Магнетизм

Магнетизм.

Магнетизм

1. Магниты. Уже у древних греческих писателей   встречается сведение о минерале, который обладает свойством притягивать к себе небольшие куски железа. Этот минерал, называемый магнетитом, или магнитным железняком, имеет химический состав Fe₃О₄. В гораздо большей мере свойство притягивать железо принадлежит искусственным магнитам, приготовляемым из твердой стали (всего лучше — из вольфрамистой стали). Искусственным магнитам дают разнообразную форму; чаще всего встречаются формы прямого стержня, подковы и  ромбической пластинки (так называемой «магнитной стрелки», рис. 1). Подковообразный магнит, весом в 1 килограмм, может обнаруживать силу до 20 килограммов.

Рис. 1.

Магнитным магазином (рис. 2) называется система нескольких одинаковых магнитов, соединенных вместе. Для намагничивания стали либо пользуются электрическим током (окружая кусок стали проволочной спиралью и пропуская ток по этой спирали), либо натирают сталь магнитом. Необходимо соблюдать известные предосторожности для того, чтобы стальной магнит сохранял свои свойства без значительного ослабления, а именно: у подковообразных магнитов следует соединять концы куском мягкого железа, так называемым якорем (рис. 3); прямые магниты сохраняют, укладывая их попарно, параллельно друг другу, с разноименными концами, обращенными в одну сторону, и соединяя эти концы якорями. Кроме этого, необходимо оберегать магниты от сотрясений и от резких колебаний температуры.

Рис. 2.

2. Магнитные полюсы и их взаимодействие. Всякий магнит, а также всякая часть магнита (в этом легко убедиться, разламывая или разрезывая магнит) обладают на своей поверхности по крайней мере двумя такими участками, на которых способность магнита притягивать железо бывает выражена всего резче. Эти участки называются полюсами. Искусственные магниты обыкновенно имеют два полюса на концах. Если погрузить магнит в железные опилки, то опилки в большом количестве пристают к концам его и вовсе не пристают к средней части. Если дать такому магниту  возможность свободно  вращаться около вертикальной оси (например, насадив его на острие иглы, как на рис. 1), то он останавливается в таком положении, что линия, соединяющая его полюсы, приблизительно совпадает с географическим меридианом; при этом определенный полюс указывает к северу, а другой — к югу.

Первый называется северным, а второй — южным. Если сблизить одноименные полюсы двух магнитов, то между ними обнаруживается отталкивание; разноименные полюсы, наоборот, притягиваются. Способность магнитного полюса производить притягательные и отталкивающие действия может быть охарактеризована некоторым числом: это число называется массой полюса. Для двух полюсов, которые настолько малы, что могут   быть приняты за геометрические точки, сила действия их друг на друга прямо пропорциональна их массами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон Кулона). В так называемой электромагнитной системе единиц CGS (см. единицы измерений) за единичную массу (или, как говорят, за единицу «количества магнетизма») принимается масса такого магнитного полюса, которым равный ему полюс, находящийся на расстоянии 1 сантиметра, отталкивается с силой в 1 дину. Отсюда закон Кулона может быть выражен формулой: F = mm’/r², где F — сила взаимодействия двух полюсов, имеющих массы m и m' и находящихся на расстоянии r (все величины — в единицах CGS). Если магнит имеет два полюса, которые, по малости их, могут быть приняты за точки, то линия, соединяющая их, называются магнитной осью магнита.

3. Магнитные свойства различных веществ. Не только сталь, но также и другие вещества (железо и его сплавы, никель, кобальт, марганец, также сплавы меди с марганцем и алюминием, — так называемые сплавы Гейзлера) способны намагничиваться в более или менее значительной степени. Все эти вещества зовутся ферромагнитными. Однако, из ферромагнитных веществ только сталь обладает резко выраженной способностью сохранять полученное намагничивание. В противоположность стали, железо (особенно так называемое шведское железо, взятое в виде короткого стержня) сохраняет магнетизм лишь до тех пор, пока имеется налицо тот электрический ток, или тот «влияющий»  магнит, которыми этот магнетизм был возбужден, но стоит прекратить ток, удалить магнит — и магнетизм железа исчезает: намагничивание здесь является временным. Это свойство железа является весьма ценным для устройства электромагнитов (см.  электромагнетизм, электротехника). Тела, не принадлежащие  к ферромагнитным, все же подчиняются действию магнита, причем одни из них (например, хлористое железо, окись железа, хлористый марганец, платина, каменный уголь, жидкий и газообразный кислород, жидкий и газообразный воздух) притягиваются к полюсу магнита, другие же (например, этиловый эфир, этиловый алкоголь, стекло, вода, ртуть, золото, а в особенности висмут) отталкиваются от магнитного полюса. Первые называются парамагнитными, вторые — диамагнитными. Из тел природы большинство принадлежит к диамагнитным. Как парамагнетизм, так и диамагнетизм являются свойствами весьма слабыми; наблюдать их можно лишь с помощью сильного электромагнита.

Рис. 3.

4. Молекулярная, теория магнетизма. Тот факт, что всякая часть магнита, как бы мелка она пи была, представляет собой магнит, привел ученых к представлению о так называемых молекулярных, магнитах. Согласно этому представлению, молекулы каждого ферромагнитного и парамагнитного тела представляют собой готовые магниты; но только, если эти молекулярные магниты расположены беспорядочно или так, что в самом близком расстоянии от северного полюса одного из них находится южный полюс какого-нибудь другого, то внешние действия системы таких магнитов сводятся к нулю: мы называем такое тело ненамагниченным. (Что действительно действия двух противоположных полюсов могут взаимно уничтожаться, видно из следующего опыта: заставляют магнит держать кусок железа, притянувшийся к одному из полюсов, — скажем, северному; затем придвигают сюда же южный полюс другого магнита: тогда железо отпадает). Но если к не намагниченному телу поднесем магнит, например, северным полюсом, то он действует на молекулярные магниты подобно тому, как он действовал бы на магнитные стрелки, т. е. он стремится повернуть их так, чтобы южные полюсы их были обращены к нему. (Отсюда происходит, что при приближении северного полюса магнита к куску железа на ближайшем к магниту конце железного куска появляется южный магнетизм, а на отдаленнейшем — северный). Тепловое движение  молекул,  сопровождаемое их  столкновениями, а также взаимодействие молекул  между собой противодействуют намагничиванию  тела; однако, чем сильнее внешнее; намагничивающее воздействие, тем, более побеждается это   противодействие. Таким образом, намагничивание тела должно зависеть  от его природы, от  его температуры и от величины внешней намагничивающей силы. Эти заключения вообще подтверждаются опытом (в  частности, опыт показывает, что при  некоторой высокой температуре, называемой критической, ферромагнитные свойства исчезают. Критическая  температура равна 775° для железа, 300° для никеля, 1100° для кобальта, 580° для магнетита). Наиболее сильное намагничивание ферромагнитных тел, очевидно, должно соответствовать такому расположению молекулярных магнитов, когда все они повернуты друг другу параллельно, северными полюсами в одну сторону,  южными- в противоположную;  это состояние  называется магнитным насыщением; когда оно достигнуто, то никакое внешнее воздействие уже не в состоянии увеличить, намагничивание тела.

5. Амперова теория магнетизма и новейшие теории. Спрашивается: как объяснить магнитные свойства  молекулы? Удовлетворительный ответ на этот вопрос впервые был дан Ампером (см.). По мнению Ампера, каждая частица железа, никеля, кобальта заключает  в себе весьма малый электрический ток, циркулирующий по замкнутому  пути; магнитные свойства такого тока тождественны со свойствами очень малого магнита (см. электромагнетизм). Теория Ампера имела большую логическую ценность: явления магнитные были ей сведены к явлениям электрическим; «магнетизм» потерял значение самостоятельного агента природы и стал лишь особой формой электричества. В последние годы французские физики Ланжевен и Вейс, исходя из теории электронов (см.), значительно усовершенствовали Амперову теорию магнетизма. В теории Ланжевена, Амперовы токи суть не что иное, как электроны, описывающие круговой путь в пределах молекулы; при этом надо различать два случая: а) магнитные свойства кружащихся электронов, принадлежащих к одной и той же молекуле, уничтожают друг друга, и таким образом  молекула не имеет магнитных свойств; б) молекула представляет собой маленький магнит.  Ланжевен доказал, что тело, состоящее из молекул первого рода, будет обладать диамагнитными свойствами; во втором случае мы будем иметь явление парамагнетизма, или ферромагнетизма. Вейс, исследуя числовые характеристики магнитных свойств различных парамагнитных и ферромагнитных тел, заметил, что характеристики различных тел находятся между собой в довольно простых кратных отношениях; отсюда он заключил, что мельчайшие магнитные элементы во всех телах построены по одному образцу и представляют собой как бы атомы, магнетита; такому атому магнетизма он дал название магнетон. Вейс высчитал, что атом железа, смотря по сорту железа и по температуре, при которой оно находится, содержит от 11 до 20 магнетонов; атом никеля — от 3 до 9 и т. д.

6. Магнитное поле. Магнитным  полем   называется пространство, в котором действуют магнитные силы. Сила, действующая на помещенный в какой-либо точке северный полюс, имеющий массу, равную единице, называется силой  магнитного поля, или просто магнитной силой, в данной точке. Если в какой-нибудь части пространства магнитная сила имеет одинаковую во всех точках величину и направление, то такое поле называется однородным. Линия, проведенная в магнитном поле так, что она во всякой своей точке касается  направления магнитной силы в этой точке, называется магнитной силовой линией;  через каждую точку поля проходит одна  силовая линия. Силовые линии (рассматриваемые в несколько более общем смысле) называются также линиями магнитной  индукции. Вообразим в поле какой-нибудь замкнутый контур  и представим себе силовые линия (линии индукции), проходящие через  все точки этого контура; совокупностью этих линий образуется поверхность, называемая силовой трубкой (трубкой индукции). Произведение площади сечения трубки на нормальную к этому сечению составляющую магнитной силы называется  силовым потоком;  в обобщенном смысле употребляется также выражение поток индукции. Теория показывает, что для всякой трубки поток имеет постоянную величину; если он равен единице, трубка называется единичной. Во многих вопросах электромагнетизма и электротехники играет большую роль счет единичных трубок (или, как нередко выражаются, «силовых линий»), проходящих внутри определенного контура, взятого в поле. Замечательное свойство трубок индукции состоит в том, что они всегда являются замкнутыми, нигде не имея ее начала, ни конца. Если поле заполнено веществом неоднородным и трубкам индукции приходится переходить из одного вещества в другое, то их густота в различных телах отзывается различной: в веществах диамагнитных она несколько менее, чем в пустоте; в телах парамагнитных — несколько более, чем в пустоте; в телах же ферромагнитных, как, например, в железе, густота трубок индукции бывает в несколько сотен   тысяч раз более, чем в пустоте. Поэтому говорят, что железо и ему подобные тела обладают свойством сгущать в себе трубки индукции (силовые линии): если в магнитном поле есть куски железа, то  трубки индукции (силовые линии) идут чрез них в огромном количестве. Отсюда возникает понятие о магнитной проницаемости различных веществ: магнитная проницаемость пустого пространства принимается за единицу; для веществ диамагнитных она несколько меньше единицы, для парамагнитных — несколько больше единицы, а для ферромагнитных очень велика. Если трубки индукции переходят из одного вещества в другое, с иной магнитной проницаемостью, то они испытывают преломление, причем угол, образуемый линией индукции с нормалью к границе двух тел, бывает там больше, где больше проницаемость.

Рис. 4.

На рис. 4 изображена форма, которую принимают линии индукции однородного поля, если на их пути поместить кольцо из материала, имеющего большую проницаемость; здесь ясно заметно преломление линий индукции.  Если же линии индукции должны проходить через вещества, проницаемость которых мало отличается от единицы (каковы, например, воздух, дерево, стекло, медь), то конфигурация линий остается почти такой же, какой она была бы в пустоте; отсюда вытекает, что магнитная сила действует сквозь эти вещества, как и сквозь пустое пространство.

7. Магнитные спектры. Распределение линий индукции в магнитном поле можно прослеживать на опыте с помощью т. н. магнитных спектров. Для этого нужно покрыть картонным листом тела, создающие магнитное поле и влияющие на  него (например, магниты, проволочные катушки, по которым течет электрический ток, куски железа); затем посыпать этот лист железными опилками или железным порошком и слегка встряхнуть лист; тогда опилки обрисовывают конфигурацию линий индукции. На рис. 5 показан магнитный спектр одного прямого магнита; буквы N и S указывают местонахождение северного и южного полюсов.

Рис. 5.

8. Магнитные приборы служат для измерения: а) величины и направления магнитной силы поля, б) намагничивания тел. Они весьма часто состоят из магнита, могущего вращаться около некоторой оси; прибор помещают в магнитное поле и наблюдают или отклонение магнита, или качания его вокруг оси. Такие приборы называются магнитометрами. Сюда принадлежат различные буссоли (см. ниже); к этому типу принадлежит и компас (см.).

9. Земной магнетизм. Пространство, окружающее землю, есть магнитное поле. Земное поле можно с значительной степенью точности принимать за однородное; поэтому магнит, свободно подвешенный в земном поле за свой центр тяжести, стремится повернуться и стать в определенном направлении, но не стремится двигаться в какую-либо сторону поступательно. Пусть ОТ (рис. 6) будет направление магнитной оси такого магнита, принятое им под действием земного поля; OZ — вертикальная линия; ON — направление географического меридиана: ОЕ — направление параллельного круга. Вертикальная плоскость OHZ, в которой лежит ось магнита, называется магнитным меридианом, угол NOH, составленный плоскостями меридиана географического и меридиана магнитного, называется склонением и означается буквой D. Склонение называется восточным (+) или западным (—), смотря по тому, отклонен ли северный полюс магнита к востоку или к западу от географического меридиана. Оно может иметь различные значения от +180° до —180°. Угол НОТ, составленный осью магнита с горизонтальной плоскостью, называется наклонением и означается 1. Сила магнитного поля земли означается буквой Т; ее можно разложить (по правилу параллелограмма) на две составляющие: горизонтальную Н и вертикальную Z. Величины D, I, H сравнительно легко доступны наблюдению; их (а иногда еще и Z) называют элементами земного магнетизма. Для примера приведем значения магнитных элементов в Петрограде в начале 1906 года: D = +1°4’, I = 70°37’, H = 0,165 гауса.

Рис. 6.

Склонение наблюдается с помощью т. н. магнитного теодолита. Магнит, подвешенный на нити или насажанный на острие, несет на себе зеркальце, на которое направляют зрительную трубу с крестом нитей. Наблюдатель, смотрящий в трубу, видит крест нитей и изображение его в зеркальце; заставляя изображение совпасть с действительным крестом, можно отсчитать направление магнита по горизонтальному разделенному кругу, параллельно которому вращается труба. Удаляя магнит, направляя трубу на т. н. миру (земной предмет, азимут которого известен из астрономических наблюдений) и делая новый отсчет по разделенному кругу, определяют склонение. Точное знание склонения в различных местах земной поверхности весьма важно, между прочим, потому, что правильная ориентировка по компасу возможна лишь в том случае, если известно склонение данного места.  Для определения наклонения служит т. н. инклинатор (рис. 7), иначе называемый инклинометром, или буссолью наклонения. Он состоит из вертикального разделенного круга, через центр которого проходит горизонтальная ось магнитной стрелки, могущей вращаться около этой оси в плоскости, параллельной разделенному кругу: центр тяжести стрелки находится на оси. Помещая разделенный круг в плоскости магнитного меридиана и отсчитывая угол стрелки с горизонтальной плоскостью, узнаем наклонение. Более точные результаты даются земным индуктором Вебера. Этот прибор представляет катушку, вращающуюся около оси, параллельной оборотам катушки; вращая катушку в земном магнитном поле, мы вообще получим в ней индуктивный электрический ток; однако, этого тока не будет, если ось вращения катушки параллельна силовым линиям земного поля. Угол между этим направлением оси катушки и горизонтальною плоскостью есть S. Горизонтальную составляющую земного поля определяют, сравнивая действие земли на магнитную стрелку с действием некоторого искусственного магнита на ту же стрелку. Особые приборы, называемые вариометрами, или магнитографами, служат для непрерывной регистрации изменений склонения, горизонтальной составляющей и вертикальной составляющей с течением времени. В этих приборах магнит, подвешенный на нити или вращающийся около горизонтальной оси, несет на себе зеркальце, на которое направляют луч света из некоторого источника; луч,  отражаясь, падает на вертящийся барабан, обтянутый светочувствительной бумагой, и записывает на ней  происходящие изменения магнетизма. Постоянные наблюдения над земным магнетизмом производятся на так называемых геомагнитных обсерваториях, первая из которых была основана Гаусом и Вебером в Гёттингене в 1833 г. Важнейшие обсерватории находятся в Кью (Англия), парке Сен-Мор (близ Парижа), Павловске (близ Петрограда), Потсдаме (близ Берлина) и Чельтенгаме (Мэриленд). Результаты геомагнитных наблюдений. Если мы на карте земной поверхности соединим непрерывной кривой все точки, соответствующие одному и тому же значению какого-нибудь из элементов земного магнетизма, то у нас получится т. н. изомагнитная линия. В частности рассматриваются: изогоны, или линии равного склонения, изоклины, или линии равного наклонения, изодинамы, или линии равной магнитной силы (рассматриваются также изодинамы, соответствующие только горизонтальной или только вертикальной составляющей), меридианные кривые (линии, которые получаются, если постоянно идти в направлении горизонтальной составляющей, т. е. по стрелке компаса), изаномалы (линии, соответствующие одинаковому отклонению какого-нибудь элемента от некоторого теоретического или нормального значения), и др. Так как элементы земного магнетизма изменяются со временем, то необходимо указывать эпоху, к которой относятся те или иные изолинии.

Рис. 7.

На рис. 8 показаны изодинамы горизонтальной составляющей для эпохи 1900,0 (т. е. 1 января 1900 года), причем значения Н даны в единицах CGS. Мы видим здесь, что на земной поверхности есть две точки, обладающие тем свойством, что по мере приближения к ним горизонтальная составляющая стремится к нулю; магнит, подвешенный за центр тяжести расположился бы в этих точках вертикально. Эти точки называются магнитными полюсами земли; один из них (тот, к которому притягивается «северный»« полюс магнитной стрелки) находится на крайнем севере Северной Америки, под 70°30' северной широты и 97°40' западной долготы (от Гринича); другой — под 73° южной широты и 156° восточной долготы. Изогоны, для которых D = 0, называются агоническими линиями, или агонами; таких линий две; каждая из них отделяет область восточного склонения от области западного склонения. Линия, для которой l = 0, называется аклиной, или магнитным экватором (показан на рис. 8). В точках магнитного экватора свободно подвешенная за центр тяжести магнитная стрелка устанавливается горизонтально; севернее магнитного экватора северный полюс стрелки наклоняется книзу: наклонение положительно;  южнее магнитного экватора стрелка наклоняется южным полюсом вниз: наклонение здесь считается отрицательным.

Рис. 8.

На магнитных полюсах земли наклонение равно +90°. Магнитное состояние земли разделяют на несколько слагаемых частей: главная часть, называемая нормальным геомагнетизмом, может быть рассматриваема, как бы результат однородного намагничивания земного шара, причем направление этого намагничивания параллельно земному диаметру, встречающему поверхность земли под 78°34' северной широты и 68°30' западной долготы. Величина этого намагничивания такова, как если бы в каждом кубическом метре земного объема содержалось десять фунтовых стальных магнитов, намагниченных до насыщения. Географическое распределение аномального геомагнетизма (т. е. той части магнитного состоянии земли, которая остается за вычетом нормального геомагнетизма) гораздо сложнее; оно стоит в зависимости от распределения морей и материков, а также от температуры различных областей земли. Кроме того, на отдельных участках земной поверхности наблюдаются иногда весьма значительные уклонения от нормы (аномалии). Крупнейшая из известных аномалий находится в России, в Курской губернии. Согласно общему распределению земного магнетизма, здесь можно было бы ожидать склонения около 4° и наклонения 63°; между тем в действительности склонение здесь меняется на протяжении нескольких сот шагов от 96°32’  к западу (где стрелка, следовательно, показывает вместо севера на запад) до 34°2' к востоку. В первом из этих пунктов наклонение 72°2’, во втором — 55°22'; встречаются даже «магнитные полюсы», где буссоль наклонения стоит вертикально. Сила поля здесь гораздо больше, чем в других местах. Аномалии могут зависеть от присутствия железных масс под земной поверхностью, а также от особенностей геологического  строения.

Вариации земного магнетизма. Магнитное поле земли подвергается постоянному изменению. Главная причина этих изменений заключается во взаимодействии между магнетизмом земли и магнетизмом солнца. Поэтому периодическим явлениям движения земли по отношению к солнцу соответствуют периодические изменения элементов земного магнетизма: суточное и годовое. Кроме того, наблюдаются т. н. вековые изменения, идущие в одном направлении в течение обширных промежутков времени. Так, например, в Париже около 1600 г. склонение было 8° к  востоку; уменьшаясь все время, оно в 1666 году перешло через нуль, затем, сделавшись западным, увеличивалось до 1824 г., когда достигло 24°; после того оно до настоящего времени уменьшается, составляя ныне несколько более 14°.

Вековые изменения происходят так, как если бы земное поле состояло из нескольких слагаемых, которые равномерно, но с различной скоростью обегали бы кругом земли; для различных слагаемых продолжительность одного обращения составляет  от 300 до 8 000 лет. Солнечная деятельность, обнаруживающая периодические усиления и ослабления с 11-летним периодом, ясно отражается в изменениях элементов земного магнетизма, которые также обнаруживают 11-летний ход, параллельный изменению количества солнечных пятен. Наконец, время от времени появляются неожиданные изменения земного магнетизма, когда магнитная стрелка вариометра неправильно и сильно колеблется. Их называют магнитными возмущениями, или магнитными бурями.

Физические причины земного магнетизма. Магнитное поле может создаваться двояко: или «амперовыми токами» некоторого постоянного магнита, или же электрическими токами, текущими по некоторым проводникам. Применяя то или другое воззрение к объяснению магнитного  состояния земного шара, мы получим две главные теории, объясняющие земной магнетизм. По одной теории, ведущей начало от Джильберта   (знаменитого английского физика XVI в., основателя учения о магнетизме), земля есть постоянный магнит; однако, такая теория невероятна, ибо величина земного поля настолько значительна, что или магнитные массы, его создающие, должны находиться очень близко к поверхности земли, или же, если их местопребыванием служит внутреннее ядро земли, то намагничивание этого ядра должно превосходить намагничивание стали; но первое предположение неправдоподобно потому  что породы, лежащие близ поверхности  земли, в большинстве случаев являются слабо магнитными; а  второе — потому что внутри земли, по-видимому, господствует, такая высокая температура, при которой известные нам  вещества теряют магнитные свойства. Кроме того, распределение материков и морей имеет столь явное и веское влияние на конфигурацию земного поля, что, очевидно  именно наружные слои  земного шара являются местонахождением того процесса,, которым это поле обусловлено. Поэтому гораздо более вероятна другая теория, по которой земное магнитное поле создается электрическими токами в наружной части земного шара. Так как северное полушарие земли обладает южным магнетизмом, то направление этих токов должно быть с востока на запад, (см. электромагнетизм). Что касается  вариаций земного магнетизма, то они стоят в тесной связи с потоками катодных лучей, выбрасываемых из солнца.

10. Космический магнетизм. Американский  астроном Гэль (Hale) наблюдал явление Земана (см.) в световых  лучах, исходящих из солнечных пятен, откуда следует, что в этих пятнах имеется довольно сильное магнитное поле (по оценке Гэля, в несколько десятков гаусов). Причиной его, по всей вероятности, являются электрические токи, циркулирующие вокруг пятен. Можно догадываться, что магнитные явления широко распространены на небесных телах.

А. Бачинский.