Чем это объяснить? | ТМ 1938-08/09

Проф. член-корр. Академии наук А. В. ШУБНИКОВ

Давно, когда я был еще студентом, одна учительница рассказала мне о том, что у нее в физическом кабинете есть непослушные магнитные стрелки. С такими стрелками заранее нельзя столковаться, будут ли они притягиваться или отталкиваться разноименными полюсами. Учительница призналась, что не знает, чем объяснить это странное явление. Я высказал предположение о том, что в данном случае мы, очевидно, имеем дело с неправильной раскраской полюсов. Тут я вспомнил, что полюса стрелок, собственно, не раскрашиваются (с одного полюса счищается синяя окалина стали), и замял разговор об этом. Полагая, что моя хитрость осталась необнаруженной, я вернулся домой и, обложившись учебниками элементарной физики, стал докапываться до истины. Результатами сих «научных изысканий» я и хотел бы поделиться со своими читателями.

Пусть мы имеем два совершенно одинаковых бузинных шарика, подвешенных на шелковинках. Если оба шарика зарядить равными количествами электричества одного знака и поднести шарики друг к другу, то они, как и полагается по закону Кулона, будут взаимно отталкиваться. Так же благополучно обстоит дело и с притяжением шариков друг к другу, если они заряжены равными количествами электричества обратных знаков.

Каверзы начинаются, когда один шарик заряжен, а другой не заряжен. По закону Кулона, в этом случае как будто шарикам не полагается ни притягиваться, ни отталкиваться, так как а формуле Кулона

$F=\frac{q_1\cdot q_2}{r^2}$

сила взаимодействия $F$, равная произведению обоих зарядов $q_1\cdot q_2$ разделенному на квадрат расстояния между центрами шариков, должна быть равна нулю, потому что один из множителей, например $q_1$, равен нулю. В действительности же шарики обнаруживают слабое притяжение. Еще хуже обстоит дело, когда шарики неодинаковы и заряжены разным количеством электричества. В этом случае одноименно заряженные шарики то отталкиваются, то почему-то притягиваются. Чем же все это объяснить?

Суть дела заключается в том, что закон Кулона справедлив только для зарядов, сосредоточенных в точке, а точка, как известно, не имеет размеров. Следовательно, закон Кулона справедлив только при теоретических расчетах. В том же случае, когда заряжены тела определенных размеров, их взаимодействие складывается из взаимодействия бесконечного множества пар точечных зарядов. Поэтому не всегда можно заранее определить, будут ли тела притягиваться или отталкиваться. Например, возможен такой случай. Тело $A$ предварительно было заряжено десятью условными единицами положительного электричества (см. рисунок), а тело $B$ — одной единицей электричества того же знака. В результате индукции в теле $B$ возникает, скажем, еще пять положительных и столько же отрицательных единиц электричества. Все шесть положительных единиц тела $B$ отталкиваются десятью единицами тела $A$ и распределяются в дальнем правом конце тела $B$, а пять его отрицательных единиц притянутся телом $A$ и расположатся в левой части тела $B$. После такого распределения сила притяжения между более близко расположенными разноименными зарядами тел $A$ и $B$ может оказаться больше силы отталкивания, и тела будут сближаться, хотя первоначальные заряды обоих тел были положительны.

Подобные же явления могут наблюдаться и с магнитами.

Намагниченное тело можно представить себе состоящим как бы из очень маленьких (элементарных) магнитов, все южные полюсы которых обращены в одну сторону, а северные — в другую. Возьмем сильный магнит и прикоснемся к его северному полюсу северным концом магнитной стрелки. Тогда южные полюсы элементарных магнитиков стрелки притянутся к северному полюсу большого магнита, т. е. северный полюс стрелки станет южным.

Не исключена возможность, что стрелка при этом перемагнитится окончательно и будет вести себя в опытах не так, как этого желает педагог.