Как «выглядят» поля?
Чтобы сделать понятие поля наглядным, ученым пришло в голову изображать его на картинках — в виде так называемых силовых линий. Там, где эти линии расположены гуще, например, у заряженных шариков или у полюсов магнитов, считают, что поле сильнее. А там, где расходятся друг от друга, поле слабеет. Эти картинки люди научились создавать, внося в электрические и магнитные поля крохотные железные опилки. Электризуясь или намагничиваясь, такие опилки, как на фотоснимке, «проявляли» картину силовых линий полей.
Скажем, насыпав опилочки вокруг длинного магнита, можно было разглядеть, как силовые линии «выходят» из одного его полюса, «расходятся» веером, «обтекают» его и вновь «собираются» у другого полюса. Интересно, что точно так же, как и опилки, вели бы себя вокруг магнита и маленькие компасные стрелочки. Они тоже «выдали» бы нам картину распределения магнитного поля в пространстве, выстроившись «в затылок» друг к другу вдоль силовых линий. И когда мы определяем направление на север с помощью компаса, мы словно обозначаем в данном месте, как направлено магнитное поле Земли.
Благодаря такому методу удалось как бы воочию представить себе сложные конфигурации электрических и магнитных полей. Например, в приборах и экспериментальных установках физиков, вокруг Солнца и звезд, в ближайших окрестностях и вдалеке от планет.
Поле… С катушек сошло
Возможность «нарисовать» магнитное поле позволяет натолкнуться на удивительный факт. Если длинную проволоку скрутить в виде спирали и пропустить по ней постоянный электрический ток, то вокруг такой «катушки» обнаруживается магнитное поле.
Поразительным же оказывается то, что это поле снаружи катушки выглядит точно так же, как и поле постоянного длинного магнита. Продемонстрировать это могут насыпанные вокруг обоих приборов железные опилки.
Поразмышляем над результатами опыта. Во-первых, электрический ток породил вокруг себя магнитное поле. Теперь мы можем связывать появление поля с движущимися заряженными частичками. Во-вторых, вид этого поля абсолютно совпал с полем магнитных тел, известных за тысячелетия до того, как человек стал собирать электрические цепи и пропускать по ним токи. Значит, катушка с током — не что иное, как электромагнит.
Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) — датский физик. Обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. Это открытие привело к появлению новой области физики — электромагнетизму. Построил первый термоэлемент. Занимался исследованиями свойств жидкостей и газов, акустическими опытами. Одним из первых высказал мысль о свете как об электромагнитном явлении.
Последствия наших размышлений, которые мы здесь провели вслед за известными учеными, поистине грандиозны. Именно они привели к той революции, что произошла в прошлом веке после блестящих открытий в области электромагнетизма. А началось все с небольшой брошюрки, написанной известным датским ученым Эрстедом. В ней он впервые сообщил о действии на магнитную стрелку тока, текущего по проволоке.
Без постоянных магнитов
Попробуйте провести такой опыт. Сделайте из толстой проволоки кольцо, а к его незамкнутым концам прикрутите длинные тонкие проводки в изолирующей оболочке. Эти проводки употребляют в телефонных кабелях. Если теперь свободные концы проводка подсоединить к полюсам электрической батареи, а кольцо подвесить за них так, чтобы оно могло вращаться, то мы заметим следующее. Поднося к кольцу, по которому течет электрический ток, магнит или стрелку компаса, мы заставим кольцо крутиться, а стрелку — поворачиваться. Ну прямо, как действие друг на друга двух обычных магнитов.
Немудрено, ведь теперь колечко — тоже магнит, хотя и электрический. С его помощью, как магнитной стрелкой, можно обнаруживать и исследовать другие поля. Или наблюдать его взаимодействие с такими же колечками и катушками с током. То есть при изучении магнетизма можно вообще обойтись без постоянных магнитов, а работать только с токами.
Знаменитый французский физик Андре Ампер изучал взаимодействие электрических токов и вывел для него свой закон. Он также установил, что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположном — отталкиваются.
Появление магнитного поля вокруг проводников с током показалось Амперу настолько естественным, что он задумался о подобной же природе магнетизма у постоянных магнитов. Его гипотеза о том, что магнетизм, скажем, железного стержня порождается внутри него крохотными вихревыми токами, блестяще подтвердилась спустя много десятков лет.
Когда запищала «морзянка»?
Давно мечтал человек, чтобы какое-нибудь важное его сообщение было как можно быстрее доставлено адресату. Когда-то эту роль выполняли пешие гонцы, затем письменные послания передавали всадники. Появилась почта — целая система разветвленной связи, где скорость передачи сообщений определялась возможностями транспорта. Но мысль об ускорении этой связи не давала покоя.
Если вы читали роман Александра Дюма «Граф Монте-Кристо», то, возможно, обратили в нем внимание на механический телеграф. В чем-то по принципу своего действия он похож на передачу сигналов флажками с корабля на корабль. Это как разговор глухонемых. Такие способы действуют лишь в пределах прямой видимости. Как же передавать сигналы быстро и на большое расстояние?
Применение электромагнита произвело в средствах связи настоящую революцию. В тридцатых годах прошлого века был придуман первый телеграфный аппарат. Американский изобретатель Сэмюэл Морзе создал своеобразную азбуку, названную его именем. Теперь телеграфист, нажимая на ключ, замыкал и размыкал электрическую цепь, на конце которой приводился в действие электромагнит. К включенному магниту притягивался рычаг, своим концом ударяющий по движущейся бумажной ленте. В зависимости от длительности сигнала на ленте выстукивались короткие и длинные черточки-точки и тире. Комбинации этих знаков представляли собой буквы и знаки препинания. Значит, стало возможным передавать по проводам тексты с невероятно большой скоростью — с какой бежит по ним электрический сигнал — и на сколь угодно большие расстояния. Ну, на сколько проводов хватит.
