыте Фарадея циркулирующий ток создавал прямой поток поля. Сам Фарадей сформулировал результат опыта так: циркуляция тока по замкнутому контуру создает внутри контура поток магнитного поля. В дальнейших опытах Фарадей установил, что вращающий момент рамки с током (произведение ширины рамки на силу взаимодействия рамки с внешним магнитным полем) пропорционален длине рамки. Учитывая, что произведение длины на ширину дает площадь, Фарадей предложил характеризовать магнитное поле внутри рамки потоком магнитного поля: Ψ = n Н S (37.1), где S – площадь сечения рамки, n – количество витков провода в рамке.

На результатах опытов Эрстеда и Фарадея Максвелл построил половину своей теории электромагнетизма. Уравнения Максвелла на языке векторного анализа описывают то, что Эрстед и Фарадей установили опытным путем. В нашем энергетическом подходе эти результаты можно объяснить еще проще. В опыте Эрстеда электрический ток на прямом участке провода создает вокруг себя циркуляцию электрического поля, в которой лини поля являются концентрическими окружностями. В опыте Фарадея циркуляция электрического тока в витках провода создает внутри рамки поток электрического поля. В уравнении (37.1) под магнитным полем H следует понимать электрическое поле E, поскольку магнитное поле работать не может, а рамка с током всё же поворачивается! Иначе не объяснить работу приборов электродинамической системы, в которых взаимодействуют две обмотки. В этих приборах ток от источника питания проходит через неподвижную обмотку и создает внутри образцовый поток поля. Измеряемый ток, проходя через подвижную рамку, создает внутри неё опытный поток поля. При взаимодействии двух потоков возникает момент силы, который поворачивает рамку вместе с измерительно стрелкой вокруг оси. Угол поворота зависит от упругости пружинок, на которых подвешена рамка. Это работа электрических полей, вклада от магнетизма здесь нет.

Теория магнетизма была призвана объяснить магнитные свойства материи. Коэффициент μ, показывающий, во сколько раз среда усиливает магнитное поле, назвали магнитной проницаемостью. Если μ меньше единицы, значит, данное вещество ослабляет поле. Такие материалы называют диамагнетиками (аналогично диэлектрикам, которые ослабляют электрическое поле). Пример диамагнетика – висмут. Вещество, которое незначительно усиливает магнитное поле, называют парамагнетиком. Пример – платина. Материалы, которые в разы (некоторые – в десятки раз) усиливают магнитное поле, называют ферромагнетиками. Пример, естественно, железо.

Природную намагниченность ферромагнетиков можно объяснить тем, что в расплавленном состоянии атомы ферромагнетика сцепляются в кольца из десятков и даже сотен атомов. При застывании расплава кольца соединяются в трубки длиной в тысячи атомов. Такие трубки состоят из миллионов атомов, у которых внешние электроны являются общими. Эти электроны легко циркулируют по поверхности трубок, создавая внутри потоки электрических полей Ф (в магнитной теории – магнитные потоки Ψ). Внешнее поле упорядочивает циркуляцию электронов по «стенкам» трубок, ориентируя потоки внутренних полей вдоль направления внешнего поля. При этом поля трубок складываются с внешним полем, усиливая его. Если ферромагнетик нагреть выше определенной температуры, связь между атомными кольцами разрушается и ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик.

Во времена Эрстеда считали, что магнитное поле создается двумя типами магнитных «зарядов»: северным (n) и южным (s). Коллеги Эрстеда брали закон Кулона, заменяли в нем переменные q1, q2 на n, s и формально получали силу магнитного взаимодействия Fm. Разделив Fm на s, они получали напряженность магнитного поля в виде: Н = Km n / r2 (38.1), где n – величина «северного» магнитного заряда. Фарадей первым стал характеризовать магнитное поле не формально, напряженностью Н, а индукцией поля B, которую он определял по величине наибольшего вращающего момента, когда рамка с током параллельна линиям поля: B = Mmax/IS (38.2), где I – сила тока, S – площадь рамки. Было бы справедливее, если единица магнитной индукции называлась фарада, а не тесла (Тл), как это принято сейчас. Индукция внешнего поля равна 1 Тл, если оно создает для рамки площадью 1 м2 и током 1 А момент Мmax = 1 Н*м.

Позже было доказано, что раздельных магнитных зарядов не существует, а магнитную стрелку всегда поворачивает пара сил (от южного и северного полюса), создавая вращающий момент. Таким образом, прав оказался Фарадей.

Переменным называют ток, который периодически меняет свою величину и направление. Переменный ток возникает, если к проводнику приложить переменное напряжение. Напряжение будет переменным, если разность потенциалов на полюсах генератора будет меняться по величине и по направлению. Попробуем смастерить простенький генератор переменного тока.

Возьмем толстый медный провод и согнем его в прямоугольную рамку. Концы провода подключим к микроамперметру с нулем в середине шкалы. Еще возьмем большой подковообразный магнит и положим на стол, чтобы северный полюс был слева. Подвесим рамку вертикально внутри магнита плоскостью перпендикулярно магнитным линиям. Назовем вертикальную ветвь рамки, ту, что в глубине магнита, первой, а ветвь, что ближе к нам, второй. Теперь плавно повернем рамку на 360 градусов по часовой стрелке (если смотреть сверху). Прибор покажет, что в рамке был ток. Сначала он был небольшим, затем увеличился, потом упал до нуля. Это было на первом полуобороте рамки. На втором полуобороте стрелка прибора отклонилась в обратную сторону. Обратный ток тоже сначала был небольшим, затем увеличился, потом упал до нуля. По определению, при повороте рамки в магнитном поле в ней возник переменный ток. Что же произошло?

Мысленно рассечем рамку горизонтальной плоскостью. Получится два сечения. В каждом сечении имеются свободные электроны. Поворачивая рамку, мы заставляем электроны перемещаться по горизонтальной окружности. Получается круговой ток. Но круговой ток рождает поток поля, который направлен вертикально, вдоль оси вращения рамки. Поле магнита, напомним, направлено слева направо, т. е. горизонтально. Все знают, если два полосовых магнита сложить крестом, они сразу развернутся так, чтобы северный полюс одного магнита притянулся к южному полюсу другого. Если поток поля изобразить стрелкой компаса, то поле магнита просто повернуло бы её на 90 градусов. Если вместо рамки был бы диск, то электроны закружили бы по окружности диска. Но электроны находятся в рамке, они не могут покинуть провод. Значит, поле магнита будет смещать электроны вверх или вниз вдоль вертикальных сторон рамки. Назовём их ветвями рамки.

После Фарадея ряд опытов поставил Лоренц. Он придумал простое правило, как узнать направление тока в ветвях рамки, если известно направление магнитного поля (правило левой руки). Нужно расположить левую ладонь так, писал Лоренц, чтобы линии поля входили в нее, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока. Тогда отставленный большой палец покажет отклонение заряда в магнитном поле. Следует заметить, что Лоренц имел в виду положительные заряды. Но мы с вами знаем, что ток в ветвях рамки образуют отрицательно заряженные электроны. Значит, для электронов надо взять правую руку. Мы будем применять правило «руки» Лоренца, так как оно простое и наглядное.