2 (1106069), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

в магнитной поляризации молекул, т.е. либо в раздвигании разноименных зарядов молекул магнетика в противоположные стороны, либо в повороте магнитных осей молекул, если эти молекулы обладают постоянным магнитным моментом. При этом магнитный момент молекул считался обусловленным несимметричным расположением входящих в их состав магнитных зарядов и определялся по аналогии с электрическим моментом , где - отдельные магнитные заряды (элементарные магнитные полюса), входящие в состав молекулы магнетика, а - их радиус-векторы, т.е. самой простой моделью магнетика являлся магнитный диполь.

С другой стороны можно было (по аналогии с электростатикой), оставляя открытым вопрос о физической причине магнитного взаимодействия, ввести полевое описание этого взаимодействия, используя при этом математическую теорию поля. Итак, будем считать один из магнитных полюсов (например, ), входящих в закон Кулона, северным и разделим на него левую и правую часть закона Кулона. Получим Обозначим отношение буквой Н, т.е. , и назовем это отношение напряженностью магнитного поля. - есть отношение экспериментальных величин и ему можно задать единичное значение: так, если сила взаимодействия северного магнитного полюса с другим полюсом по величине равна 1 дине, а величина северного полюса равна 1 ед. абсолютной магнитной системы единиц, то Н равно единичной величине напряженности магнитного поля, эта величина носит название эрстед. При использовании величины Н закон Кулона примет вид ; так как магнитный полюс – величина скалярная, то в векторном виде закон можно записать . Ясно, что при m – отрицательном (т.е. для южного магнитного полюса), сила будет иметь отрицательный знак, т.е. будет направлена противоположно вектору направленности поля.

В рамках полевого описания полученную формулу можно интерпретировать следующим образом: магнитный полюс m создает вокруг себя магнитное поле, характеризующееся напряженностью , которое, взаимодействуя с магнитным полюсом , вызывает силу . При этом данная формула остается справедливой для взаимодействия магнитного полюса с магнитным полем напряженности , созданным произвольным распределением магнитных зарядов.

В 1820 году были открыты магнитные свойства токов, которые появились

в силовом взаимодействии токов с магнитными телами и между собой. Т.о. оказалось, что существуют два ряда источников магнитного взаимодействия: магнитные полюса и электрические токи.

В том же 1820 году Био и Совар экспериментально установили, а Лаплас обобщил их результаты и получил закон, который гласил: если тонкий проводник, по которому течет ток , представить разбитым на отдельные малые участки , то сила взаимодействия этого участка тока с магнитным полюсом величины m будет по абсолютной величине равна , где - угол между направлением э лемента тока и радиуса вектором , проведенным от элемента тока к магнитному полюсу (рис. 10). В векторной форме закон записывается в виде: . .

Для проведения соответствующего эксперимента надо было изолировать один магнитный полюс от другого. Фарадей придумал прибор, который позволял это сделать. На рис. 11 изображена схема прибора Фарадея, позволяющая одновременно демонстрировать действие тока на магнитный полюс и действие магнитного полюса на ток. В этом приборе имеются два сосуда с ртутью. Цепь прибора указана стрелами.

В левом сосуде стержневой магнит удерживается от всплывании в ртути гибкой нитью, причем нижний полюс магнита находится на оси, вокруг которой при пропускании тока через прибор начинает вращаться другой полюс магнита.

В правом сосуде оба полюса магнита расположены на оси, вокруг которой при пропускании тока вращается гибкий проводник (один конец которого закреплен наверху, а другой скользит по поверхности ртути). Так как при взаимодействии элемента ток

с магнитным полюсом выполняется III закон Ньютона, то сила , с которой магнитный полюс действует на элемент тока, равна силе, с которой элемент тока действует

на магнитный полюс, но с противоположным знаком.

Таким образом, экспериментальное действие электрического тока на магнитный полюс и действие магнитного полюса на электрический ток описывалось одной формулой (с точностью до знака).

Однако, поскольку источники магнитного поля имели равную природу (в те времена гипотеза Ампера о том, что источникам магнитного поля являются только токи, еще не была установлена), то в рамках полевого описания раздельно рассматривали действие тока на магнитный полюс и действие магнитного полюса на ток.

При полевом рассмотрении действие элемента тока на магнитный полюс m интерпретируют так: элемент тока создает в каждой точке окружающего этот элемент пространства магнитное поле, характеризующееся напряженностью магнитного поля , и при помещении в какую-либо точку этого пространства магнитного полюса m на него со стороны поля действует сила , откуда .

При полевом описании действия магнитного полюса m на элемент тока , надо ввести магнитное поле магнитного полюса, и тогда экспериментальная формула взаимодействия магнитного полюса с электрическим током будет интерпретироваться так: магнитный полюс в каждой точке окружающего его пространства создает магнитное поле напряженностью , и на элемент тока , помещенный в какую-либо точку этого пространства, будет действовать сила . Однако при полевом рассмотрении закона Кулона для магнитных зарядов напряженность магнитного поля полюса установлена:

, а полевое рассмотрение экспериментальной формулы не должно противоречить полевому рассмотрению закона Кулона. T.к. , то подставляя это выражение в формулу для силы получим: или в векторном виде - эту формулу назвали формулой Ампера. Т.о. имела место одна экспериментальная формула, которую можно было представлять в рамках полевого описания, используя два типа источников магнитного поля: магнитные

полюса состояли из совокупности магнитных диполей.

Позднее Ампер доказал эквивалентность токов и магнитных диполей.

О чем шла речь в теореме Ампера? Магнитное поле магнитных полюсов создается магнитными диполями (вернее связанными магнитными зарядами, для которых можно использовать модель магнитных диполей (см. ранее). Каждый магнитный диполь имеет магнитный момент , где - величина магнитного заряда, - расстояние между зарядами.

Если взять тонкий намагниченный стержень длиной , имеющий магнитные полюса

m_сев= m_южн= m, то его в целом можно рассматривать как макроскопический магнитный диполь, имеющий магнитный момент _дип= (где направлен от южного полюса

к северному).

Магнитный момент – характеристика, обуславливающая магнитные свойства:

а) создает магнитное поле.

Так, магнитный момент диполя _дип создает магнитное поле, напряженность которого

где - угол между осью диполя и радиус-вектором, проведенным из центра диполя в рассматриваемую точку пространства.

б) взаимодействует с внешним магнитным полем.

Так, на магнитный диполь с моментом М_дип, помещенный в однородное магнитное поле , действует механический вращательный момент . , где - угол составляемый осью диполя с направлением поля.

Замкнутый круг также имеет магнитный момент . При определенных условиях , где - величина замкнутого тока, S – площадь контура с током, – внешняя нормаль к S.

Было доказано, что магнитный момент диполя эквивалентен магнитному моменту тока, т.е. . Этот результат позволял использовать при полевом описании магнитных явлений либо дипольную, либо токовую модели, получая эквивалентные результаты, но проблема двух типов источником магнитного поля оставалась. Желание свести механизм возникновения магнитного поля к одной причине привело Ампера к гипотезе о молекулярных точках: поскольку магнитные диполи и замкнутые токи эквивалентны, то можно допустить, что в молекулах магнетиков магнитных зарядов, создающих магнитные диполи, нет, а есть замкнутые электрические токи, циркулирующие в объеме молекулы магнетики. Эта гипотеза была развита Вебером, но свое экспериментальное подтверждение получила почти через 100 лет, когда была принята планетарная модель атома, согласно которой электрон, вращающийся вокруг ядра, в магнитном отношении соответствует круговому току, некоторой силы ,магнитный момент которого , где S – площадь орбиты электрона. При этом общий магнитный момент молекулы по принципу суперпозиций равен векторной сумме моментов электронов. Вскоре, однако, выяснилось. Что, во-первых, орбитальное движение электрона не играет существенной роли в создании магнитного поля, за это отвечает внутренняя характеристика электрона – спин, имеющая квантовое происхождение, а во-вторых, никакого вращения электрона вокруг ядра нет – другими словами, магнитные свойства магнетиков обусловлены квантово-механическими свойствами электронов, а не их классическим циркулированием по замкнутым орбитам. Однако было показано, что магнитное поле, возбуждаемое электронами за счет его квантовых свойств, может быть сведено (в смысле количественного описания) к полю электрических токов, определенным образом распределенных в пространстве. В этом смысле и сегодня говорят, что магнитные свойства тел обусловлены молекулярными электрическими токами.

Т.о. согласно современным представлениям магнитное поле создается движущими зарядами, т.е. токаи проводимости и замкнутыми молекулярными токами.

2.5.2.Магнитное поле токов проводимости. (Магнитное поле в вакууме)

Напряженность магнитного поля , создаваемого элементом тока в точке

Характеристики

Список файлов лекций