§ 115. Магнитные действия токов и постоянных магнитов.

Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес и послужило началом ряда замечательных исследований, показавших тождественность магнитных действий токов и постоянных магнитов. На некоторых из этих явлений мы остановимся немного подробнее.

1. В опыте Эрстеда мы видели, что ток действует на магнит. Существует ли обратное действие магнита на проводник с током?

Положим на стол неподвижный полосовой магнит, а над ним подвесим параллельно ему проводник на гибких металлических шнурах, подводящих к нему ток и дающих ему вместе с тем возможность поворачиваться (рис. 200,а). Как только мы включим ток, проводник 1 повернется, стремясь установиться перпендикулярно к магниту 2 (рис. 200,б).

Рис. 200. Опыт, обратный опыту Эрстеда: а) ток выключен; б) при включении тока проводник 1 стремится установиться перпендикулярно к магниту 2

Другой вариант этого же опыта показан на рис. 201. Гибкий проводник 1 подвешен рядом с намагниченным стержнем 2 (рис. 201,а). Когда по проводнику идет ток, то на каждый участок гибкого проводника действует сила, стремящаяся установить этот участок перпендикулярно к магниту. Под действием этих сил при включении тока проводник обвивается вокруг магнита (рис. 201,б). Из этого опыта ясно, что магнит действует на проводник с током, причем обнаруживается, что магнит действует на каждый участок проводника с током.

Рис. 201. Опыт, обратный опыту Эрстеда: а) ток выключен; б) при включении тока проводник 1 обвивается вокруг магнита 2

Еще один опыт, в котором также проявляются эти силы, изображен на рис. 202. Рамка 1, сделанная из нескольких витков проволоки, свободно подвешена между полюсами неподвижного магнита 2 (рис. 202,а). К ней может быть подведен ток через зажимы 3. После включения тока рамка устанавливается перпендикулярно к линии, соединяющей полюсы магнита (рис. 202,б). Такое устройство из магнита и рамки используется в гальванометрах для измерения постоянного тока (§ 135).

Рис. 202. При включении тока рамка 1 устанавливается перпендикулярно к линии, соединяющей полюсы магнита 2: а) ток выключен; б) ток включен

Описанный в § 103 опыт отклонения катодного луча магнитом есть также проявление действия магнита на ток, ибо пучок катодных лучей представляет собой электрический ток.

2. Магнит обладает способностью намагничивать железо и притягивать его к себе. Обладает ли такой же способностью электрический ток? Еще в 1820 г. Араго заметил, что если погрузить провод, по которому идет достаточно большой ток, в железные опилки, то частицы железа пристают к нему так же, как к магниту. Провод обрастает густой «бородой» из опилок. Если выключить ток, опилки сейчас же отпадают. Материал проводника безразличен. Обычно пользуются медным проводом. Для того чтобы ток не проходил через опилки, провод следует брать в изолирующей обмотке. При большом токе можно даже не погружать провод в опилки, а только приблизить его к ним.

Немного позже Араго и Ампер нашли способ сильно намагничивать железо и сталь при помощи электрического тока. Они наматывали провод в виде спирали из большого числа витков и внутрь такой катушки помещали стальную иглу. По этой спирали они пропускали сильный электрический ток, а затем вынимали иглу, которая оказывалась сильно намагниченной. На одном конце ее был северный полюс, на другом – южный. При перемене направления тока полюсы менялись местами.

3. Магнитная стрелка, могущая свободно вращаться вокруг вертикальной оси, устанавливается, как известно, в определенном направлении – приблизительно с севера на юг. Ориентирует ли Земля также и электрические токи? В том же 1820 г. Ампер обнаружил и ориентирующее влияние Земли на виток с электрическим током.

Прибор Ампера состоял из проволочного витка 1 в форме почти замкнутого кольца диаметра около 40 см или квадратной рамки (рис. 203,а); концы витка находятся точно один под другим на небольшом расстоянии друг от друга. К ним прикреплены два стальных острия 2, опущенных в чашечки с ртутью, к которым присоединены проводники, идущие от батареи. Благодаря такому устройству виток мог свободно вращаться на остриях, и при этом движении цепь тока не прерывалась. Вместо этого можно, конечно, просто подвесить рамку или соленоид на гибких металлических шнурах, как в опыте на рис. 202. При замыкании тока виток приходил в движение и плоскость его устанавливалась приблизительно в направлении с запада на восток. Таким образом, действие магнитного поля Земли на виток с током такое же, как и на магнитную стрелку, ось которой перпендикулярна к плоскости витка.

Рис. 203. Прибор Ампера для обнаружения действия магнитного поля Земли на виток с током: а) свободно подвешенный виток устанавливается так, чтобы плоскость его была перпендикулярна к меридиану; б) виток заменен катушкой

Особенно удобно наблюдать ориентирующее действие Земли на виток с током, если в приборе Ампера подвесить не один виток, а катушку, или, как говорят, соленоид, состоящий из большого числа таких витков (рис. 203,б).

4. Ампер установил также новое и чрезвычайно важное явление – взаимодействие между двумя проводниками, по которым идет ток. Если мы расположим, например, две длинные гибкие проволоки параллельно друг другу, то при включении в них тока эти проволоки будут друг от друга отталкиваться, если токи в них противоположны по направлению (рис. 204,а); напротив, проволоки будут друг к другу притягиваться, если токи в них имеют одинаковое направление (рис. 204,б). Движения проводников, вызываемые взаимодействием между ними, могут быть весьма разнообразны в зависимости от формы проводников, их взаимного расположения и условий закрепления. Опыт, иллюстрирующий характер взаимодействия между двумя соленоидами с током, изображен на рис. 205. Следует обратить внимание на то, что движения – повороты, притяжения и отталкивания – двух соленоидов носят такой же характер, как и движения двух намагниченных брусков (магнитных стрелок). Мы видим, что по всем своим магнитным свойствам соленоид с током подобен магнитной стрелке.

Рис. 204. а) Два параллельных проводника отталкиваются друг от друга, если по ним проходят токи в противоположных направлениях. б) Два параллельных проводника притягиваются друг к другу, если по ним проходят токи в одинаковом направлении. Штриховыми линиями показано положение обоих проводов при отсутствии тока в них

Рис. 205. а) Соленоид 1 закреплен неподвижно, соленоид 2 подвешен на гибком проводнике; при включении тока соленоид 2 поворачивается так, чтобы направления тока в соленоидах 1 и 2 были одинаковы, притягивается к соленоиду 1 и надевается на него. б) При перемене направления тока в одном из соленоидов соленоид 2 слетает с соленоида 1 поворачивается на 180° и снова надевается на него

Из этих опытов можно заключить, что магнитное действие магнитов вполне тождественно магнитному действию токов при соответствующем подборе тока и формы проводника.

115.1. Стальная спица помещена внутри двух поставленных рядом и соединенных последовательно катушек и намагничивается током, проходящим по этим катушкам. Каково будет расположение полюсов и нейтральных зон на спице в том случае, когда токи в обеих катушках направлены одинаково (рис. 206,а) и когда они направлены противоположно (рис. 206,б)?

Рис. 206. К упражнению 115.1