Магнитное поле, его свойства

С маг­ни­та­ми, а точ­нее, с маг­не­ти­та­ми (FeO·Fe₂O₃ – ми­не­рал чёр­но­го цвета, об­ла­да­ет силь­ны­ми маг­нит­ны­ми свой­ства­ми) че­ло­ве­че­ство зна­ко­мо очень и очень давно. Но бо­лее-ме­нее се­рьез­ные изу­че­ния свойств этих ми­не­ра­лов на­ча­лись толь­ко в сред­ние века, после серии зна­ме­ни­тых кре­сто­вых по­хо­дов.

Пер­вая пуб­ли­ка­ция о свой­ствах маг­ни­та, ко­то­рую можно счи­тать на­уч­ной ра­бо­той, уно­сит нас в 1269 год, в во­ен­ный ла­герь армии ко­ро­ля Си­ци­лии Карла Ан­жуй­ско­го, оса­див­шей ита­льян­ский город Лу­се­ру. Имен­но от­ту­да фран­цуз­ский фи­ло­соф и есте­ство­ис­пы­та­тель Пьер де Ма­ри­кур от­пра­вил при­я­те­лю в Пи­кар­дию до­ку­мент, ко­то­рый вошел в ис­то­рию науки как «Пись­мо о маг­ни­те». Ма­ри­кур ука­зы­ва­ет, что в каж­дом куске маг­ни­та име­ют­ся две об­ла­сти, осо­бен­но силь­но при­тя­ги­ва­ю­щие же­ле­зо. Он усмот­рел па­рал­лель между этими зо­на­ми и по­лю­са­ми небес­ной сферы, и по­это­му мы те­перь го­во­рим о се­вер­ном и южном маг­нит­ных по­лю­сах. Если раз­бить кусок маг­ни­та на­двое, пишет Ма­ри­кур, в каж­дом оскол­ке по­яв­ля­ют­ся соб­ствен­ные по­лю­са (рис. 1). То есть невоз­мож­но от­де­лить по­лю­са маг­ни­та друг от друга.

Рис. 1. По­лю­са маг­ни­та

После по­яв­ле­ния кни­го­пе­ча­та­ния труд Пьера де Ма­ри­ку­ра много раз из­да­вал­ся от­дель­ной бро­шю­рой. Его с ува­же­ни­ем ци­ти­ро­ва­ли мно­гие на­ту­ра­ли­сты вплоть до XVII сто­ле­тия.

С тру­да­ми Пьера Ма­ри­ку­ра был зна­ком и ан­глий­ский при­двор­ный врач Ви­льям Гиль­берт. Как врач ее ве­ли­че­ства, Гиль­берт увле­кал­ся мод­ным на тот пе­ри­од ис­сле­до­ва­ни­ем весь­ма со­мни­тель­но­го «омо­ла­жи­ва­ю­ще­го эф­фек­та малых пор­ций маг­ни­та». Имен­но по этой при­чине он и за­нял­ся изу­че­ни­ем свойств маг­ни­тов. Он про­де­лал более 600 опы­тов в сво­бод­ное от ра­бо­ты время. В 1600 году, уни­каль­ном в ис­то­ри­че­ском смыс­ле, вышел его труд «О маг­ни­те, маг­нит­ных телах и боль­шом маг­ни­те – Земле».

В этой книге Гиль­берт не толь­ко при­вел прак­ти­че­ски все из­вест­ные све­де­ния о свой­ствах при­род­ных маг­ни­тов и на­маг­ни­чен­но­го же­ле­за, но и опи­сал соб­ствен­ные опыты, на­при­мер с шаром из маг­не­ти­та, с по­мо­щью ко­то­рых он вос­про­из­вел ос­нов­ные черты зем­но­го маг­не­тиз­ма. Он об­на­ру­жил, что на обоих маг­нит­ных по­лю­сах такой «ма­лень­кой Земли» ком­пас­ная стрел­ка уста­нав­ли­ва­ет­ся пер­пен­ди­ку­ляр­но ее по­верх­но­сти, на эк­ва­то­ре – па­рал­лель­но, а на сред­них ши­ро­тах – в про­ме­жу­точ­ном по­ло­же­нии. Так Гиль­берт смо­де­ли­ро­вал маг­нит­ное на­кло­не­ние, о су­ще­ство­ва­нии ко­то­ро­го в Ев­ро­пе знали более по­лу­ве­ка. Также Гиль­берт об­на­ру­жил, что силь­но на­гре­тое же­ле­зо те­ря­ет маг­нит­ные свой­ства, но при охла­жде­нии они вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся.

И на­ко­нец, Гиль­берт пер­вым про­вел чет­кое раз­ли­чие между при­тя­же­ни­ем маг­не­ти­та и при­тя­же­ни­ем на­тер­то­го ян­та­ря, ко­то­рое он на­звал элек­три­че­ской силой (от ла­тин­ско­го на­зва­ния ян­та­ря electrum). Он раз­вел «по углам» элек­три­че­ство и маг­не­тизм.

По­это­му, несмот­ря на то, что это был чрез­вы­чай­но но­ва­тор­ский труд, по до­сто­ин­ству оце­нен­ный и со­вре­мен­ни­ка­ми, и по­том­ка­ми, после Гиль­бер­та наука о маг­не­тиз­ме вплоть до на­ча­ла XIX века про­дви­ну­лась очень мало. По­жа­луй, можно упо­мя­нуть, что в 1785 году из­вест­ный нам уже Шарль Кулон по­сред­ством пре­ци­зи­он­ных из­ме­ре­ний на кру­тиль­ных весах по­ка­зал, что сила вза­и­мо­дей­ствия маг­нит­ных по­лю­сов об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на квад­ра­ту рас­сто­я­ния между ними – точно так же, как и сила вза­и­мо­дей­ствия между элек­три­че­ски­ми за­ря­да­ми. 

Опыты Эр­сте­да. От­кры­тие элек­тро­маг­не­тиз­ма

Когда бу­ду­щий автор «Го­ло­го ко­ро­ля» и «Дюй­мо­воч­ки» че­тыр­на­дца­ти­лет­ним под­рост­ком до­брал­ся до Ко­пен­га­ге­на, он обрел друга и по­кро­ви­те­ля в лице сво­е­го двой­но­го тезки, ор­ди­нар­но­го про­фес­со­ра фи­зи­ки и химии Ко­пен­га­ген­ско­го уни­вер­си­те­та Ганса Хри­сти­а­на Эр­сте­да. И оба про­сла­ви­ли свою стра­ну на весь мир.

Мно­гие уче­ные того пе­ри­о­да на­хо­ди­лись под вли­я­ни­ем фи­ло­соф­ских кон­цеп­ций Шел­лин­га, ко­то­рая за­клю­ча­лась в том, что будто бы все силы в при­ро­де воз­ни­ка­ют из одних и тех же ис­точ­ни­ков. По­это­му Эр­стед, на­чи­ная с 1813 года, вполне со­зна­тель­но пы­тал­ся уста­но­вить связь между элек­три­че­ством и маг­не­тиз­мом. Это уда­лось сде­лать вес­ной 1820 года, во время оче­ред­ной лек­ции по элек­три­че­ству.

Эр­стед на лек­ции де­мон­стри­ро­вал на­грев про­во­ло­ки элек­три­че­ством от воль­то­ва стол­ба, для чего со­ста­вил элек­три­че­скую цепь. На де­мон­стра­ци­он­ном столе слу­чай­но на­хо­дил­ся мор­ской ком­пас, по­верх стек­лян­ной крыш­ки ко­то­ро­го про­хо­дил один из про­во­дов. Вдруг кто-то из сту­ден­тов при­сут­ству­ю­щих на лек­ции слу­чай­но за­ме­тил, что, когда Эр­стед за­мкнул цепь, маг­нит­ная стрел­ка ком­па­са от­кло­ни­лась в сто­ро­ну. На­ча­лись ис­сле­до­ва­ния об­на­ру­жен­но­го фе­но­ме­на. Для на­ча­ла Эр­стед по­вто­рил усло­вия сво­е­го лек­ци­он­но­го опыта.

Итак, опыты Эр­сте­да.

1. Маг­нит­ная стрел­ка рас­по­ла­га­ет­ся на под­став­ке с иглой и может сво­бод­но вра­щать­ся. В сво­бод­ном со­сто­я­нии она ори­ен­ти­ру­ет­ся по ме­ри­ди­а­ну Земли. Над стрел­кой рас­по­ло­жим про­вод из немаг­нит­но­го ма­те­ри­а­ла (медь, алю­ми­ний). Про­вод со­еди­ним через ключ с ис­точ­ни­ком по­сто­ян­но­го тока. Пока цепь разо­мкну­та и в про­вод­ни­ке нет тока, стрел­ка не ре­а­ги­ру­ет на при­сут­ствие про­во­да. При за­мы­ка­нии цепи стрел­ка по­во­ра­чи­ва­ет­ся так, что стре­мит­ся раз­вер­нуть­ся пер­пен­ди­ку­ляр­но оси про­во­да (рис. 2).

Рис. 2. Опыт Эр­сте­да

Из­ме­ним по­ляр­ность под­клю­че­ния про­во­да. При смене на­прав­ле­ния тока в про­вод­ни­ке мы уви­дим, что стрел­ка опять стре­мит­ся раз­вер­нуть­ся пер­пен­ди­ку­ляр­но про­вод­ни­ку, но при этом ее по­лю­са ме­ня­ют­ся ме­ста­ми.

2. Затем Эр­стед стал ме­нять усло­вия экс­пе­ри­мен­та. Он об­на­ру­жил сле­ду­ю­щее: «Если рас­сто­я­ние от про­во­ло­ки до стрел­ки не пре­вос­хо­дит 2-х сан­ти­мет­ров, от­кло­не­ние стрел­ки со­став­ля­ет 45°. Если рас­сто­я­ние уве­ли­чи­вать, то угол про­пор­ци­о­наль­но умень­ша­ет­ся. Аб­со­лют­ная ве­ли­чи­на от­кло­не­ния из­ме­ня­ет­ся в за­ви­си­мо­сти от мощ­но­сти тока».

3. Далее Эр­стед про­ве­ря­ет дей­ствие про­вод­ни­ков из раз­лич­ных ме­тал­лов на стрел­ку. Для этого бе­рут­ся про­во­ло­ки из пла­ти­ны, зо­ло­та, се­реб­ра, ла­ту­ни, свин­ца, же­ле­за. Ока­зы­ва­ет­ся, что ме­тал­лы, ко­то­рые ни­ко­гда не об­на­ру­жи­ва­ли маг­нит­ных свойств, при­об­ре­та­ют их, когда через них про­те­ка­ет элек­три­че­ский ток.

4. Когда Эр­стед ста­вил про­вод вер­ти­каль­но, то маг­нит­ная стрел­ка со­всем не ука­зы­ва­ла на него, а рас­по­ла­га­лась как бы по диа­мет­ру окруж­но­сти с цен­тром по оси про­во­да. Уже тогда Эр­стед пред­ло­жил счи­тать дей­ствие про­вод­ни­ка с током вих­ре­вым, так как имен­но вих­рям свой­ствен­но дей­ство­вать в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях на двух кон­цах од­но­го диа­мет­ра (рис. 3).

Рис. 3. Рас­по­ло­же­ние стрел­ки по диа­мет­ру

Из опы­тов Эр­сте­да вы­те­ка­ют сле­ду­ю­щие вы­во­ды:

1 – элек­три­че­ство и маг­не­тизм тесно вза­и­мо­свя­за­ны друг с дру­гом;

2 – элек­три­че­ский ток ока­зы­ва­ет маг­нит­ное дей­ствие;

3 – во­круг про­вод­ни­ка с током воз­ни­ка­ют маг­нит­ные силы, или, го­во­ря со­вре­мен­ным язы­ком, воз­ни­ка­ет маг­нит­ное поле;

4 – маг­нит­ное поле во­круг про­вод­ни­ка с током носит вих­ре­вой ха­рак­тер.

Опыт Эр­сте­да до­ка­зы­вал не толь­ко связь между элек­три­че­ством и маг­не­тиз­мом. То, что от­кры­лось, было новой тай­ной, не укла­ды­ва­ю­щей­ся в рамки нью­то­нов­ских за­ко­нов и прямо на­ру­ша­ю­щей, как ка­за­лось, тре­тий из них: на­прав­ле­ния воз­му­ща­ю­щей силы – элек­три­че­ства (опре­де­ля­е­мо­го на­прав­ле­ни­ем про­во­да) и силы ре­ак­ции – маг­не­тиз­ма (опре­де­ля­е­мо­го на­прав­ле­ни­ем маг­нит­ной стрел­ки) были пер­пен­ди­ку­ляр­ны. Уче­ные впер­вые ви­де­ли «про­ти­во­дей­ствие», не про­ти­во­по­лож­ное по на­прав­ле­нию «дей­ствию».