Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Французский физик Доминик Франсуа Жан Араго почти сразу показал, что проволока с электрическим током не только притягивала намагниченную стрелку, но и размагничивала железные опилки, так же как и прямо направленный магнит. Магнитная сила, неразличимая в обычных магнитах, проявилась в действии электрического тока. Несомненно, поток электрического тока является магнитом.

Чтобы показать это более наглядно, можно было воспользоваться железом, как намагниченным, так и ненамагниченным. Если два магнита притягивались друг к другу или отталкивались (это зависит от того, как были расположены их поля), то же самое должно было быть справедливым и для двух проводов, каждый из которых нес электрический заряд.

Это было продемонстрировано в 1820 году французским физиком Ампером, в честь которого названа единица измерения силы тока. Ампер начал свой опыт с двух параллельных проводов, каждый из которых был подсоединен к отдельной батарее. Один провод был закреплен, а второй свободно двигался по направлению к первому или от него. Когда ток шел в одном и том же направлении по обеим проволокам, подвижная проволока придвигалась к закрепленной, что позволяло говорить о явлении притяжения между носителями тока. Если ток двигался в противоположном направлении, то подвижная проволока отодвигалась, демонстрируя явление отталкивания. Далее, когда Ампер закреплял носители тока таким образом, что подвижная проволока могла свободно вращаться, то в тех случаях, когда ток проходил по проволокам в противоположных направлениях, она поворачивалась на 180°, пока ток не двигался снова в одном и том же направлении по обеим проволокам. (Так же как и маленький магнит, северный полюс которого поднесен к северному полюсу второго, будет поворачиваться, стремясь соединиться с южным полюсом второго магнита.)

Кроме того, если текущий ток является магнитом, он должен обнаруживать силовые магнитные линии, так же как и обычный магнит, и эти силовые линии должны увлекать за собой стрелку компаса. Поскольку стрелке компаса свойственно поворачиваться в направлении, перпендикулярном течению тока по проволоке (независимо от того, держат ли проволоку над компасом, под ним или сбоку), магнитные силовые линии проволоки с током появляются в форме концентрических цилиндров около этой проволоки. Сделав поперечное сечение проволоки, можно увидеть силовые линии в форме концентрических окружностей. Это можно продемонстрировать с помощью проволоки с током, проходящей вверх сквозь маленькую дырочку в положенном горизонтально куске картона. Если рассыпать железные опилки по картону, то они расположатся кругами вокруг проволоки.

В случае с обычным магнитом принято считать, что силовые линии имеют направление — от северного полюса к южному. Поскольку северный полюс стрелки компаса всегда указывает на южный полюс магнита, она всегда указывает в условно принятом направлении силовых линий, а также показывает направление силовых линий находящейся рядом проволоки с током, что позволяет выяснить направление тока.

Ампер принял допущение Франклина о течении тока от позитивного электрода к негативному. Если проволока была направлена таким образом, что, в терминах этого допущения, ток шел бы непосредственно по направлению к наблюдателю, то силовые линии, исследованные при помощи стрелки компаса, двигались бы вокруг проволоки по часовой стрелке.

Чтобы легче было запомнить, Ампер разработал то, что позже будет названо «правилом правой руки». Представьте, что вы держите проволоку с током в правой руке; обхватите ее кистью руки, при этом большой палец будет параллелен проволоке и укажет направление течения тока. Обхватывающие ее пальцы, от ладони к кончикам ногтей, будут показывать направление магнитных силовых линий.

(Вполне возможно определить вместо условного направления тока направление потока электронов. Этот поток движется противоположно течению тока, поэтому если вы будете использовать тот же способ, то придется задействовать левую руку, которой нужно обхватить проволоку. При этом большой палец укажет направление потока электронов, а пальцы — направление силовых линий.)

Проволока с идущим по ней током, так же как и магнит, может принимать самые различные формы, не обязательно прямого прута. Например, из проволоки можно сделать петлю. В таком случае силовые линии, находящиеся снаружи петли, проходят далеко друг от друга, а находящиеся внутри ее скучены вместе. Следовательно, магнитное поле внутри петли сильнее, чем снаружи.

Теперь представьте, что проволока скручена не в одну петлю, а в несколько и напоминает диванную пружину. Такая форма называется спираль, или соленоид (от греческого, означающего «в форме трубы»). В таком соленоиде силовые линии каждой петли будут усиливать соседние линии, а результирующая сила будет охватывать внешнюю часть спирали от начала до конца. Затем силовые линии перейдут на внутреннюю часть соленоида, чтобы вернуться к его началу. Чем больше отдельных петель или витков содержит соленоид, тем сильнее поле и тем больше линий сконцентрировано внутри спирали. Если витки расположены близко друг к другу, то сила поля еще увеличивается, а внутри соленоида еще более усиливается магнитный поток.

Иначе говоря, поток внутри соленоида изменяется прямо пропорционально количеству витков (N) и обратно пропорционально длине проволоки (L). Следовательно, он изменяется прямо пропорционально N/L. Сила магнитного поля, созданного электрическим током, зависит также от силы тока. Ток в 2 ампера произведет на заданном расстоянии от проволоки магнитное поле, которое будет в 2 раза сильнее, чем поле, произведенное током в 1 ампер в тех же условиях. В случае с соленоидом мы получим следующее отношение для магнитного поля, которое практически одинаково во всей его внутренней части:

H = 1,25NI/L, (Уравнение 12.1)

где H — это сила магнитного поля в эрстедах; I — сила тока в амперах; N — количество витков в соленоиде; L — длина спирали в сантиметрах.

Отношение между силой магнитного поля и силой тока дает возможность определить ампер через магнитную силу. Если в двух длинных параллельных проводах, расположенных на расстоянии один метр друг от друга, течет постоянный ток одной и той же силы, производящий взаимную силу (притяжения или отталкивания) в 2∙10–7 ньютонов на метр длины, этот ток имеет силу 1 ампер. Таким образом, получается, что ампер можно определить через механические единицы измерения, а остальные единицы электричества могут быть определены через ампер. (Поскольку именно работа Ампера сделала возможным дать такое механическое определение электрической единице, то она и была названа его именем.)

Соленоид ведет себя так, как будто это магнитный брусок, сделанный из воздуха. Это подтверждает предположение о том, что в обычных магнитных брусках происходит то же, что и в проволоке, скрученной петлями, по которой пропущен ток. Однако до XX века оно пребывало не более чем предположением. Лишь после того как существование электрона и его место в атоме уже были хорошо изучены, обычные магнитные явления стали объяснять вращением электронных зарядов внутри атомов. В некоторых случаях электронные вращения внутри атомов могут быть уравновешены, поскольку одни вращаются по часовой стрелке, а другие — против часовой стрелки, так что результирующей магнитной силы наблюдаться не будет. В других случаях, особенно это касается железа, вращения не уравновешены и магнитная сила может стать очевидной, если сами атомы выровнены соответствующим образом.