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.
?
Спин
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.
Комментарии (28)
oam2oam
22.03.2019 10:51Но позвольте! Что за… тут написана? как это «Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы» — что же теперь движется в электромагнитной волне (частиц там нет, а поле магнитное есть)? Ну хорошо, а в постоянных-то магнитах что за движущиеся заряженные частицы (только не говорите мне, что это спины движутся — квантовая механика будет против)? Какие-то непонятные воззрения изложены, не сильно согласованные с современной физикой…
Victor_koly
22.03.2019 10:59Ну хорошо. ЭМ волны могут быть вызваны переменным током, вихревым током или вообще экзотикой типа «градиент плотности заряда» (точно не докажу, но по уравнениям Максвелла выходит так). Да, сама по себе волна типа
{E,H} = {E0,H0}exp{i(omega*t-(k,r))}
может существовать в среде с нулевыми 3 перечисленными мною выше величинами.
С другой точки зрения (микроскопической), переменный ток — это специфический случай переменного дипольного эл. момента, а вихревой ток по форме магн. поля похож на магнитный момент. Случай «градиент плотности заряда» в свою очередь является микроскопической характеристикой любого тела с квадрупольным эл. моментом.oam2oam
22.03.2019 11:08Так и я о чем… Обратите внимание на название статьи! Это что же за представление такое? И еще удивительно — из статьи можно понять, что… ток в проводе это движение электронов в металле (?) (ну может я не так понял) — ну это же вообще неверно!
Andy_U
22.03.2019 12:31А как правильно? В металле. Не расплавленном.
oam2oam
22.03.2019 12:37+1Под действием приложенного поля электроны, действительно, начинают двигаться в металле (проводнике), но очень медленно (помниться, десятки сантиметров в секунду) — кстати, это проявление теплового действия тока — но ток-то возникает со скоростью света… Так что приходится признать, что хотя тепловое действие связано с движением зарядов, но собственно ток явление связанное с электрическим полем. Тут есть своеобразная путаница в понятиях. Мне иногда кажется, что проще было бы начинать сразу с уравнений Максвелла — но они понятны с точки зрения эфира, а он предан анафеме :))
Victor_koly
22.03.2019 13:47Мне понятны уравнения без любого эфира. Мне не нужен эфир чтобы сказать, что в точке пространства есть величины E и H.
Наиболее полное классическое (значит без упоминаний о том, что металл проводит ток хорошо только при неспаренных элеткронах) представление о проводимости в металле можно представить из таких утверждений:
1. Эл. поле источника напряжения влияет на элетрон — со скоростью света, он начинает движение.
2. Движение электрона изменяет созданное им электрическое поле, а также — создает магнитное поле. Более точно это можно рассмотреть с точки зрения СТО.
3. Эл. и магн. поле влияет на соседние атомы. Но, одна из форм влияния эл. поля на вещество с ненулевой проводимостью — потери с мощность sigma*E. Тут же идет скин-эффект в простейшем случае, «нормальный».
4. Ну и в конце учитываем, что создаваемое в металле конечное электрическое поле E разгоняет электрон только до тех пор, пока он не столкнется с каким-то атомом или электроном. Описываем время между столкновениями как tau и полученную за это время кин. энергию как eE*tau.
Это все можно записать через уравнения Максвелла. Но тот же скин-эффект Вы наверное замахаетесь считать методами типа FDTD. И это ещё без учета дисперсии, которая есть, если мы не берем за основу epsilon = inf, sigma = inf.
Andy_U
22.03.2019 14:27но собственно ток явление связанное с электрическим полем
Электрический ток, это движение электрических зарядов. У вас есть другое определение?
Мне иногда кажется, что проще было бы начинать сразу с уравнений Максвелла — но они понятны с точки зрения эфира, а он предан анафеме :))
Вы в курсе, что уравнения Максвелла инвариантны именно относительно преобразований Лоренца, и что именно электродинамика теорию эфира и убила?
Victor_koly
22.03.2019 11:04А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения.
Вы уверены? Все же вращать шарик нужно вокруг любой другой оси, которая не является осью симметрии распределния эл. заряда, ЕМНИП.
Хотя, если Вы начнете вращать с переменной угловой скоростью, то точно получите ЭМ волны.
Ага, я все же ошибся. Если я утверждаю про вихревой ток, значит вращение ширика/тора/цилиндра даже вокруг оси симметрии должно давать ЭМ волну. Ну и тем более — с релятивистской скоростью на периферии, когда понятие «квадрупольный эл. момент» возникнет у идеальной сферы. Или не возникнет, кто тут шарит в СТО?mayorovp
23.03.2019 13:16ЭМ волна тут ни при чём. Статический вихревой ток порождает статическое же магнитное поле.
Victor_koly
23.03.2019 14:03А ну да. Это будет как распределение вихревых токов, в цилиндрический координатах может быть записана как функция:
jphy(r,phy,z) = j0(r,z)
Victor_koly
23.03.2019 15:21-1Но все же нужно точно посчитать. Берем пару ур. Максвелла и ток, у которого ротор не нулевой.
Daddy_Cool
22.03.2019 11:58+1Позвольте примерить на себя ступу и метлу Бабы-Яги и побыть против. (С) «Союзмультфильм».
Статья не содержит почти ничего выходящего за рамки школьного курса физики. Никаких интерсностей, необычностей, неожиданностей, и т.п… А в школе все учились. Причем в педагогическом плане статья тоже так себе — используемые аналогии вовсе неочевидны, да и вообще — аналогии это плохо.
«Представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина». Закрыл глаза и представил. Открыл — нет никакой эластичной паутины. Почему силовые линии — которые сами есть э… иллюстрирующее понятие могут деформироваться?
«Такая модель наглядно демонстрирует то, почему...» В таком виде это не модель в современном понимании. Это «модель» где-то на уровне теплорода и флогистона.
«Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля.» Относительно чего движется заряд? А если я движусь вместе с зарядом? Непонятно.
Это не вопросы — это именно замечания (придирки).
У электрона было обнаружено магнитное поле,… Это магнитное поле назвали спином
Это вообще не так и вводит юных и наивных читателей Хабра в заблуждение.
ru.wikipedia.org/wiki/Спин
А если бы это было так — и отцы-первооткрыватели на заре человечества действительно сказали — давайте магнитное поле электрона называть спином — то это бы заслуживало отдельной статьи — скажем э… типа «Развитие представлений о спине в 20-м веке».
Впрочем почти у любых статей на Хабре есть комментарии, которые как известно, часто интереснее самой статьи, и здесь разумные комментарии уже появились. Но Хабр все же не форум. А то можно было бы заводить тему: "Обсуждаем магнитное поле здесь" — и понеслось! И найдутся явные тролли и напишут: "Магнитное поле создается магнитным зарядом и я не понимаю как можно считать по другому" — и понеслось еще на 100500 страниц.
Я бы рекомендовал убрать статью в текущем виде, и заняться её существенной доработкой, хотя возможно это нереализуемо по, так сказать, системным причинам — в первую очередь отсутствию у автора какой-либо не общеизвестной информации.ni-co
22.03.2019 12:26А мне было интересно. Критикам скажу: это не академическая статья! Главное — объяснить на пальцах. У меня один из детей еще учится в гимназии с гуманитарным уклоном. Уровень преподавания физики, химии никакой. Сам закончил школу более четверти века назад. Понравилась книга по ссылке. Поверьте, как мне тут на хабре недавно заявили для 95 % самое то. :)
Victor_koly
22.03.2019 13:52Относительно чего движется заряд? А если я движусь вместе с зарядом?
Тогда Вам нужно записать все 4 уравнения Максвелла в лоренц-инвариантной форме. Если Вы не движетесь, то на Вас от заряда будет действовать только поле E, вместо записи:
E' = gamma*(E + [v/c,B])
Если что, я использовал систему СГС.
VT100
23.03.2019 15:58Но считается, что электрический ток направлен слева направо.
Вот ещё… без комплементарной к данному утверждению картинки, фраза — ниачём.Victor_koly
23.03.2019 16:48-1Главное — не создать ток из сигма-минус гиперонов, это удивит человека со школьными знаниями физики и химии вроде:
Протон — тяжелая частица с эл. зарядом +1.
Электрон — легкая элементарная частица с эл. зарядом -1.
Ядро состоит из протонов и нейтронов.
p_fox
Зачем на хабре школьный курс физики?
Porohovnik
Ну это же дополнительная аудитория… на статьи хабра натыктся чаще из поисковика… так они могут захватить школьников 9-11 класса… правда зачем это им нужно я не особо знаю...
ni-co
Самое то. Куда лучше чем про очередной вечный двигатель.
Vitalley
Раньше в школьном учебнике за 8й класс была одна страничка про магнетизм. Через железные опилки посмотреть на магнитные поля.
Victor_koly
В 10 и 11 классе чуть больше было.
MikeVC
Вот именно.
Интересно было бы узнать что является переносчиком магнитного поля и механизм его действия на фундаментальном уровне.
А то от чего оно возникает и как действует на железку — понятно. А что оно такое и из чего состоит — непонятно.
Smbdy_kiev
Эх… А я думал, что в этой статье ответ. Ну или хотя бы предположение. Тоже сюда полез из-за этого.
Ivanii
Ответ есть в Квантовании Магнитного Потока, но его нужно самому осмыслить и он противоречит официальной теории поля.
Victor_koly
Квантование есть где-то в сверхпроводниках, ЕМНИП.
Victor_koly
Можно взять «определение» из Википедии:
Известно, что движение заряженных частиц может вызывать вполне реальные фотоны. Следующий этап — предполагаем, что ЭМ взаимодействие тоже описывается фотонами, которые в обычных случаях описываются как виртуальные. Дальше теория расширяется на другие бозоны со спином 1 и объединяет ЭМ взаимодействие со слабым «ядерным».
Осталось затащить в обсуждение специалиста по КТП, который ответит на вопрос «Что такое виртуальная частица?».
justhabrauser
Потому что взрослые за хабр уже не платят.
Одна надежда на ониждетей
PS. кстати о птичках. Почему здесь упоминается 9-11 класс? Разве не 7-й? Я проспал? Или ЕГЭ?