Bardzo łatwo możemy się przekonać, że wokół przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny, istnieje pole magnetyczne. W tym celu należy wykonać proste doświadczenie.

Umieść kartkę papieru prostopadle do przebijającego ją przewodnika, posyp papier opiłkami żelazna i przepuść przez przewodnik stały prąd elektryczny o dużym natężeniu (co najmniej 10 A). Zauważysz, że opiłki utworzą wokół przewodnika koncentryczne okręgi, jak na il. 3.6a. Świadczy to o istnieniu wokół niego pola magnetycznego. Jednocześnie możemy określić kształt linii tego pola – są to koncentryczne okręgi. Zwrot linii pola jest zgodny z tzw. regułą śruby prawoskrętnej (śruby prawej) lub regułą korkociągu (il. 3.6b). O tym, że zwrot linii pola zależy od zwrotu prądu przepływającego przez przewodnik, możemy się łatwo przekonać, jeśli wykonamy kolejne doświadczenie.

Ustawmy wokół przewodnika małe igiełki magnetyczne. Gdy przez przewodnik nie płynie prąd, magnesiki ustawiają się wzdłuż linii pola magnetycznego Ziemi. Gdy przez przewodnik przepuścimy silny prąd, zauważymy, że magnesiki ustawią się wzdłuż okręgu, co wskazuje na to, że wokół przewodnika powstało pole magnetyczne silniejsze od ziemskiego pola magnetycznego (il. 3.7a). Jeżeli zmienimy zwrot prądu płynącego w przewodniku, wszystkie magnesiki obrócą się w stronę przeciwną (il. 3.7b), co świadczy o zmianie zwrotu linii pola magnetycznego.

Zauważ, że takiego obrazu linii pola (koncentryczne okręgi) nie uzyskaliśmy, omawiając magnesy trwałe. Zauważ też, że nie można tu wskazać biegunów magnetycznych.

Podobnie można określić obraz pola magnetycznego dla przewodnika zagiętego w postaci pojedynczej pętli kołowej – il. 3.8. Zauważmy, że wypadkowe pole w środku pętli wynika z dodawania się pól magnetycznych pochodzących od poszczególnych części tej pętli z prądem.

Gdybyśmy ustawili rząd takich pętli z prądem, jedna za drugą, lub jeszcze lepiej – gdybyśmy utworzyli spiralę, czyli tzw. solenoid (zwany też cewką lub zwojnicą), przez który przepuścilibyśmy prąd, wtedy otrzymalibyśmy pole magnetyczne wynikające z nałożenia się pól poszczególnych pętli (il. 3.10). Pole magnetyczne solenoidu jest bardzo zbliżone do pola magnetycznego sztabki magnesu trwałego, takiego jak na il. 3.3.

Uderzające podobieństwo pola magnetycznego sztabki do pola solenoidu nasunęło wybitnemu uczonemu A.M. Ampère'owi myśl, że sztabka magnetyczna jest w rzeczywistości solenoidem z istniejącym w niej prądem elektrycznym. Ampère pisał w 1836 roku: …na podstawie prostego porównania faktów wydaje mi się niemożliwe, aby można wątpić, że istnieją w rzeczywistości takie prądy obiegające oś magnesu. Takie prądy w sztabce muszą trwać „wiecznie”. Skąd się biorą w sztabce magnesu? W czasach Ampère'a nie znano elektronów, a tym bardziej budowy atomów. Dlatego uczony przyjął, że w cząsteczkach żelaza występują mikroprądy, które obiegają te cząsteczki, nie napotykając żadnego oporu. Sądził, że te mikroprądy ustawiają się równolegle do siebie pod wpływem wytwarzanych przez nie pól magnetycznych. Pola te – nakładając się na siebie – dają wzmocnione pole wypadkowe sztabki magnesu.

Trzeba przyznać, że te idee Ampère'a potwierdziły się po przeszło 80 latach we współczesnej teorii atomowej budowy materii. Wiemy, że mikroobwody Ampère'a bez oporu elektrycznego to atomy, w których poruszają się elektrony, tworząc mikroprądy wytwarzające mikroskopowe pola magnetyczne. W magnesach trwałych występuje właśnie takie uporządkowanie magnetyczne atomów, jakie przewidział Ampère.

Zwróćmy jeszcze uwagę na dwa aspekty przebiegu linii pola magnetycznego solenoidu. Widzimy, że w jego wnętrzu linie pola przebiegają od bieguna $S$ do bieguna $N$. Widzimy też, że na osi symetrii solenoidu jedna linia nie jest zamknięta (jak pozostałe), lecz jest linią prostą. Niemniej linia ta ma właściwość wspólną z pozostałymi: nie ma ona ani początku, ani końca. Możemy przyjąć, że oba przeciwstawne „końce” tej linii spotykają się w nieskończoności +/-.

Pytania i problemy

1. Wyjaśnij, w jaki sposób doświadczalnie można określić kształt linii pola magnetycznego w przypadku przepływu prądu przez przewodnik prostoliniowy. Wykonaj odpowiedni rysunek.
2. Wyjaśnij, w jaki sposób doświadczalnie można określić kształt linii pola magnetycznego w przypadku przepływu prądu przez przewodnik w kształcie pętli kołowej. Wykonaj odpowiedni rysunek.
3. Wyjaśnij, w jaki sposób doświadczalnie można określić kształt linii pola magnetycznego w przypadku przepływu prądu przez przewodnik zwinięty w spiralę. Wykonaj odpowiedni rysunek.