Научный подход к изучению магнита

Лишь в конце XVI в. свойства магнита вновь привлекли внимание исследователя. Им оказался английский врач Уильям Гильберт. На рубеже XVI в. Гильберт выпустил в свет книгу под названием «О магните…». С этой книги, собственно, и начинается новый, подлинно научный этап в биографии магнита. Именно Гильберт описал и сформулировал важнейшие свойства магнитов, известные сегодня каждому школьнику.

Строгий научный подход и тщательные эксперименты позволили ученому вплотную подойти к пониманию магнитных явлений. Но и Гильберту понадобилось еще говорить о некоем «испарении частиц». Правда, в его рассуждениях за словом «испарение» явно слышится слово «поле»…

Но суть даже не в этом. Уровень знаний в то время не мог позволить ученому сделать правильные выводы. Он шел первым. Нужно было очистить науку от бесконечной вереницы легенд и мифов. И это в век безраздельного господства религии!

Так постепенно рождалась наука о магните. Но прошло более ста лет, прежде чем проблема магнита вновь — и на этот раз с принципиально новых позиций — была рассмотрена учеными. В сущности продвинуться в понимании природы магнита означало построить новое физическое мировоззрение. Ведь разгадка магнита пришла совсем с другой стороны.

Для этого оказалось необходимым объединить два различных, но неразрывно связанных природой явления — электричество и магнетизм.

Новое лицо магнита. Связь или родство?

Связь удалось обнаружить не сразу. Сначала было обнаружено сходство. Янтарная палочка притягивает кусочки шелка. Магнит притягивает кусочки железа. Заряд окружен электрическим полем. Магнит вокруг себя создает магнитное поле.

Поле — не фантазия Фарадея. Как бы мы ни рассматривали поле вокруг магнита, значение имеет лишь его способность совершать работу. Если вы захотите «прощупать» пространство, в каком существует магнитное поле, насыпьте на листок бумаги железные опилки и поднесите снизу магнит — сразу же возникнут те самые линии индукции, которые дают представление о конфигурации магнитного поля. Линии индукции — это наглядное отображение реальных процессов, происходящих в пространстве вблизи магнитов. Магнитное поле намагничивает частички железа и может передвигать их, т. е. совершать работу.

Поле вокруг магнита оказывается удивительно похожим на электрическое поле, созданное двумя зарядами противоположного знака. О том, какой глубокий смысл скрывается за этим сходством, мы будем еще говорить. А пока отметим, что эта аналогия распространяется даже на количественный закон, определяющий силу взаимодействия между электрическими зарядами (или магнитными полюсами).

Количественно взаимодействие магнитов изучил Кулон. Использовал он тот же метод, что и при изучении взаимодействия зарядов. Характеризуя каждый полюс магнита определенной «магнитной массой» или «количеством магнетизма», Кулон нашел закон взаимодействия полюсов длинных магнитов. Закон этот оказался подобным закону взаимодействия электрических зарядов.

Можно было думать (вначале Гильберт, а затем и Кулон так и думали), что здесь мы имеем дело с таким же фундаментальным законом, как и в случае взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Тогда северный полюс магнита был бы местом скопления зарядов одного вида, например положительных, а на южном полюсе был бы избыток отрицательных зарядов. Рассматривая магнитный заряд как определенное количество, мы могли бы измерить величину магнитного полюса. Как будто все последовательно.

Но вот что странно! Оказывается, что такая простая и совершенная аналогия с электрическим зарядом не можем удовлетворить нас. Не может удовлетворить потому, что она противоречит опыту.

Так устроена природа. Положительный заряд и заряд отрицательный могут существовать независимо друг от друга. А полюсы магнита отделить друг от друга нельзя. Мир вокруг нас оказывается несимметричным в том смысле, что никаких магнитных зарядов вообще не существует. Никому еще не удавалось получить изолированный магнитный полюс.

Можно разрезать магнит на все более мелкие части, и все равно в каждом кусочке мы всегда получим лишь новую пару магнитов. Магнит — словно сказочный дракон: отруби ему голову — вырастает новая.

Именно это обстоятельство позволяет все же проводить различие между электричеством и магнетизмом. Магнитные полюсы встречаются в природе в виде диполей, т. е. в виде двух

соединенных каким-либо естественным образом противоположных полюсов равной величины.

Каков же выход из положения? Ведь ряд факторов указывал на то, что электрические и магнитные явления каким-то образом неразрывно связаны друг с другом. Кулон считал, что открытие закона взаимодействия магнитных зарядов исчерпывает проблему магнетизма. У Эрстеда была, может быть смутная, но неотвязная мысль о том, что магнетизм может оказаться одной из скрытых форм электричества.

Так оно и оказалось. В 1820 г. Эрстед демонстрировал студентам опыты по электричеству. Поместив магнитную стрелку вблизи провода с током, он обнаружил, что стрелка отклоняется. При этом к покоящимся зарядам магнитная стрелка оставалась совершенно «равнодушной». Лишь движущиеся заряды способны были пробудить в ней «родственные чувства». Когда Эрстед замыкал цепь, магнитная стрелка вздрагивала и поворачивалась по направлению к проводнику. Магнетизм связан не со статическим электричеством, а с электрическим током.

Электрический ток, текущий по проводу, породил магнитное поле. Было два разных явления, а тут вдруг обнаружилось, что между ними есть неразрывная связь, и это было доказано прямым опытом.