§ 27. Дзеянне магнітнага поля на праваднік з токам. Узаемадзеянне праваднікоў з токам

Магнітнае поле. Тое, што магніты ўзаемадзейнічаюць адзін з адным, што распілены папалам магніт ператвараецца ў два магніты, а жалеза пры судакрананні з магнітам намагнічваецца, было выяўлена дастаткова даўно. Значна пазней знайшлі сувязь паміж электрычнымі і магнітнымі з’явамі, хоць намагнічанасць жалезных прадметаў, перамагнічванне стрэлкі компаса падчас навальнічных электрычных разрадаў і многія іншыя назіранні і доследы прымушалі вучоных задумацца над гэтым. Першымі гэтую сувязь даследавалі ў 1820 г. дацкі фізік Ханс Крысціян Эрстэд (1777–1851) і ўжо вядомы вам французскі фізік і матэматык Андрэ Мары Ампер.

Эрстэд заўважыў, што магнітная стрэлка, размешчаная паблізу правадніка, паварочвалася на некаторы вугал падчас праходжання па правадніку электрычнага току (мал. 137). Адкрыццё Эрстэда дазволіла Амперу зрабіць выснову, што магнітныя ўласцівасці любога цела вызначаюцца замкнутымі электрычнымі токамі, якія цыркулююць унутры гэтага цела; яны атрымалі назву «амперавы токі» або «малекулярныя токі» (мал. 138). Гэта азначала, што магнітнае ўзаемадзеянне абумоўлена не асаблівымі магнітнымі зарадамі, а рухам электрычных зарадаў — электрычным токам.

Узаемадзеянне правадніка з токам і магнітнай стрэлкі ў доследзе Эрстэда з’яўляецца ўзаемадзеяннем электрычнага току правадніка з «амперавымі токамі» ў магнітнай стрэлцы (гіпотэза Ампера). Гэтае ўзаемадзеянне ажыццяўляецца дзякуючы магнітнаму полю.

Магнітнае поле — форма матэрыі, створаная электрычнымі зарадамі, якія рухаюцца адносна пэўнай інерцыяльнай сістэмы адліку, або пераменнымі электрычнымі палямі.

Доследы сведчаць, што магнітнае поле ўзнікае пры руху любых электрычных зарадаў. Паколькі скорасць руху зараду залежыць ад выбару сістэмы адліку, магнітнае поле аднаго і таго зараду ў розных сістэмах адліку будзе розным. Калі ў адносінах да вызначанай інерцыяльнай сістэмы адліку электрычны зарад знаходзіцца ў спакоі, то ў гэтай сістэме адліку ён стварае толькі электрастатычнае поле. Электрычны зарад, што рухаецца адносна дадзенай інерцыяльнай сістэмы адліку, стварае ў ёй не толькі электрычнае поле, але і магнітнае, якія з'яўляюцца кампанентамі адзінага электрамагнітнага поля.

У магнітным полі ажыццяўляецца ўзаемадзеянне паміж электрыч нымі зарадамі, якія рухаюцца (а таксама магнітамі). Прычым кожны электрычны зарад, які рухаецца ў дадзенай інерцыяльнай сістэме адліку, стварае ў навакольнай прасторы магнітнае поле. Гэтае поле дзейнічае пэўнымі сіламі на любыя іншыя рухомыя электрычныя зарады, а таксама на магніты, якія ў ім знаходзяцца.

Такім чынам, пра існаванне магнітнага поля можна меркаваць па наяўнасці сілы, што дзейнічае на электрычны зарад, які рухаецца адносна абранай інерцыяльнай сістэмы адліку, або на магніт, які знаходзіцца ў гэтым полі.

Дзеянне магнітнага поля на праваднік з токам. Паколькі магнітнае поле правадніка з токам дзейнічае пэўнай сілай на магніт (у доследзе Эрстэда — на магнітную стрэлку), то натуральна дапусціць, што з боку магнітнага поля магніта на праваднік з токам павінна дзейнічаць сіла. Гэтае дапушчэнне можна праверыць эксперыментальна.

Збяром электрычны ланцуг, паказаны на малюнку 139, а. Пры разамкнутым ланцугу дзеяння з боку магнітнага поля дугападобнага магніта на гнуткі праваднік не назіраецца. Пры замыканні ланцуга праваднік прыходзіць у рух: ён або ўцягваецца ў прастору паміж полюсамі дугападобнага магніта (мал. 139, б), або выштурхваецца з яе (мал. 139, в) пры адваротным размяшчэнні полюсаў магніта (або пры змене напрамку току). Гэты дослед яшчэ раз даказвае, што магнітнае поле дзейнічае толькі на зарады, якія рухаюцца.

Ці дзейнічае магнітнае поле на зараджаныя часціцы, якія рухаюцца ў вакууме? Няхай у катоднай трубцы (мал. 139.1, а) ад катода К да анода А рухаецца пучок электронаў. Пры адсутнасці знешняга магнітнага поля ён будзе рухацца прамалінейна і перпендыкулярна да паверхні анода. Калі да трубкі паднесці магніт (мал. 139.1, б), то электронны пучок адхіліцца ўніз. Памяняўшы месцамі размяшчэнне полюсаў магніта, можна адхіліць пучок уверх. Траекторыю руху электронаў унутры трубкі можна назіраць дзякуючы экрану Э, пакрытаму люмінафорам — рэчывам, якое свеціцца пад уздзеяннем удараў электронаў.

Ва ўсіх разгледжаных выпадках на праваднікі з токам (зараджаныя часціцы, што рухаюцца) дзейнічалі магнітныя сілы, якія можна разглядаць як вынік узаемадзеяння магнітнага поля пастаяннага магніта з магнітнымі палямі праваднікоў з токам (зараджаных часціц, што рухаюцца).

Магнітныя сілы — сілы, што дзейнічаюць з боку магнітнага поля на змешчаныя ў ім магніты, праваднікі з токам або зарады, якія рухаюцца.

Узаемадзеянне праваднікоў з токам. Адкрыццё Эрстэда дало штуршок даследаванням па выяўленні сувязі паміж электрычнымі і магнітнымі з’явамі. Ампер у 1820 г. правёў шэраг эксперыментаў па вывучэнні ўзаемадзеяння двух гнуткіх першапачаткова прамалінейных і паралельных праваднікоў з токам. Ён выявіў, што калі ток у правадніках праходзіць у супрацьлеглых напрамках, яны адштурхваюцца (мал. 140, а), а калі ў аднолькавых напрамках — прыцягваюцца (мал. 140, б). Пры адсутнасці току ў правадніках яны не праяўляюць магнітнага ўзаемадзеяння (мал. 140, в).

Узаемадзеянне магнітнага поля аднаго правадніка з токам другога правадніка абумоўлена магнітнай сілай.

Магнітнае ўзаемадзеянне двух паралельных праваднікоў з токам выка рыстоўваюць у СІ для азначэння адзінкі сілы току — ампера.

1 ампер — гэта сіла нязменнага току, які пры праходжанні па кожным з двух паралельных прамалінейных праваднікоў бясконцай даўжыні і мізэрна малога кругавога сячэння, размешчаных на адлегласці 1 м адзін ад аднаго ў вакууме, выклікаў бы паміж гэтымі праваднікамі сілу магнітнага ўзаемадзеяння, модуль якой роўны 2·10^–7 Н на кожны метр даўжыні.