Fenomenele electrice și magnetice sunt cunoscute omenirii încă din cele mai vechi timpuri, la urma urmei, fulgerele au fost văzute, iar mulți antici știau despre magneții care atrag anumite metale. Bateria de la Bagdad, inventată în urmă cu 4000 de ani, este una dintre dovezile că, cu mult înainte de zilele noastre, omenirea folosea electricitate și se pare că știa cum funcționează. Cu toate acestea, se crede că până la începutul secolului al XIX-lea, electricitatea și magnetismul au fost întotdeauna considerate separat unul de celălalt, acceptate ca fenomene fără legătură și aparțineau diferitelor ramuri ale fizicii.

Studiul câmpului magnetic a început în 1269, când omul de știință francez Peter Peregrine (Cavalerul Pierre de Mericourt) a marcat câmpul magnetic pe suprafața unui magnet sferic folosind ace de oțel și a determinat că liniile de câmp magnetic rezultate se intersectează în două puncte, ceea ce a numit „polii” prin analogie cu polii Pământului.

Oersted, în experimentele sale, abia în 1819 a descoperit devierea unui ac al busolei situat în apropierea unui conductor care transportă curent, iar apoi omul de știință a concluzionat că există un fel de relație între fenomenele electrice și magnetice.

5 ani mai târziu, în 1824, Ampere a reușit să descrie matematic interacțiunea unui conductor purtător de curent cu un magnet, precum și interacțiunea conductorilor între ei, așa că a apărut: „forța care acționează asupra unui conductor purtător de curent. plasat într-un câmp magnetic uniform este proporțional cu lungimea conductorului, puterea curentului și sinusul unghiului dintre vectorul de inducție magnetică și conductor."

În ceea ce privește efectul unui magnet asupra curentului, Ampere a sugerat că în interiorul unui magnet permanent există curenți microscopici închisi, care creează câmpul magnetic al magnetului, interacționând cu câmpul magnetic al conductorului purtător de curent.

De exemplu, prin deplasarea unui magnet permanent în apropierea unui conductor, puteți obține un curent pulsatoriu în acesta, iar prin aplicarea unui curent pulsatoriu uneia dintre bobine, pe un miez comun de fier cu care se află a doua bobină, se va produce un curent pulsatoriu. apar și în a doua bobină.

33 de ani mai târziu, în 1864, Maxwell a reușit să generalizeze matematic fenomenele electrice și magnetice deja cunoscute - el a creat teoria câmpului electromagnetic, conform căreia câmpul electromagnetic include câmpuri electrice și magnetice interconectate. Astfel, datorită lui Maxwell, unificarea matematică științifică a rezultatelor experimentelor anterioare în electrodinamică a devenit posibilă.

O consecință a acestor concluzii importante ale lui Maxwell a fost predicția sa că, în principiu, orice modificare a câmpului electromagnetic ar trebui să genereze unde electromagnetice care se propagă în spațiu și în medii dielectrice cu o anumită viteză finită, care depinde de constantele magnetice și dielectrice ale mediu de propagare a undelor.

Pentru vid, această viteză s-a dovedit a fi egală cu viteza luminii și, prin urmare, Maxwell a sugerat că lumina este, de asemenea, o undă electromagnetică, iar această presupunere a fost confirmată mai târziu (deși cu mult înainte de experimentele lui Oersted, Jung a subliniat natura ondulatorie a luminii) .

Maxwell a creat baza matematică a electromagnetismului, iar în 1884 celebrele ecuații Maxwell au apărut în forma lor modernă. În 1887, Hertz a confirmat teoria lui Maxwell referitoare la: receptorul va înregistra undele electromagnetice trimise de transmițător.

Electrodinamica clasică studiază câmpurile electromagnetice. În cadrul electrodinamicii cuantice, radiația electromagnetică este considerată ca un flux de fotoni, în care interacțiunea electromagnetică este purtată de particule purtătoare - fotoni - bosoni vectoriali fără masă, care pot fi reprezentate ca excitații cuantice elementare ale câmpului electromagnetic. Astfel, un foton este un cuantum al câmpului electromagnetic din punctul de vedere al electrodinamicii cuantice.

Interacțiunea electromagnetică pare astăzi a fi una dintre interacțiunile fundamentale din fizică, iar câmpul electromagnetic este unul dintre câmpurile fizice fundamentale alături de câmpurile gravitaționale și de fermion.

Proprietățile fizice ale câmpului electromagnetic

Prezența unui câmp electric sau magnetic, sau a ambelor, în spațiu poate fi judecată după acțiunea forței exercitată de câmpul electromagnetic asupra unei particule încărcate sau asupra unui curent.

Câmpul electric acționează asupra sarcinilor electrice, atât în ​​mișcare, cât și staționare, cu o anumită forță, în funcție de intensitatea câmpului electric într-un punct dat din spațiu la un moment dat și de valoarea sarcinii de încercare q.

Cunoscând forța (magnitudinea și direcția) cu care acționează câmpul electric asupra sarcinii de testare și știind mărimea sarcinii, putem găsi intensitatea câmpului electric E într-un punct dat din spațiu.

Câmpul electric este creat de sarcini electrice, liniile sale de forță încep pe sarcini pozitive (curg condiționat din ele) și se termină cu sarcini negative (curg condiționat în ele). Astfel, sarcinile electrice sunt surse de câmp electric. O altă sursă de câmp electric este un câmp magnetic în schimbare, așa cum se arată matematic Ecuațiile lui Maxwell.

Forța care acționează asupra unei sarcini electrice din câmpul electric este parte din forța care acționează asupra unei sarcini date din câmpul electromagnetic.

Un câmp magnetic este creat de sarcini electrice în mișcare (curenți) sau câmpuri electrice care variază în timp (după cum se evidențiază prin ecuațiile lui Maxwell) și acționează numai asupra sarcinilor electrice în mișcare.

Forța câmpului magnetic asupra unei sarcini în mișcare este proporțională cu inducția câmpului magnetic, mărimea sarcinii în mișcare, viteza mișcării acesteia și sinusul unghiului dintre vectorul de inducție a câmpului magnetic B și direcția vitezei de taxa. Această forță este adesea numită forța Lorentz, dar este doar partea „magnetică” a acesteia.

De fapt, forța Lorentz include componente electrice și magnetice. Un câmp magnetic este creat prin mișcarea sarcinilor electrice (curenți), liniile sale de forță sunt întotdeauna închise și înconjoară curentul.

Descoperirea lui F. Arago l-a interesat pe compatriotul său A. Ampere (1775-1836), iar el a efectuat experimente cu conductori paraleli cu curenți și a descoperit interacțiunea acestora (vezi figura). Ampere a arătat că dacă curenții în aceleași direcții curg în conductori, atunci astfel de conductori sunt atrași unul de celălalt (partea stângă a figurii). În cazul curenților de direcții opuse, conductorii acestora se resping (partea dreaptă a figurii). Cum să explic astfel de rezultate?

În primul rând, a fost necesar să ghicim că în spațiul care înconjoară curenții continui și magneții permanenți, apar câmpuri de forță numite câmpuri magnetice. Pentru reprezentarea lor grafică, sunt reprezentate linii de forță - acestea sunt linii în fiecare punct în care se află tangent la această linie un ac magnetic plasat în câmp. Aceste linii sunt descrise ca „dense” sau „rare”, în funcție de valoarea forței care acționează din câmpul magnetic.

În al doilea rând, a fost necesar să se efectueze experimente și să se înțeleagă că liniile de câmp ale unui conductor drept cu curent sunt cercuri concentrice (divergente de la un centru comun). Liniile de forță pot fi „văzute” dacă conductoarele sunt trecute prin sticlă pe care sunt presărate pilitură fină de fier. Mai mult, a fost necesar să se ghicească să „atribuiți” o anumită direcție liniilor electrice în funcție de direcția curentului în conductor. Adică, introduceți în fizică „regula gimlet” sau, ceea ce este la fel, „regula mâinii drepte”, vezi figura de mai jos.

În al treilea rând, a fost necesar să se efectueze experimente și să se introducă „regula mâinii stângi” în fizică pentru a determina direcția forței care acționează asupra unui conductor purtător de curent plasat într-un câmp magnetic, locația și direcția liniilor de câmp. dintre care sunt cunoscute. Și numai după aceasta, folosind regula mâinii drepte de două ori și regula mâinii stângi de patru ori, experimentul lui Ampere a putut fi explicat.

Liniile de câmp ale conductoarelor paralele care transportă curent sunt cercuri concentrice „divergente” în jurul fiecărui conductor, inclusiv locul în care se află al doilea conductor. Prin urmare, este afectat de câmpul magnetic creat de primul conductor, și invers: câmpul magnetic creat de al doilea conductor ajunge la primul și acționează asupra acestuia. Direcția liniilor de forță este determinată de regula mâinii drepte, iar direcția de influență asupra conductorului este determinată de regula mâinii stângi.

Restul experimentelor discutate anterior sunt explicate într-un mod similar: există un câmp magnetic în jurul magneților sau conductoarelor purtătoare de curent, de la locația liniilor de câmp din care se poate judeca direcția și magnitudinea câmpului magnetic, precum și cum acţionează asupra conductoarelor.

(C) 2011. „Fizika.ru” cu participarea Krayuhina T.E. (regiunea Nijni Novgorod, Sergach)

Să luăm două bobine identice din fire metalice și să le atârnăm astfel încât să poată fi incluse în circuit, iar axele lor sunt situate pe aceeași linie dreaptă (Figura 1). După ce au trecut curenți de aceeași direcție prin bobine, vom descoperi că bobinele se atrag reciproc (Figura 1, O). Dacă în bobine se creează curenți din direcția opusă, atunci aceștia se vor respinge (Figura 1, b). O astfel de interacțiune are loc și între conductori drepti aflați în paralel.

Figura 1. O) Conductoarele cu curenți de aceeași direcție se atrag; b) Conductoarele cu curenți în direcții opuse resping

Deci, curenții din aceeași direcție se atrag, iar curenții din direcția opusă se resping.

În consecință, atunci când conductorii cu curenți sunt la o anumită distanță unul de celălalt, există o interacțiune între ei care nu poate fi explicată prin prezența unui câmp electric între ei, deoarece conductoarele rămân practic neutre atunci când curentul trece prin ei. Aceasta înseamnă că în jurul oricărui conductor cu curenți există un alt câmp decât cel electric, deoarece nu acționează asupra sarcinilor staționare.

Să fim de acord să numim câmpul prin care interacțiunea are loc la distanțe, .

Experiența a arătat că un câmp magnetic este creat fie prin sarcini electrice în mișcare, fie printr-un câmp electric alternativ și acționează numai asupra sarcinilor în mișcare.

Deci, pentru a detecta un câmp magnetic în orice regiune a spațiului, este necesar să introduceți un conductor cu curent sau alte sarcini în mișcare în această regiune. Câmpul magnetic din jurul conductorilor purtători de curent a fost descoperit pentru prima dată experimental de fizicianul danez Hans Oersted în 1820.

Câmpurile magnetice ale diferiților curenți, atunci când sunt suprapuse, se pot întări sau slăbi reciproc. Să arătăm acest lucru experimental. Dacă legați două bobine identice împreună și creați curenți în ele în direcția opusă (Figura 2, O din stânga), atunci câmpul lor comun devine atât de slab încât nu va produce un efect vizibil asupra celei de-a treia bobine cu curent. Acest lucru explică de ce nu există un câmp magnetic în jurul unui cablu format din două fire cu curenți în direcții opuse. Dacă în bobinele conectate sunt creați curenți de aceeași direcție, atunci efectul lor asupra celei de-a treia bobine este îmbunătățit considerabil (Figura 2, b) comparativ cu experiența descrisă mai sus. Deci, o întărire a câmpului magnetic poate fi obținută prin suprapunerea câmpurilor magnetice ale curenților de aceeași direcție și slăbirea câmpului prin suprapunerea câmpurilor de curenți de sens opus.

Figura 2. O) Câmpurile magnetice ale curenților în direcții opuse se slăbesc reciproc; b) Câmpurile magnetice ale curenților de aceeași direcție se întăresc reciproc

Dacă bobinele sunt poziționate înainte de începerea experimentului astfel încât axele lor să nu fie pe aceeași linie dreaptă, atunci când curentul este pornit în ele, bobinele înseși se rotesc astfel încât curenții din ele să curgă în aceeași direcție și apoi se atrag unul pe altul. Ca urmare, câmpul magnetic din spațiul înconjurător crește.

Video 1. Rotiți și bobinați cu curent

Interacțiunea sarcinilor în mișcare. Acțiunea sarcinilor în mișcare (curenți electrici) unul asupra celuilalt diferă de interacțiunea coulombiană a sarcinilor staționare.
Interacțiunea sarcinilor în mișcare se numește magnetică.

Exemple de manifestări ale interacțiunii magnetice:

* atragerea sau respingerea a doi conductori paraleli cu curentul;
* magnetismul anumitor substanțe, de exemplu, minereul de fier magnetic, din care se fac magneți permanenți; rotind o săgeată ușoară din material magnetic lângă un conductor care poartă curent
* rotația cadrului cu curent într-un câmp magnetic.
*

Interacțiunea magnetică se realizează printr-un câmp magnetic.
Un câmp magnetic este o formă specială de existență a materiei.
Proprietățile câmpului magnetic:

* generate de sarcini în mișcare (curent electric) sau câmp electric alternativ;
*detectat prin efectul său asupra curentului electric sau acului magnetic.

Vector de inducție magnetică. Experimentele arată că câmpul magnetic produce un efect de orientare asupra circuitului purtător de curent și a acului magnetic, forțându-le să se alinieze într-o anumită direcție. Prin urmare, pentru a caracteriza câmpul magnetic, trebuie utilizată o cantitate, a cărei direcție este legată de orientarea buclei purtătoare de curent sau a acului magnetic în câmpul magnetic. Această mărime se numește vector de inducție magnetică B.
Direcția vectorului de inducție magnetică este considerată:

* direcția normalei pozitive la planul circuitului purtător de curent,
* direcția polului nord al unui ac magnetic plasat într-un câmp magnetic.

Modulul vectorului B este egal cu raportul dintre cuplul maxim care acționează asupra cadrului cu curent într-un punct dat din câmp și produsul dintre puterea curentului I și aria circuitului S.
B = Mmax/(I·S). (1)

Cuplul M depinde de proprietățile câmpului și este determinat de produsul I·S.

Valoarea vectorului de inducție magnetică, determinată prin formula (1), depinde numai de proprietățile câmpului.
Unitatea de măsură B este 1 Tesla.

Reprezentarea grafică a câmpurilor magnetice. Liniile de inducție magnetică (liniile de câmp magnetic) sunt folosite pentru a reprezenta grafic câmpurile magnetice. O linie de inducție magnetică este o linie în fiecare punct din care vectorul de inducție magnetică este îndreptat tangențial la acesta.
Liniile de inducție magnetică sunt linii închise.

Exemple de câmpuri magnetice:
1. Conductor drept cu curent
Liniile de inducție magnetică sunt cercuri concentrice centrate pe conductor.

2. Curent circular
Direcția vectorului de inducție magnetică este legată de direcția curentului din circuit prin regula șurubului drept.

3. Solenoid cu curent
În interiorul unui solenoid lung cu curent, câmpul magnetic este uniform, iar liniile de inducție magnetică sunt paralele între ele. Direcția B și direcția curentului în spirele solenoidului sunt legate de regula șurubului drept

Principiul suprapunerii câmpurilor. Dacă în orice regiune a spațiului există o suprapunere a mai multor câmpuri magnetice, atunci vectorul inducției magnetice a câmpului rezultat este egal cu suma vectorială a inducțiilor câmpurilor individuale:
B = SBi