Где полюса у круглого магнита

Магнитные линии кольцевого магнита

Кандидат технических наук Михаил Федорович Остриков сделал научное открытие, можно сказать, на ходу, а если точнее – в поезде, возвращаясь из Москвы в Ленинград. В столице он был по делу – пытался получить авторское свидетельство на свое очередное изобретение. Но после беседы с экспертами ВНИИГПЭ зарегистрировать новшество не удалось.

И вот, сидя в купе, он вертел в руках обычный металлический шарик от подшипника и ферритовое кольцо – детали отвергнутого изобретения. После очередного толчка поезда шарик закатился в кольцо, да и остался в нем. Михаил Федорович собирался уж было вынуть шарик, но вдруг ощутил, как надежно тот обосновался внутри. При его выталкивании в ту или иную сторону ощущалось противодействие, возвращающее шарик обратно.

Вроде бы все понятно: ферритовое кольцо – магнит, притягивающий металл. Остриков машинально представил себе общепринятую картину силовых линий кольцевого магнита и с этого момента лишился покоя.

Действительно, а какова картина магнитных силовых линий ферритового кольца с прямоугольным поперечным сечением, если одна его сторона представляет собой северный полюс, а другая – южный? Оказывается, в учебниках и справочной литературе по магнетизму она не приводится. Специалисты, к которым Остриков обращался со своим «наивным» вопросом, обычно отвечали «Все очень просто Структура линий будет примерно такой же, как у кольцевого проводника с постоянным током». – «Но тогда, – говорил Михаил Федорович, – непонятно, почему шарик так прочно обосновывается внутри кольца, попадая будто в мешок».

Наконец, он поставил простой опыт. Повернул ферритовое кольцо на ребро, продел сквозь картонку и насыпал на нее мелких металлических опилок. Встряхнул, чтобы они распределились в соответствии с магнитным полем, и увидел, что все происходит далеко не так. В области, прилегающей к отверстию кольца, с линиями происходило что-то непонятное. Вместо того чтобы непрерывно пронизывать его, они расходились, очерчивая фигуру, напоминающую туго набитый мешок Он имел как бы две завязки – вверху и внизу (особые точки 1 и 2 на рис. 1) Эта область, по сути, и есть открытие Острикова. Он назвал ее магнитным балджем (bulging – англ. выпуклый, выпяченный).

Рис. 1. Структура магнитных силовых линий ферритового кольца
(представлено в разрезе)

Оказалось, что в точках 1 и 2 происходят «чудеса» – магнитное поле в них меняет направление. Одно из доказательств этого Михаил Федорович продемонстрировал прямо в редакции.

Рис. 2. а – гайка примагнитилась к поверхности шара, лежащей ниже второй особой точки; б – гайка отваливается от поверхности шара попавшей в окрестность особой точки; в – гайка вновь примагнитилась к шару над особой точкой

Он поднес снизу к ферритовому кольцу стальной шарик, а к его нижней части металлическую гайку. Она тут же притянулась к нему (рис. 2а). Здесь все понятно – шарик, попав в магнитное поле кольца, стал магнитом. Далее исследователь стал вносить шарик снизу вверх в кольцо. И вдруг – гайка отвалилась и упала на стол (рис. 2б). Вот она, нижняя особая точка! В ней изменилось направление поля, шарик стал перемагничиваться и оттолкнул от себя гайку. Подняв шарик выше особой точки, гайку вновь можно примагнитить к нему (рис. 2в).

У Острикова поставлен с десяток опытов, подтверждающих наличие магнитного балджа. А что проку в нем? – возникает естественный вопрос.

Остриков зажал как-то ферритовое кольцо в патрон токарного станка и поместил в магнитный балдж три маленьких металлических шарика. Когда патрон завращался, они отделились от внутренней части кольца (к которой прилеплялись в покое) и закружились каждый по своей орбите, не вываливаясь из магнитной ловушки. Михаил Федорович не спешит с прогнозами, но и не отвергает того, что балдж может оказаться идеальной «посудиной» для высокотемпературной плазмы. А ее, как известно, ученые уже не одно десятилетие пытаются удержать в устройствах типа Токамак, дабы осуществить термоядерный синтез.

Зная о балдже, можно создать и более прозаические конструкции – бесконтактные подшипники, центрифуги, амортизаторы и многое другое.

Но самым глобальным следствием обнаруженного явления может оказаться пересмотр модели мироздания. Кружащие по своим орбитам шарики натолкнули Острикова на мысль, что и наша Земля движется под действием магнитных сил внутри вращающегося звездного кольца – Млечного Пути. Кто знает, возможно, открыв магнитную картину Вселенной, мы создадим новые способы перемещения в ней, и тогда балдж будет преподаваться в школьном курсе физики заодно с конструкцией МЛО – магнитных летающих объектов?

Среди действий эл.тока есть магнитное (см 10 вопрос). Оно проявляется в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые назвали магнитными. Для изучения магнитного действия тока воспользуемся магнитной стрелкой (два полюса и ось, которая их соединяет).

Опыт — расположим проводник, включенный в цепь источника тока, над магнитной стрелкой, параллельно ее оси. При замыкании цепи стрелка отклоняется от первоначального положения. При размыкании – возвращается обратно. Опыт показывает существование вокруг проводника магнитного поля, которое и взаимодействует со стрелкой. Таким образом магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся эл.зарядов. Вокруг неподвижных эл.зарядов существует только электростатическое поле, вокруг движущихся – и электрическое, и магнитное.

Существование магн.поля можно определить железными опилками (опыт – проводник с током через лист картона с опилками).

Согласно гипотезе Ампера магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми эл.токами внутри него. Внутри молекул циркулируют элементарные эл.токи. Если токи расположены хаотично, то компенсируют друг друга и у тела нет магнитных свойств. В намагниченном состоянии эти токи ориентированы строго определенным образом и их действия складываются.

Т.о. магнитные взаимодействия обусловлены движением эл.зарядов – током. Ток создает магнитное поле. Взаимодействие токов можно наблюдать на опыте – два гибких проводника, источник тока. Если верхние концы проводников соединены так, что ток в каждом противоположного направления – проводники отталкиваются. Если ток одного направления – притягиваются. Если ток идет только по одному проводнику – взаимодействия нет.

Следовательно, в пространстве, окружающем эл.заряды, возникает эл.поле, так и в пространстве, окружающем проводники с током, возникает магнитное поле.

Магнитное поле – особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами. Оно материально, существует независимо от нас и наших знаний, и обладает определенными свойствами.

Свойства магнитного поля – порождается током (движущимися зарядами), и обнаруживается по действию на ток (движ.заряды). Для описания взаимодействия токов, требуются ввести несколько величин. Исследования проводятся с помощью контура с током малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Опыт – подвесим рамку с током между полюсами магнита. Рамка будет поворачиваться до тех пор, пока ее плоскость не станет перпендикулярной к линии, соединяющей полюса магнита. Аналогично ведет себя и магнитная стрелка. Следовательно, величина, характеризующая магнитное поле, должна быть векторной.

Вектор магнитной индукции – векторная величина, характеризующая магнитное поле. Всегда перпендикулярен току в проводнике.

Если вращать рукоятку буравчика с правой нарезкой по направлению тока в рамке, направление совпадет с перпендикуляром к плоскости рамки в сторону поступательного движения буравчика (Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением ). Для соленоида — если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление внутри соленоида.

Линии магнитной индукции— линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор в данной точке пространства.

Как и в случае линий напряженности электрического поля, считаем, что густота линий характеризует в данном месте. Они всегда замкнуты, что означает равенство нулю потока магнитной индукции через замкнутую поверхность. Это свойство магнитного поля связано с отсутствием магнитных зарядов.

в магнитном поле прямого проводника с током магнитная стрелка устанавливается по касательной к окружности. Плоскость окружности перпендикулярна проводу, ее центр лежит на оси провода. Направление устанавливают по правилу буравчика. Буравчик должен двигаться в направлении тока. Концы его рукоятки будут перемещаться в направлении, принятом за направление . Линии магнитного поля представляют собой концентрические окружности, которые сгущаются к центру. Следовательно, магнитная индукция вблизи проводника больше, чем вдали.

Магнитное поле кольца с током

Магнитное поле катушки с током — если катушку подвесить на тонких проводниках, она установится так же, как и магнитная стрелка. Т.о. у катушки есть два полюса – северный и южный. Если длина катушки много больше его диаметра, то поле внутри катушки считаем однородным. Внутри катушки линии поля параллельны, их густота везде одинакова. Вне катушки они направлены от северного пояса к южному. Катушки с током используют в качестве магнитов. Они удобны тем, что магнитное действие можно изменять в широких пределах (магнитное действие тем сильнее, чем больше количество витков или больше сила тока). Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки.

Катушка с железным сердечником внутри – электромагнит. Они могут быть разных размеров, их магнитное действие можно регулировать, они очень быстро размагничиваются при выключении тока. Используются – переноска тяжелых изделий, сепаратор для зерна (мелкие железные опилки прилипают к зернам сорняков, зерна высыпают на барабан, внутри которого электромагнит. Притягивая мелкие опилки, он извлекает зерна сорняков и другой мусор из общего зерна)

Если в катушку с током вставить стержень из закаленной стали, то он длительное время сохраняет намагниченность (вызванную движением электронов) после выключения тока.

Линии магнитной индукции можно сделать видимыми с помощью железных опилок.

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции. Если в данной точке пространства различные токи создают магнитные поля, магнитные индукции которых В₁, В₂, В₃ и т.д., то результирующая магнитная индукция в этой точке равна

Модуль магнитной индукции определяется по формуле

, где М_тах – максимальный момент сил, действующих на рамку, I – сила тока в ней, S – площадь рамки.

Магнитный поток. Вектор магнитной индукции характеризует поле в каждой точке пространства. Введем величину, которая характеризует поле во всех точках произвольно выбранной поверхности. Эту величину называют магнитным потоком. Она аналогична вектору электрической напряженности. Выделим в магнитном поле кусочек площадью ΔS, чтобы магнитную индукцию во всех его точках можно считать одинаковой. Пусть — нормаль к элементу, образующая угол α с направлением вектора .

Потоком вектора магнитной индукции через поверхность площадью ΔS называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь ΔS и косинус угла α между векторами и

Поток может быть как «+», так и «-», в зависимости от значения угла. Поток магнитной индукции показывает, какое количество линий пронизывает данную площадку.

Вокруг Земли тоже есть магнитное поле, так как стрелка компаса устанавливается в определенном направлении вдоль его магнитных линий. Около Северного географического полюса магнитные линии отклоняются и вертикально входят в землю ( это Южный магнитный полюс, удаленный от Сев.географ. на 2100км ) . Северный магнитный полюс находится около Южного географического, здесь магнитные линии выходят из земли.

Оно оказывает существенное влияние на поток заряженных частиц из космоса. Это третий защитный пояс вместе с атмосферой и ионосферой. Действуя на заряженную частицу, оно изменяет ее траекторию. Вместо прямой линии получается спираль, навивающаяся на линии индукции поля. Кроме того, поле удерживает на большой высоте заряженные частицы небольших энергий. Эти частицы окружают земной шар и называются радиационными поясами.

Магнитное поле земли меняют магнитные бури из-за солнечной активности и выброса с его поверхности огромного числа заряженных частиц.

Есть на Земле магнитные аномалии — области, где магнитные стрелки всегда отклонены от магнитных линий Земли. Причина – огромные залежи железной руды – Курская аномалия.

Существование магнитного поля Земли не объяснено до конца. Считается, что его причина – электрические токи в атмосфере и в земной коре. У планет Солнечной системы также есть магнитные поля.

Постоянные магниты — тела, длительное время сохраняющие намагниченность. Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия – полюса магнита (северный и южный). Не все материалы одинаково хорошо притягиваются магнитом. Чугун, сталь, железо – хорошо, никель и кобальт – плохо.

В природе встречаются естественные магниты – железная руда. Его наличие позволило лучше изучить магнитные свойства тел:

— две магнитные стрелки рядом повернутся друг к другу противоположными полюсами, одноименные полюса отталкиваются,

— аналогично – стрелка и магнит,

Так как вокруг любого магнита есть магнитное поле, установим с помощью опилок, как оно выглядит у дугообразного и полосового магнита (рис). Магнитные линии замкнуты, выходят из северного и входят в южный полюс, замыкаясь внутри магнита.

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-06; Нарушение авторского права страницы

Альтернативные источники энергии. Оставь свой мозг, сюда входящий.

Мир в магнитном кольце

Рис. 1. Структура магнитных силовых линий ферритового кольца
(представлено в разрезе)

Рис. 2. а – гайка примагнитилась к поверхности шара, лежащей ниже второй особой точки; б – гайка отваливается от поверхности шара попавшей в окрестность особой точки; в – гайка вновь примагнитилась к шару над особой точкой

Как определить полярность магнита

В создании этой статьи участвовала наша опытная команда редакторов и исследователей, которые проверили ее на точность и полноту.

Команда контент-менеджеров wikiHow тщательно следит за работой редакторов, чтобы гарантировать соответствие каждой статьи нашим высоким стандартам качества.

Количество источников, использованных в этой статье: 10. Вы найдете их список внизу страницы.

Количество просмотров этой статьи: 29 785.

Вы наверняка слышали фразу “противоположные полюса притягиваются”. Хотя это далеко не всегда справедливо для отношений между людьми, данное правило неизменно выполняется для магнитов. Мы все привыкли иметь дело с большим магнитом — Землей. Опыты с небольшими магнитами помогут вам понять, как действует магнитное поле Земли, которое защищает нас от космического излучения. [1] X Источник информации Хотите ли вы для удобства обозначить полюса магнита или провести интересный физический эксперимент, вам пригодится умение определять полярность магнитов.

Что такое магнитное поле, его свойства и источники

Магнит и его действие на белом листе

Что такое магнитное поле? Физика легко объясняет все явления природы, в том числе и невидимые, а потому дает ответ и на этот вопрос. Оказывается, в некоторых веществах есть свободные электроны, движение которых и создает особенные поля. Обсудим их секреты подробнее.

Что такое магнитное поле, его свойства

Многие видели и держали в руках магниты. Легко заметить ту силу, которая возникает между ними.

Каждый магнит обладает двумя полюсами: противоположные притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Кроме того, магниты всегда окружены областью, где эта сила возникает. Магнитные поля как раз и описывают такую силу.

Таким образом, магнитное поле — это концепция, которую используют, чтобы описать то, как сила распределяется в пространстве вокруг магнита и в нем самом. Впервые на это явление обратил внимание французский ученый Перегрин, а затем исследовали Ампер и Фарадей.

Явление магнетизма и магнитных полей — одна из составляющих электромагнитных сил, которые для природы базовые. Появляется магнитное поле там, где происходит движение зарядов. Когда большие заряды двигаются с высокими скоростями, то сила магнитного поля возрастает.

Магнитное поле

Магнитное поле вокруг магнита: Freepick

Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:

Можно пустить ток по проводнику, присоединенному к батарее. Если силу тока увеличивать (то есть наращивать количество движущихся зарядов), то пропорционально усилится и магнитное поле. Его сила будет уменьшаться пропорционально расстоянию от проводника. Данное явление называют закон Ампера.
Можно использовать свойства электронов. Они имеют отрицательный заряд и совершают движение вокруг ядра атомов, что и есть основой принципа работы постоянного магнита. Не все материалы получится намагнитить. Для этого необходимы один или несколько так называемых непарных электронов (обычно электроны всегда образуют пары). Например, у атома железа есть четыре непарных электрона, поэтому из такого материала получится хороший магнит.

Каждый кусочек любого материала состоит из миллиардов атомов. Когда они ориентируются в пространстве произвольно, то их поле угасает, даже при наличии непарных электронов. Только в стабильных веществах можно получить постоянную ориентацию электронов, то есть постоянный магнит или ферромагнетик.

Некоторым материалам для этой цели необходим внешний источник магнитного поля. Оно способно сориентировать вращение электронов и задать им нужное направление, но стоит исчезнуть внешнему полю, и общая ориентация тоже пропадет. Такие материалы получили название парамагнетиков.

Хороший пример парамагнетика — металлическая дверца холодильников. Сама по себе она не магнит, но может притягивать приложенные к ней магниты. Это свойство многие используют, когда с помощью магнита крепят к дверце холодильника список покупок или записку.

Экспериментально подтвержденные свойства магнитного поля таковы:

оно материальное, то есть существует в объективной реальности, даже если о нем не знаем;
его порождают лишь движущиеся электрические заряды, то есть любое движущееся заряженное тело окружено таким полем. Магнитные поля создаются и магнитами, но и в этом случае причина появления кроется в движении электронов. Переменные электрические поля также создают их;
обнаруживают данные поля, действуя некоторой силой на движущиеся электрические заряды или проводники с током;
в пространстве его распространение происходит со скоростью, которая равна скорости света в условиях вакуума.

Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.

Магнитное поле: источники, измерение

Источниками магнитных полей считаются:

Электрические поля, меняющиеся во времени.
Подвижный заряд.
Постоянный магнит.

Три магнита разного размера

Магниты разного размера: Freepick

С детства сталкиваемся с постоянными магнитами:

Они применяются как игрушки, которые притягивают детали из металла.
Их часто прикрепляют к холодильнику.
Используют как встроенные части в игрушках.

Движущиеся электрические заряды, если сравнивать их с постоянными магнитами, обладают большей магнитной энергией.

Если магнитное поле нельзя увидеть, то как его изобразить? Физики предложили следующие способы:

Магнитные поля описывают с помощью математики как векторные. Их изображают как упорядоченную сетку множества векторов. Каждый из них направлен в свою сторону, а длина определяется величиной магнитной силы. Если бы много маленьких компасов выложили в определенном порядке, картинка получила бы такая же, вот только силу поля узнать бы не удалось.
Также используют силовые линии магнитного поля. В этом случае вместо сетки векторы соединяют плавные линии. При этом рисуют столько линий, сколько захочется.

Во втором виде изображения есть такие преимущества:

Силовые линии магнитных полей не пересекаются.
Они расположены тем плотнее, чем выше индукция (сила) магнитного поля.
Данные линии изображают в виде замкнутых циклов, то есть у них есть начало и конец с продолжением внутри магнита.

Чтобы указать направление поля, применяют стрелочки, расставленные вдоль силовых линий. Иногда применяют и другие обозначения. Традиционно полюса магнита обозначают как «север» и «юг», а силовые линии изображают по направлению от одного полюса ко второму.

По этой причине их обычным направлением считается направление с севера на юг. Концы источника магнитного поля часто подписывают английскими буквами N (север) и S (юг).

Полюбоваться силовыми линиями может каждый. Для этого:

Магнитные опилки надо высыпать на ровную поверхность рядом с источником магнитного поля.
Металлические частицы начнут вести себя подобно крошечному магниту с южным и северным полюсами.
Опилки постепенно образуют отдельные области благодаря отталкиванию одинаковых полюсов.
В результате получится рисунок силовых линий.

Так обычно выглядит основная картина, а свойства материала опилок определяют положение и плотность линий.

Магнит, притягивающий скрепки

Магнит, притягивающий скрепки: Freepick

Наконец, магнитное поле как векторную величину можно описать и измерить. Для этого понадобится сила и направление:

С направлением все просто. С его определения берут магнитный компас и ждут, пока стрелка остановится на силовой линии. Такие компасы были известны мореплавателям еще в XI веке. Кроме того, пользуются правилом сжатой правой руки (когда правая рука обхватывает проводник, а большой палец показывает направление тока, то другие пальцы указывают направление поля).
С силой немного сложнее. Приборы под названием магнитометры были изобретены лишь в XIX веке. Большинство из них способно рассчитать силу, которая действует на электрон, движущийся в поле.

Точные измерения слабых магнитных полей начались после открытия в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления. Им обладают материалы, которые составлены из особенных тонких пленок.

Интересно, что это открытие фундаментальной физики стало применяться для хранения информации на жестких дисках компьютеров. В итоге плотность записи на магнитном носителе выросла в тысячи раз буквально в течение нескольких лет. В 2007 году ученые Ферт и Грюнберг за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.

Согласно международной системе единиц, силу (индукцию) магнитных полей измеряют в тесла (обозначают Тл, назвали в честь Николы Теслы). Тесла — это такая величина силы, которая действует на движущийся заряд от магнитного поля. Так, маленький магнит, который повесили на холодильник, создаст индукцию примерно 0,001 Тл, в то время как индукция магнитного поля нашей планеты составляет 5×10⁻⁵ Тл.

Иногда ученые пользуются альтернативной единицей измерения под названием гаусс (обозначают Гс). Преобразовываются эти единицы измерений достаточно легко: 1 Тл = 10⁴ Гс. Причиной применения единицы Гс стало то, что 1 тесла — это слишком высокая величина для индукции.

В формулах величину магнитной индукции обозначают символом BBB. Иногда встречается термин «напряженность магнитного поля» с обозначением символом HHH. Обе эти величины измеряют в одних и тех же единицах, но в напряженности учитывается магнитное поле, которое есть внутри магнита. В решении простых задач, где действие происходит в воздухе, этой разницей можно пренебречь.

О том, что такое магнитное поле, больше знаем из практики, но не всегда разбираемся в теории. Оказывается, что невидимые магнитные поля вполне реальны и создаются движением электронов. Их направление указывают стрелки компасов, а силу измеряют специальные приборы.

Представление о магнитном поле

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.