Магнетизм

А. САВИН

Император Янг-Ти заблудился, преследуя врага, и, чтобы увереннее иlти по незнакомой стране, он изобрел колесницу, которую вела фигура духа, указывавшего всегда на юг...», а вот еще отрывок: «Ши-Хуан-ди построил в Сян-Яне дворец, ворота которого были сделаны из камня «ни-тши-ги», и если воин в железном панцире, или кто-либо со спрятанным оружием пытался пройти через ворота, они задерживали его на месте». Не правда ли, странные отрывки?.. Заимствованы они из двух китайских легенд, первая из которых возникла за 2000, а вторая за 200 лет до нашей эры. Однако в этих легендах есть одна истина, которая не может не вызвать наше восхищение умной древностью: ведь фигурка духа на колеснице Янг-Ти — это оригинальной формы компасная стрелка, а камень «ни-тши-ги», что в переводе значит «любящий камень», тот самый камень, из которого Ши-Хуан сделал ворота, — это ведь природный магнит, магнитный железняк, руда, обладающая замечательной способностью притягивать железо.

Разве не изумительно, что в такой глубокой, седой древности человек не только знал о существовании магнита, но даже умел им пользоваться. Кстати, самое слово «магнит» возникло по имени древнего города Магнезии в Малой Азии, близ которого находились богатые залежи той руды, с которой мы уже знакомы по замечательным воротам Ши-Хуана. Но если так бесконечно давно человек знал о существовании магнита, то в Европе первое научное исследование по магнетизму, принадлежащее англичанину Вильему Джильберту, появилось лишь в 1600 г.

Древний китайский компас.
Компасная стрелка, сделанная в виде «фигурки духа, указывающего всегда на юг».

*

Три столетия с лишним отделяют нас от момента выхода в свет труда Джильберта, а много ли проделала магнитная наука за это время? Раньше чем ответить на этот вопрос, сделаем небольшое отступление. Поговорим о магнитах, о которых каждый из нас читал и которые всем знакомы по школьным лабораториям или заводам. Напомним вам, что кроме естественных магнитов бывают и искусственные. Представителем естественных магнитов является хотя бы кусок того самого магнитного железняка, о котором шла речь. Но вот попробуйте какую-нибудь стальную полоску натереть естественным магнитом, и вы получите искусственный магнит. Вы намагнитите эту полоску.

Можно намагнитить нашу полоску, поместив ее в проволочную катушку и пустив по этой катушке ток. Выключив ток, мы обнаружим, что полоска стала магнитом. Значит, сталь обладает способностью сохранять магнитные свойства.

Обратим внимание на одну замечательную особенность каждого магнита: каких бы малых размеров он ни был, но два конца магнита — это два полюса, обладающие различными свойствами. В самом деле, магниты отталкиваются, когда вы их соедините одинаковыми полюсами, и притягиваются друг к другу, если соприкосновение происходит различными полюсами.

Магниты взаимно отталкиваются, когда их соединяют одинаковыми полюсами, и притягиваются друг к другу, если соприкосновение происходит различными полюсами.

Разломаем нашу полоску на мельчайшие кусочки, и мы увидим, что каждый кусочек — хотя бы он и был совсем крошечный — окажется, правда, миниатюрным, но все же целым магнитиком. В этом можно убедиться, посыпая магнитики железными опилками. Конечно, ничто не мешает нам предположить, что дробление наших кусочков, хотя бы и до молекулы, снова даст нам магнитики, но уже совсем маленькие, величиной с молекулу. Это предположение чрезвычайно важно, потому что оно подводит нас к современному представлению о магнетизме. Но об этом несколько позже, а теперь обратим внимание на следующее явление. Любой предмет из железа или стали легко притягивается даже слабым магнитом; больше того, стальной предмет, только что притянутый магнитом, сам намагничивается. Но ничего подобного не происходит ни с деревом, ни со стеклом, ни с большинством из тел, окружающих нас. Значит, магнитным свойством обладает лишь маленькая группа тел, а все остальные тела совершенно немагнитны? Оказывается, что это не так. Еще 90 лет назад великий физик Фарадей доказал, что буквально все тела природы не безразличны к магниту, что немагнитных тел нет вообще. Вспомним тот опыт, с помощью которого Фарадей пришел к выводу об универсальности магнетизма. Пусть мы имеем большой электромагнит, состоящий из подковообразной железной скобы, на концах которой помещены катушки из толстого провода; пропустив через эти катушки сильный ток, мы получим между, ними сильное магнитное поле, т. е. пространство, в котором действуют магнитные силы. Каждая же из катушек превратится в один из полюсов магнита.

Разломите намагниченную стальную полоску на мельчайшие части и вы убедитесь, что каждый кусочек — хотя бы он и был совсем крошечный — окажется целым магнитиком.

Возьмем теперь трубку из очень тонкого стекла и, наполнив ее тем или иным веществом, повесим на нити между полюсами нашего магнита. В зависимости от того, каким веществом наполнена трубка, она будет принимать в магнитном поле самые разнообразные положения, а это и даст нам возможность разобраться в магнитных свойствах веществ, ее наполняющих. Мы уже знаем, что железо, никель, кобальт и некоторые сплавы сильно притягиваются магнитом. Эти вещества были названы ферромагнитными. Заметим, что совсем недавно обнаружен новый ферромагнитный элемент «Гадолиний». Открытие это исключительно важно для теории магнитных явлений.

Алюминий, натрий, платина и некоторые другие вещества, которые мы поместили в поле магнита, хоть и притянутся магнитом, но настолько слабо, что даже очень сильный магнит и то еле заметно выведет трубку из ее положения. Вот такие вещества, которые хоть и притягиваются магнитом, но чрезвычайно слабо, получили название парамагнитных.

Но, оказывается, существуют такие вещества, которые, как это ни странно, отталкиваются магнитом. К ним относятся такие знакомые нам вещества, как вода, медь, газы и т. д. Трубка, наполненная этими веществами, правда, очень слабо, но все же повернется таким образом, что концы ее отойдут как можно дальше от полюсов магнита. Среди диамагнитных веществ своеобразным «чемпионом» является скромный металл висмут. Он отталкивается даже слабым магнитом. В обычных условиях мы не замечаем ни парамагнетизма, ни диамагнетизма; мы замечаем только в миллионы раз более сильный ферромагнетизм. Это и приводит нас к совершенно ошибочному выводу, что магнитна лишь маленькая группа веществ.

Оказывается, что магнитные свойства вещества вовсе не постоянны: они зависят от температуры тела, от механической обработки данного предмета; магнитные свойства вещества сильно изменяются от наличия посторонних примесей и т. д.

*

Очень интересно влияние температуры на магнитные свойства. С повышением температуры уменьшается способность намагничиваться почти у всех веществ, за исключением диамагнитных; в этом случае говорят, что магнитная чувствительность вещества, его восприимчивость падает при нагревании. Железо, например, или сталь при температуре около 800° внезапно теряют ферромагнитные свойства, превращаясь в парамагнетик. Эта температура называется точкой Кюри. На металлургических заводах часто можно встретить электромагнитные краны. Сравнительно простые по устройству, они с легкостью переносят с места на место многотонные железные и стальные грузы. И оказывается, что такой мощный кран становится бессильным перед раскаленной, но совсем не тяжелой болванкой.

Конечно, не только у железа или стали наблюдается такая потеря ферромагнитных свойств; при той или иной температуре это происходит у всех ферромагнитных веществ. Возникает вопрос: как же объяснить все эти явления, каковы система и механика этих явлений, в чем различие свойств ферромагнитных, парамагнитных и диамагнитных веществ? Над этим вопросом задумывались ученые с самого первого знакомства человечества с магнитом. Чем только ни пытались объяснить странные магнитные явления ученые всех времен! Считали, например, что в магните скрыта какая-то «душа», иные были убеждены в существовании таинственных «флюидов», истекающих из магнитных тел, наконец, возникла гипотеза магнитных жидкостей, совершенно невесомых и способных взаимодействовать с частицами тел. Ведь когда-то считали, что магнитны лишь немногие тела и что они-то и одарены какими-то особыми свойствами. Конечно, все эти гипотезы, совершенно несостоятельные и подчас даже вздорные, совершенно бессильны были ответить на основной вопрос — что же такое магнетизм? Вы помните, мы говорили раньше о том, что если бы нам удалось разбить магнит на отдельные молекулы, мы бы убедились в том, что каждая молекула является крошечным магнитиком. Но все то, что окружает нас, состоит из атомов и молекул, а если принять каждую молекулу за магнитик, то будет нетрудно объяснить и магнитные свойства вещества. Вот, когда физики пришли к такой точке зрения, многое стало понятно. Эта точка зрения, или молекулярная теория, объясняет нам, что все магнитики, т. е. молекулы магнита, расположены в нем как попало, беспорядочно, в самых различных направлениях, и в любой точке вещества; северные полюсы магнитиков нейтрализованы южными полюсами других магнитиков, лежащих вблизи.

Этот рисунок изображает древнего алхимика, который в своей «лаборатории» пытается разгадать «таинственные силы» магнетизма.

Под влиянием же постороннего магнита все или большинство из магнитиков нашего вещества изменяют свое направление, они повернутся своими северными полюсами к южному полюсу магнита. Когда все магнитики выстроятся параллельно друг другу, наступит так называемое насыщение.

Но нелегко, конечно, добиться того, чтобы все магнитики выстроились в колонну. Прежде всего этому мешает тепловое движение частиц. Молекулы твердого тела находятся в непрерывном колебательном движении. Чем выше температура тела, чем энергичнее движение частиц, тем, следовательно, труднее намагнитить тело. Действительно, ведь гораздо труднее построить в колонну быстро и беспорядочно бегущую толпу, людей, чем проделать то же самое с людьми медленно и спокойно идущими. По-видимому, чем ниже температура тела, тем его легче намагнитить.

Опыты, поставленные при чрезвычайно низких температурах, например при температуре жидкого воздуха (—190°) и при более низких температурах, показали, что в этих условиях очень легко довести тело до насыщения. Вот например, парамагнитное вещество, хлористый марганец, при температуре — 260° доходит до насыщения в слабых магнитных полях, а при комнатной температуре насыщение в этом веществе можно было бы получить лишь в чрезвычайно сильных магнитных полях. Но, с другой стороны, существуют вещества, которые совеем просто сильно намагнитить, — это ферромагнетики. Здесь, по-видимому, отдельные магнитики как-то связаны друг с другом и притом так, что тепловое движение не в силах нарушить их строй, их содружество. Однако при определенной для каждого ферромагнитного вещества температуре тепловое движение делается таким энергичным, что разбивает магнитный порядок частиц, и ферромагнитное вещество превращается в парамагнитное.

Все магнитики внутри вещества расположены беспорядочно, в самых различных направлениях. Северные полюсы магнитиков нейтрализованы южными полюсами других магнитиков, лежащих вблизи.

Под влиянием постороннего магнита все магнитики нашего вещества изменят свое направление. Они повернутся своими северными полюсами к южному полюсу магнита. Когда все магнитики выстроятся параллельно друг другу, наступит так называемое насыщение.

*

Вот собственно все то основное, что нам дала молекулярная теория, теория того периода, когда не был еще понятен атом, молекула, а следовательно и сам элементарный магнитик. Общая картина ясна, а детали ее были непонятны.

Вот до тех пор, пока физика не проникла в атом, не познала его конструкции, совсем не ясно было, чем же в основном отличаются различные категории магнитных веществ. Что такое атом? Это сложнейшая система мельчайших невидимых частиц. В центре атома помещается ядро, заряженное положительным электрическим зарядом. Вокруг ядра, как планеты вокруг солнца, кружатся по орбитам частицы отрицательного электричества — электроны. И ядро, и каждый электрон, подобно земле, вращаются вокруг своих осей. От ядра могут быть оторваны электроны и, наоборот, к нему могут присоединяться дополнительные электроны — и в том, и в другом случае атом превращается в заряженную частицу, ион. Атомы, как известно, сцепляются в молекулы, дают твердые, жидкие и газообразные тела.

В твердых телах частицы очень тесно связаны друг с другом; правильно чередуясь, они образуют так называемую пространственную решетку. В металле эта решетка построена из положительных ионов металла, причем электроны, отщепленные от атомов, свободные электроны, как их иначе называют, так и блуждают между ионами, обусловливая электропроводность и теплопроводность металла. Известно, что замкнутый электрический ток в кольцевом проводнике ведет себя в магнитном поле совершенно так же, как магнитная стрелка компаса. Электроны, окружающие атомное ядро, бегут с колоссальной скоростью по замкнутым орбитам. Но ведь электрический ток это и есть поток бегущих электронов. Следовательно, каждая орбита — не что иное как магнитик (маленькая магнитная стрелка). Эту точку зрения на магнитные явления впервые высказал знаменитый физик Ампер. В зависимости от того, какой диаметр данной орбиты, с какой скоростью движется электрон, — наш электрический магнитик будет обладать большими или меньшими магнитными свойствами. Магнитные свойства всего полюсового магнита и кольцевого проводника с током можно оценить особой величиной —  магнитным моментом. Величина магнитного момента для случая кольцевого проводника с током определяется величиной тех зарядов, которые движутся по проводнику, и размерами площади кольца. Следовательно, каждый вращающийся электрон обладает определенным магнитным моментом. Так как ядро атома окутано целой сетью таких орбит, то магнитный момент всего атома будет равен сумме моментов каждого элементарного магнитика. Последнее будет справедливо лишь для того случая, когда электроны вращаются в одном направлении и в одной или параллельной плоскости.

Конечно, для того чтобы точно определить этот магнитный момент атома, придется учесть не только те магнитики, о которых мы говорили, но нужно будет принять во внимание и то, что каждый электрон, помимо вращения по орбите, вращается вокруг собственной оси. Это вращение электрона также может повлиять на магнитные свойства атома и увеличить магнитный момент атома.

Представим себе, что мы учли все эти магнитики и сложили их моменты. В этом случае атом будет проявлять магнитные свойства. В том случае, когда электронные орбиты в атоме расположены в разных плоскостях, магнитики могут нейтрализовать, уничтожить друг друга, тогда магнитный момент атома будет равен нулю. Весь атом в целом будет магнитно-нейтрален. Вот эти два случая имеют принципиально важное значение при выяснении той магнитной категории, к которой нужно отнести данный атом.

*

Для определения магнитного момента атома физики Герлах и Штерн придумали следующий очень остроумный способ. Предположим, что нам надо определить магнитный момент атома металла лития. Помещаем кусочек металла в сосуд из тугоплавкого стекла; из сосуда предварительно выкачаем воздух. Теперь будем нагревать тот конец, где лежит кусочек металла, а другой конец сосуда, наоборот, сильно охладим. Литий будет испаряться, и молекулы его будут пролетать через прибор незаметной для глаз струйкой, оседая на холодной стенке прибора, в виде тонкой полоски. Поместим теперь середину прибора между полюсами мощного магнита. Мы увидим, что полоска наша стала широкой, размытой, быть может она превратится в две полосы. Значит, пролетевшие атомы имеют магнитный момент, и чем больше этот момент, тем шире станет полоска. В случае если полоска не расширится при наложении магнитного поля, то, следовательно, момент атома равен нулю, атом в магнитном отношении нейтрален.

Посмотрим теперь, как современная физика объясняем понятие диа-, пара- и ферромагнетизма. Оказывается, что вообще любое вещество диамагнитно. Если атом какого-либо вещества находится между полюсами магнита, то он начнет вращаться вокруг собственной оси как волчок. Но атом ведь — совокупность, система электрических зарядов. А мы уже знаем, что если такая система завертится как волчок, она вызовет вокруг себя магнитные силы. В результате наш атом намагничивается и, как показывает теория, намагнитится так, что вещество, построенное из таких атомов, будет диамагнитным. Но, собственно говоря, вещество останется диамагнитным только в том случае, если атом окажется магнитно-нейтральным, т. е. если момент его равен нулю. Если же магнитный момент не равен нулю, то совокупность атомов, образующих наше вещество, будет проявлять не только диамагнетизм, но и парамагнетизм. В зависимости от того, что из них будет сильнее, — вещество наше и будет либо диамагнитным, либо парамагнитным. В парамагнитном веществе при намагничивании его возникает та же картина, к которой пришла молекулярная теория: элементарные магнитики будут стремиться встать в определенный порядок, но их будет сбивать тепловое движение и т. д.

В современной технике колоссальную роль играют ферромагнитные материалы. Без преувеличения можно сказать, что для самых разнообразных отраслей электропромышленности решающим вопросом является обеспеченность производства теми или иными ферромагнитными металлами или сплавами. Чем же характерны ферромагнитные материалы? В чем их ценность?

Возьмем мышьяк и железо. Оказывается, что в поле даже слабого магнита железо намагничивается в 250 млн. раз сильнее мышьяка. А вот еще пример. Вы уже слышали о том, как трудно довести до насыщения парамагнитные вещества, знаете, что у диамагнитных веществ просто нет никакого насыщения. Но существует один ферромагнитный сплав, так называемый пермаллой, который намагничивается до насыщения даже в поле земного магнетизма. В практическом отношении исключительно важно другое свойство ферромагнитных веществ: способность ферромагнетиков задерживать, как бы сохранять в себе, намагничивание. Это свойство называется гистерезисом. В современной технике применяются самые различные свойства ферромагнитных материалов. В одном случае нужен такой материал, который бы легко намагничивался, но не имел гистерезиса. Такие материалы, например, нужны для изготовления динамо-машин. Для постоянных магнитов, например, для магнето в бензиновых моторах, наоборот, нужны сплавы с громадным гистерезиса.

Телефон, телеграф, электромашины всякого рода, электромагнитные краны, замечательные магнитные сепараторы, извлекающие металл из самых бедных руд и т. д. и т. п. — все эти чудеса техники рождением своим обязаны магнетизму —  тому чудесному свойству материи, природа которого еще далеко не разгадана. Но нет преград для пытливого ума человека, еще недолго — и эта крепость сдаст свои позиции. Трудно себе представить, как много даст технике эта победа!