тивоположных точках были ярко выражены полюсы. Перемещая магнитную стрелку вдоль меридиана, Гильберт наблюдал, как наклонение ее концов убывает от одного полюса к другому, а на экваторе становится равным нулю. И Гильберт сделал вывод, что магнитные силы сосредоточены в самой Земле. В наше время магнитное поле Земли уже объясняется процессами, которые должны происходить в ее ядре. Земля — гигантский магнит. Магнитные стрелки устанавливаются вдоль незримых линий, которые идут над поверхностью Земли от одного магнитного полюса к другому, и в каждой точке стрелка направлена по касательной к такой линии (рис. 1).
Книга Гильберта была началом науки о магнетизме, который привлекает внимание ученых вплоть до наших дней. Гильберт заметил, что при намагничивании железный стержень удлиняется. В 1847 г. Д. Джоуль исследовал это явление и обосновал закономерности магнитострикции — попеременного удлинения и укорачивания металлического стержня при перемагничивании. Магнит, указывал Гильберт, теряет свои свойства при сильном
нагревании (рис. 2). В 1895 г. Пьер Кюри установил зависимость магнитных свойств магнетиков от температуры, и в учении о магнетизме появилась точка Кюри. Если об этих свойствах известно не всем, то уж каждый знает, что, как ни разламывать магнит, в любом
его куске будет все равно два полюса. Это свойство магнита побудило исследователей задуматься, что же происходит в железе при его намагничивании?
Крутильные весы
Одноименные полюсы двух магнитных стрелок отталкиваются (рис. 3), противоположные притягиваются (рис. 4). Сила, с которой взаимодействуют полюсы магнита, была впервые определена с помощью крутильных весов. Весы эти изобрел Шарль Огюстен Кулон. Будучи саперным офицером французской армии, он все свободное время посвящал научным занятиям.
В 1779 г. Кулон удостоился приза Академии наук за работу о судовом компасе, а через два года был избран членом Академии. В 1784 г. он сконструировал крутильные весы (рис. 5), чтобы исследовать упругие свойства проволоки, и вначале вовсе не помышлял о магнитах. Потом же оказалось, что если на проволоку подвесить продолговатый магнит и к одному из его концов поднести конец другого магнита, то из-за их взаимодействия проволока начнет закручиваться, и это будет продолжаться, пока сила притяжения или отталкивания не уравновесится упругой силой закрученной проволоки.
Верхний конец проволоки закреплялся после того, как магнит, подвешенный на ее нижнем конце, был установлен вдоль магнитного меридиана. Угол закручивания проволоки определялся световым зайчиком, отраженным от зеркальца, которое было прикреплено к нижнему концу проволоки. Весы были установлены в стеклянном цилиндре. Деления на его стенках позволяли измерять расстояние между полюсами взаимодействующих магнитов. Так как при взаимодействии подвешенный магнит уклоняется от магнитного меридиана, то величина силы взаимодействия отличается от истинной, ибо в нем участвует магнитная сила Земли. Магнитную силу Земли можно учесть, замеряя угол закручивания проволоки, при котором подвешенный к ней магнит сохраняет свое положение после того, как другой магнит убран.
В результате исследований стало возможным утверждать, что величина силы взаимного действия двух магнитных полюсов пропорциональна их магнитным массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
F=m1•m2/R2,
где m1 и m2 — магнитные массы полюсов магнитов, а R — расстояние между ними.
Этот закон назван именем Кулона.
Но, изучая архивы английского ученого Генри Кавендиша, Максвелл обнаружил статью, из которой следовало, что тот еще раньше Кулона создал прибор, схожий с крутильными весами. Но Кавендиш не опубликовал свое открытие.
Закон Кулона внешне сходен с законом всемирного тяготения. Сила тяготения тел, как показал Ньютон, пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Случайное ли это совпадение? Этот вопрос возник давно, однако исчерпывающего ответа на него пока нет.
Кулону принадлежат весьма убедительные доводы, почему магнитная сила Земли лишь поворачивает магнитную стрелку, но не смещает ее. Силы взаимодействия между каждым из полюсов Земли и стрелкой равны по величине, приложены к ее концам, параллельны, но направлены в противоположные стороны. Силы, приложенные к телу таким образом, не могут его смещать. Их действие приводит к вращению тела. По мере приближения стрелки к направлению меридиана линии действия этих сил F1 и F2 сближаются, уравновешивают друг друга,
и стрелка устанавливается по магнитному меридиану (рис. 6).
Кулон полагал, что в железе при намагничивании образуются маленькие магнитики. В каждой частичке железа есть северный и южный магнетизм, и их можно отделить друг от друга. Заблуждение Кулона рассеял ирландский химик Ричард Кирван в 1797 г. Он предложил
рассматривать молекулы железа как природные магниты независимо от того, намагничено оно или нет. Когда железный брусок натирают от середины к краям противоположными полюсами магнита, магнитики-молекулы, подобно стрелке компаса, устанавливаются вдоль бруска и сам он становится магнитом (рис. 7). Такое представление объясняло, почему магнитную силу нельзя увеличивать в железном бруске беспредельно. Предел наступает, когда все магнитики-молекулы повернутся в одну сторону.
Таким образом, к началу XIX в. природу магнетизма стали усматривать в свойствах, присущих молекулам: намагничивание — это магнитная ориентация молекул в одном направлении.
Дальнейшие исследования магнетизма все теснее связывались с изучением электричества.
200