Магнитное поле

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

В. П. Архипов, Н. К. Гайсин, Р. Х. Зиятдинов

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 537.63(075)
ББК 22.334я7

А87

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Р. С. Кашаев

канд. физ.-мат. наук, доц. А. Н. Туранов

А87

Архипов В. П.
Магнитное поле : учебное пособие / В. П. Архипов, Н. К. Гайсин, 
Р. Х. Зиятдинов; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. 
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 84 с.

ISBN 978-5-7882-3136-5

Содержит теоретический материал и описание лабораторных работ по 

разделу общего курса физики «Магнитное поле». Особое внимание  уделено 
изложению основных закономерностей магнетизма вещества и физики магнитных явлений, встречающихся в процессе выполнения лабораторных работ. 
Описание лабораторных работ содержит порядок их выполнения, методику 
расчета и обработки результатов проведенного эксперимента. 

Предназначено для бакалавров всех механических и технологических

направлений подготовки, изучающих дисциплину «Физика».

Подготовлено на кафедре физики.

ISBN 978-5-7882-3136-5
© Архипов В. П., Гайсин Н. К., 

Зиятдинов Р. Х., 2022

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 537.63(075)
ББК 22.334я7

2

Магнитное поле создается движущимися зарядами, 

проводниками с током, магнитами и обнаруживается по его 
действию на движущиеся заряды, проводники с током, магниты

1. ВВЕДЕНИЕ. НЕМНОГО ИСТОРИИ

Магнит ‒ кусок железной руды или стали, способный притягивать 

железные и стальные предметы. «Магнит» ‒ слово греческого происхождения. Оно могло произойти он названия города Магнесии, вблизи 
которого находились залежи железной руды (магнетита1). Или от 
имени мифического пастуха Магнеса, нашедшего камень, притягивающий железные предметы.

Свойство магнетита притягивать к себе железо и не притягивать

медь или керамику было известно в Китае еще за 240 лет до н. э., а ко
второй половине XI в. относится изобретение китайцами компаса – одного из величайших изобретений человечества.

Рис. 1.1. Китайский компас времени династии Сун (960–1279 гг.). Ложка из 
магнетита с тонким черенком и шарообразной, тщательно отполированной 

выпуклой частью, установленная на отполированной медной или деревянной 

пластине

В 1600 г. выходит книга Уильяма Гильберта2 «О магните, магнит
ных телах и о большом магните – Земле», положившая начало систематическому изучению магнитных явлений.

1 Магнетит ‒ минерал с формулой (Fe3+,Fe2+)Fe3+2O4.

2 Уильям Гильберт (1544–1603) ‒ английский физик и врач. Изучал магнитные
и электрические явления. Выдвинул гипотезу, что Земля является «большим 
магнитом».

Гильберт впервые последовательно рассмотрел магнитные и мно
гие электрические явления, привел известные на тот момент сведения 
о свойствах природных магнитных материалов и намагниченного железа. Он установил, что магнит всегда имеет два полюса (северный 
и южный), одноименные полюсы магнита отталкиваются, а разноименные – притягиваются и что, распиливая магнит, никогда нельзя получить магнит с одним только полюсом. При разделении магнита на части 
каждая из них сама образует двухполюсный магнит. Также Гильберт 
установил, что железные предметы под влиянием магнита сами приобретают магнитные свойства.

Гильберт проводил опыты с обработанным в виде шара куском 

магнетита и дал первое научное объяснение того факта, почему стрелка 
компаса всегда указывает на север. Выдвинул гипотезу о том, что Земля 
является гигантским магнитом, магнитные полюсы которого могут совпадать с географическими полюсами.

После Гильберта, вплоть до середины XVIII в., было получено 

мало новых результатов в области магнетизма.

В 1759 г. выходит сочинение Франца Эпинуса1 «Опыт теории элек
тричества и магнетизма», в котором высказывается предположение, что 
силы, действующие между электрическими зарядами и магнитами, подобно силам тяготения, должны быть обратно пропорциональны квадрату расстояния. Эпинус также утверждал, что земной шар обладает 
магнитным ядром.

В 1785 г. Шарль Кулон2 устанавливает основной закон электроста
тики (закон Кулона) и в 1788 г. распространяет его на взаимодействие 
точечных магнитных полюсов. Кулон считал, что существуют два магнитных флюида, наделенных силами притяжения и силами отталкивания. В отличие от электрических флюидов, которыми тела могут обмениваться, магнитные флюиды в равных количествах заключены внутри 
молекул. В результате смещения флюидов внутри молекул образуются 
элементарные магнитики, и вещество намагничивается.

1 Франц Эпинус (1724–1802) – российский и немецкий физик, астроном и математик, действительный член Петербургской Академии наук (1756). Работы 
посвящены изучению электрических и магнитных явлений, оптике.

2 Шарль Огюстен Кулон (1736–1806) ‒ французский физик и военный инженер. В 1784 г. построил очень чувствительный прибор для измерения силы –
крутильные весы, исследовал взаимодействие точечных зарядов и установил 
в 1785 г. основной закон электростатики – закон Кулона.

Революционный скачок в развитии физики магнитных явлений

произошел после открытия Эрстедом1 в 1819 г. действия электрического тока на магнитную стрелку. Эрстед обнаружил, что если поместить магнитную стрелку под прямолинейным проводником, то при 
включении электрического тока стрелка поворачивается. Следовательно, не только магниты, но и проводники с током обладают магнитным действием. Возникает новый раздел физики – электромагнетизм.

Рис. 1.2. Схема опыта Эрстеда. В отсутствие тока рамку с проводником 
устанавливают в направлении магнитной стрелки. При включении тока 

стрелка поворачивается

Эрстед публикует свои результаты в 1820 г. В том же году Араго2

обнаруживает намагничивание железных опилок вблизи проводника
с током, а в 1824 г. – действие вращающейся металлической пластинки 
на магнитную стрелку (магнетизм вращения).

1 Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) – датский ученый, физик. Основные 
труды по электричеству, магнетизму, акустике, молекулярной физике. В 1820 г.
обнаружил влияние проводника с электрическим током на магнитную стрелку.

2 Доминик Франсуа Жан Араго́ (1786–1853) – французский физик, астроном
и политический деятель. Автор многих открытий в области оптики и электромагнетизма. Установил связь между магнитными бурями и полярными сияниями.

Закон действия проводника с током на магнитную стрелку уста
навливают в 1820 г. французские физики Био1 и Савар2. Возникает понятие элемента тока – как произведение элемента длины проводника на 
ток в проводнике. Лаплас3 формулирует закон Био и Савара для элемента тока в виде закона Био–Савара–Лапласа – основного закона магнитостатики, позволяющего находить напряженности магнитных полей проводников с токами.

В том же 1820 г. Ампер4 открывает явление взаимодействия про
водников с токами и устанавливает закон взаимодействия двух элементов тока – закон Ампера. Он последовательно отстаивает чисто токовую идею происхождения магнетизма. Свойства магнита он объяснял 
с помощью гипотезы молекулярных токов, а взаимодействие магнитов – взаимодействием этих микроскопических токов. Земной магнетизм Ампер объясняет токами, протекающими внутри Земли.

Если электрический ток вызывает магнитные действия, то и магнетизм 

должен вызывать электрические явления. В 1823 г. Фарадей5 ставит перед 
собой цель «обратить магнетизм в электричество» и в 1831 г. открывает явление электромагнитной индукции. Фарадей вводит понятие «магнитное 
поле». Наблюдая за поведением опилок вокруг проводника с током, он 
представляет поля в виде электрических и магнитных силовых линий. 

1 Жан-Батист Био (1774–1862) – французский физик. Работы посвящены оптике (поляризация света), электромагнетизму, акустике. В 1820 г. вместе 
с Ф. Саваром экспериментально открывает закон, определяющий напряженность магнитного поля проводника с током.

2 Феликс Савар (1791–1841) – французский физик. Труды в области акустики, 
электромагнетизма, оптики, гидромеханики.

3 Пьер Симон Лаплас (1749–1827) – французский астроном, физик и математик. Основные работы в области небесной механики. Предложил гипотезу 
происхождения Солнечной системы. Придал общий вид закону Био–Савара.

4 Андре Мари Ампер (1775–1836) – французский физик. Основные работы посвящены электродинамике. Основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта» выходит в 1826 г.

5 Майкл Фарадей (1791–1867) – английский физик. Исследования в области 
электричества, магнетизма, магнитооптики, электрохимии, высказал идею 
об электромагнитной природе света. По мнению Альберта Эйнштейна, идея 
поля была самой оригинальной идеей Фарадея, самым важным открытием 
со времен Ньютона.

Проводятся исследования магнитных свойств веществ. До 1845 г. 

было известно, что железо, никель и кобальт притягиваются к магниту 
и что на все другие вещества магнит не действует. Однако тщательные 
опыты, выполненные Фарадеем в 1845 г., показали, что нейтральных 
тел не существует, т. е. нет таких тел, которые бы не притягивались и не 
отталкивались полюсом магнита достаточной силы. Заметим, что явление притяжения и отталкивания магнитом (неферромагнитных) веществ наблюдалось Бургмансом1 еще в 1778 г.

Фарадей вводит понятия «диамагнетизм» и «парамагнетизм». При
ставки «пара» и «диа» в переводе с греческого означают «вдоль» и «поперек». Именно так ориентируются по отношению к силовым линиям 
поля магнита тонкие стерженьки из парамагнитного или из диамагнитного материала. Парамагнитный стерженек располагается вдоль силовых линий, диамагнитный – перпендикулярно.

а
b

Рис. 1.3. Стержень из парамагнетика ориентируется вдоль силовых линий 

магнитного поля (а), стержень из диамагнетика ориентируется

перпендикулярно к силовым линиям (b)

Объяснение диамагнетизма начинается с открытия Лармором2

в 1895 г. явления прецессии электронов, вращающихся во внешнем 
магнитном поле. 

1 Антон Бургманс (1732–1789) – голландский ученый, наблюдал магнитное отталкивание в опытах с висмутом.

2 Джозеф Лармор (1857–1942) – английский физик-теоретик и математик. Работы в области электродинамики, термодинамики, магнетизма, атомной физики.

В основе классической теории диамагнетизма лежат планетарная  

модель атома Резерфорда1, созданная в 1911 г., в совокупности с ларморовской прецессией электронной оболочки атома. Квантовая теория 
диамагнетизма разрабатывается в 1926–1928 гг. Дж. Ван Флеком2
и Л. Полингом3.

Продолжаются исследования температурных свойств магнетиков. 

П. Кюри4 в 1895 г. и П. Вейсс5 в 1907 г. устанавливают зависимость 
магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры – закон 
Кюри–Вейсса. Кюри устанавливает независимость магнитной восприимчивости диамагнетиков от температуры и открывает существование 
у железа температуры (точка Кюри), выше которой оно теряет магнитные свойства. 

Также в 1907 г. Вейсс выдвинул гипотезу о существовании в фер
ромагнетиках участков спонтанной намагниченности. Аналогичную 
идею о молекулярных полях в ферромагнетиках и областях самопроизвольной намагниченности высказывал еще в 1892 г. Б. Л. Розинг6. 

1 Эрнест Резерфорд (1871–1937) – английский физик, основоположник ядерной физики. Работы в области радиоактивности, атомной и ядерной физики. 
Открыл ядро атома и создал в 1911 г. планетарную модель атома. Лауреат Нобелевской премии по химии (1908) за работы в области химии радиоактивных 
веществ.

2 Джон Ван Флек (1889–1980) – американский физик-теоретик Работы в области квантовой теории атомной структуры, магнетизма, ферро- и ферримагнитного резонанса. Один из создателей современных представлений о магнитных 
свойствах вещества. Нобелевская премия по физике (1977) за фундаментальные теоретические исследования в области электронной структуры магнитных 
и неупорядоченных систем.

3 Лайнус Карл Полинг (1901–1994) – американский химик и физик. Разработал 
квантово-механическую теорию диамагнетизма. Работы в области структуры 
молекул, биохимии, открыл атомную структуру белков, гемоглобина. Нобелевская премия по химии (1954), Нобелевская премия мира (1962).

4 Пьер Кюри (1859–1906) – французский физик, Работы в области физики кристаллов, магнетизма, радиоактивности. Исследует температурные зависимости магнитных свойств веществ. Нобелевская премия по физике (1903) за исследования радиоактивного излучения.

5 Пьер Вейсс (1865–1940) – французский физик. Работы в области магнетизма. 
Разработал феноменологическую теорию ферромагнетизма.

6 Борис Львович Розинг (1869–1933) – российский физик и изобретатель.

Явление магнитного гистерезиса, петлю гистерезиса открывают 

и изучают независимо друг от друга  А. Риги1 в 1880 г., Э. Варбург2
в 1881 г. и Д. Эвинг3 в 1882 г.

Теория доменного строения ферромагнетиков создается в 1930 г. 

Я. И. Френкелем4 и Я. Г. Дорфманом5, а также в 1935 г. Л. Д. Ландау6

и Е. М. Лифшицем7. В 1931 г. Ф. Биттер8 наблюдает доменную структуру ферромагнетиков методом порошковых фигур: на полированную 
поверхность магнитного материала наносится суспензия магнетита 
Fe3O4, частицы магнетита концентрируются вблизи краев доменов, визуализируя доменные границы. Независимо от Биттера доменную 
структуру ферромагнетиков наблюдает в 1934 г. Н. С. Акулов9.

Открываются новые магнитоупорядоченные состояния твердых 

тел, в которых магнитные моменты соседних атомов антипараллельны 
и взаимно компенсируются (антиферромагнетики) и в которых они не 
компенсируются полностью (ферримагнетики).

1 Аугусто Риги (1850–1921) – итальянский физик. Работы в области электромагнетизма, оптики, атомной физики.

2 Эмиль Габриэль Варбург (1846–1931) – немецкий физик. Работы в области 
магнетизма, электричества, молекулярной физики, квантовой физики.

3 Джеймс Альфред Эвинг (1855–1935) – шотландский физик. Работы в области 
магнетизма, термодинамики, сейсмологии. Ввел термин «гистерезис».

4 Яков Ильич Френкель (1894–1952) – советский физик-теоретик. Работы в области физики твердого тела, магнетизма, физики жидкости, ядерной физики. 
Разработал в 1928 г. квантово-механическую теорию ферромагнетизма.

5 Яков Григорьевич Дорфман (1898–1974) – советский физик. Работы в области физики твердого тела, магнетизма.

6 Лев Давыдович Ландау (1908–1968) – советский физик-теоретик Работы в области квантовой механики, физики твердого тела, магнетизма, физики низких 
температур, космических лучей, гидродинамики, ядерной физики и физики 
элементарных частиц. Нобелевская премия по физике (1962) за пионерские исследования по теории конденсированных сред, особенно жидкого гелия.

7 Евгений Михайлович Лифшиц (1915–1985) – советский физик-теоретик. Исследования в области физики твердого тела, космологии, теории гравитации.

8 Фрэнсис Биттер (1902–1967) – американский физик. Работы в области магнетизма, впервые наблюдал доменную структуру ферромагнетиков.

9 Николай Сергеевич Акулов (1900–1976) – советский физик, работы в области 
ферромагнетизма.