4. Взаимодействие движущихся электрических зарядов

Взаимодействие магнитов

Трудно найти человека, которого в детстве не поражали удивительные свойства магнита. На значительном расстоянии, прямо через пустоту (не воздух же ему помогает!) магнит способен притягивать тяжелые куски железа. Из гвоздиков и кнопок легко соорудить целые гирлянды. Не менее удивительно поведение магнитной стрелки компаса, упорно стремящейся повернуться на север, как бы вы ни вращали компас, стремясь сбить ее с толку. Пожалуй, только необыкновенные способности волчка могут соперничать с магнитом по действию на воображение.

Притяжение магнитов

Притяжение магнитов напоминает притяжение на расстоянии наэлектризованных тел. Недаром на протяжении многих веков их путали. Лишь Гильберту в конце XVI века удалось доказать, что это не одно и то же. В самом деле: магнит не нуждается в таких предварительных операциях, как трение, для того, чтобы притягивать. И эта способность его не исчезает с течением времени, как у наэлектризованных тел, если только не нагревать его очень сильно и не трясти.

Магниты могут как притягиваться, так и отталкиваться, подобно зарядам. Но вот что странно! Отделить северный магнетизм от южного, получить изолированный магнитный полюс никому не удалось, несмотря на то, что на это было затрачено немало усилий.

Исследования Гильберта

Притяжение магнитов обычно значительно превосходит притяжение наэлектризованных тел. По-видимому, именно поэтому им приписывались поистине чудодейственные способности, приписать которые более слабому электрическому притяжению не решались. Так, например, полагали, что магнит способен исцелять болезни^*, примирить мужа и жену и т. д.

^*(Вопрос о влиянии магнитного поля на растения и животных обсуждается сейчас с новым интересом.)

Как и в случае электрического притяжения, научного исследования свойств магнитного взаимодействия длительное время не велось. Чего, например, стоило удивительное мнение, что действие магнита прекратится, если натереть его чесноком. Лишь начиная с Гильберта исследование магнитов было поставлено на строгую научную основу. Именно Гильберт догадался, что земной шар является гигантским магнитом, и поэтому магнитная стрелка ориентируется определенным образом. Гильберт сумел подтвердить свою догадку экспериментально, намагнитив большой железный шар (он назвал его "терелла" - маленькая Земля) и наблюдая его действие на стрелку. Положение небольших магнитов по отношению к терелле Гильберт изобразил на рисунке в книге "О магните".

Количественно взаимодействие магнитов изучил Кулон, используя тот же метод, что и при изучении взаимодействия зарядов. Кулон нашел закон взаимодействия полюсов длинных магнитов, рассматривая полюса как места сосредоточения магнитных зарядов - аналогов зарядов электрических. Закон этот оказался в точности таким же, как и закон взаимодействия электрических зарядов. Невозможность разделить северный и южный полюса магнита Кулон объяснял неспособностью магнитных зарядов противоположного знака внутри молекул вещества свободно передвигаться из одной молекулы в другую.

Можно было думать (сам Кулон так и думал), что здесь мы имеем дело с таким же фундаментальным законом, как и в случае взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Введя новую величину - магнитный заряд, - Кулон считал, что открытие закона взаимодействия магнитных зарядов исчерпывает проблему магнетизма. Никаких видимых оснований сомневаться в этом не было. Действовал Кулон по готовому "шаблону" - закону Ньютона для взаимодействия гравитационных масс. Почему же, спрашивается, этот "шаблон" в одном случае мог привести к открытию нового фундаментального закона, а в другом - нет?

Электрический ток и "животное электричество"

В действительности все оказалось гораздо сложнее. Природа сумела преподнести здесь исследователям один из своих очередных сюрпризов, на которые она весьма и весьма щедра. Человеческому воображению за ней трудно угнаться. Разгадка магнетизма пришла совсем с другой стороны. Это случилось после того, как научились создавать электрический ток - поток движущихся электрических зарядов - значительной силы, продолжающийся достаточно большое время. История этого открытия не лишена интереса и связана с поисками так называемого "животного электричества".

Все началось с разряда лейденской банки - этого первого конденсатора. Открывший это явление Мушенброк первым испытал на себе самом действие электрического разряда. "Рука и все тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу, - сообщает Мушенброк. - Одним словом, я думал, что пришел конец". Он даже советует друзьям "самим никогда не повторять этот новый и страшный опыт".

В действительности этот опыт не так уж страшен: кратковременный электрический ток, возникающий при разряде банки, не опасен для жизни. Как бы то ни было, физиологическое действие электрического разряда сразу же приковало к себе всеобщее внимание. Наряду с многими ценными наблюдениями возникла масса примитивных теорий, объясняющих и жизнь, и болезни, и смерть действием электричества. Интересные и верные открытия перемежались с самыми забавными заблуждениями. Так, правильно было объяснено поражающее действие электрического ската и других электрических рыб как явление, аналогичное разряду лейденской банки. Но одновременно с этим действительно существующим "животным" электричеством обнаруживали "электрических" людей, птиц, домашних животных. Здесь экспериментаторов вводило в заблуждение электричество, возникающее при трении одежды людей, перьев или шерсти животных.

Электрический ток и 'животное электричество'

В этой обстановке тщательно обдуманные опыты выдающегося экспериментатора Гальвани позволили сделать фундаментальное открытие. Правда, самому Гальвани не удалось правильно истолковать свои собственные опыты, но повторивший их Вольта оказался способным к великому открытию, сразу давшему мощный толчок всему развитию учения об электромагнетизме.

Первое открытие возникло случайно. "Я разрезал и препарировал лягушку, как указано на рис. 2 таблицы I,- пишет Гальвани, - и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина, рис. 1, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от нее. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. (Причем это происходило в тот момент, когда из кондуктора машины извлекалась искра. Прим. авт.) Тогда я зажегся, - продолжает Гальвани, - невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрыто".

Вскоре Гальвани заметил, что сокращение лягушечьей лапки, соединенной с громоотводом, происходило во время ударов молнии и даже при появлении грозовых облаков.

По существу в этих опытах впервые наблюдалось явление электромагнитной индукции, открытое впоследствии Фарадеем. Но в то время дать верное объяснение происходящему было еще невозможно. Открытие, сообщившее мощный толчок развитию электромагнетизма, состояло в другом.

Гальвани пытался обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Для этого он повесил препарированную лягушку на железный забор, причем медный крючок проходил через спинной мозг лягушки. Прижимая крючок к перилам, Гальвани обнаружил сильное сокращение мышц. К счастью, он сумел догадаться, что дело здесь не в атмосферном электричестве. Сокращение наблюдалось всегда, когда прикасались к лапке лягушки двумя разнородными металлами, находящимися между собой в контакте.

Зная, что сокращение мышц возникает при электрическом разряде, Гальвани решил, что открыл животное электричество, вырабатываемое в организме. Металлический проводник, думал Гальвани, позволяет электричеству быстро переходить из одних частей мышцы в другие, что и вызывает сокращение.

Правильное объяснение открытому явлению дал соотечественник Гальвани Вольта. Это объяснение привело Вольта к созданию первого источника постоянного тока. В этом-то, в основном, и состояло все значение для физики открытия Гальвани. Вольта осенила блестящая догадка. Лягушечьи лапки - это лишь чувствительный "животный электрометр", более чувствительный, чем любой другой, и только. Источником же электрического тока служит контакт двух разнородных металлов, приведенных в соприкосновение с электропроводящей жидкостью животных тканей. Отсюда Вольта извлек идею первого гальванического элемента: набор медных и цинковых кружочков, переложенных смоченным соленой водой сукном. Это был "вольтов столб" - "самый замечательный, - по словам Араго, - прибор, когда-либо изобретенный людьми, не исключая телескопа и паровой машины".

Любопытно, что ни сам Вольта, ни его современники не имели ни малейшего представления о том, как и почему данный прибор работает. Впрочем, для развития науки в то время это было не так уж важно. Главное, что вольтов столб позволял получать достоянный электрический ток, т. е. имел способность приводить в движение электрические заряды внутри проводника. Объяснение его действия было дано не скоро. Не будем останавливаться на нем и мы.

Открытие Эрстеда

Вольтов столб оказался поистине "рогом изобилия". Новые открытия непрерывно следовали друг за другом. Дэви разложил током щелочи и получил металлический натрий и калий, Петров открыл электрическую дугу, и т. д. Наконец, Эрстед в 1820 г. сделал самое важное открытие. Поместив магнитную стрелку вблизи провода с током, Эрстед обнаружил, что она поворачивается.

Причем это уже не было случайным открытием. Еще в 1807 г. Эрстед поставил себе целью изучить, оказывает ли электричество какое-либо воздействие на магнит. "Настойчивость, с которой он... стремился к своей цели, была вознаграждена открытием одного факта, существование которого никто, кроме него, даже отдаленно не мог предполагать, но который, став известным, не замедлил привлечь внимание всех, могущих оценить его важность и значение" (М. Фарадей).

Между случайно открытой пастухами древности удивительной способностью кусков железа притягиваться на расстоянии и подрагиванием лягушечьей лапки в опытах Гальвани была найдена прямая связь. Магнетизм и электричество обнаружили глубокое родство, и это было доказано прямым опытом. Причем к покоящимся зарядам магнитная стрелка оставалась совершенно равнодушной. Лишь движущиеся заряды способны были пробудить в ней "родственные эмоции". Магнетизм связан не со статическим электричеством, а с электрическим током.

Магнитное взаимодействие есть взаимодействие электрических токов

Открытие Эрстеда почти тотчас же позволило решить загадку магнетизма и одновременно найти еще один - наряду с кулоновским - фундаментальный тип взаимодействия электрических зарядов. Все это сделал один человек - Ампер - буквально в несколько месяцев сразу же после знакомства с опытом Эрстеда. Интересен ход мысли этого гениального человека, запечатленный в его сообщениях, которые следовали одно за другим во Французской академии наук. Сначала под непосредственным впечатлением от наблюдения поворачивающейся вблизи тока магнитной стрелки Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, обтекающими Землю в направлении с запада на восток. Главный шаг был сделан. Магнитные свойства тела можно объяснить циркулирующим внутри него током. Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Этот решающий шаг от возможности объяснения магнитных свойств токами к категорическому утверждению, что магнитное взаимодействие - это взаимодействие токов, - свидетельство большой научной смелости Ампера.

Согласно гипотезе Ампера, внутри молекул, слагающих вещество, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи расположены хаотически друг по отношению к другу, то их действие взаимно компенсируется, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы строго определенным образом, так что их действия складываются.

Там, где Кулон видел неразделимые магнитные полюса молекул, оказались просто замкнутые электрические токи. Неразделимость магнитных полюсов полностью потеряла свою загадочность. Нет магнитных зарядов, и нечего делить. Магнитное взаимодействие обусловлено не особыми магнитными зарядами, подобными электрическим, а движением электрических зарядов - током.

Любопытно, что плодотворность идеи единства сил природы нигде, пожалуй, не проявилась так отчетливо, как при формулировке основных законов электромагнетизма. Вдохновленный этой идеей, Эрстед поднес магнитную стрелку к проводнику с током, а Ампер сумел мысленным оком увидеть внутри магнитного куска железа электрические токи. Эта же идея привела впоследствии Фарадея к новому величайшему открытию - открытию электромагнитной индукции.

Закон Ампера

Ампер не только догадался, что при изучении магнитного взаимодействия нужно прежде всего исследовать взаимодействие электрических токов, но сам тут же занялся экспериментальным исследованием этого взаимодействия. В частности, установил, что токи одного направления притягиваются, а противоположно направленные - отталкиваются. Взаимно перпендикулярные проводники не действуют друг на друга.

Напряженные усилия увенчались в конце концов полным успехом. Ампер открыл закон механического взаимодействия между электрическими токами, решив тем самым проблему магнитного взаимодействия. Тот закон взаимодействия полюсов магнитов, который Кулон считал фундаментальным, оказался одним из бесчисленных следствий открытия Ампера. "Все в совокупности, - писал об Ампере Максвелл, - и теория и эксперимент, как будто появились в полной зрелости и полном вооружении из головы "Ньютона электричества". Эти исследования закончены по форме, идеальны по точности и резюмированы в формуле, из которой могут быть выведены все явления и которая навсегда должна остаться фундаментальной формулой электродинамики".

Мы не будем подробно рассказывать о тех экспериментах, которые привели Ампера к открытию взаимодействия токов, как это сделали для несравненно более простого случая взаимодействия неподвижных зарядов. Да нам и нет нужды формулировать закон Ампера для токов, как это было сделано им самим. Ведь электрический ток - это не что иное, как поток движущихся электрических зарядов. Значит, взаимодействие токов - это не что иное, как взаимодействие движущихся зарядов. Таким образом, наряду с взаимодействием Кулона, которое определяется только величиной зарядов и расстоянием между ними, при движении зарядов возникает новый тип взаимодействия. Оно определяется не только зарядами и расстоянием, но и скоростями движения зарядов. Впервые в физике были открыты фундаментальные силы, зависящие от скоростей!

Сила взаимодействия движущихся зарядов пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, как и в законе Кулона, но сверх того еще зависит от скоростей этих зарядов и направления их движения^*. В открытии этого закона - весь смысл предыдущих усилий.

^*(Надо, разумеется, иметь в виду, что эти силы действуют наряду с кулоновскими, которые при движении отнюдь не исчезают.)

Магнитные силы существенно отличаются от электрических еще в одном отношении. Они не имеют центрального характера, как кулоновские и гравитационные. Это обнаружилось уже в опытах Эрстеда: магнитная стрелка не притягивалась к проводу и не отталкивалась от него, а поворачивалась. Открытая Ампером сила действует на движущиеся частицы в направлении, перпендикулярном их скорости.

Силы магнитного взаимодействия частиц гораздо слабее кулоновских в обычных условиях. Лишь при скоростях частиц, приближающихся к скорости света, они становятся сравнимыми. Тем не менее силы взаимодействия токов могут достигать очень большой величины. Достаточно вспомнить, что именно эти силы приводят во вращение якорь любого электромотора, даже самого большого. Более мощные кулоновские силы почти никак не проявляют себя в технике. Все дело в том, что мы можем создавать очень большие токи, т. е. приводить в движение (правда, сравнительно медленное) громадные количества электронов в проводниках. Создать же очень большие электростатические заряды не удается. Как это ни покажется странным, магнитные взаимодействия по сути дела только в технике играют основную роль (вспомним электромоторы). В природе же их роль по сравнению с кулоновскими, как мы увидим в дальнейшем, довольно скромна. Ведь это силы взаимодействия токов, которые редко в природе достигают большой величины.

Открытие Ампера расширяет наши представления об электрическом заряде. Обнаруживается новое фундаментальное свойство зарядов: способность взаимодействовать с силами, зависящими от скоростей движения.

Протезирование зубов для пенсионеров по полису омс. Что положено по полису омс Нава.