Во времена Ньютона и на более ранних этапах электрические и магнитные поля изучались как разные, не зависящие друг от друга явления. Во времена Максвелла стало ясно, что эти поля взаимосвязаны, что меняющиеся электрические и магнитные поля способны генерировать друг друга, благодаря чему возникают уходящие в бесконечность электромагнитные волны.
Из явлений природы магнитное поле представлялось людям самым загадочным. Магнитные материалы действуют на предметы избирательно, удаленно. Компас был изобретен, активно использовался задолго до понимания сущности магнитного поля.
В современном школьном курсе физики магнитные явления остаются самым труднодоступным объектом изучения. Они не объяснимы в рамках классических представлений, где царят законы Ньютона и геометрия Эвклида. Для понимания природы этих полей необходимо привлекать квантовую теорию и тензорное исчисление. Но и на школьном уровне можно применять формулы и решать задачи, хоть и без глубокого понимания.
Представляет интерес, что же такого загадочного в магнитном поле, в чем его отличие от механических сил, и даже от электрических напряжений и токов, которые все-таки удается приручить.
Поле, которое исчезает
Магнитное поле имеет несколько особенностей, присущих именно ему. Не только потому, что оно может притягивать и отталкивать предметы на расстоянии. Оно может исчезать!
Пример исчезающего поля: электромагнит. Пока по виткам катушки течет ток, существует магнитное поле. Но ток выключили – и поле исчезло. Отметим, что электрическое напряжение не исчезло! Оно осталось на контактах источника электроэнергии, просто мы разорвали электрическую цепь. А магнитное поле пропало!
В физике изучают множество законов сохранения. Сохраняется энергия, масса, импульс и т.д. Почему же магнитному полю такие привилегии?
Не стоит думать, что магнитное поле нарушает законы природы. Его исчезновение не нарушает закон сохранения энергии, поскольку она, энергия, остается в источнике питания и может расходоваться при включении тока. Просто при отключении электрического тока исчезло условие для создания магнитного поля: остановлено движение зарядов.
Это загадочное поле возникает там, где есть переменное электрическое поле или движение электрических зарядов.
Откуда переменное электрическое поле в куске магнитного материала? От движущихся электронов. Которые не только движутся вокруг ядра, но и имеют собственный магнитный момент, как если бы они вращались вокруг своей оси.
Нельзя считать, что электрон, летающий вокруг ядра, похож на движение тока в электромагните. Процессы, протекающие в микромире, парадоксальны и коренным образом отличаются от привычных нам явлений. Если бы движение электрона в атоме являлось «электрическим током», атом не существовал бы: вся энергия излучилась бы мгновенно, электроны упали бы на ядра и наступил бы коллапс. Но этого не происходит. В квантовом мире частицы могут двигаться по своим орбитам, не излучая энергии, но создавая поле сил. В некоторых материалах магнитные моменты электронов могут синхронизироваться и выстраиваться упорядоченно: это ферриты.
Электрические частицы есть, а магнитных частиц нет!
Еще одна особенность магнитных явлений, выделяющая его среди других физических полей: нет частиц, которые бы можно было назвать магнитными зарядами.
У гравитационного поля есть источники: тела, имеющие массу. У электрического — электроны, протоны. Но для магнитного поля нет аналогичных частиц, которые можно было бы назвать источниками поля.
Источники поля – не частицы, а электрический ток или меняющееся электрическое поле. Если электрический заряд находится в покое – электрическое поле остается, а магнитное исчезает.
Электромагнитная волна: полная симметрия
Итак, магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, а электрическое поле существует независимо от того, движется ли заряд в данной системе отсчета или покоится. Но если удалиться от носителей электрического заряда, картина выглядит иначе.
Электрический ток включили и выключили. При этом произошло изменение движения электронов, возникло магнитное поле, а потом пропало. Но это изменение создало всплеск электрического поля, то, в свою очередь, привело к всплеску магнитного… Простой щелчок выключателя создал бесконечно распространяющуюся электромагнитную волну. В ней нет ни электрических зарядов, ни магнитных, только поля, поочередно генерирующие друг друга. Электрическое и магнитное поля симметричны. Поле распространяется значительно быстрее, чем частицы, имеющие массу; электромагнитными волнами заполнено пространство Вселенной. Свет – это тоже электромагнитные волны очень большой частоты.
Магнитная индукция и сила Лоренца
Количественной мерой магнитного поля назначена сила взаимодействия с электрическим зарядом, движущимся с определенной скоростью. Обозначается магнитная индукция символом В.
Аналогом этой величины является напряженность электрического поля, являющаяся мерой воздействия электрического поля на неподвижный электрический заряд.
Магнитная индукция имеет единицу измерения в международной системе СИ: это 1 тесла. По аналогии с электрической напряженностью, магнитная индукция 1 тесла должна действовать на заряд 1 кулон, движущийся со скоростью 1 м/с, с силой 1 Ньютон. Это вообще-то так… но не совсем. И здесь магнитное поле имеет особенности!
Действительно, сила взаимодействия будет равна 1 Ньютон, если заряд движется поперек линий магнитного поля, строго перпендикулярно.
А если заряд движется вдоль линий магнитного поля – никакой силы взаимодействия не возникает!
В промежуточных вариантах сила взаимодействия зависит от угла, образуемого линиями поля и скоростью заряда. Здесь работает синус угла:
Дело в том, что при движении заряда в магнитном поле взаимодействуют две векторные величины: магнитная индукция и скорость заряда. Сила их взаимодействия – векторная величина, имеющая название сила Лоренца
Внимание: сила Лоренца не совпадает по направлению ни с направлением индукции, ни с направлением скорости! Она перпендикулярна обоим этим векторам.
Сила Лоренца имеет практический интерес. Именно в направлении силы Лоренца отклонится проводник с током, внесенный в магнитное поле..Сила Лоренца «работает» в электродвигателях и электрогенераторах.
Формулы для вычисления магнитных величин используются во всех областях, связанных с электричеством, и только один раздел физики обходится без этих формул. Это электростатика, изучающая взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Там, где нет движения зарядов, нет и магнитного поля.