Электрические и магнитные явления

Электричество и магнетизм. Электрические и магнитные явления были известны в глубокой древности. Имеются письменные свидетельства, в которых упоминается о при-менении постоянных магнитов в качестве компасов, описывается притяжение и отталкивание магнитов (например, в произведении Лукреция «О природе вещей»). Древнегреческий мыслитель Фалес Милетский обнаружил электрические свойства натертого о шерсть янтаря (по-гречески – электрон), в результате чего он приобретает способность притягивать к себе легкие предметы.

Однако лишь в 1600 году английский ученый У. Гильберт впервые поставил на научную основу изучение электрических и магнитных явлений. В своем труде «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» он показал, что Земля – магнитный диполь, и установил невозможность разъединения двух разноименных полюсов магнита. Гильберт с помощью своего «версора» (первого электроскопа) обнаружил, что способностью наэлектризовываться обладает не только янтарь, но и алмаз, сапфир, опал, аметист, горный хрусталь, стекло и другие вещества. Это явление он назвал электричеством. С начала XVIII в. проводились систематические исследования с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины. Было установлено существование электрических зарядов двух родов, причем одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Эти свойства электрических зарядов четко различают понятия заряда и массы. Массу, ввиду ее гравитационного взаимодействия, можно рассматривать как гравитационный заряд. Опыты показывают, что гравитационные заряды, в отличие от электрических зарядов, всегда притягиваются (явление антигравитации отсутствует).

Б. Франклин (1706–1790) предложил принять соглашение, согласно которому все заряды одного типа (например, полученные при электризации стекла шелком) назвать положительными, а заряды противоположного типа – отрицательными. В 1750 году он разработал свою «унитарную» теорию электрических явлений, согласно которой электричество представляет собой особую тонкую «электрическую жидкость» (флюид). В каждом нейтральном теле всегда содержится определенное количество «электрической жидкости». Если по каким-либо причинам в теле появляется ее излишек, то тело заряжается положительно, когда ее недостает – отрицательно. В теории Франклина впервые высказана мысль о законе сохранения заряда. С созданием лейденской банки и электростатической машины стало возможным проведение многочисленных опытов по выявлению различных свойств электрических явлений. Было обнаружено, что некоторые тела способны удерживать заряды, а другие нет. Английский физик С. Грей (1666–1736) открыл в 1729 году явление электропроводности, установив, что электрический заряд может передаваться от одного тела к другому по металлической проволоке, но не может передаваться по шелковой нити. Он первый разделил все тела на проводники и непроводники электричества.

Аналогичная ситуация возникает и при изучении магнитных явлений, известных также в глубокой древности. Считали, что существуют два рода магнитных зарядов, называемых полюсами, причем одинаковые полюсы отталкиваются, а противоположные – притягиваются. Условно стали называть полюс магнитной стрелки, обращенный к геогра-фическому Северному полюсу Земли, магнитным N-полюсом, а противоположный – магнитным S-полюсом. Поведение магнитной стрелки (компаса) можно описать, зная, что Земля подобна гигантскому магниту, S-полюс которого расположен вблизи геогра-фического Северного и наоборот. Если электрический и магнитный заряды покоятся по отношению друг к другу, то между ними не действуют никакие силы. Поэтому элект-ричество и магнетизм являются совершенно несвязанными между собой явлениями до тех пор, пока рассматриваются только статические эффекты.

Магнитный заряд – вспомогательное понятие, вводимое при расчетах статического магнетизма (по аналогии с электрическими зарядами). Магнитные заряды, в отличие от электрических, реально не существуют. По теории магнетизма, магнитные явления не имеют других источников, кроме движущихся электрических зарядов, т.е. электрического тока. Гипотеза английского физика П. Дирака (1902–1984) о существовании в природе магнитного заряда, так называемого монополя Дирака, экспериментально пока не обнару-жен.

Основной закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон электростатики) был экспериментально установлен французским физиком Ш. Кулоном (1736–1866). По этому закону два точечных заряда  и , отстоящие друг от друга на расстоянии r, взаимодействуют с силой, определяемой формулой:

.                                                       (15)

Здесь  – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц (в СИ Нм²/Кл²).

Сила F – центральная, она направлена вдоль прямой соединяющей заряды.

Взаимодействие полюсов длинных и тонких магнитов, которые можно формально считать точечными магнитными зарядами, было исследовано Кулоном. Он пришел к заключению, что магнитные заряды взаимодействуют по тому же закону, что и элект-рические заряды, формула (15). Теория магнетизма, основанная на представлениях о магнитных зарядах и использующая чисто внешнее формальное сходство взаимодействия электрических зарядов, называется формальной теорией магнетизма. В основу этой теории положена формула

,

где  и  – точечные магнитные заряды;  – расстояние между ними.

Таким образом, то, что гравитационное, электрическое и магнитное взаимодействия описываются однотипными законами является опытным фактом. В чем же тогда различие между электрическими, гравитационными и магнитными зарядами? При попытке ответить на этот вопрос мы сталкиваемся с фундаментальным проявлением асимметрии природы, которая заключается в следующем.

1. Установлено, что электрический заряд квантован (дискретен), т.е. существует наименьший заряд, равный заряду электрона, и все заряды являются целыми кратными этого минимального заряда. Квантование заряда представляет собой удивительную загадку природы, неразрешенную современной физикой.

2. Дискретный характер имеет и гравитационный заряд, состоящий из структурных элементов (атомов или молекул). Однако невозможно указать наименьшую массу, кратное значение которой определяло бы произвольную массу.

3. Что касается магнитного заряда, то как указывалось выше, экспериментально он не обнаружен, тем более ничего неизвестно о его квантовании.

По-видимому, в невозможности выделения магнитных зарядов пролегает грань между электричеством и магнетизмом. Магнитные полюсы встречаются в природе лишь в виде диполей, то есть двух соединенных противоположных полюсов равной величины. Сколько бы раз ни разрезали магнитный диполь пополам, мы получим лишь новую пару диполей с равными по величине полюсами с дипольным моментом , где  – рас-стояние между полюсами.

Когда в декабре 1801 года Алессандро Вольта впервые демонстрировал на торжественном собрании Французского института, изобретенный им источник электрического тока, ни сам докладчик, ни присутствующие при этом крупнейшие французские ученые даже не подозревали о том, что главным направлением дальнейших исследований в науке явится электромагнетизм. Впрочем, это новое направление проявило себя лишь двадцать лет спустя в потоке необычайных новых открытий, «которые еще через полстолетия повлекли за собой мощный технический переворот», – писал советский физик Я.И. Дорфман.

Первый шаг в установлении связи между электрическими и магнитными явлениями сделал датский физик Х.К. Эрстед (1777–1851). В 1820 году он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики – электромагнетизма. В этом же году французский физик А. Ампер (1775–1836) установил закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера), разработал теорию магнетизма. Согласно его теории, все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию скрытых в телах так называемых круговых молекулярных токов, каждый из которых эквивалентен тонкому плоскому магниту. По Амперу, большой магнит состоит из огромного числа таких элементарных плоских магнитов с магнитным моментом , где   – сила тока, а  – площадь кругового тока. Таким образом, Ампер впервые указал, что маг-нитные явления обусловлены электрическими токами, а электродинамические силы в отличие от гравитационных и электростатических, не являются центральными. Ампер в объяснении электромагнитных явлений придерживался принципа дальнодействия (мгновенного действия на расстоянии через пустоту).

Новый этап в изучении электромагнетизма начинается с работ английского физика
М. Фарадея (1791–1867). В 30-х годах XIX в. им было введено понятие электрического поля, в 1845 году употребил термин «магнитное поле», а к 50-м годам окончательно сфор-мулировал концепцию реального электромагнитного поля. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самой оригинальной и плодотворной идеей Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона. У Ньютона и других ученых пространство выступало как пассивное вместилище тел и электрических зарядов, у Фарадея же пространство участвует в явлениях. «Надо иметь могучий дар научного предвидения, – писал Эйнштейн, – чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».

До Фарадея все взаимодействия (гравитационное, электрическое и магнитное) опи-сывались в рамках принципа дальнодействия, предложенного Ньютоном применительно к гравитации, и согласно которому взаимодействия распространяются мгновенно с беско-нечной скоростью. Фарадей отбросил понятие дальнодействия и считал, что взаимо-действие осуществляется через поле с конечной скоростью. Следует заметить, что эти идеи были сформулированы раньше, чем была открыта конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. С открытием Фарадеем физического поля материя стала существовать в двух видах – вещества и поля. Вещество дискретно и состоит из структурных элементов, имеющих массу покоя, а поле непрерывно и заполняет все пространство.

Таким образом, Эрстед и Ампер превратили электричество в магнетизм. Фарадей поставил перед собой задачу: превратить магнетизм в электричество. В 1831 году открыл явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока через контур проводника (). С электрическими и магнитными жидкостями было покончено, установлена единая природа электрических и магнитных явлений. Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказал тождественность известных тогда видов электричества: животного, магнитного, термоэлектричества, гальванического электричества. Стремление выяснить природу электрического тока привело его к экспериментам по прохождению тока через растворы кислот, солей и щелочей. Результатом этих исследований было открытие в 1833 году законов электролиза (законы Фарадея). Кроме большого практического применения, эти законы стали также важнейшим аргументом в пользу дискретного характера электричества.
Открытие Фарадеем явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле было первым доказательством электромагнитной природы света.   

Фарадей создал не только теоретические основы электромагнетизма, но и был одним из первых, кто использовал открытые законы на практике, в частности, он построил первый электрический генератор.

В развитие электродинамики внесли значительный вклад такие выдающиеся ученые, как американский физик Дж. Генри (1797–1878), положивший начало быстрому развитию электротехники. Он открыл явление самоиндукции, построил первый электрический двигатель и телеграф; Э. Вебер (1795–1878) разработал теорию взаимодействия движущихся зарядов, установил связь силы тока с плотностью зарядов и скоростью их упорядоченно-го движения; русский физик Э. Ленц (1804–1865) установил правило определения направления индукционного тока; Г. Ом (1787–1854) экспериментально открыл в 1826 году основной закон электрической цепи, связывающий между собой силу тока (I), напряжение (U) и сопротивление (R) формулой  (закон Ома) и многие другие.