Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Представьте себе магнитный северный полюс и южный полюс, разделенные вакуумом. Силовые линии идут от полюса к полюсу, и плотность потока в любой точке между ними будет иметь определенное значение в зависимости от силы магнита. Если теперь между полюсами поместить какое-либо материальное вещество, даже если сила магнита остается неизменной, плотность потока изменится. Отношение плотности потока в веществе к плотности потока в вакууме называется относительной магнетической проницаемостью. Поскольку это — отношение, то оно выражается просто в цифрах, без единиц измерения.

Проницаемость вакуума принята за 1, и для большинства материальных веществ проницаемость очень близка к 1. Тем не менее уточненные измерения показывают, что точно равной 1 она никогда не является, а бывает иногда чуть больше, а иногда чуть меньше 1. Вещества с проницаемостью чуть большей чем 1 называют парамагнитными, а с проницаемостью меньшей 1 — диамагнитными.

В парамагнитном веществе, проницаемость которого больше 1, плотность потока выше, чем в вакууме. Силовые линии сгущаются в парамагнитном веществе, так сказать предпочитая его окружающему вакууму (или воздуху). Парамагнитное вещество, следовательно, стремится сориентироваться по самой длинной оси параллельно силовым линиям так, чтобы эти силовые линии могли двигаться в избранном веществе по наибольшему расстоянию. И опять же, поскольку плотность потока возрастает по мере приближения к полюсу, имеется тенденция у парамагнитных веществ приближать полюс (то есть притягиваться к нему) таким образом, чтобы сквозь вещество могло проходить как можно больше силовых линий.

С другой стороны, диамагнитные вещества, проницаемость которых меньше 1, имеют плотность потока меньшую, чем вакуум (или воздух). Силовые линии, кажется, избегают его и скапливаются в окружающем вакууме. Следовательно, диамагнитное вещество стремится сориентироваться таким образом, чтобы его наиболее длинная ось была перпендикулярна силовым линиям так, чтобы этим силовым линиям приходилось проходить сквозь вещество минимальное расстояние. Более того, диамагнитные вещества стремятся отодвинуться от полюса (то есть отталкиваются им) в область меньшей плотности потока так, чтобы сквозь него приходилось проходить как можно меньшему количеству линий. Оба эффекта крайне незначительны и становятся заметными только при использовании очень сильных магнитных полей. Первым, кто описал эти эффекты, был Фарадей, обнаруживший в 1845 году, что стекло, сера и резина слегка отталкиваются магнитными полюсами и, следовательно, являются диамагнитными. Наиболее диамагнитным веществом из известных является при обычных температурах элемент висмут. (При чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю, проницаемость некоторых веществ падает до нуля, и диамагнетизм их тогда достигает максимума.)

Парамагнетизм известен сравнительно более широко, и для некоторых веществ проницаемость может быть очень высокой, исчисляясь тысячами. Эти высокопроницаемые вещества и есть те, что мы ранее назвали ферромагнитными. Здесь притяжение магнита и ориентация железных опилок параллельно силовым линиям настолько очевидны, что не заметить их сложно.

Проницаемость (обозначаемая греческой буквой μ — «мю»), тоже следует учитывать в формуле Кулона (уравнение 9.2), чтобы верно рассчитывать и те случаи, когда полюса разделяет не вакуум:

F = mm'/μd2. (Уравнение 9.3)

Поскольку μ — знаменатель, то показывается обратное отношение. Диамагнитное вещество с проницаемостью менее 1 увеличивает магнитную силу между полюсами, в то время как парамагнитное вещество силу уменьшает. Последний эффект особенно заметен, когда между полюсами находятся железо или сталь, проницаемость которых исчисляется сотнями или даже тысячами. Брусок железа, касающийся обоих полюсов подковообразного магнита, урезает магнитную силу вне себя настолько, что почти играет роль магнитного изолятора.

Гильберт, который ввел понятие о Земле как о магните, также изучал силу притяжения натертого янтаря. Он надел на стержень подвижную металлическую стрелку так, чтобы она поворачивалась под давлением совсем незначительной силы. С его помощью Гильберт смог обнаруживать очень слабые силы притяжения и взялся за поиск других веществ, которые, будучи натертыми, обретали бы подобные свойства. Начав свои исследования в 1570 году, он обнаружил, что некоторые драгоценные камни, такие, как алмаз, сапфир, аметист, опал, карбункул, гагат (черный янтарь) и даже обыкновенный горный хрусталь, будучи натертыми, проявляют силу притяжения. Он назвал такие вещества «электриками». Вещества, проявляющие такую силу притяжения, стали называть наэлектризованными или получившими электрический заряд.

Ряд же других веществ, в частности металлы, оказалось невозможно наэлектризовать, следовательно, они получили характеристику «неэлектриков». В конце концов электричество стали считать чем-то вроде жидкости. Когда вещество, например янтарь, становилось наэлектризованным, считалось, что оно приобрело электрический заряд, остающийся в нем постоянно. Такой заряд был назван статическим электричеством (от латинского слова, означающего «быть неизменным»), а учение о свойствах электричества в таких условиях получило название электростатика.

Для того чтобы полноценно изучать электрические силы, нужно было собрать достаточное количество этой жидкости — больше, чем могут содержать в себе маленькие кусочки драгоценных и полудрагоценных материалов. Необходимо было найти какое-то дешевое и доступное в больших количествах вещество, подверженное электризации.

В 60-х годах XVII века немецкий физик Отто фон Герике (1602–1686) нашел такой материал — им оказалась сера. Он изготовил из серы сферу размером больше человеческой головы и сделал так, чтобы ее можно было вращать рукояткой. Рука, помещенная на нее, по мере того как сфера поворачивалась под рукой, постепенно наэлектризовывала сферу до беспрецедентной для того времени величины. Герике сконструировал первую механическую электростанцию, работавшую от трения.

Герике обнаружил много общего между электростатическими и магнитными силами. Например, он выяснил, что имело место электростатическое отталкивание, так же как и электростатическое притяжение, в то время как магнитам тоже были присущи и отталкивание, и притяжение. Опять же вещество, поднесенное к наэлектризованной сере, само временно становилось наэлектризованным, подобно тому как кусочек железа, поднесенный к магниту, сам временно намагничивается. Таким образом, получалось, что наравне с магнитной индукцией существует и электростатическая индукция.

В 1729 году английский исследователь электричества Стефан Грей (1696–1736) наэлектризовал длинные стеклянные трубки и обнаружил, что пробки, помещенные в концы трубок, так же как и шарики из слоновой кости, прикрепленные к этим пробкам длинными палочками, электризуются при натирании стекла. Электрический ток, который образовался во время трения, по-видимому, распространился по веществу через пробку и палки на слоновую кость. Это было первое четкое свидетельство того, что электричеству не обязательно быть полностью статическим, что оно может перемещаться.