Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Совокупность замкнутых витков проволоки с электрическим током, окружающих общую центральную ось, называют соле­ ноидом. Магнитное поле каждого витка проволоки суммирует­ ся с тороидальными полями всех остальных витков. Как показано на рис. 2.5, в результате образуется более сильное поле, сохраняющее в основном исходную форму. Тороидальное поле, соответствующее отдельному витку, несколько растягивается вдоль оси соленоида из-за наличия промежутков между его витками, однако суммарное поле в каждой точке усиливается при сохранении общей тороидальной формы. Силовые линии, не совпадающие с центральной линией, или осью соленоида, выходят из одного его конца, огибают его во внешнем про­ странстве и входят внутрь через другой конец. Силовые линии всегда непрерывны и образуют замкнутые траектории; без соответствующих оговорок нельзя рассматривать «свободно висящие» концы этих линий. Считается, что даже центральная линия выходит из одного конца соленоида и возвращается в другой конец после того, как опишет траекторию с бесконечно большим радиусом кривизны.

Иллюстрация на рис. 3.1 показывает, каким образом к элек­ трону (или иону), непрерывно вращающемуся относительно собственной оси, можно применить понятие соленоида (или кру­ говой траектории), сведенного к «минимальной конфигурации». В данном случае некоторое число единичных электрических зарядов непрерывно движется по траектории с нулевым радиу­ сом. Такое вращение порождает микроминиатюрные тороидаль­ ные магнитные поля, окружающие многие (но не все) атомные

По существу, тороидальное магнитное поле представляет собой ключевое понятие, лежащее в основе многих явлений, рассмот­ ренных в этом справочнике. Рисунок 12.4 иллюстрирует характер пространственного изменения напряженности, свойственной та­ кой конфигурации поля.

Стержневой магнит создает поле аналогичной формы. Тогда как поле электромагнита образуется в результате объединения полей проволочных витков с током, поле постоянного магнита является результатом совместного действия электрически заря­ женных частиц атомных размеров со спином, генерирующих микроминиатюрные тороидальные магнитные поля.

2.10. НАПРАВЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ЛИНИЙ

Направление силовых линий магнитного поля (см. рис. 2.1) определяется следующим правилом правой руки: «Если охватить правой рукой проводник так, чтобы отставленный большой палец указывал направление тока, то остальные четыре пальца укажут направление магнитного поля, порождаемого током в проводнике». Аналогично, если охватить правой рукой соленоид (см. рис. 2.5) так, чтобы пальцы (кроме большого) указывали направление тока, то отставленный большой палец укажет направление магнитного поля.

Вследствие того что электрон или какая-либо другая отрица­ тельно заряженная частица движется в направлении, проти­ воположном направлению тока (или движения положительных частиц), при определении направления магнитного поля по дви­ жению отрицательных частиц вместо правой руки следует ис­ пользовать левую. Поскольку заряженные частицы со спином соответствуют электрическим зарядам, движущимся по круговой траектории, к ним также применимо правило правой руки (см. рис. 3.1).

Возвращаясь к схеме, изображенной на рис. 2.1, заметим, что хотя поле Био —Савара в каждой точке пространства имеет определенное направление, совместное рассмотрение различных направлений поля во всех точках пространства не выявляет ка­ кой-либо концентрации силовых линий в определенных областях или какого-либо преимущественного их направления. В то же время тороидальное поле имеет одно и то же направление во всех точках, лежащих на его оси, и преимущественно в этом же на­ правлении концентрируется действие многих других силовых линий. Таким образом, можно сказать, что магнитное поле, порождаемое круговым контуром электрического тока, в целом имеет направление, которое определяется расположением пло­ скости контура и направлением текущего в нем тока.

Любое материальное тело, создающее тороидальное магнит­ ное поле, называют поляризованным в соответствии с направлени­ ем этого поля. Термин «поляризованный» связан с рассмотренными

выше понятиями северного и южного магнитных полюсов. По­ скольку поляризованное тело создает магнитное поле с определен­ ным направлением, такое тело нередко изображают в виде вектора,

с электрическим зарядом и спином. Такие стрелки не следует путать со стрелками, используемыми для указания напряженности и направления поля в каждой точке пространства.

2.11. ПРАВИЛО ЛЕНЦА

Правило Ленца гласит: «Если траектория движущейся заря­ женной частицы изменяется каким бы то ни было образом в результате взаимодействия частицы с магнитным полем, то эти изменения приводят к возникновению нового магнитного поля, прямо противоположного тому магнитному полю, которое вызва­ ло эти изменения».

На рис. 2.3 иллюстрируется поле Ленца, которое изображено здесь стрелкой, направленной противоположно стрелке, изобра­ жающей внешнее поле.

Рисунок 2.2 иллюстрирует условия, когда прямолинейные траектории заряженных частиц, движущихся во внешнем маг­ нитном поле, искривляются в результате действия сил Лоренца. На рис. 2.3 показан случай, когда это искривление превращает траектории частиц в замкнутые окружности, которые можно считать эквивалентными отдельным виткам соленоида, изобра­ женного на рис. 2.5. Как можно видеть на последней схеме, магнитное поле, связанное с круговой траекторией заряженной частицы, является поляризованным, тогда как магнитное поле, связанное с прямолинейной траекторией заряженной частицы, не поляризовано.

Таким образом, основная форма магнитного поля, окружа­ ющего заряженные частицы, существенно изменяется при лю­ бых изменениях траекторий движения частиц.

2.12. МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ

Тело с магнитной поляризацией, помещенное в магнитное поле, испытывает крутящее усилие, которое стремится повер­ нуть тело так, чтобы оно было ориентировано в направлении силовых линий поля. Это крутящее усилие, для которого уста­ новлена определенная мера в магнитном поле заданной вели­ чины, выражается в форме магнитного момента тела «с магнит­ ным зарядом», или намагниченного тела.

Магнитное поле воздействует на намагниченное тело си­ лой, направленной определенным образом, т. е. это воздейст­ вие имеет векторный характер. Тело обладает собственным полем, также имеющим определенное направление, что является