Магнітне поле постійного струму



Скачати 391.92 Kb.
Сторінка1/5
Дата конвертації26.11.2016
Розмір391.92 Kb.
  1   2   3   4   5
  1. Магнітне поле постійного струму

Магнітні явища були відомі ще в давнину. Їх було виявлено і досліджено за допомогою природних та штучних постійних магнітів, наприклад, шматків залізної руди. Вже тоді ці явища знайшли практичне застосування при створенні компасу. Була розроблена так звана формальна теорія магнетизму, яка спиралася на уявлення про точкові магнітні заряди двох знаків та на закон їх взаємодії, що подібний до закону Кулона в електростатиці. Формальна теорія магнетизму здебільшого схожа на електростатику, однак, на відміну від електростатичних, магнітні заряди неможливо відділити один від одного. Однакові за величиною і різні за знаками магнітні заряди знаходяться, наприклад, на кінцях довгої і тонкої намагніченої сталевої спиці. Використовуючи дві такі спиці, можна експериментально дослідити закон взаємодії “точкових” магнітних зарядів на кінцях спиць. Однак, при поділі будь-якої спиці на дві частини магнітні заряди не поділяються, а на кінцях, що знову утворилися, з’являються магнітні заряди протилежних знаків. Цей факт привів Кулона в 1789 році до висновку, що в кожній молекулі (або атомі) магніту містяться магнітні заряди різних знаків. При намагнічуванні відбувається або просторове розділення цих зарядів, тобто магнітна поляризація, або поворот готових магнітних диполів під дією намагнічування. (Вам нічого це не нагадує ?)

Суттєвий прогрес в подальшому вивченні магнетизму пов’язаний з 1820 роком. Ханс Крістіан Ерстед, демонструючи на лекції проходження постійного струму через провідник, помітив відхилення магнітної стрілки, яка випадково знаходилася поблизу провідника із струмом. Цим був встановлений зв’язок між магнітними та електричними явищами. В тому ж році Андре Марі Ампер виявив магнітну взаємодію двох постійних струмів і докладно дослідив залежність сили цієї взаємодії від величини струмів та їх взаємної орієнтації.

Таким чином, у вченні про магнетизм виник дуалізм: магнітна взаємодія породжується двома причинами, а саме, існуванням постійних магнітів і постійних струмів. Ампер усунув цей дуалізм, висунувши геніальну гіпотезу про існування в кожній молекулі замкнутих електричних струмів (молекулярні струми Ампера). Саме ці струми зумовлюють магнітні властивості речовини, зокрема, існування постійних магнітів.

Таким чином, в основі магнетизму лежить одна причина: існування електричного струму (або пов’язаного з рухом вільних зарядів вздовж провідника, або зумовленого рухом зарядів в атомах та молекулах). Ця гіпотеза Ампера одержала підтвердження в наступні роки і лежить в основі теорії поведінки речовини в магнітному полі. Подальший розвиток теорії магнетизму пов’язаний з роботами Фарадея і Максвелла.

Однак, до того як почати викладення результатів цих досліджень, необхідно викрити природу магнітної взаємодії струмів, звести це явище до кулонівської взаємодії рухомих вздовж провідників зарядів з урахуванням висновків спеціальної теорії відносності, розробленої Ейнштейном.




    1. Релятивістська інваріантність електричного заряду

Дослід показує, що електричний заряд релятивістськи інваріантний, тобто у всіх інерціальних системах відліку електричний заряд однаковий, його величина не залежить від його швидкості відносно спостерігача. Як доказ цього твердження можна послатись на електричну нейтральність всіх атомів і молекул. Дійсно, всі атоми і молекули складаються з однакових частинок: протилежно заряджених електронів і протонів та нейтронів, які не мають електричного заряду. Однак, швидкість руху заряджених частинок в різних атомах і молекулах різна, що, в принципі, могло б порушити електронейтральність

Нейтральність атомів перевірялась в експериментах, в яких атомарні пучки калію і цезію спрямовувалися в сильне поперечне до пучків електричне поле. В межах точності вимірів ніякого відхилення пучків після проходження поля не було виявлено. Досліди дозволяють стверджувати, що атоми калію і цезію мають некомпенсований заряд, який менше, ніж (заряд електрону).

Друга серія експериментів проводилась з атомарним гелієм і молекулярним воднем. Кожен з цих газів накачувався при підвищеному тискові в металевий балон, ретельно ізольований від землі. Вимірювався початковий потенціал балону. Відтак, газ випускався з балону і знову визначався потенціал. Якщо б атоми гелію або молекули водню мали нехай невеликий некомпенсований заряд, то їх вихід з балону змінив би його заряд, і, отже, його потенціал. Ні в разі гелію, ні в разі молекулярного водню такої зміни не було зафіксовано. Участь у процесі великого числа частинок дозволила одержати похибку виміру порядку . Відмітимо, що для усунення впливу позитивних і негативних іонів, присутності яких у газі не можна уникнути, застосовувалась система металевих сіток на виході з балону. Ці сітки мали різний за знаком потенціал відносно металічного балону і не дозволяли іонам залишити балон.

Проведені досліди довели, що заряд є інваріантним

,

тобто його величина не залежить від того, з якою швидкістю він рухається.

Якщо ми охопимо рухомі заряди замкнутою поверхнею, то для них також справедлива теорема Остроградського-Гаусса

.

Описані нами досліди показують, що величина інтеграла в теоремі Гаусса залежить лише від кількості і знаку заряджених частинок всередині поверхні, а не від характеру їх руху. Згідно із постулатом спеціальної теорії відносності, якщо це твердження справедливе для якої-небудь інерціальної системи відліку, то воно повинно бути справедливим і для будь-якої іншої інерціальної системи відліку. Тому, якщо інерціальна система відліку, що рухається відносно системи відліку , а замкнута поверхня, що оточує у момент часу в системі ті ж заряджені тіла, що й поверхня в момент в системі , то внаслідок інваріантності заряду маємо



.

Ця рівність формально виражає релятивістську інваріантність заряду.

Зауважте, що релятивістська інваріантність заряду не означає збереження заряду, яке математично виражається як

.

Збереження заряду означає, що повний заряд всередині замкнутої нерухомої в системі координат поверхні залишається сталим, якщо ніякі частинки не перетинають її поверхні. пІд інваріантністю заряду мається на увазі, що якщо ми подивимось на виділений шматок речовини із різних систем відліку, то виміряна кількість заряду в ньому не зміниться.




  1   2   3   4   5


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка