Магнетизм: история притягательности

      Комментарии к записи Магнетизм: история притягательности отключены

Магнетизм: история притягательности

Человечество собирает знания о магнитных явлениях не меньше трех с половиной тысяч лет (первые наблюдения электрических сил имели место тысячелетием позднее). Четыреста лет назад, на заре становления физики, магнитные особенности веществ были отделены от электрических, по окончании чего продолжительное время те и другие изучались самостоятельно.

Так была создана экспериментальная и теоретическая база, ставшая к середине XIX века базой единой теории электромагнитных явлений Наверное, необыкновенные особенности природного минерала магнетита (магнитного железняка, Fe3O4) были известны в Месопотамии еще в бронзовом веке. А по окончании происхождения металлической металлургии не было возможности не подметить, что магнетит притягивает металлические изделия.

О обстоятельствах для того чтобы притяжения думал уже папа греческой философии Фалес из Милета (приблизительно 640−546 годы до н.э.), что растолковывал его особенной одушевленностью этого минерала (Фалес кроме этого знал, что натертый о шерсть янтарь притягивает мелкие щепочки и сухие листья, а потому наделял и его духовной силой). Позднее греческие мыслители рассуждали о невидимых парах, окутывающих железо и магнетит и влекущих их друг к другу. Неудивительно, что само слово «магнит» также имеет греческие корни.

Вероятнее, оно восходит к заглавию Магнесии-у-Сипила, города в Малой Азии, вблизи которого залегал магнетит. Греческий поэт Никандр упоминал о пастухе Магнисе, появлявшемся рядом со гором, которая тянула к себе металлический наконечник его посоха, но это, по всей видимости, легко прекрасная легенда.

Природными магнитами интересовались и в Старом Китае. Свойство магнетита притягивать железо упоминается в трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю», датируемом 240 годом до н.э. Столетие спустя китайцы увидели, что магнетит не действует ни на медь, ни на керамику. В VII-VIII столетиях они узнали, что вольно подвешенная намагниченная металлическая игла поворачивается к Полярной звезде.

В следствии во второй половине XI века в Китае показались настоящие морские компасы, европейские мореплаватели освоили их сотней лет позднее. Приблизительно тогда же китайцы поняли, что намагниченная игла наблюдает восточнее направления на север и открыли тем самым магнитное склонение, намного опередив в этом вопросе европейских мореплавателей, каковые пришли к этому выводу лишь в XV столетии.

Мелкие магнитики Кривая намагничивания показывает три главные области действия внешнего магнитного поля на границы доменов в ферромагнетиках. В ферромагнетике личные магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (энергия таковой ориентации минимальна). В следствии образуются намагниченные области, домены — микроскопические (10-4-10-6 м) постоянные магнитики, поделённые доменными стенками.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы в ферромагнетике хаотически, во внешнем поле границы начинают смещаться, так что домены с моментами параллельно полю вытесняют все остальные — ферромагнетик намагничивается.

Зарождение науки об магнетизме

Первое в Европе описание особенностей природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. Во второй половине 60-ых годов тринадцтаго века он служил в армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Оттуда он и послал другу в Пикардию документ, что вошел в историю науки как «Письмо о магните» (Epistola de Magnete), где поведал о собственных опытах с магнитным железняком. Марикур увидел, что в каждом куске магнетита имеются две области, в особенности очень сильно притягивающие железо.

Он усмотрел параллель между полюсами и этими зонами небесной сферы и позаимствовал их заглавия для областей максимума магнитной силы — исходя из этого мы сейчас и говорим о северном и южном магнитных полюсах. В случае если разбить кусок магнетита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются личные полюса. Марикур не только подтвердил, что между кусками магнетита появляется как притяжение, так и отталкивание (это уже было известно), но в первый раз связал данный эффект с сотрудничеством между разноименными (северным и южным) или одноименными полюсами.

Многие историки науки вычисляют Марикура неоспоримым пионером европейской экспериментальной науки. По крайней мере, его заметки о магнетизме ходили в десятках перечней, а по окончании появления книгопечатания издавались отдельной брошюрой. Их с уважением цитировали многие натуралисты впредь до XVII столетия.

Данный труд был прекрасно известен и врачу и английскому естествоиспытателю (лейб-медику ее преемника и королевы Елизаветы Якова I) Уильяму Гильберту, что в 1600 году опубликовал (как положено, на латыни) превосходный труд «О магните, большом магните и магнитных телах — Почва». В данной книге Гильберт не только привел фактически все узнаваемые сведения о особенностях природных магнитов и намагниченного железа, но и обрисовал личные испытания с шаром из магнетита, благодаря которым он воспроизвел главные черты земного магнетизма.

К примеру, он понял, что на обоих магнитных полюсах таковой «маленькой Почвы» (по латыни terrella) компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе — параллельно, а на средних широтах — в промежуточном положении. Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали более полувека (в первой половине 40-ых годов XVI века это явление в первый раз обрисовал нюрнбергский механик Георг Хартман).

Гильберт воспроизвел на собственной модели и геомагнитное склонение, которое приписал не идеально ровной поверхности шара (и потому в планетарном масштабе растолковывал данный эффект притяжением континентов). Он понял, что очень сильно нагретое железо теряет магнитные особенности, но при охлаждении они восстанавливаются.

И наконец, Гильберт первым совершил четкое различие между притяжением и притяжением магнита натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского заглавия янтаря electrum). В общем, это был очень новаторский труд, по преимуществу оцененный и современниками, и потомками. Утверждение Гильберта, что Почву нужно считать «громадным магнитом», стало вторым по счету фундаментальным научным выводом о физических особенностях отечественной планеты (первый — открытие ее шарообразности, сделанное еще в античном мире).

Компас произвёл настоящую революцию в морской навигации, сделав глобальные путешествия не единичными случаями, а привычной регулярной рутиной.

Два века перерыва

По окончании Гильберта наука о магнетизме впредь до начала XIX века продвинулась мало. Сделанное за это время возможно практически перечесть по пальцам. В первой половине 40-ых годов XVII века ученик Галилея Бенедетто Кастелли растолковал притяжение магнетита наличием в его составе множества небольших магнитных частиц — первая и весьма несовершенная предположение, что природу магнетизма направляться искать на ядерном уровне.

Голландец Себальд Бругманс во второй половине 70-ых годов XVIII века увидел, что сурьма и висмут отталкиваются от полюсов магнитной стрелки — это первенствовал пример физического явления, которое 67 годами позднее Фарадей назвал диамагнетизмом. В 1785 году Шарль-Огюстен Кулон при помощи прецизионных измерений на крутильных весах продемонстрировал, что сила сотрудничества магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — совершенно верно равно как и сила сотрудничества между электрическими зарядами (в первой половине 50-ых годов восемнадцатого века к подобному выводу пришел британец Джон Мичелл, но кулоновское заключение большое количество надежней).

А вот изучение электричества в те годы двигалось семимильными шагами. Растолковать это нетрудно. Единственными первичными источниками магнитной силы оставались природные магниты — вторых наука не знала.

Их сила стабильна, ее запрещено ни поменять (разве что стереть с лица земли нагревом), ни тем более генерировать самостоятельно. Ясно, что это событие очень сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество было в значительно более удачном положении — так как его возможно было приобретать и накапливать. Первый генератор статических зарядов выстроил в первой половине 60-ых годов семнадцатого века бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (известные магдебургские полушария — также его детище). Век спустя такие генераторы стали столь обширно распространены, что их демонстрировали кроме того на великосветских приемах.

В первой половине 40-ых годов восемнадцатого века немец Эвальд Георг фон Клейст и немногим позднее голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку — первый электрический конденсатор; тогда же показались и первые электрометры. В следствии к концу XVIII века наука знала об электричестве куда больше, чем в его начале. А вот о магнетизме этого сообщить было нельзя.

А позже все изменилось. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый химический источник электрического тока — гальваническую батарею, кроме этого известную как вольтов столб. Затем открытие связи между магнетизмом и электричеством стало вопросом времени. Оно имело возможность состояться уже через год, в то время, когда французский химик Николя Готеро увидел, что два параллельных провода с током притягиваются друг к другу.

Но ни он, ни великий Лаплас, ни превосходный физик-экспериментатор Жан-Батист Био, каковые позднее наблюдали это явление, не придали ему никакого значения. Исходя из этого приоритет справедливо достался ученому, в далеком прошлом предположившему существование таковой связи и много лет посвятившему ее поискам.

От Копенгагена до Парижа

Все просматривали истории и сказки Ганса Христиана Андерсена, но мало кто знает, что в то время, когда будущий создатель «Обнажённого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним ребёнком добрался до Копенгагена, он получил покровителя и друга в лице собственного двойного тезки, химии и ординарного профессора физики Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда. И оба прославили собственную страну на всю землю.

Эрстед с 1813 года в полной мере сознательно пробовал установить связь между магнетизмом и электричеством (он был приверженцем великого философа Иммануила Канта, полагавшего, что все природные силы владеют внутренним единством). В качестве индикаторов Эрстед применял компасы, но продолжительное время напрасно. Эрстед ожидал, что магнитная сила тока параллельна ему самому, и для получения большого крутящего момента располагал электрический провод перпендикулярно стрелке компаса.

Конечно, что стрелка не реагировала на включение тока. И лишь весной 1820 года на протяжении лекции Эрстед протянул провод параллельно стрелке (или дабы взглянуть, что из этого окажется, или у него появилась новая догадка — об этом историки физики спорят до сих пор). И вот тут-то стрелка и качнулась — не через чур очень сильно (у Эрстеда была маломощная батарея), но все-таки заметно.

Многообразие магнитных полей Ампер изучил сотрудничество между параллельными проводниками с током. Его идеи развил Фарадей, что внес предложение концепцию магнитных силовых линий

Действительно, великое открытие тогда еще не произошло. Эрстед почему-то прервал опыты на три месяца и возвратился к ним только в июле. И вот тут-то он осознал, что «магнитное действие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим данный ток». Это был парадоксальный вывод, поскольку ранее вращающиеся силы не оказались ни в механике, ни в какой-либо второй ветви физики.

Эрстед изложил собственные выводы в статье и 21 июля послал ее в пара научных изданий. Позже он больше электромагнетизмом не занимался, и эстафета перешла к вторым ученым. Первыми ее приняли парижане.

4 сентября математик и известный физик Доминик Араго поведал об открытии Эрстеда на совещании Академии наук. Его сотрудник Андре-Мари Ампер решил заняться магнитным действием токов и практически на следующий сутки приступил к опытам. В первую очередь он повторил и подтвердил испытания Эрстеда, а в первых числах Октября понял, что параллельные проводники притягиваются, в случае если токи текут через них в одном и том же направлении, и отталкиваются — в случае если в противоположных.

Ампер изучил сотрудничество и между непараллельными проводниками и представил его формулой (закон Ампера). Он продемонстрировал кроме этого, что свернутые в спираль проводники с током поворачиваются в магнитном поле, подобно стрелке компаса (и между делом изобрел соленоид — магнитную катушку). Наконец, он выдвинул храбрую догадку: в намагниченных материалов текут незатухающие микроскопические параллельные круговые токи, каковые и являются причиной их магнитного действия.

Тогда же Био и Феликс Савар общими усилиями распознали математическую зависимость, разрешающую определять интенсивность магнитного поля, создаваемого постоянным током (закон Био-Савара).

Дабы выделить новизну изученных эффектов, Ампер внес предложение термин «электродинамические явления» и всегда пользовался им в собственных публикациях. Но это еще не было электродинамикой в современном смысле. Эрстед, их коллеги и Ампер трудились с постоянными токами, создававшими статичные магнитные силы. Физикам лишь предстояло найти и растолковать вправду динамичные нестационарные электромагнитные процессы. Эта задача была решена в 1830—1870-х.

К ней приложили руку около дюжины исследователей из Европы (среди них и России- отыщем в памяти правило Ленца) и США. Но основная заслуга несомненно в собственности двум титанам английской науки — Максвеллу и Фарадею.

Разные вещества во внешнем магнитном поле ведут себя по-различному, это обусловлено разным поведением собственных магнитных моментов атомов. Самый известны ферромагнетики, существуют парамагнетики, ферримагнетики и антиферромагнетики, и диамагнетики, у атомов которых нет собственных магнитных моментов (во внешнем поле они слабо намагничиваются «против поля»)

Английский тандем

Для Майкла Фарадея 1821 год стал воистину важным. Он взял заветную должность суперинтенданта английского Королевского университета и практически случайно начал исследовательскую программу, благодаря которой занял неповторимое место в истории всемирный науки.

Случилось это так. Редактор издания «Анналы философии» Ричард Филипс внес предложение Фарадею написать критический обзор новых работ, посвященных магнитному действию тока. Фарадей не только последовал этому совету и опубликовал «Исторический эскиз электромагнетизма», но приступил к собственным изучениям, каковые растянулись на много лет.

Сперва он, как и Ампер, повторил опыт Эрстеда, по окончании чего двинулся дальше. К концу 1821 года он изготовил устройство, где токонесущий проводник вращался около полосового магнита, а второй магнит поворачивался около второго проводника. Фарадей высказал предположение, что и магнит, и провод под током окружены концентрическими силовыми линиями, lines of force, которыми и обусловлено их механическое действие.

Это уже был зародыш концепции магнитного поля, не смотря на то, что сам Фарадей таким термином не пользовался.

Сначала он почитал силовые линии эргономичным способом описания наблюдений, но со временем уверился в их физической действительности (тем более что отыскал метод замечать их посредством рассыпанных между магнитами металлических опилок). К концу 1830-х он четко понял, что энергия, источником которой помогают проводники и постоянные магниты под током, распределена в пространстве, заполненном силовыми линиями. Практически Фарадей уже мыслил в теоретико-полевых терминах, в чем существенно опередил собственных современников.

соленоиды и Электромагниты лежат в базе множества разработок, без которых нереально представить современную цивилизацию: от производящих электричество электрогенераторов, электродвигателей, трансформаторов до связи и по большому счету фактически всей современной электроники

Но основное его открытие состояло в другом. В августе 1831 года Фарадей смог вынудить магнетизм генерировать электрический ток. Его прибор складывался из металлического кольца с двумя противоположными обмотками.

Одну из спиралей возможно было замкнуть на электрическую батарею, вторая соединялась с проводником, расположенным над магнитным компасом. Стрелка не меняла положения, в случае если по первой катушке шел постоянный ток, но качалась на протяжении его выключения и включения. Фарадей осознал, что сейчас во второй обмотке появлялись электрические импульсы, обусловленные происхождением либо исчезновением магнитных силовых линий.

В противном случае говоря, он открыл, что обстоятельством электродвижущей силы помогают трансформации магнитного поля. Данный эффект нашёл кроме этого американский физик Джозеф Генри, но он опубликовал собственные результаты позднее, чем Фарадей, и не сделал столь важных теоретических выводов.

К концу судьбы Фарадей заключил, что новые знания об электромагнетизме нуждаются в математическом оформлении. Он сделал вывод, что эта задача придется по плечу Джеймсу Клерку Максвеллу, молодому доктору наук Маришал-колледжа в шотландском городе Абердине, о чем ему и написал в ноябре 1857 года. И Максвелл вправду объединил все тогдашние знания об электромагнетизме в единую математизированную теорию.

Эта работа была по большей части выполнена в начале шестидесятых годов девятнцадцатого века, в то время, когда он получил степень доктора наук натуральной философии английского Кингз-колледжа. Понятие электромагнитного поля в первый раз показалось в первой половине 60-ых годов девятнадцатого века в мемуаре, представленном Английскому Королевскому обществу. Максвелл ввел данный термин для обозначения «той части пространства, которая содержит и окружает тела, пребывающие в электрическом либо магнитном состоянии», причем намерено выделил, что это пространство возможно как безлюдным, так и заполненным любым видом материи.

Главным итогом трудов Максвелла стала совокупность уравнений, связывающих между собой электромагнитные явления. В размещённом в 1873 году «Трактате об магнетизме и электричестве» он назвал их неспециализированными уравнениями электромагнитного поля, а сейчас они зовутся уравнениями Максвелла. Позднее их неоднократно обобщали (к примеру, для описания электромагнитных явлений в разных средах), и переписывали с применением все более совершенного математического формализма.

Максвелл продемонстрировал кроме этого, что эти уравнения допускают решения, включающие незатухающие поперечные волны, частным случаем которых есть видимый свет.

Теория Максвелла представила магнетизм как особенного рода сотрудничество между электрическими токами. Квантовая физика XX века добавила к данной картине всего два новых момента. Сейчас мы знаем, что электромагнитные сотрудничества переносятся фотонами и что электроны и многие другие элементарные частицы владеют собственными магнитными моментами.

На этом фундаменте выстроены все экспериментальные и теоретические работы в области магнетизма.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№93, июль 2010).

What Really is Magnetism — Documentary


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: