Предмет и задачи электродинамики
Электродинамика — раздел физики, изучающий магнитное и электрические поля, в том числе изменяющиеся во времени и в пространстве, связь между этими полями, а также излучение и распространение электромагнитных волн.
Законы электродинамики широко используют в промышленности, технике и в быту — например, при производстве и потреблении электроэнергии, в радиосвязи (в частности, при создании мобильных устройств), в современной аппаратуре.
1. Взаимодействие постоянных магнитов
Вспомним свойства постоянных магнитов, знакомые вам из курса физики основной школы.
1. На рисунке 1.1 изображены полосовые магниты, подвешенные на нитях. Северный и южный полюсы обозначены только у одного из них.
Рис. 1.1
2. Как вы знаете, Земля представляет собой огромный магнит. Вблизи какого географического полюса Земли находится её северный магнитный полюс?
2. Взаимодействие проводников с токами
Электрические и магнитные явления долгое время изучали по отдельности, не подозревая о связи между ними. Но в начале 19-го века датский учёный Г. Эрстед обнаружил, что проводник с током1) обладает магнитными свойствами: помещённая вблизи него магнитная стрелка поворачивается. Опыт Эрстеда мы рассмотрим в одном из заданий в конце этого параграфа, а сейчас изучим магнитное взаимодействие прямолинейных проводников с токами, открытое на опыте французским физиком Л. Ампером.
Взаимодействие прямолинейных проводников с токами
Поставим опыт
На рисунке 1.2 схематически изображены результаты опытов по взаимодействию параллельных прямолинейных проводников, по которым текут токи. В качестве проводников в этом опыте часто используют ленты из фольги, потому что тогда заметнее изгиб проводника, на который действует сила со стороны другого проводника.
3. В каком случае проводники притягиваются — когда токи в проводниках текут в одном направлении или в противоположных? В каком случае проводники отталкиваются?
Рис. 1.2
4. Можно ли считать, что описанное выше взаимодействие проводников с токами имеет электрическую природу?
Итак, в описанном опыте проявляются магнитные свойства проводников с токами.
Единица силы тока
Взаимодействие прямолинейных проводников с токами используют для определения единицы силы тока в СИ — ампера (А).
За 1 А принимают силу тока в каждом из двух параллельных бесконечно длинных проводников очень малого поперечного сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга и взаимодействующих друг с другом с силами, равными 2 • 10-7 Н на каждый метр длины2).
Единица электрического заряда в СИ — кулон (Кл) связана с единицей силы тока ампер (А) соотношением 1 Кл = 1 А • 1 с.
1) Для краткости мы будем называть так проводник, по которому течёт ток.
2) Эта информация приведена не для запоминания.
Взаимодействие витков и катушек с токами
Зная, как взаимодействуют параллельные прямолинейные проводники с токами, можно предсказать, как будут взаимодействовать круговые витки с токами, а также катушки с токами.
5. В какой паре витков (рис. 1.3, а, б) витки притягиваются, а в какой — отталкиваются?
6. На каком из рисунков 1.4, а, б изображены катушки, токи в которых направлены: одинаково; противоположно?
Рис. 1.3
Рис. 1.4
3. Магнитные свойства вещества
Гипотеза Ампера
Сравнивая взаимодействие катушек с токами (рис. 1.4) и взаимодействие постоянных магнитов (рис. 1.1), легко заметить их сходство. Основываясь на этом сходстве, Ампер предположил, что внутри постоянных магнитов циркулируют незатухающие одинаково направленные «молекулярные токи» (рис. 1.5, а).
Рис. 1.5
В толще магнита соседние молекулярные токи направлены противоположно. Поэтому они взаимно компенсируют друг друга. Зато вблизи поверхности магнита молекулярные токи как бы образуют ток, текущий по поверхности магнита, подобно току в катушке (рис. 1.5, б). Это и объясняло, по мнению Ампера, магнитные свойства вещества.
7. Основываясь на гипотезе Ампера, объясните, почему при разламывании полосового магнита образуются снова два магнита, у каждого из которых есть северный и южный полюсы.
Ферромагнетики
Гипотеза Ампера очень красива, однако дальнейшие исследования её не подтвердили. В 20-м веке учёные установили, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены тем, что атомы некоторых веществ сами по себе являются крошечными магнитиками. В постоянных магнитах некоторая (сравнительно небольшая) часть атомов-магнитиков ориентируется одинаково, то есть их «северные полюсы» направлены в одну сторону. Этим и объясняются свойства постоянного магнита. Вещества, из которых можно изготовить постоянные магниты, называют ферромагнетиками. Наиболее распространённые ферромагнетики — железо и его сплавы (сталь и чугун).
Магнитные свойства каждого ферромагнетика исчезают, если нагреть его до определённой для данного ферромагнетика температуры, которую назвали точкой Кюри в честь французского физика П. Кюри. Например, точка Кюри для железа равна 753 °С.
4. Магнитное поле
Английский учёный М. Фарадей предположил, что магнитные взаимодействия, подобно электрическим, осуществляются посредством поля, которое назвали магнитным полем.
Как мы уже знаем, магнитными свойствами обладают проводники с токами. Следовательно, проводник с током является источником магнитного поля.
Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц. Следовательно, движущаяся заряженная частица является источником магнитного поля.
Магнитное взаимодействие постоянных магнитов обусловлено магнитными свойствами электронов. Выяснилось, что и другие мельчайшие частицы вещества, которые называют элементарными (например, протон и нейтрон, из которых состоят атомные ядра), тоже обладают магнитными свойствами. Следовательно, источниками магнитного поля могут быть элементарные частицы (в том числе находящиеся в покое и даже не имеющие электрического заряда — например нейтрон, входящий в состав атомных ядер).
Скоро мы узнаем, что источником магнитного поля является также изменяющееся во времени электрическое поле.
Вектор магнитной индукции
Магнитное поле проявляет себя тем, что оно действует с некоторой силой на проводник с током, на движущуюся заряженную частицу или на полюсы постоянного магнита.
Рис. 1.6
Линии магнитной индукции
Поставим опыт
Если поместить небольшие магнитные стрелки вблизи постоянного магнита, то можно заметить, что они поворачиваются, выстраиваясь при этом вдоль некоторых линий (рис. 1.7).
Эти линии называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
Рис. 1.7
На рисунках 1.8, а, б изображены линии магнитной индукции поля, созданного катушкой с током.
Рис. 1.8
8. Сравните магнитные линии поля, созданного катушкой с током, с магнитными линиями поля, созданного полосовым магнитом. Что у них общего и чем они различаются на вид?
Нетрудно заметить, что магнитные линии поля, созданного катушкой с током, похожи по форме на магнитные линии поля, созданного полосовым магнитом. Магнитные линии поля, созданного катушкой с током, замкнуты, а магнитные линии поля, созданного полосовым магнитом, выходят из северного полюса и входят в южный полюс и поэтому кажутся незамкнутыми. На самом же деле магнитные линии поля, созданного полосовым магнитом, тоже замкнуты: они замыкаются внутри магнита, потому что внутри магнита тоже есть магнитное поле.
Особенность магнитных линий состоит в том, что они, в отличие от линий напряжённости электростатического поля, всегда замкнуты.
9. Чем отличаются опыты, схематически изображённые на рисунках 1.8, а и б? Какой вывод можно сделать из этого наблюдения?
5. Правило буравчика
Правило буравчика для витка или катушки с током
Опыты показывают, что направление магнитных линий поля, созданного током в витке или катушке, можно определить с помощью следующего правила.
Правило буравчика: если вращать буравчик с правой резьбой так, чтобы направление вращения ручки буравчика совпадало с направлением тока в катушке или витке, то направление поступательного движения буравчика покажет направление линий магнитной индукции поля внутри катушки или в центре витка (рис. 1.9, а, б).
Рис. 1.9
10. Чем отличаются рисунки 1.9, а и б?
Рассмотрим пример применения правила буравчика.
11. На горизонтальном столе лежит проволочный виток, по которому течёт ток. Мы смотрим на виток сверху.
Правило буравчика для прямолинейного проводника с током
Изучим теперь магнитное поле, созданное прямолинейным проводником с током.
Поставим опыт
На рисунках 1.10, а, б изображены магнитные стрелки, расположенные в некоторых точках вблизи прямолинейных проводников с токами.
Рис. 1.10
Ориентация магнитных стрелок указывает на то, что магнитные линии поля, созданного прямолинейным проводником с током, являются окружностями, расположенными в плоскостях, перпендикулярных проводнику, причём центры всех этих окружностей находятся на оси проводника.
12. Чем различаются опыты, схематически изображённые на рисунках 1.10, а и б? Какой вывод можно сделать из сравнения этих опытов?
Опыты показывают, что направление магнитных линий поля, созданного прямолинейным проводником с током, можно найти с помощью следующего правила.
Правило буравчика: если вращать буравчик с правой резьбой так, чтобы направление его поступательного движения совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика покажет направление линий магнитной индукции поля, созданного этим током (рис. 1.11).
Рис. 1.11
13. Чем различаются рисунки 1.11, а и б?
Обозначение направления для векторов и тока
Научимся изображать на чертежах векторы, перпендикулярные плоскости чертежа, а также проводники с токами, направленными перпендикулярно плоскости чертежа.
Для этого будем использовать обозначения1),показанные на рисунке 1.12. Слева изображены ток, магнитная индукция и сила, направленные «от нас», а справа — направленные «к нам».
Потренируемся в использовании этих обозначений и правила буравчика для магнитного поля, созданного прямолинейным проводником с током.
1) Эти обозначения обусловлены представлением вектора в виде стрелы с хвостовым оперением.
Рис. 1.12
14. На рисунках 1.13, а, б изображены прямолинейные проводники с токами. Перенесите рисунки в тетрадь и укажите на них направление вектора магнитной индукции поля, созданного каждым проводником с током в точках А и С.
Рис. 1.13
Принцип суперпозиции
Опыт показывает, что
вектор магнитной индукции поля, созданного несколькими источниками магнитного поля, равен векторной сумме векторов магнитной индукции полей, созданных каждым источником поля.
Это утверждение называют принципом суперпозиции для магнитного поля.
Как «увидеть» линии магнитной индукции
Поставим опыт
Стальные или железные опилки в магнитном поле намагничиваются, превращаясь в очень маленькие магнитные стрелки, которые выстраиваются вдоль магнитных линий. Благодаря этому невидимые магнитные линии можно сделать «видимыми».
На рисунке 1.14 изображены опилки, насыпанные на бумажный лист, находящийся над полосовым магнитом.
Рис. 1.14
15. Найдите в тексте параграфа рисунок, напоминающий картину магнитных линий на рисунке 1.14. Можно ли определить по рисунку 1.14, где находятся северный и южный полюсы магнита?
16. Опишите опыт, в результате которого получилась картина магнитных линий, изображённая на рисунке 1.15.
Рис. 1.15
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
17. Полосовой магнит разломили на три части, как показано на рисунке 1.16. Перенесите рисунок в тетрадь и отметьте цветом полюсы А и В средней части магнита.
Рис. 1.16
18. Будет ли устойчивым показанное на рисунке 1.17 положение магнитной стрелки, помещённой в магнитное поле? Обоснуйте свой ответ.
Рис. 1.17
19. Перенесите рисунки 1.18, а, б в тетрадь и обозначьте на них полюсы магнитов.
Рис. 1.18
20. На рисунке 1.19 изображены магнитные линии полосового магнита. Перенесите рисунок в тетрадь и обозначьте на нём полюсы магнита. Схематически изобразите устойчивые положения магнитных стрелок в точках А, В, С.
Рис. 1.19
21. В начале 19-го века датский учёный Г. Эрстед обнаружил на опыте магнитное действие проводника с током. На рисунках 1.20, а—в изображена схема опыта Эрстеда (магнитная стрелка находится под проводником).
Рис. 1.20
22. Определите направление магнитных линий (рис. 1.21, а—ж).
Рис. 1.21