Elektros ir magnetiniai reiškiniai žmonijai žinomi nuo senų laikų, juk matėsi žaibai, daugelis senovės žinojo apie magnetus, traukiančius tam tikrus metalus. Bagdado baterija, išrasta prieš 4000 metų, yra vienas iš įrodymų, kad dar gerokai prieš mūsų dienas žmonija naudojo elektrą ir, matyt, žinojo, kaip ji veikia. Tačiau manoma, kad iki XIX amžiaus pradžios elektra ir magnetizmas visada buvo laikomi atskirai vienas nuo kito, buvo priimami kaip nesusiję reiškiniai ir priklausė skirtingoms fizikos šakoms.

Magnetinio lauko tyrimas pradėtas 1269 m., kai prancūzų mokslininkas Peteris Peregrine'as (Knight Pierre of Mericourt) plieninėmis adatomis pažymėjo magnetinį lauką sferinio magneto paviršiuje ir nustatė, kad susidariusios magnetinio lauko linijos susikerta dviejuose taškuose, jis pavadino „poliais“ pagal analogiją su Žemės ašigaliais.

Oerstedas savo eksperimentuose tik 1819 m. atrado kompaso adatos, esančios šalia srovės laidininko, nukreipimą, o tada mokslininkas padarė išvadą, kad tarp elektrinių ir magnetinių reiškinių yra tam tikras ryšys.

Po 5 metų, 1824 m., Amperas sugebėjo matematiškai apibūdinti srovės laidininko sąveiką su magnetu, taip pat laidininkų tarpusavio sąveiką, todėl pasirodė: „jėga, veikianti srovę nešantį laidininką. Įdėtas į vienodą magnetinį lauką yra proporcingas laidininko ilgiui, srovės stipriui ir kampo tarp magnetinės indukcijos vektoriaus ir laidininko sinusui.

Kalbant apie magneto poveikį srovei, Ampere'as pasiūlė, kad nuolatinio magneto viduje yra mikroskopinės uždaros srovės, kurios sukuria magneto magnetinį lauką, sąveikaudamos su srovę nešančio laidininko magnetiniu lauku.

Pavyzdžiui, perkeldami nuolatinį magnetą šalia laidininko, galite gauti jame pulsuojančią srovę, o įjungę pulsuojančią srovę į vieną iš ritių, ant bendros geležinės šerdies, su kuria yra antroji ritė, pulsuojanti srovė. taip pat atsiranda antroje ritėje.

Po 33 metų, 1864 m., Maxwellas sugebėjo matematiškai apibendrinti jau žinomus elektrinius ir magnetinius reiškinius – jis sukūrė elektromagnetinio lauko teorija, pagal kurią elektromagnetinis laukas apima tarpusavyje sujungtus elektrinius ir magnetinius laukus. Taigi Maksvelo dėka tapo įmanomas mokslinis matematinis ankstesnių elektrodinamikos eksperimentų rezultatų suvienodinimas.

Šių svarbių Maksvelo išvadų pasekmė buvo jo prognozė, kad iš esmės bet koks elektromagnetinio lauko pokytis turėtų generuoti elektromagnetines bangas, kurios sklinda erdvėje ir dielektrinėse terpėse tam tikru baigtiniu greičiu, kuris priklauso nuo magnetinių ir dielektrinių konstantų. bangų sklidimo terpė.

Vakuumui šis greitis pasirodė lygus šviesos greičiui, todėl Maxwellas pasiūlė, kad šviesa taip pat yra elektromagnetinė banga, ir ši prielaida vėliau buvo patvirtinta (nors dar gerokai prieš Oerstedo eksperimentus Jungas atkreipė dėmesį į šviesos banginį pobūdį). .

Maksvelas sukūrė matematinį elektromagnetizmo pagrindą, o 1884 m. pasirodė garsiosios Maksvelo lygtys šiuolaikine forma. 1887 m. Hertzas patvirtino Maxwello teoriją: imtuvas įrašys siųstuvo siunčiamas elektromagnetines bangas.

Klasikinė elektrodinamika tiria elektromagnetinius laukus. Kvantinės elektrodinamikos rėmuose elektromagnetinė spinduliuotė laikoma fotonų srautu, kuriame elektromagnetinę sąveiką neša dalelės - fotonai - bemasiai vektoriniai bozonai, kuriuos galima pavaizduoti kaip elementarius elektromagnetinio lauko kvantinius sužadinimus. Taigi kvantinės elektrodinamikos požiūriu fotonas yra elektromagnetinio lauko kvantas.

Šiandien atrodo, kad elektromagnetinė sąveika yra viena iš pagrindinių fizikos sąveikų, o elektromagnetinis laukas kartu su gravitaciniais ir fermioniniais laukais yra vienas iš pagrindinių fizinių laukų.

Elektromagnetinio lauko fizikinės savybės

Elektrinio ar magnetinio lauko arba abiejų buvimą erdvėje galima spręsti pagal elektromagnetinio lauko jėgos poveikį įkrautai dalelei arba srovei.

Elektrinis laukas veikia elektrinius krūvius, tiek judančius, tiek nejudančius, tam tikra jėga, priklausomai nuo elektrinio lauko stiprumo tam tikrame erdvės taške tam tikru laiku ir nuo bandomojo krūvio q vertės.

Žinodami jėgą (dydį ir kryptį), kuria elektrinis laukas veikia bandomąjį krūvį, ir žinodami krūvio dydį, galime rasti elektrinio lauko stiprumą E tam tikrame erdvės taške.

Elektrinį lauką sukuria elektros krūviai, jo jėgų linijos prasideda nuo teigiamų krūvių (sąlygiškai teka iš jų), o baigiasi neigiamais krūviais (sąlygiškai teka į juos). Taigi elektros krūviai yra elektrinio lauko šaltiniai. Kitas elektrinio lauko šaltinis yra kintantis magnetinis laukas, kaip parodyta matematiškai Maksvelo lygtys.

Jėga, veikianti elektrinį krūvį iš elektrinio lauko, yra jėgos, veikiančios tam tikrą elektromagnetinio lauko krūvį, dalis.

Magnetinis laukas sukuriamas judant elektros krūviams (srovėms) arba laikui bėgant kintančių elektrinių laukų (tai liudija Maksvelo lygtys), ir veikia tik judančius elektros krūvius.

Magnetinio lauko jėga judančiam krūviui yra proporcinga magnetinio lauko indukcijai, judančio krūvio dydžiui, jo judėjimo greičiui ir kampo tarp magnetinio lauko indukcijos vektoriaus B ir jo greičio krypčiai sinusui. mokestis. Ši jėga dažnai vadinama Lorenco jėga, bet yra tik „magnetinė“ jos dalis.

Tiesą sakant, Lorenco jėga apima elektrinius ir magnetinius komponentus. Magnetinis laukas sukuriamas judant elektros krūviams (jo jėgos linijos visada yra uždaros ir apima srovę).

F. Arago atradimas sudomino jo tautietį A. Amperą (1775-1836), jis atliko eksperimentus su lygiagrečiais laidininkais su srovėmis ir atrado jų sąveiką (žr. pav.). Amperas parodė, kad jei laidininkais teka tomis pačiomis kryptimis srovės, tai tokie laidininkai vienas kitą traukia (paveikslo kairioji pusė). Esant priešingų krypčių srovėms, jų laidininkai atstumia (dešinė paveikslo pusė). Kaip galima paaiškinti tokius rezultatus?

Pirmiausia reikėjo atspėti, kad erdvėje, kuri supa nuolatines sroves ir nuolatinius magnetus, atsiranda jėgos laukai, vadinami magnetiniais laukais. Jų grafiniam pavaizdavimui pavaizduotos jėgos linijos - tai linijos, kurių kiekviename taške yra šios linijos liestinė, įdėta į lauką magnetinė adata. Šios linijos vaizduojamos kaip „tankios“ arba „retos“, priklausomai nuo jėgos, veikiančios iš magnetinio lauko, vertės.

Antra, reikėjo atlikti eksperimentus ir suprasti, kad tiesiojo laidininko su srove lauko linijos yra koncentriniai (nukrypstantys nuo bendro centro) apskritimai. Jėgos linijas galima „matyti“, jei laidininkai praleidžiami per stiklą, ant kurio užbarstomos smulkios geležies drožlės. Be to, reikėjo atspėti, kaip elektros linijoms „priskirti“ tam tikrą kryptį, atsižvelgiant į srovės kryptį laidininke. Tai reiškia, kad į fiziką įveskite „įvarčio taisyklę“ arba, kas yra tas pats, „dešinės rankos taisyklę“, žr. toliau pateiktą paveikslą.

Trečia, reikėjo atlikti eksperimentus ir į fiziką įvesti „kairiosios rankos taisyklę“, kad būtų galima nustatyti jėgos, veikiančios į magnetinį lauką nešantį laidininką, kryptį, lauko linijų vietą ir kryptį. iš kurių yra žinomi. Ir tik po to, naudojant dešinės rankos taisyklę du kartus ir kairiosios rankos taisyklę keturis kartus, buvo galima paaiškinti Ampere'o eksperimentą.

Lygiagrečių laidininkų, nešančių srovę, lauko linijos yra koncentriniai apskritimai, „skiriantys“ aplink kiekvieną laidininką, įskaitant vietą, kur yra antrasis laidininkas. Todėl jį veikia pirmojo laidininko sukurtas magnetinis laukas ir atvirkščiai: antrojo laidininko sukurtas magnetinis laukas pasiekia pirmąjį ir jį veikia. Jėgos linijų kryptis nustatoma pagal dešinės rankos taisyklę, o poveikio laidininkui kryptis – pagal kairiosios rankos taisyklę.

Kiti anksčiau aptarti eksperimentai paaiškinti panašiai: aplink magnetus arba srovės laidininkus yra magnetinis laukas, iš kurio lauko linijų išsidėstymo galima spręsti apie magnetinio lauko kryptį ir dydį. kaip jis veikia laidininkus.

(C) 2011. „Fizika.ru“, dalyvaujant Krayuhina T.E. (Nižnij Novgorodo sritis, Sergachas)

Paimkime dvi vienodas rites iš metalinių laidų ir pakabinkime taip, kad būtų galima įtraukti į grandinę, o jų ašys būtų vienoje tiesioje linijoje (1 pav.). Praleidę tos pačios krypties sroves per rites, pamatysime, kad ritės traukia viena kitą (1 pav. A). Jei ritėse susidaro priešingos krypties srovės, jos atstums (1 pav., b). Tokia sąveika vyksta ir tarp lygiagrečiai esančių lygiagrečių laidininkų.

1 pav. A) Tos pačios krypties srovės laidininkai traukia; b) Priešingų krypčių srovės laidininkai atstumia

Taigi tos pačios krypties srovės traukia, o priešingos krypties srovės atstumia.

Vadinasi, kai laidininkai su srovėmis yra tam tikru atstumu vienas nuo kito, tarp jų vyksta sąveika, kurios negalima paaiškinti tarp jų esančiu elektriniu lauku, nes laidininkai išlieka praktiškai neutralūs, kai per juos teka srovė. Tai reiškia, kad aplink bet kurį laidininką su srovėmis yra kitas laukas, išskyrus elektrinį, nes jis neveikia stacionarių krūvių.

Sutikime, kad lauką, per kurį sąveika vyksta atstumu, vadinsime .

Patirtis rodo, kad magnetinis laukas sukuriamas arba judant elektros krūviams, arba kintamam elektriniam laukui ir veikia tik judančius krūvius.

Taigi, norint aptikti magnetinį lauką bet kurioje erdvės srityje, į šią sritį reikia įvesti laidininką su srovės ar kitais judančiais krūviais. Magnetinį lauką aplink srovės laidininkus pirmą kartą eksperimentiškai atrado danų fizikas Hansas Oerstedas 1820 m.

Įvairių srovių magnetiniai laukai, esantys ant viršaus, gali sustiprinti arba susilpninti vienas kitą. Parodykime tai eksperimentiškai. Jei sujungsite dvi vienodas rites ir sukursite jose sroves priešinga kryptimi (2 pav., A kairėje), tada jų bendras laukas tampa toks silpnas, kad jis nesukels pastebimo poveikio trečiajai ritei su srove. Tai paaiškina, kodėl aplink laidą, sudarytą iš dviejų laidų, kurių srovės teka priešingomis kryptimis, nėra magnetinio lauko. Jei sujungtose ritėse sukuriamos tos pačios krypties srovės, jų poveikis trečiajai ritei pastebimai padidėja (2 pav., b), palyginti su anksčiau aprašyta patirtimi. Taigi, magnetinį lauką galima sustiprinti uždedant tos pačios krypties srovių magnetinius laukus, o susilpninant - priešingos krypties srovių laukus.

2 pav. A) Priešingų krypčių srovių magnetiniai laukai silpnina vienas kitą; b) Tos pačios krypties srovių magnetiniai laukai vienas kitą sustiprina

Jei ritės prieš eksperimento pradžią yra išdėstytos taip, kad jų ašys nebūtų vienoje tiesėje, tada, kai jose įjungiama srovė, pačios ritės sukasi taip, kad srovės jose tekėtų ta pačia kryptimi ir tada traukia vienas kitą. Dėl to magnetinis laukas aplinkinėje erdvėje didėja.

Vaizdo įrašas 1. Pasukite ir sukite su srove

Judančių krūvių sąveika. Judančių krūvių (elektros srovių) veikimas vienas kitam skiriasi nuo stacionarių krūvių Kulono sąveikos.
Judančių krūvių sąveika vadinama magnetine.

Magnetinės sąveikos apraiškų pavyzdžiai:

* dviejų lygiagrečių laidininkų pritraukimas arba atstūmimas srove;
* tam tikrų medžiagų magnetizmas, pavyzdžiui, magnetinė geležies rūda, iš kurios gaminami nuolatiniai magnetai; sukant iš magnetinės medžiagos pagamintą šviesos rodyklę šalia srovės laidininko
* rėmo sukimas su srove magnetiniame lauke.
*

Magnetinė sąveika vyksta per magnetinį lauką.
Magnetinis laukas yra ypatinga materijos egzistavimo forma.
Magnetinio lauko savybės:

* sukuriamas judančių krūvių (elektros srovės) arba kintamo elektrinio lauko;
*aptinkamas pagal poveikį elektros srovei arba magnetinei adatai.

Magnetinės indukcijos vektorius. Eksperimentai rodo, kad magnetinis laukas sukuria orientacinį poveikį srovę nešančiai grandinei ir magnetinei adatai, priversdamas juos išsilyginti tam tikra kryptimi. Todėl magnetiniam laukui apibūdinti turi būti naudojamas dydis, kurio kryptis yra susijusi su srovės nešančios kilpos arba magnetinės adatos orientacija magnetiniame lauke. Šis dydis vadinamas magnetinės indukcijos vektoriumi B.
Magnetinės indukcijos vektoriaus kryptis laikoma tokia:

* teigiamos normalės kryptis į srovės nešančios grandinės plokštumą,
* magnetinės adatos, įdėtos į magnetinį lauką, šiaurinio poliaus kryptis.

Vektoriaus B modulis yra lygus maksimalaus sukimo momento, veikiančio rėmą su srove tam tikrame lauko taške, santykiui su srovės stiprio I ir grandinės S ploto sandauga.
B = Mmax/(I·S). (1)

Sukimo momentas M priklauso nuo lauko savybių ir yra nustatomas pagal sandaugą I·S.

Magnetinės indukcijos vektoriaus reikšmė, nustatyta pagal (1) formulę, priklauso tik nuo lauko savybių.
Matavimo vienetas B yra 1 tesla.

Grafinis magnetinių laukų vaizdavimas. Magnetinės indukcijos linijos (magnetinio lauko linijos) naudojamos grafiškai pavaizduoti magnetinius laukus. Magnetinės indukcijos linija yra linija, kurios kiekviename taške magnetinės indukcijos vektorius yra nukreiptas į ją tangentiškai.
Magnetinės indukcijos linijos yra uždaros linijos.

Magnetinių laukų pavyzdžiai:
1. Tiesus laidininkas su srove
Magnetinės indukcijos linijos yra koncentriniai apskritimai, kurių centre yra laidininkas.

2. Žiedinė srovė
Magnetinės indukcijos vektoriaus kryptis yra susijusi su srovės kryptimi grandinėje pagal dešiniojo varžto taisyklę.

3. Solenoidas su srove
Ilgo solenoido su srove viduje magnetinis laukas yra vienodas, o magnetinės indukcijos linijos yra lygiagrečios viena kitai. B kryptis ir srovės kryptis solenoido posūkiuose yra susietos pagal dešiniojo varžto taisyklę

Laukų superpozicijos principas. Jei kurioje nors erdvės srityje yra kelių magnetinių laukų superpozicija, tada gauto lauko magnetinės indukcijos vektorius yra lygus atskirų laukų indukcijų vektorių sumai:
B = SBi