3.1. Взаимодействие движущихся зарядов
В первом разделе 2 части этого курса лекций подробно обсуждалась ювелирная сбалансированность положительных и отрицательных зарядов, существующая в природе. Она приводит к тому, что два рядом расположенных проводника не взаимодействуют друг с другом.
Нетрудно убедиться, что если пропустить по ним постоянный электрический ток, то проводники либо оттолкнутся, либо притянутся друг к другу. Первое имеет место в случае, если токи текут в противоположных направлениях, второе — в одном направлении. Совершенно очевидно, что в описанном явлении проявляется новый тип взаимодействия, отличный от известного нам электростатического: ведь проводники электрически нейтральны, а взаимодействие проявляется только при движении зарядов и зависит от направления их движения относительно друг друга. Этот новый тип взаимодействия был открыт Ампером. Оно объясняется возникновением поля, которое создается движущими электрическими зарядами и носит название магнитного. Поиски магнитного заряда, который бы по аналогии с электрическим можно было бы принять за источник магнитного поля, не дали положительных результатов. Предположение Ампера о том, что магнитное поле возникает при движении электрического заряда остаётся поэтому в силе по сей день.Опытами ученых середины XIX века было установлено, что движение электрических зарядов сопровождается целым рядом явлений, а созданные этим движением магнитные поля, обладают определенными, только им присущими характерными свойствами. Начало изучению электромагнетизма положил Эрстед в 1820 году, когда, закончив читать лекцию, он расположил магнитную стрелку вблизи проводника и обнаружил, что она поворачивается при включении тока. После опубликования этого интересного результата последовал целый ряд открытий. Каждый из полученных законов носит теперь имя открывателя. Сейчас мы воздержимся от перечисления имен тех ученых, трудами которых была создана столь важная для развития человечества наука.
С этими именами мы встретимся в процессе изучения самих законов. Помимо этого, в конце четвертого раздела дан именной указатель, в котором приведены основные сведения об ученых, положивших начало не только современной физике, но и технике. Подчеркнём, что каждый новый закон свидетельствовал о неразрывной связи электрических и магнитных явлений. Именно поэтому возникший в то время раздел физики именовали электромагнетизмом. Ампер же назвал его электродинамикой. Название очень удачно подчеркивает тот факт, что движущиеся заряды создают поля, принципиально отличающиеся от полей покоящихся зарядов, с иными свойствами.Это отличие особенно впечатляет при сравнении величины сил взаимодействия двух зарядов в указанных выше случаях. Сила магнитного взаимодействия существенно слабей кулоновской силы. Точнее, отношение этих сил равно отношению квадратов скоростей движения взаимодействующих зарядов и света. Если учесть, что при обычно используемых плотностях тока скорости направленного движения очень малы — порядка нескольких миллиметров в секунду (см. раздел 2.13), то сила магнитного взаимодействия будет в этих условиях в 1023 раз (проверьте!) меньше кулоновской силы. Но описанное выше притяжение и отталкивание двух проводников с токами мы легко наблюдаем на опыте, поскольку положительные и отрицательные заряды в веществе сбалансированы очень точно. Относительная малость сил магнитного взаимодействия не мешает их практическому использованию, примером которого могут служить электродвигатели.
Зависимость магнитных сил от расстояния между зарядами аналогична подобной зависимости для электростатических сил, даваемой законом Кулона:
 . | (3.1) |
Знак минус в равенстве отражает тот опытный факт, что магнитная сила направлена противоположно кулоновой силе. Если сила Кулона (1.1) положительна, то взаимодействующие заряды имеют одинаковый знак, т.е.
отталкиваются. Магнитное же взаимодействие двух зарядов одного знака, движущихся параллельно друг другу, приведет к их притяжению. Последнее и наблюдается в опыте, описанном в начале раздела. Судя по записанному выше равенству, направление силы совпадает с вектором
, проведённым от одного заряда к другому, как это имеет место в законе Кулона. Но если вместо квадрата скорости в равенство ввести её вектор (а точнее — два вектора, характеризующие движение каждого из зарядов), направление силы будет иным. Об этом речь пойдет ниже. Сейчас же для нас важно отметить, что это равенство, вытекающее из опытных законов Ампера, имеет и логическое обоснование с позиций специальной теории относительности Эйнштейна. Сведений из теории относительности, приведённых в 1 части нашего курса лекций [6], вполне достаточно, чтобы дать это обоснование. Те же читатели, которые по каким-либо причинам не будут интересоваться этим обоснованием, могут пропустить следующий параграф. Это не повлияет на последовательность изложения и понимание основных законов электромагнетизма, выведенных из равенства (3.1), обоснованием которого мы теперь займемся. В этом случае формулу (3.1) следует принять за опытный факт, следуя историческому развитию физики.