Рис. 1.1.1. Схема, поясняющая демонстрационный опыт с короткими цилиндрами

Рис. 1.1.2. Схема, поясняющая образование электрических и магнитных полей в опытах с шарами

Из законов физики известно, что магнитная индукция В взаимодействует с проводником, в котором течёт ток. Значение силы F этого взаимодействия прямо пропорционально току J в проводнике, длине проводника L в магнитном поле и магнитной индукции В. Сила также зависит от угла α между проводником и направлением магнитного поля. Когда проводник перпендикулярен силовым линиям магнитного поля, сила F максимальна, когда параллелен – она обращается в нуль.

В промежуточных положениях эта сила пропорциональна sinα, т. е. F = ВJL sinα [100]. Поэтому понятно, что под её действием электролит между шарами придёт во вращение, причём будет наблюдаться дифференциация движения: максимальной скорость окажется в приэкваториальной (между витками), минимальной – в приполярных областях.

1. Сохранив все прежние условия, отклоним плоскость верхнего витка от горизонтали или его ось от вертикального положения на угол β_>1, а нижнего витка – на угол β_>2 (рис. 1.1.3, а). Пусть циркулируют только токи J_>2 и J_>1. Тогда возникнет ситуация, изображенная на рис. 1.1.3, б. Ось вращения SS' сместится от вертикали на угол β_>1. В соответствии с принятым в физике условным разделением направления электромагнитного поля оно выше плоскости витка будет иметь положительный знак, ниже – отрицательный. Направление вращения шаров и электролита справа налево, но уже ортогонально оси SS' магнитного диполя, образованного кольцевым током J_>1.

Отключим верхний виток и включим нижний. Тогда под действием уже тока J_>3, текущего в контуре нижнего витка, возникнет магнитная индукция. Её взаимодействие с токами J_>2, стекающими с меньшего шара в направлении большего, заставит вращаться (в том же направлении, что и в предыдущем случае) электролит, а с ним и шары, но теперь уже вокруг оси NN' (рис. 1.1.3, в).

Если сравнивать два последних варианта подключения витков по картинам распределения магнитной индукции, изображённым на рис. 1.1.3, б и 1.1.3, в, то следует обратить внимание на то обстоятельство, что в области, заключённой между плоскостями витков, наблюдается смена полярности, т. е. изменение направления индукции, и несколько, трансформируется поле, как по интенсивности, так и по направленности. Выше плоскостей витков направленность поля сохраняется, однако оно также несколько трансформировано.

Рис. 1.1.3. К опыту, поясняющему изменение оси вращения, знака электромагнитного поля и смещение центра магнитного диполя (см. пояснения в тексте)

2. Рассмотрим теперь суммарное взаимодействие полей токов при сохранении всех прочих условий. Схематизированная картина распределения магнитной индукции при взаимодействии токов J_>1 и J_>2, протекающих в обеих рамках, изображена на рис. 1.1.3, г. Ток J_>2, стекающий с внутреннего шара, остался неизменным. Как и ранее, направление поля осталось прежним, т. е. в нижней части будет северный магнитный полюс N, в верхней части – южный S.

Как видно из рис. 1.1.3, г, получается довольно сложная картина распределения магнитного поля. Неравномерное, со значительными деформациями его распределение должно повлечь за собой такое же сложное распределение сил взаимодействия магнитной индукции с током. Это в свою очередь приведёт к сложному движению электролита между шарами, к дифференциации скорости его вращения. Причём подобное движение будет наблюдаться не только по вертикали, но и по горизонтали, с зонами застоя и завихрений. Однако сами шары (как внутренний, так и внешний) будут вращаться только с какой-то одной, характерной для каждого из них, скоростью за счёт сил трения электролита об их поверхности. Мало того, за счёт дифференциации скорости движения электролита оси вращения шаров могут не совпадать. Тем не менее ось вращения