Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Магнитное поле, очерченное железными опилками

Посмотрите, опилочки словно малюсенькие стрелочки компаса лежат вдоль дугообразных линий. Эти линии назвали силовыми линиями поля. Силовые линии поля словно выходят из северного полюса магнита (N) и, описав дугу, возвращаются в его южный полюс (S). На следующем рисунке эти воображаемые линии нарисованы с условными стрелками.

Вот только электрические заряды можно разделить, накопив на каком-то предмете положительный заряд или отрицательный (если на предмете будет избыток электронов, как на янтаре, который шерстью потерли, он будет отрицательно заряжен, а если недостаток электронов – он будет заряжен положительно). А вот магнитные полюса разделить нельзя! Если мы разрежем магнит на две части посередине, на месте разреза тут же образуются новые полюса, и у нас в руках снова будет два двухполюсных магнита. Не бывает однополюсных магнитов!

Наша планета Земля – большой магнит, у нее есть северный магнитный полюс и южный, и они почти совпадают с географическими полюсами. Маленькие магнитики в виде стрелочек, которые находятся в наших компасах, являются своего рода пробниками земного магнитного поля. Их маленькое тщедушное магнитное полюшко взаимодействует с магнитным полем огромного магнита по имени Земля и поворачивает стрелку компаса синим концом на север. Это очень удобно, можно в лесу и в открытом море ориентироваться.

Ладно, это ясно.

? А как магнитное поле взаимодействует с электрическим?

Весьма хитро! Магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Если заряд относительно магнита покоится, замер, затаился, никакого взаимодействия нет, они просто не замечают друг друга, как кошка подчеркнуто не замечает неподвижный фантик. Но если фантик тронется, кошка начнет за ним настоящую охоту!.. Так и тут – стоит заряду двинуться, как магнитное поле его тут же «замечает» и начинает хватать и тащить.

? Но что такое движущиеся заряды?

Это, например, электрический ток в проводе! Возьмем проводник, то есть, попросту говоря, прямой провод, пропустим через него поток электронов и поместим в магнитное поле. Что получится?

Такой опыт еще в начале XIX века поставил физик Эрстед. XIX век называют веком угля и пара, но это был еще и век покорения электричества. Эрстед, Вольт, Ампер, Фарадей – ученые, чьими именами сегодня названы различные физические единицы (силы тока, напряжения и т. д.) – это все великие имена девятнадцатого века… Открытие Эрстеда было случайным, как и многие другие открытия в науке. Демонстрируя студентам простейшую электрическую схему с батареей, Эрстед замкнул контакты выключателя, пустив по цепи ток, и увидел, как стрелка лежащего рядом компаса дернулась и повернулась перпендикулярно к проводнику.

Опыт Эрстеда. Слева батарейка. По проводу течет ток, под проводом – стрелка компаса. Нет тока – стрелка повернута, как положено – по направлению север-юг. Но стоит пропустить по проводу ток от батареи, как стрелка забывает о магнитном поле Земли и повинуется большей силе – магнитному полю проводника с током

«Между магнетизмом и электричеством есть связь!» – смекнул Эрстед. И дальнейшие опыты другого физика – Фарадея – эту связь не просто подтвердили, она оказалась неразрывной! Движущиеся электрические заряды порождали вокруг себя магнитное поле (на которое и реагировала стрелка компаса), и наоборот – движущийся внутри проволочной катушки магнит порождал в проволоке электрический ток (см. рисунок ниже).

Так были придумали генераторы и электромоторы, друзья мои! Ведь если безостановочно двигать внутри замкнутых проводников магниты, в проводниках будет возникать постоянный электрический ток. На этом принципе Фарадея работают все электростанции: река крутит турбины с магнитами внутри катушек, и по линиям электропередач к потребителям идет ток. А там этот ток используют для освещения или переводят обратно в механическое движение, то есть во вращение токарного станка или, скажем, компрессора холодильника. Это делается по тому же принципу, только в обратном порядке – по принципу Эрстеда бегущий по хитросплетенным проводникам ток приводит в движение магниты, то есть ротор электродвигателя, на которое насажено сверло или еще что-нибудь полезное… Вот я вам и рассказал в предельно упрощенной форме всю суть нашей современной электрической цивилизации.

На схемах все выглядит практически одинаково, но в инженерной реальности все, конечно, гораздо сложнее – появляются угольные щетки токосъемников, сложная намотка проводов и так далее. Нам же главное не ковыряться в железе, а понять основной принцип работы генератора и электромотора: движущийся электрический заряд порождает вокруг себя магнитное поле. Это люди и научились использовать в неизмеримой хитрости своей.

Опыт Фарадея. Ушлый Фарадей совал магнит в деревянную катушку с намотанным проводом и диву давался: сунешь – прибор показывает, что по проволоке пробежал ток, и бежит он, пока магнит движется внутрь катушки. Обратно магнит начинаешь вынимать – стрелка отклоняется в другую сторону, то есть электрический ток течет в другую сторону, но течет он по проводам только пока вынимаешь магнит, то бишь пока магнитное поле вокруг проводов движется. А если магнит неподвижен – тока нету. Такие дела…

Вот вам принципиальная схема генератора постоянного тока: крутишь внутри рамки магнит – получаешь ток. Не крутишь – не получаешь.

Вы поняли? Еще раз. Движение зарядов по проводнику в опыте Эрстеда порождает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем стрелки компаса. И поворачивает ее. То есть движущееся электрическое поле порождает поле магнитное!

А движущееся магнитное поле в опыте Фарадея с катушкой порождает электрическое поле. Которое, взаимодействуя с электрическим полем электронов, толкает их по проводнику.

Одно поле порождает своим движением другое!

А вот вам принципиальная схема электромотора. Подаешь на рамку ток – начинает крутиться магнит. Не подаешь – не начинает.

Продолжив эксперименты Эрстеда и Фарадея, наука постепенно поняла, что магнетизм и электричество есть одна и та же сущность, которую назвали электромагнитным полем. Просто в разных экспериментах мы видим разные ипостаси, то есть проявления этой физической сущности: у постоянного магнита мы видим только магнитную составляющую электромагнитного поля, а у одинокого неподвижного зарядика – только электрическую его составляющую.

Это как орел и решка у монеты. Орел и решка вроде бы разные, но это всего лишь две стороны одной реальности по имени монета. Так и магнетизм с электричеством – две стороны одной реальности по имени электромагнитное поле.

Вот, например, на этой картинке изображено магнитное поле проволоки с током. Оно – круговое. Силовые линии этого поля замкнуты. Это подтверждают и металлические опилки, рассыпанные на бумажке, которую проткнули проводником (рисунок ниже).

? Но что такое поле по сути своей, господа и дамы, мальчики и девочки? Из чего оно сделано?

Вопрос, конечно, интересный. И физиков он, разумеется, всегда занимал. Но физики народ выдержанный. Если они не могут пока ответить на какой-то вопрос – например, из чего сделан предмет, – они на время откладывают этот вопрос в сторону и спокойно изучают свойства этого предмета. Так, например, до сих пор никто не знает, что такое заряд по сути своей. Но это же не мешает нам пользоваться розеткой! Потому что физики прекрасно изучили свойства этой таинственной сущности. И может, когда-нибудь с более глубоких позиций поймут, что такое заряд. Но для того, чтобы пользоваться чем-либо, до таких глубин добираться не нужно, вы же пользуетесь телевизором, не зная, как он устроен внутри. Просто усвоили, что если нажать такую-то кнопку – случится то-то и то-то. Именно так и ведет себя наука по отношению к миру. Только она еще пользуется математикой для описания.

Еще вопрос. Если магнитное поле порождается движущимся электрическим зарядом и наоборот, то чем же порождается магнитное поле постоянного магнита? Ну, в самом деле, почему вот эта вот железка, тупо лежащая на столе, все время магнитит? Магнитное поле должно быть порождено движущимися зарядами! А где там они, в куске железки?

Есть там зарядики! Это электроны, движущиеся по своим орбитам! Просто в магните атомы расположены в таком порядке, что электротоки синхронно крутящихся электронов как бы складывают свою силу, образуя единое магнитное поле.

Упорядочивание расположения атомов в железке и называется намагничиванием.

Если магнитные поля электрончиков расположены хаотично, как это бывает во всяком другом веществе, то все их магнитные поля компенсируются, и никакими магнитными свойствами в среднем вещество не обладает. Но в некоторых веществах атомы можно развернуть и расположить в определенном порядке. Тогда магнитная сила их электронов начинает складываться, и мы имеем магнит.