14. Магнетизм

В предыдущих главах мы неоднократно наблюдали, какое огромное влияние оказывает электростатическая сила на окружающую среду. Между тем она является лишь частью той фундаментальной силы, которая называется электромагнетизмом. Настало время рассмотреть все ее аспекты, не ограничиваясь больше неподвижными зарядами. Таким образом, на сцену выходит новая сила, на первый взгляд совершенно отдельная от предыдущих, – речь идет о силе магнетизма. Мы проникнем внутрь магнита, чтобы понять, как он работает, и осветить поистине удивительные свойства силы магнитного поля. На интригующие вопросы, которые возникают при его изучении, можно ответить только в рамках теории относительности.

1. Открытие силы магнетизма

Магниты

Первые наблюдения

Вы наверняка догадались, что этой таинственной силой первыми заинтересовались греки, а произошло это в VI в. до н. э. Они обратили внимание, что один минерал, названный магнетитом, имеет любопытное свойство притягивать к себе некоторые металлические предметы. Греки также отметили, что эти минералы в различных условиях могли притягиваться между собой, но дальше этого их изучение не продвинулось.

Сразу стала очевидной связь с наэлектризованным янтарем, настолько, что электрическая и магнитная силы стали представляться единым загадочным явлением. Тем не менее янтарь и магнетит оказывали действие на разные предметы. Более того, янтарь нужно было потереть, чтобы наэлектризовать, в то время как магнетит, похоже, сохранял свои свойства постоянно.

Независимо от греков китайцы пришли к тем же выводам в IV в. до н. э. И все-таки позже они отметили, что некоторые железосодержащие вещества, такие как магнетит, всегда поворачивались определенным образом по отношению к сторонам света: они открыли принцип действия компаса.

Европейцы изобретут компас позднее. И все же в Европе этим феноменом начнут интересоваться лишь в 1600 году.

Вещества, обладающие столь особенными «магнетическими» свойствами, были названы магнитами. Та сторона магнита, которая всегда была обращена на север, получила название северного полюса, а другая южного полюса.

Взаимодействие магнитов

Если поднести магниты друг к другу, мы увидим, что их «северные полюса» отталкиваются, так же как и южные. Зато северный полюс одного магнита притягивает южный полюс другого. Таким образом, два магнита имеют тенденцию вращаться вокруг своей оси под действием этих сил, пока не повернутся друг к другу противоположными полюсами (➙ рис. 14.1). Повернувшись таким образом, они притягиваются.

Рис. 14.1 – Взаимодействие двух магнитов

Аналогия между электрической и магнитной силой всегда так же очевидна: в электричестве нужно всего лишь заменить термины «северный» и «южный полюс» на «отрицательный» и «положительный полюс». Здесь также полюсы с одинаковым знаком отталкиваются, а с разными – притягиваются. Более того, обе силы уменьшаются на расстоянии.

Земля – гигантский магнит

Два магнита вращаются, когда мы ставим их рядом друг с другом. Но то же самое происходит и со стрелкой компаса (которая является не чем иным, как маленьким магнитом): она вращается относительно Земли, чтобы всегда оставаться обращенной в одну сторону. Это значит, что Земля сама является гигантским магнитом! Это было одним из величайших открытий начала XVII в. (➙ рис. 14.2).

Между тем два противоположных полюса притягиваются: северный полюс компаса должен быть направлен к южному полюсу другого магнита. Это значит, что север Земли является южным магнитным полюсом. А северный магнитный полюс находится… где-то в Антарктике!

Рис. 14.2 – Земля – гигантский магнит

Магнитный север компаса притягивается магнитным югом Земли, который находится… на географическом севере.

Как мы видим, земные магнитные полюса противоположны географическим полюсам, но это связано с исторической проблемой их определений.

Как намагнитить предмет?

Для изучения электростатической силы можно наэлектризовать некоторые предметы с помощью более-менее интенсивного трения. Можно ли так же «намагнитить» какие-нибудь предметы? Можно!

Возьмите горсть железных гвоздей: они не притягиваются друг к другу, потому что не являются магнитами. Поднесите их к магниту: вы убедитесь, что он их притягивает. Гвозди нагромоздятся друг на друга, прилипнув к магниту.

Когда же вы отделите массу гвоздей от магнита, что вы увидите? Что гвозди липнут друг к другу, хотя рядом магнита нет! Иными словами, гвозди сами стали маленькими магнитами.

Это объясняет, почему некоторые металлы притягиваются магнитом: потому что эти металлы сами становятся магнитами в присутствии другого магнита. Обычно намагниченность исчезает, когда убирают магнит. Но в случае с железными гвоздями она может длиться долго (гвозди остаются прилипшими друг к другу).

Мы видели, что Земля сама является гигантским магнитом, – это она намагнитила магнетит в далеком прошлом, чтобы сделать из него природный магнит (так же, как магнит намагничивает гвозди). В дальнейшем мы к этому вернемся.

Два неразделимых полюса

Помимо внешнего сходства, все же необходимо отметить большую разницу между «электрическими» и «магнитными» аспектами: можно создать положительно или отрицательно заряженный объект, но невозможно создать объект с «северным» или «южным полюсом». Намагниченный предмет всегда обладает сразу и северным и южным полюсом.

Возьмите магнит и разделите его, чтобы сохранить только северный полюс: обрезанный конец станет южным полюсом (➙ рис. 14.3). Ваш магнит просто станет меньше и слабее, но противоположные полюса сохранятся.

В экспериментальном плане изучение магнетизма оказалось сложнее, чем изучение электростатической силы. По-настоящему оно началось только в XIX в.

Мы также дали понять, что магнетизм связан с движением зарядов, однако нет ничего более неподвижного, чем магнит… Следующий параграф позволит понять, в чем состоит эта связь.

Рис. 14.3 – Намагниченный предмет всегда имеет два полюса

Заряды в движении

Заряды, создающие силу

Положим два заряженных шара друг против друга и рядом поместим компас. Поскольку шары не соединены друг с другом, компас попросту указывает на север. Это значит, что присутствие заряда не создает никакой магнитной силы: магнетизм, по всей видимости, совершенно не связан с электростатикой.

А теперь соединим шары с помощью металла: в момент прохождения электрического тока стрелка компаса резко отклоняется. Более того, если мы поменяем направление тока (поменяв местами положительный и отрицательный шар), стрелка отклонится в противоположную сторону.

Таким образом, движение зарядов (ток) создает магнитную силу, чье направление зависит от направления перемещения зарядов. Связь между электричеством и магнетизмом становится очевидной.

Благодаря этому опыту магнитная сила выглядит результатом движения зарядов. То есть магнит, обладающий магнитной силой, должен содержать движущиеся заряды. Так ли это? Да, это так!

На самом деле внутри атомов электроны всегда находятся в движении, можно сказать, что они вращаются вокруг ядра, что они вращаются вокруг собственной оси (истина, установленная благодаря квантовой физике, немного сложнее: мы убедимся в этом в главе 24). Именно это движение электронов объясняет действие магнита. В дальнейшем мы рассмотрим эту связь подробнее.

Заряды, на которые действует сила

Проделаем новый опыт: положим подвижный металлический стержень перпендикулярно на два неподвижных металлических стержня таким образом, чтобы подвижный стержень мог по ним свободно перемещаться (➙ рис. 14.4.а). Поместим сильный магнит U-образной формы в свободное пространство, так чтобы подвижный стержень оказался внутри U: ничего не произойдет.

Сильно зарядим металлическую конструкцию: по-прежнему ничего не происходит. Это значит, что магнитная сила не действует на неподвижный заряженный предмет.

Рис. 14.4 – Сила магнита, действующая на подвижные заряды

Теперь пропустим через конструкцию электрический ток (по ней движутся электроны): это можно сделать с помощью двух заряженных шаров, соединенных с конструкцией (➙ рис. 14.4.b). Внезапно мы видим, как стержень покатился из центра магнита. Если мы изменим направление тока, стержень, наоборот, покатится к центру магнита. Иными словами, магнитная сила действует на движущиеся заряды (здесь это свободные электроны стержня), но не на неподвижные.

Обобщение

Вывод из этих опытов следующий:

«Магнитная сила – это сила, действующая с помощью подвижных зарядов на подвижные заряды».

Неподвижный заряд не может воздействовать с помощью магнитной силы и не способен ощутить ее действие.

В конечном итоге мы понимаем, почему два магнита взаимодействуют между собой: один магнит содержит подвижные электроны в своих атомах, что позволяет магниту не только приводить в действие магнитную силу, но и ощущать ее воздействие на себе.

Однако выводы, которые мы можем из этого сделать, остаются очень абстрактными: от чего именно зависит сила магнетизма, какова ее мощность, в чем ее смысл? На эти вопросы мы постараемся ответить дальше в этой главе.