Библиотечка «Квант»
М. И. Каганов В. М. Цукерник
Природа магнетизма
*** 1982 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
ВВЕДЕНИЕ. О ЧЕМ ЭТА КНИГА? Название книги довольно точно обозначает ее тему. Мы постараемся рассказать о природе магнетизма. Существует большой раздел физики — физика электромагнитных явлений. К началу XX века казалось, что трудами Фарадея и Максвелла она завершена. Завершена в том смысле, что поняты основные законы, которые управляют электромагнитными полями, т. е. написаны соответствующие уравнения, а задача будущих поколений — искать все более вычурные решения этих уравнений. Постепенно стало ясно: ни о какой завершенности не может идти речь. Теория электромагнитных явлений, как и механика, претерпела существенное развитие благодаря привнесению в них квантовых идей. Теперь мы осторожнее в своих суждениях о завершенности того или другого раздела физики. Всякая достаточно развившаяся наука формулирует не только основные принципы, на которых она строится, но и границы применимости этих принципов. Квантовую механику ) и теорию электромагнетизма, которые лежат в основе понимания строения и свойств окружающей нас природы, можно применять к исследованию огромной совокупности явлений, если не углубляться в субатомные структуры. Сомневаться в надежности известных нам законов физики при этом нет оснований: мы находимся в границах их применимости. Основное понятие физики электромагнитных явлений — электромагнитное поле. Постоянное, не зависящее от времени электромагнитное поле распадается на два поля: электрическое и магнитное. Они очень непохожи. И все же, зависящее от времени электромагнит) Мы рекомендуем читателям книгу А. С. Ком па не й ца «Что такое квантовая механика?» — М.: Наука, 1977. Она может служить прекрасным введением к «Природе магнетизма», ное поле есть единство электрического и магнитного полей. В электромагнитной волне энергия сосредоточена то в электрическом поле, то в магнитном, как при колебании маятника, энергия которого перераспределяется между потенциальной и кинетической. Электромагнитное поле доступно органам чувств человека только в том случае, если электрическое и магнитное поля колеблются с огромной частотой. Если частота колебаний электромагнитного поля лежит в интервале от 4 1014 до 7,5- 10й Гц, то эти колебания мы воспринимаем как свет. На шкале частот видимое электромагнитное поле занимает незначительный участок. Но невозможно себе представить, что было бы, если бы этого участка не существовало, ведь большую часть сведений об окружающем мире мы получаем с помощью зрения. «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать», — правота этой народной мудрости может быть подкреплена современными расчетами теории информации. Статические поля (и электрическое, и магнитное) вовсе не ощущаются человеком—у него для этого нет органа. Кажется, перелетные птицы чувствуют магнитное поле, но даже если это так, мы не имеем возможности представить себе, что они ощущают. Но, конечно, отсутствие у человека органа, воспринимающего электрическое и магнитное поля, не лишает нас возможности выяснить, есть ли в данной точке пространства поле или нет. И не только обнаружить поле, но и измерить его. Обнаружить и измерить электрическое и магнитное поля нам помогают приборы. Несмотря на огромное разнообразие используемых приборов, большинство ) из них основано на следующем физическом факте: если в данной точке пространства электрическое поле отлично от нуля и равно Е, то на заряд величины q действует сила F3л, равная qE; если же отлично от нуля магнит) Мы написали «большинство», а не «все», так как есть методы измерения магнитных полей, основанные на взаимодействии магнитного поля с атомными и субатомными магнитными моментами (см. ниже), а не с зарядами. Эта сила носит название силы Лоренца. Буквы Е, Н, F, v напечатаны жирным шрифтом. Это означает, что величины, которые ими обозначены, суть векторы. Подчеркнем еще раз: электрическое и магнитное поля — векторы. Такова их природа. Это было понято и легло в основу описания электромагнитного поля, завершившись формулировкой знаменитых уравнений Максвелла. Уравнения эти столь знамениты, а точнее, столь важны, что создание их справедливо считается важнейшим историческим событием. Создать и электрическое, и магнитное поле престо. Электрическое поле заполняет пространство между обкладками заряженного конденсатора (рпс. 2), а магнитное окружает провод, по которому течет ток (рис. 3). Изображают векторные поля с помощью силовых линий, плотность которых тем больше, чем больше величина поля, а направление совпадает с направлением вектора (рис. 4). Из учебника физики мы воспроизвели рисунок (см. рис. 4, а), показывающий, что заряд (на рисунке — шарик небольшого радиуса) есть источник электрического поля. Если заряд положителен, то силовые линии Рис. 3. Магнитное поле вокруг прямолинейного проводника с током . Магнитные силовые линии изображены на плоскости. электрического поля выходят из шарика — уходят на бесконечность, постепенно разрежаясь. Если заряд отрицателен (см. рис. 4, б), то силовые линии входят в заряд. Эти рисунки очень важны. Комбинируя их, можно понять, какова структура статического электрического поля во всех практически важных случаях. Специальный раздел теории электромагнетизма — электростатика — занимается изучением статического электрического поля, его распределением в пространстве, проникновением в вещества различной природы. В основе электростатики лежит факт, нашедший графическое выражение на рис. 4, а, б: источники электрического поля — электрические заряды. Обычно для демонстрации распределения электрического поля вокруг заряда используют маленький, но вполне макроскопический (т. е. состоящий из миллиардов атомов) шарик. Расчет и многократные экспериментальные проверки показывают, что напряженность электрического поля спадает при удалении от заряда q обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда (закон Кулона) Вы, наверное, привыкли к несколько другой формулировке закона Кулона: сила взаимодействия Дкул между двумя зарядами 7i и q2 обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: Если заряды имеют одинаковый знак, они притягиваются, если разный — отталкиваются. Удивительно, что этот закон действует не только в макро-, но и в микромире. Резерфорд, исследуя рассеяние а-частиц в веществе, установил, что атомное ядро (одно ядро!) создает вокруг себя электрическое поле, подчиняющееся закону Кулона (2). Обычно, рассказывая об опытах Резерфорда, подчеркивают тот факт, что этими опытами было открыто атомное ядро положительно заряженный сгусток вещества, в сто тысяч раз меньший атома. Конечно, это — главный результат. Но не менее важен и факт проверки закона Кулона вплоть до расстояний порядка 1СН3 см. Вдумайтесь: простой закон обратной пропорциональности квадрату расстояния действует и на расстояниях, соизмеримых с человеческими масштабами (сантиметры, метры), и на расстояниях 10-13 см. А если добавить, что нет оснований сомневаться в справедливости формулы (2) при увеличении расстояний до, скажем, космических, то универсальность закона Кулона совершенно потрясает. Закону Кулона можно придать несколько другую форму, сказав, что потенциальная энергия U заряда q2 отлична от нуля и равна ад2/г, если в начале координат имеется заряд ду. Энергию можно определять с точностью до постоянного слагаемого. Здесь постоянное слагаемое выбрано так, чтобы на бесконечном расстоянии от заряда (при /- со) U = 0. Тогда знак потенциальной энергии U определяет, имеем мы дело с притяжением (U 0), или с отталкиванием (U 0). «Энергетическая» форма закона Кулона чаще используется в атомной физике, чем «силовая». Исследования атомной структуры вещества обнаружили микроскопические источники электрических полей в природе. Ими оказались электроны и протоны. Их заряды равны по величине и противоположны по знаку. Принято считать, что заряд протона ер положителен, а электрона е — отрицателен: Подчеркнем: электрон и протон имеют не просто микроскопические, т. е. маленькие, заряды, а наименьшие — элементарные. В природе не обнаружены частицы с дробным электрическим зарядом (в единицах е) ). В последнее время много говорят и пишут о кварках — частицах, из которых состоят нуклоны: протоны и нейтроны. Велик заряд электрона (протона) или мал? Физика не допускает такой абстрактной постановки вопроса. Всегда надо добавить: «по сравнению с чем». Если рассматривать заряд как меру взаимодействия между частицами, то он огромен. Действительно, сравним силу отталкивания между двумя протонами, обязанную закону Кулона с силой притяжения, обязанной закону всемирного тяготения Это сравнение легко провести, так как и та, и другая сила убывают по одинаковому закону — обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами. Масса протона тр — 1,7-10-24 г, а постоянная у в законе всемирного тяготения равна ) 6,7-10 см3 г-1- с-2 Отношение FKyFtp е 4-1042. Более чем в Ю42 (!) раз электрические силы больше гравитационных. Именно поэтому о гравитационных силах попросту не думают, когда решают проблемы атомной физики. Почему же, если электрические силы так велики, с ними не приходится считаться в быту, в технике? Дело в том, что в окружающей нас среде очень много свободных зарядов (электронов, ионов). Чуть где возникнет заряд, свободные заряды соответствующего знака притянутся и его нейтрализуют. В большинстве случаев мы имеем дело с нейтральными (незаряженными) елами. Силы же гравитации нейтрализовать нельзя. (...) Обратимся теперь к магнитному полю. Магнитные заряды в природе не обнаружены. В 1931 г. один из создателей квантовой механики, Дирак, высказал убеждение, что магнитные заряды в природе должны быть. Он назвал их монополями. Мир был бы более симметричным, теория электромагнетизма более красивой, если бы монополи были. Много усилий потратили ученые на поиски монополя. Несколько раз появлялись сенсационные сообщения об их открытии, которые в дальнейшем опровергались. Монополь обнаружен не был. Но микроскопические источники магнитного поля в природе есть. Мы подробно расскажем о них в одной из первых глав. Теперь мы можем кратко рассказать, о чем написано в этой книге. Во-первых, как мы только что сказали, о микроскопических источниках магнитного поля. Во-вторых, объяснив, что микроскопическими источниками магнитного поля (как и электрического) служат Мы постараемся не слишком часто просить читателя повесить нам на слово. Но, признаемся честно, без этого обойтись не удастся Тех кто прочел «Что такое квантовая механика?» или ка-кую-нибудь другую научно-популярную книгу по квантовой механике возможно, удовлетворит следующая расшифровка этого отношения. Одна сто тридцать седьмая есть отношение «радиуса» элек-тпона е2/т с2 к коыптоновской длине волны. Трудно сказать, объясняет ли это что-нибудь но, во всяком случае, помогает обращаться с величинами, важными в атомной физике, а главное, показывает, как можно получать безразмерные комбинации, составленные из мировых постоянных, электроны и протоны, а также, кроме того, нейтроны (вокруг них, правда, нет электрического поля, что засвидетельствовано в их названии), мы расскажем, почему отнюдь не все макроскопические тела суть макроскопические источники магнитного поля. В-третьих, мы попытаемся объяснить, почему различные тела ведут себя по-разному, если их подвергнуть воздействию магнитного поля. В-четвертых, мы подробно расскажем о телах, которые принято называть магнетиками. Среди них важное место занимают магниты, или ферромагнетики — макроскопические источники магнитного поля. Этот перечень не исчерпывает тему книги. Мы ничего или почти ничего не расскажем об ядерном магнетизме; совсем не коснемся происхождения магнитного поля Земли и других планет; обойдем вниманием увлекательные проблемы исследования магнитных полей в космосе. Умалчивая о магнитном поле Земли, мы ощущаем угрызения совести: ведь именно использование земного магнетизма в целях навигации (компас) было первым в истории цивилизации практическим применением магнитных свойств. И хотя строгие критерии оценки важности изобретений, к сожалению, отсутствуют, по-видимому, все согласятся, что компас — свободно вращающаяся магнитная стрелка — одно из важнейших человеческих изобретений. Успокаиваем мы себя, вспоминая мудрое изречение Козьмы Пруткова: «Нельзя объять необъятное». Действительно, нельзя! А магнетизм так же неисчерпаем, как природа. Эта книга, как и все книги библиотечки «Квант», рассчитана на школьников старших классов. Возможно, она покажется несколько сложнее своих «товарок» по библиотечке. Часто читателей отпугивают математические сложности. Мы об этом думали, но не могли не использовать векторы и действия с ними, понятия функции, ее производной и интеграла от нее. К более сложным математическим операциям мы не прибегаем. Некоторые математические действия мы специально вынесли в задачи. Те читатели, которые решат задачи, поймут прочитанное гораздо глубже, чем те, кто отложит решение задач на потом. Но главное, что нас волнует (в смысле контакта с читателей» это — не математические трудности. Главная трудность, которая, как нам кажется, ожидает читателя — обилие новых физических понятий. Большинство их мы постарались в тексте и в подстрочных примечаниях разъяснить; если неразъясненные понятия остались, мы просим нас извинить, и будем очень рады, если читатели не поленятся сообщить нам об этом через Издательство. Мы, естественно, будем благодарны всем замечаниям, возникшим при чтении, и надеемся, что те из них, с которыми мы согласимся, удастся учесть, если Издательство найдет нужным ‘переиздать «Природу магнетизма». Мы глубоко благодарны Андрею Станиславовичу Боровику-Романову и Людмиле Андреевне Прозоровой, чьи замечания мы постарались учесть и чья доброжелательность была нам поддержкой в трудные моменты работы над книгой. В оформлении рукописи нам помогла Инна Каганова, а рисунков Шевхи Мевлют, за что мы им весьма признательны.
|
