Zjawiska magnetyczne

Zacznijmy od "pocztówki" z odległego kontynentu. Można pomyśleć, że przedstawia ona tor wyścigowy. Ale kto (lub co) biega po okręgu, którego długość ma "na oko" kilka kilometrów?

Fot.5.1. Widok zderzacza RHIC w Brookhaven National Laboratory

 Chociaż położony wśród zieleni, nie jest to jednak ośrodek wypoczynkowy, ale amerykańskie laboratorium fizyki jądrowej Brookhaven National Laboratory na wyspie Long Island, ok. 100 km od Nowego Yorku. Zawodnikami w "wyścigach" po widocznym na fotografii okręgu są zaś jądra atomowe rozpędzone do prędkości bliskich prędkości światła. 

Konstrukcja tego gigantycznego urządzenia to przede wszystkim zastosowanie wiadomości o ładunkach elektrycznych poruszających się w polu magnetycznym, co jest przedmiotem lekcji, którą właśnie rozpoczynamy. Pod koniec lekcji powrócimy do Brookhaven, ale wtedy mechanizm działania tego skomplikowanego kompleksu akceleracyjnego będzie dla Ciebie o wiele bardziej zrozumiały.  

Z ruchem ładunków elektrycznych, czyli z przepływem prądu elektrycznego związane jest  oddziaływanie inne od omawianego dotychczas oddziaływania statycznych ładunków oraz od zjawisk zachodzących w przewodniku.  Oddziaływanie to może być łatwo wykryte za pomocą igły magnetycznej umieszczonej w pobliżu przewodnika z prądem. Nazywamy je oddziaływaniem magnetycznym.

Zjawiska magnetyczne znane są od dawna. Już w starożytności obserwowano występowanie sił pomiędzy kawałkami rud żelaza znajdowanymi w Azji Mniejszej (Magnezji) oraz ich oddziaływania na przedmioty żelazne. Kolejne obserwacje doprowadziły do skonstruowania busoli magnetycznej, która odegrała ważna rolę w morskich eksploracjach świata. 

Za przełom w badaniu zjawisk magnetycznych można uznać doświadczenia Oersteda wykonane w 1820 roku. Duński fizyk Hans Christian Oersted  zaobserwował, że igła magnetyczna umieszczona pod przewodnikiem przez który płynie prąd ustawia się do tego przewodnika prostopadle. Po zmianie kierunku prądu igła obraca się o 180 stopni. Zakładając, że wiedza nasza ogranicza się do trzech pierwszych lekcji kursu Fizyka II, wynik doświadczenia Oersteda powinien wywołać w nas spore zdziwienie! Po pierwsze - pamiętamy, że przewodnik w którym płynie prąd pozostaje elektrycznie obojętny. Rzeczywiście, równanie ciągłości wymaga, by taka sama wielkość ładunku wpływała z jednej co i wypływała z drugiej strony przewodnika. Wynika z tego, że igła reaguje nie na obecność ładunków elektrycznych, ale na ich ruch. Po drugie - gdybyśmy w naszych staraniach zrozumienia obserwacji Oersteda potraktowali igłę magnetyczną jak dipol elektryczny to zgodnie z rozważaniami w lekcjach poprzednich powinniśmy raczej oczekiwać przyciągania któregoś jej końca do przewodnika lub ustawienia się igły wzdłuż kierunku ruchu ładunków. Dlaczego więc igła ustawia się prostopadle do kierunku przepływu prądu (?)  Rzeczywiście - chodzi tu wyraźnie o inne zjawisko, które kieruje się innymi prawami niż poznane dotychczas. Wiemy, że igła posiada bieguny: północny N i południowy S. Jest więc sens traktować ją jako dipol i założyć że igła ustawia się wzdłuż kierunku pola, ale innego niż pole elektryczne.

Rys 4.w.1. Schemat doświadczenia Oersteda; widok z góry. Czerwonym kolorem pokazany jest przewodnik pod którym umieszczona jest igła magnetyczna: a.) w przewodniku nie płynie prąd: ustawienie igły określa kierunek pola magnetycznego Ziemi, b.), c.) w przewodniku płynie prąd w kierunku wskazanym strzałką: igła ustawiona jest prostopadle do kierunku przepływu prądu.

Zapiszmy konkluzje wynikające z doświadczenia Oersteda nazywając to pole na które reaguje igła magnetyczna - polem magnetycznym.

1. Uporządkowany ruch ładunków elektrycznych wywołuje w otaczającej przestrzeni powstawanie pola magnetycznego. 
2. Pole to ma charakter pola wektorowego (posiada własności kierunkowe).
3. Linie sił tego pola są prostopadłe do kierunku ruchu ładunków elektrycznych. 

Dalsze nasze rozważania poświęcone będą znalezieniu odpowiedzi na te i wiele innych pytań dotyczących niezwykle ciekawych własności pola magnetycznego.