Магнетизм: історія привабливості
Магнетизм вивчається з давніх часів, а за останні два століття став основою сучасної цивілізації.
Людство збирає знання про магнітні явища не менш трьох з половиною тисяч років (перші спостереження електричних сил мали місце тисячоліттям пізніше). Чотириста років тому, на зорі становлення фізики, магнітні властивості речовин були відокремлені від електричних, після чого довгий час ті і інші вивчалися самостійно. Так була створена експериментальна і теоретична база, що стала до середини XIX століття основою єдиної теорії електромагнітних явищ Найімовірніше, незвичайні властивості природного мінералу магнетиту (магнітного залізняку, Fe3O4) були відомі в Месопотамії ще в бронзовому столітті. А після виникнення залізної металургії можна було не помітити, що магнетит притягує залізні вироби. Про причини такого тяжіння думав уже батько грецької філософії Фалес з Мілета (приблизно 640-546 роки до н.е.), який пояснював його особливої одушевленою цього мінералу (Фалес також знав, що натертий про шерсть бурштин притягує сухе листя і дрібні трісочки, а тому наділяв і його духовною силою). Пізніше грецькі мислителі розмірковували про невидимих парах, огортають магнетит і залізо і тягнуть їх один до одного. Не дивно, що саме слово «магніт» теж має грецьке коріння. Швидше за все, воно походить від назви Магнесии-у-Сипила, міста в Малій Азії, поблизу якого залягав магнетит. Грецький поет Никандр згадував про пастуха МАГНІС, що опинилася поруч зі скелею, яка тягнула до себе залізний наконечник його палиці, але це, ймовірно, просто красива легенда.
Природними магнітами цікавилися і в Стародавньому Китаї. Здатність магнетиту притягувати залізо згадується в трактаті «Весняні і осінні записи майстра Лю», що датується 240 роком до н.е. Століття по тому китайці помітили, що магнетит не діє ні на мідь, ні на кераміку. У VII-VIII ст. / Bm9icg ===> еках вони з'ясували, що вільно підвішена намагнічена залізна голка повертається до Полярної зірки. В результаті в другій половині XI століття в Китаї з'явилися справжні морські компаси, європейські мореплавці освоїли їх сотнею років пізніше. Приблизно тоді ж китайці виявили, що намагнічена голка дивиться на схід від напрямку на північ і відкрили тим самим магнітне схилення, набагато випередивши в цьому питанні європейських мореплавців, які прийшли до цього висновку тільки в XV столітті.
маленькі магнітики
У ферромагнетике власні магнітні моменти атомів шикуються паралельно (енергія такої орієнтації мінімальна). В результаті утворюються намагнічені області, домени - мікроскопічні (10-4-10-6 м) постійні магніти, розділені доменними стінками. Під час відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти доменів орієнтовані в ферромагнетике хаотично, в зовнішньому полі кордону починають зміщуватися, так що домени з моментами паралельно полю витісняють всі інші - феромагнетик намагнічується.
Зародження науки про магнетизм
Перше в Європі опис властивостей природних магнітів зробив француз П'єр де Марікура. У 1269 році він служив в армії короля Сицилії Карла Анжуйського, облога італійське місто Лусеро. Звідти він і відправив приятеля в Пікардію документ, який увійшов в історію науки як «Лист про магніті» (Epistola de Magnete), де розповів про свої досліди з магнітним залізняком. Марікура зауважив, що в кожному шматку магнетиту є дві області, особливо сильно притягують залізо. Він угледів паралель між цими зонами і полюсами небесної сфери і запозичив їх назви для областей максимуму магнітної сили - тому ми тепер і говоримо про північному і південному магнітних полюсах. Якщо розбити шматок магнетиту надвоє, пише Марікура, в кожному уламку з'являються власні полюса. Марікура не тільки підтвердив, що між шматками магнетиту виникає як тяжіння, так і відштовхування (це вже було відомо), але вперше пов'язав цей ефект із взаємодією між різнойменними (північним і південним) або однойменними полюсами.
Багато істориків науки вважають Марикура безперечним піонером європейської експериментальної науки. У всякому разі, його нотатки про магнетизм ходили в десятках списків, а після появи друкарства видавалися окремою брошурою. Їх з повагою цитували багато натуралісти аж до XVII століття. Ця праця була добре відомий і англійської природодослідникові і лікаря (лейб-медику королеви Єлизавети і її наступника Якова I) Вільяму Гильберту, який в 1600 році опублікував (як годиться, на латині) чудовий працю «Про магніті, магнітних тілах і великому магніті - Землі ». У цій книзі Гільберт не тільки привів практично всі відомі відомості про властивості природних магнітів і намагніченого заліза, а й описав власні досліди з кулею з магнетиту, за допомогою яких він відтворив основні риси земного магнетизму. Наприклад, він виявив, що на обох магнітних полюсах такої «маленької Землі» (по латині terrella) компасна стрілка встановлюється перпендикулярно її поверхні, на екваторі - паралельно, а на середніх широтах - в проміжному положенні. Так Гільберт змоделював магнітне нахилення, про існування якого в Європі знали понад півстоліття (в 1544 році це явище вперше описав нюрнберзький механік Георг Хартман).
Революція в навігації. Компас викликав справжню революцію в морській навігації, зробивши глобальні подорожі не поодинокими випадками, а звичною регулярної рутиною.
Гільберт відтворив на своїй моделі і геомагнітне схиляння, яке приписав не ідеально гладкій поверхні кулі (і тому в планетарному масштабі пояснював цей ефект тяжінням континентів). Він виявив, що сильно нагріте залізо втрачає магнітні властивості, але при охолодженні вони відновлюються. І нарешті, Гільберт першим провів чітку межу між тяжінням магніту і тяжінням натертого бурштину, яке він назвав електричною силою (від латинської назви бурштину electrum). Загалом, це був надзвичайно новаторська праця, гідно оцінений і сучасниками, і нащадками. Затвердження Гільберта, що Землю слід вважати «великим магнітом», стало другим за рахунком фундаментальним науковим висновком про фізичні властивості нашої планети (перший - відкриття її кулястості, зроблене ще в Античності).
Два століття перерви
Після Гільберта наука про магнетизм аж до початку XIX століття просунулася дуже мало. Зроблене за цей час можна буквально перелічити на пальцях. У 1640 році учень Галілея Бенедетто Кастеллі пояснив тяжіння магнетиту наявністю в його складі безлічі дрібних магнітних частинок - перша і дуже недосконала здогад, що природу магнетизму слід шукати на атомному рівні. Голландець Себальда бругмансія в 1778 році помітив, що вісмут і сурма відштовхуються від полюсів магнітної стрілки - це був перший приклад фізичного явища, яке 67 роками пізніше Фарадей назвав діамагнетизмом. У 1785 році Шарль-Огюстен Кулон за допомогою прецизійних вимірювань на крутильних вагах показав, що сила взаємодії магнітних полюсів обернено пропорційна квадрату відстані між ними - точно так само, як і сила взаємодії між електричними зарядами (в 1750 році до аналогічного висновку прийшов англієць Джон Мічелл, але кулоновское висновок багато надійніше).
А ось вивчення електрики в ті роки рухалося семимильними кроками. Пояснити це неважко. Єдиними первинними джерелами магнітної сили залишалися природні магніти - інших наука не знала. Їх сила стабільна, її не можна ні змінити (хіба що знищити нагріванням), ні тим більше генерувати за власним бажанням. Зрозуміло, що ця обставина сильно обмежувало можливості експериментаторів.
Електрика було в набагато вигіднішому становищі - адже його можна було отримувати і накопичувати. Перший генератор статичних зарядів побудував в 1663 році бургомістр Магдебурга Отто фон Геріке (знамениті магдебурзькі півкулі - теж його дітище). Століття по тому такі генератори стали настільки широко поширені, що їх демонстрували навіть на великосвітських прийомах. У 1744 році німець Евальд Георг фон Клейст і трохи пізніше голландець Пітер ван Мушенбрук винайшли лейденську банку - перший електричний конденсатор; тоді ж з'явилися і перші електрометрії. В результаті до кінця XVIII століття наука знала про електрику куди більше, ніж на його початку. А ось про магнетизм цього сказати не можна.
А потім все змінилося. У 1800 році Алессандро Вольта винайшов перший хімічний джерело електричного струму - гальванічний батарею, також відому як вольтів стовп. Після цього відкриття зв'язку між електрикою і магнетизмом стало питанням часу. Воно могло відбутися вже на наступний рік, коли французький хімік Ніколя готерів зауважив, що два паралельних дроти з струмом притягуються один до одного. Однак ні він, ні великий Лаплас, ні чудовий фізик-експериментатор Жан-Батист Біо, які пізніше спостерігали це явище, не надали йому ніякого значення. Тому пріоритет справедливо дістався ученому, давно припустити існування такого зв'язку і багато років присвятив її пошуків.
Від Копенгагена до Парижа
Всі читали казки та історії Ганса Християна Андерсена, але мало хто знає, що коли майбутній автор «Голого короля» і «Дюймовочки» чотирнадцятирічним підлітком дістався до Копенгагена, він знайшов одного і покровителя в особі свого подвійного тезки, ординарного професора фізики і хімії Копенгагенського університету Ганса Християна Ерстеда. І обидва прославили свою країну на весь світ.
Різноманіття магнітних полів Ампер вивчив взаємодія між паралельними провідниками з струмом. Його ідеї розвинув Фарадей, який запропонував концепцію магнітних силових ліній.
Ерстед з 1813 роки цілком свідомо намагався встановити зв'язок між електрикою і магнетизмом (він був прихильником великого філософа Іммануїла Канта, який вважав, що всі природні сили мають внутрішню єдність). В якості індикаторів Ерстед використовував компаси, але довгий час безрезультатно. Ерстед очікував, що магнітна сила струму паралельна йому самому, і для отримання максимального крутного моменту мав електричний провід перпендикулярно стрілкою компаса. Природно, що стрілка не реагувала на включення струму. І тільки навесні 1820 року під час лекції Ерстед простягнув провід паралельно стрілці (або щоб подивитися, що з цього вийде, або у нього з'явилася нова гіпотеза - про це історики фізики сперечаються досі). І ось тут-то стрілка і хитнулася - не дуже сильно (у Ерстеда була малопотужна батарея), але все-таки помітно.
Правда, велике відкриття тоді ще не відбулося. Ерстед чомусь перервав експерименти на три місяці і повернувся до них лише в липні. І ось тут-то він зрозумів, що «магнітне вплив електричного струму направлено по колах, що охоплює цей струм». Це був парадоксальний висновок, адже раніше обертові сили не з'являлися ні в механіці, ні в будь-якій іншій галузі фізики. Ерстед виклав свої висновки в статті і 21 липня відправив її в кілька наукових журналів. Потім він більше електромагнетизмом не займався, і естафета перейшла до інших вченим. Першими її прийняли парижани. 4 вересня відомий фізик і математик Домінік Араго розповів про відкриття Ерстеда на засіданні Академії наук. Його колега Андре-Марі Ампер вирішив зайнятися магнітним дією струмів і буквально на наступний день приступив до експериментів. Насамперед він повторив і підтвердив досліди Ерстеда, а на початку жовтня виявив, що паралельні провідники притягуються, якщо струми течуть через них в одному і тому ж напрямку, і відштовхуються - якщо в протилежних. Ампер вивчив взаємодія і між непаралельними провідниками і представив його формулою (закон Ампера). Він показав також, що згорнуті в спіраль провідники зі струмом повертаються в магнітному полі, подібно до стрілки компаса (і між іншим винайшов соленоїд - магнітну котушку). Нарешті, він висунув сміливу гіпотезу: всередині намагнічених матеріалів течуть незгасаючі мікроскопічні паралельні кругові струми, які і спричиняють їх магнітного дії. Тоді ж Біо і Фелікс Савар спільними зусиллями виявили математичну залежність, що дозволяє визначати інтенсивність магнітного поля, створюваного постійним струмом (закон Біо-Савара).
Щоб підкреслити новизну вивчених ефектів, Ампер запропонував термін «електродинамічні явища» і постійно користувався ним у своїх публікаціях. Але це ще не було електродинаміки в сучасному сенсі. Ерстед, Ампер і їх колеги працювали з постійними струмами, що створювали статичні магнітні сили. Фізикам тільки належало виявити і пояснити дійсно динамічні нестаціонарні електромагнітні процеси. Це завдання було вирішене в 1830-1870-х. До неї долучилися близько дюжини дослідників з Європи (в тому числі і Росії-згадаємо правило Ленца) і США. Однак головна заслуга безперечно належить двом титанів британської науки - Фарадею і Максвеллові.
Лондонський тандем
Для Майкла Фарадея 1821 рік став воістину доленосним. Він отримав заповітну посаду суперінтенданта лондонського Королівського інституту і фактично випадково почав дослідницьку програму, завдяки якій зайняв унікальне місце в історії світової науки.
Магнітні і не дуже. Різні речовини в зовнішньому магнітному полі поводяться по-різному, це обумовлено різним поведінкою власних магнітних моментів атомів. Найбільш відомі ферромагнетики, існують парамагнетики, антиферомагнетики і феримагнетики, а також Діамагнетик, у атомів яких немає власних магнітних моментів (в зовнішньому полі вони слабо намагнічуються «проти поля»).
Сталося це так. Редактор журналу «Аннали філософії» Річард Філіпс запропонував Фарадею написати критичний огляд нових робіт, присвячених магнітному дії струму. Фарадей не тільки послухав тої ради і опублікував «Історичний ескіз електромагнетизму», але приступив до власним дослідженням, які розтягнулися на довгі роки. Спочатку він, як і Ампер, повторив експеримент Ерстеда, після чого рушив далі. До кінця 1821 року його виготовив пристрій, де токонесущий провідник обертався навколо смугового магніту, а інший магніт повертався навколо другого провідника. Фарадей припустив, що і магніт, і провід під струмом оточені концентричними силовими лініями, lines of force, якими і обумовлено їх механічний вплив. Це вже був зародок концепції магнітного поля, хоча сам Фарадей таким терміном не користувався.
Спочатку він почитав силові лінії зручним методом опису спостережень, але з часом переконався в їх фізичної реальності (тим більше що знайшов спосіб спостерігати їх за допомогою розсипаних між магнітами ошурки). До кінця 1830-х він чітко усвідомив, що енергія, джерелом якої є постійні магніти і провідники під струмом, розподілена в просторі, заповненому силовими лініями. Фактично Фарадей вже мислив в теоретико-польових термінах, в чому значно випередив своїх сучасників.
Але головне його відкриття полягало в іншому. У серпні 1831 Фарадей зміг змусити магнетизм генерувати електричний струм. Його прилад складався з залізного кільця з двома протилежними обмотками. Одну з спіралей можна було замкнути на електричну батарею, інша з'єднувалася з провідником, розташованим над магнітним компасом. Стрілка не міняла положення, якщо по першій котушці йшов постійний струм, але хиталася під час його включення і виключення. Фарадей зрозумів, що в цей час у другій обмотці виникали електричні імпульси, обумовлені виникненням або зникненням магнітних силових ліній. Інакше кажучи, він відкрив, що причиною електрорушійної сили служать зміни магнітного поля. Цей ефект виявив також американський фізик Джозеф Генрі, але він опублікував свої результати пізніше, ніж Фарадей, і не зробив настільки серйозних теоретичних висновків.
Електромагніти та соленоїди лежать в основі безлічі технологій, без яких неможливо уявити сучасну цивілізацію: від виробляють електроенергію електрогенераторів, електродвигунів, трансформаторів до радіозв'язку і взагалі практично всієї сучасної електроніки.
До кінця життя Фарадей прийшов до висновка, что Нові знання про електромагнетізм потребують математичного оформленні. ВІН решил, что ця задача буде до снаги Джеймсу Клерку Максвеллові, молодому професору Марішал-коледжу в шотландських городе Абердін, про что Йому и написавши в лістопаді тисячу вісімсот п'ятьдесят-сім року. І Максвелл Дійсно об'єднав всі тодішні знання про електромагнетізм в єдину математизированную теорію. Ця робота булу в основному виконан в першій половіні 1860-х років, коли ВІН ставши професором натуральної філософії лондонський Кінгз-коледжу. Поняття електромагнітного поля вперше з'явилося в 1864 році в мемуарах, представленому Лондонському Королівському суспільству. Максвелл ввів цей термін для позначення «тієї частини простору, яка містить і оточує тіла, перебувають у електричному або магнітному стані», причому спеціально підкреслив, що цей простір може бути як порожнім, так і заповненим будь-яким видом матерії.
Головним підсумком праць Максвелла стала система рівнянь, що зв'язують між собою електромагнітні явища. В опублікованому в 1873 році «Трактат про електрику і магнетизм» він назвав їх загальними рівняннями електромагнітного поля, а сьогодні вони звуться рівняннями Максвелла. Пізніше їх не раз узагальнювали (наприклад, для опису електромагнітних явищ в різних середовищах), а також переписували з використанням все більш досконалого математичного формалізму. Максвелл показав також, що ці рівняння допускають рішення, що включають незгасаючі поперечні хвилі, окремим випадком яких є видиме світло.
Теорія Максвелла представила магнетизм як особливого роду взаємодія між електричними струмами. Квантова фізика XX століття додала до цієї картини всього два нових моменту. Тепер ми знаємо, що електромагнітні взаємодії переносяться фотонами і що електрони і багато інших елементарні частинки володіють власними магнітними моментами. На цьому фундаменті побудовані всі експериментальні і теоретичні роботи в області магнетизму.
Стаття опублікована в Журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2010 ).