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

Это может быть выражено математически следующим образом: если магнитную силу между полюсами принять за F, силу двух полюсов за m и m’ а расстояние между ними за d, то:

Если расстояние измерять в сантиметрах, то сила будет определяться в динах (где одна дина определяется как 1 грамм на сантиметр в секунду за секунду, см. ч. I). Предположим затем, что два полюса равной интенсивности разделены расстоянием в 1 см и что сила магнитного притяжения — 1 дина. Тогда оказывается, что m = m' , следовательно, mm' = m 2. Тогда, раз и F и d взяты равными 1, то из уравнения 9.1 следует, что в этих условиях m 2 = 1 и, следовательно, m = 1.

Значит, можно говорить о полюсных единицах как о представляющих полюса такой силы, что, будучи разделенными на 1 сантиметр, они испускают магнитную силу (притяжения или отталкивания — не важно) в 1 дину. В уравнении 9.1, где F измеряется в динах, а d — в сантиметрах, т и m' измеряются в полюсных единицах.

Если магнитное поле в 5 полюсных единиц выдает силу в 10 дин на полюсную единицу в определенной точке, то интенсивность магнитной силы — 2 дины на магнитную единицу. Одна дина на магнитную единицу определяется как 1 эрстед (в честь датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, вклад которого в изучение магнетизма будет изложен в гл. 12). Эрстед — единица измерения магнитной силы на полюсную единицу, или напряженности магнитного поля, что обычно обозначается как H. Тогда мы можем сказать, что H = F/m, или

где F — магнитная сила, измеряемая в динах; m — значение в полюсных единицах; Н — магнитная напряженность в эрстедах.

В существовании и северного, и южного полюсов и в вытекающем из этого существовании магнитного отталкивания и магнитного притяжения заключается ключевое отличие магнетизма от гравитации. Сила гравитации заключается только в притяжении, и никакой соответствующей силы гравитационного отталкивания обнаружено еще не было.

Поэтому гравитационная сила всегда максимальна, какие-либо нейтрализующие эффекты отсутствуют. Тело, имеющее массу Земли, всегда будет иметь одно и то же гравитационное притяжение независимо от своей температуры или химического состава.

С другой стороны, магнитное притяжение всегда может быть в той или иной степени нейтрализовано магнитным отталкиванием, так что магнитные воздействия будут происходить только с определенными видами материи, и то с сильно различающейся силой.

Можно ожидать (и, как мы увидим в III части этой книги, ожидание это окажется верным), что магнетизм имеет широкое распространение в природе и что магнитные силы существуют во всех видах материи. Тогда материю можно рассматривать как состоящую из микроскопических магнитов. В пользу этого воззрения (по крайней мере, в случае железа и стали) можно отнести тот давно обнаруженный факт, что если длинную намагниченную иголку поломать пополам, то обе половинки будут магнитами. Край перелома напротив первоначального северного полюса становится южным полюсом; край перелома напротив изначального южного полюса становится северным полюсом. Это будет повторяться столько раз, сколько раз сломают иголку. Легко представить, что, если первоначальную иголку разломать на микроскопические кусочки, каждый из них будет крошечным магнитом и будет иметь свой северный и южный полюса.

Эти микроскопические магниты в большинстве веществ и в большинстве условий будут сориентированы случайным образом, так что не будет (или почти не будет) концентрации на северных полюсах (или южных полюсах) в каком-либо направлении и, следовательно, магнитная сила будет обнаруживаться незначительная либо не будет обнаруживаться вовсе. Однако в некоторых встречающихся в природе веществах имеется тенденция к выстраиванию этих микроскопических магнитов, по крайней мере в какой-то мере, по линии север — юг. Тогда будет наличествовать концентрация северных полюсов в одном направлении и южных — в другом, концентрация достаточная, чтобы породить обнаруживаемое магнитное поле.

Если, скажем, северный полюс такого магнита поднести к железу, микроскопические магниты в железе сориентируются таким образом, что южные полюсы будут обращены к магниту, а северные — от него. Тогда железо и магнит будут притягиваться. Если к железу поднесут южный полюс магнита, то микроскопические магниты в железе сориентируются противоположным образом и снова появится притяжение. Поэтому каждый полюс магнита будет притягивать железо.

Когда железо находится рядом с магнитом или соприкасается с ним таким образом, что его собственные магнитные составляющие сориентированы, оно само становится магнитом. Процесс превращения железа в магнит под воздействием другого магнита называется магнитной индукцией. Так, настриженная бумага, подвесившаяся к магниту, сама притянет другую бумажку, та — следующую и т. д. Если магнит убрать, все бумажки распадутся.

Обычно микроскопические магниты в железе сравнительно легко ориентируются под воздействием магнита и так же легко дезориентируются, когда магнит убирают. Железо обычно формирует временный магнит. А вот если стальной брусок подвергнуть действию магнита, микроскопические магниты в стали ориентируются с большим трудом.

Однако когда магнит удаляют от стали, дезориентация происходит с таким же трудом — она достаточно затруднена, чтобы фактически вообще не происходить в обычных условиях, следовательно, сталь обычно остается постоянным магнитом.

Не только железо состоит из микроскопических магнитов, и не только железо притягивается к магниту. Другие металлы, такие как кобальт и никель (которые химически близки к железу) и гадолиний (который к нему не близок), притягиваются магнитом. Также и ряд металлических сплавов, одни из которых содержат железо, а другие — нет. Например, альнико, который, как явствует из названия, состоит из алюминия, никеля и кобальта (плюс немного меди), можно использовать, чтобы делать магниты сильнее стальных. С другой стороны, нержавеющая сталь, которая больше чем на три четверти состоит из железа, воздействию магнита не поддается.

Магнетическое вещество не обязательно должно быть металлом. Сам по себе магнитный железняк является разновидностью оксида железа, скорее почвенным, чем металлическим веществом. После Второй мировой войны был изучен целый новый класс магнитных веществ. Это ферриты, являющиеся смешанными оксидами железа и других металлов, таких как кобальт или марганец.

Материал, который демонстрирует или который можно заставить продемонстрировать сильную магнитную силу того рода, что мы привыкли видеть в обычном магните, считается ферромагнитным (от латинского слова ferrum, что означает «железо», поскольку наиболее известным примером такого вещества является железо). Никель, кобальт, альнико, конечно, железо и сталь являются примерами ферромагнитных веществ.