Магнитное поле. 
Современные представления о природе магнитных взаимодействий

Опыт показывает, что любые движущиеся заряды взаимодействуют между собой. Например, два параллельных проводника с током притягиваются друг к другу, если направления токов совпадают, и отталкиваются друг от друга, если направления токов противоположны. Говорят, что взаимодействие токов осуществляется посредством поля, называемого магнитным. Магнитное поле проявляется в том, что на движущиеся в нем заряды действуют силы. На покоящийся заряд магнитное поле влияния не оказывает. Разумеется, магнитное поле возникает вокруг любых движущихся зарядов.

Поскольку в состав любого атома входят движущиеся заряды, то магнитными свойствами обладают все тела, как живые, так и неживые. Поэтому глубокое понимание окружающего нас мира совершенно невозможно без понимания природы магнетизма и его основных законов.

Можно ли без длительного анализа развития исторических представлений о магнетизме коротко выразить суть современного понимания природы магнитных взаимодействий? Можно, если воспользоваться такими достижениями физики XX в., как создание А. Эйнштейном специальной теории относительности. Покажем, основываясь на постулатах теории относительности и на релятивистской инвариантности электрического заряда, что магнитное взаимодействие токов является неизбежным следствием закона Кулона. Рассмотрим это на примере взаимодействия проводника с током и движущегося заряда q.

Пусть на рис. 30 положительные заряды, изображенные черными кружками, движутся вправо со скоростью V₀, а отрицательные заряды — влево с той же скоростью У₀. Линейные плотности тех и других зарядов данного проводника с током по величине равны друг другу: Х₊ = Х_.

Поскольку за направление тока выбирают направление движения положительных зарядов, то в данном случае ток направлен вправо. Пусть также вправо двигается заряд q со скоростью V. Наша задача — показать, что взаимодействие между токами может быть найдено без привлечения понятий магнитного поля, с использованием только закона Кулона и элементарных соотношений теории относительности.

Рис. 30.

Чтобы воспользоваться законом Кулона, нужно, чтобы заряд q покоился. Поэтому перейдем в систему отсчета, которая движется вправо со скоростью V. В этой системе скорость движения положительных зарядов уменьшится по сравнению с V₀. При этом длина любого участка проводника увеличится (в соответствии с соотношениями теории относительности, рассматриваемыми ниже), а величина заряда такого участка проводника останется прежней (в соответствии с релятивистской инвариантностью заряда, что является опытным фактом). Следовательно, линейная плотность положительных зарядов Х'₊ в движущейся системе станет меньше, чем в лабораторной системе. Легко видеть, что аналогичное рассуждение в применении к отрицательным зарядам проводника с током приводит к выводу об увеличении линейной плотности X' в движущейся системе отсчета. Итак, имеем:

Таким образом, по наблюдениям в движущейся системе проводник оказывается отрицательно заряженным, хотя в неподвижной, лабораторной системе он был электрически нейтрален. А отрицательно заряженный проводник и положительный заряд q, разумеется, притягиваются, что и требовалось доказать.

Если воспользоваться конкретными соотношениями теории относительности, то легко получить и конкретное выражение для силы взаимодействия параллельных токов в нашем примере:

Здесь I = 2AV₀ — величина тока в проводнике; ц₀ — магнитная постоянная,.

Итак, мы показали, что взаимодействие токов можно описывать без всякого использования понятия магнитного поля. Так что же получается, на этом можно и закрыть тему и не тратить усилий на изучение законов магнетизма? Нет. Дело в том, что указанный способ решения задач обладает существенным недостатком: для анализа системы движущихся зарядов нам приходилось бы постоянно совершать преобразования «вперед-назад» между разнообразными системами координат, что технически всегда утомительно. Есть лучший способ. Общее действие одного тока на другой можно хорошо описать, вводя понятие о новом поле — магнитном. Магнитное поле характеризуют вектором В, который иногда называют вектором магнитной индукции.

Для рассмотренного нами случая — магнитного поля прямолинейного тока — вектор В вводится следующим образом:

По направлению В перпендикулярен к плоскости (см. рис. 30), т. е. перпендикулярен как к проводнику, так и к скорости заряда V. С учетом направлений выражение для силы, действующей на движущийся в магнитном поле заряд, можно записать:

Эта сила называется силой Лоренца.

В является основной характеристикой магнитного поля, и мы будем говорить, в основном, «магнитное поле В», что лучше, чем «магнитная индукция В». Но существует и другая характеристика магнитного поля, называемая напряженностью магнитного поля Н. Н является вспомогательной характеристикой магнитного поля, и ее введение обусловлено существованием в природе двух принципиально отличных друг от друга токов — свободных и связанных.

Свободные токи — токи свободно движущихся зарядов, которые можно измерить с помощью приборов (амперметров). Связанные токи — токи движущихся зарядов, которые в принципе невозможно измерить прибором, например, токи движущихся электронов в атоме или токи протонов в ядрах атомов. Вклад в магнитное поле В вносят и те, и другие заряды. Движению свободных зарядов соответствует напряженность магнитного поля Н, а магнитное поле в веществе находится с помощью следующего соотношения:

где р — относительная магнитная проницаемость, или просто магнитная проницаемость вещества; р — безразмерная величина.

Рис. 31.

Единицей В в системе СИ является тесла (Тл), а единицей Н — ампер на метр (А/м).