1. Как проявляются электромагнитные силы?

Предвидя недоумения

Авторы отдают себе отчет в том, что глава без номера" не только может вызвать недоумение читателя, но, пробудив ассоциации с гоголевским "днем без числа", навести на нелестные для книги сравнения. И если авторы все же идут на риск, то делается это не без основания. В этой главе не вводится никаких новых сил: в ней рассказывается о тех же электромагнитных взаимодействиях, которым посвящена предыдущая глава. Но там внимание было сосредоточено на принципиальных вопросах, касающихся самой природы электромагнитных сил. Теперь же мы попытаемся рассказать, как немногочисленные, в сущности, "основные законы бытия" электромагнитных полей позволяют единым образом разобраться в широчайшем круге явлений - от самых обыденных до таких, которые с полным правом называют величественными.

Недоумение

Итак, мы продолжаем рассказ об электромагнитных силах. Продолжаем, но в то же время начинаем новый рассказ. Поэтому - новая глава, хотя она и без номера.

Как проявляются электромагнитные силы

Может быть, вы помните, как в пьесе Горького "Варвары" на вопрос Дробязгина: "А добродетели тайные бывают?" - стареющий циник Цыганов отвечает: "Они, должно быть, всегда таковы... Я не видел явных добродетелей".

С гораздо большим основанием подобного рода ответ мог бы быть дан на вопрос: "А бывают ли в природе неявные (скрытые) проявления электромагнитных сил?" Здесь со спокойной совестью можно утверждать: почти всегда мы имеем дело с неявными проявлениями этих сил, хотя, правда, каждый из нас может сказать, что он встречался и с явными проявлениями.

Положительные и отрицательные заряды, точнее, положительно и отрицательно заряженные частицы, за редкими исключениями оказываются связанными друг с другом, образуя нейтральные тела. Причем связь эта обычно осуществляется в самых глубинах материи - в атомах. Лишь здесь непосредственное взаимодействие с помощью кулоновских сил является определяющим. Но это взаимодействие запрятано настолько глубоко, что обнаружить его можно только с помощью сложных физических приборов. В остальных же случаях мы преимущественно встречаемся с электромагнитными взаимодействиями между нейтральными системами (атомами и молекулами). Это взаимодействие связанных зарядов, при котором электромагнитные силы уже не выступают в такой простой форме, как в законах Кулона и Ампера. Поэтому такие проявления электромагнитных сил мы будем называть неявными. Заряженные частицы в свободном состоянии встречаются значительно реже, чем в связанном^*. Случаи, когда в природе на наших, так сказать, глазах заряженные тела взаимодействовали бы по Кулону, а токи - по Амперу, сравнительно редки. Не случайно ведь на протяжении многих веков уже после возникновения цивилизации люди жили в окружении сил электромагнитной природы, нимало не подозревая, что упругость, трение и т. д. - это разные выражения одних и тех же в своей основе сил.

^*(Кстати, термины свободные и связанные заряды являются вполне официальными.)

Когда электромагнитные силы становятся короткодействующими

Электромагнитные силы между связанными в нейтральные системы зарядами оказываются короткодействующими. Они убывают с расстоянием несравненно быстрее, чем кулоновские или ньютоновские. Поэтому эти силы становятся заметными только на очень малых расстояниях, при непосредственном, как принято говорить, контакте тел. Здесь оказывается замаскированным тот факт, что в действительности взаимодействие между телами всегда осуществляется на расстоянии посредством электромагнитного поля и никакого прямого контакта по существу нет.

Открытые давно, но наблюдаемые только в особых условиях, явные взаимодействия казались курьезом, не связанным тесно с обыденными явлениями. С полной очевидностью эти силы действовали без всякого контакта через пустоту.

Противоположно заряженные частицы сами собой образуют связанные состояния, прекращая при этом оказывать заметное влияние даже на своих близких соседей. Только ближайшие соседи оказываются удостоенными их внимания. Одновременно заряды в таких состояниях теряют способность перемещаться в электромагнитном поле независимо друг от друга, не могут образовывать электрический ток проводимости.

Аналогичного эффекта добивалось правосудие отдаленных времен, сковывая преступников попарно цепью. Они после этого делались безопасными для окружающих и не могли убежать. Практика такого рода была обычной:

 "Поймали нас - и кузнецы
 Нас друг ко другу приковали", -

рассказывает разбойник в одной из поэм Пушкина.

В атоме такой цепью, приковывающей электроны к ядру, служит электрическое поле.

Короткодействующие электромагнитные силы

Наше сравнение не поясняет, конечно, почему нейтральные тела не обнаруживают в обычном состоянии электромагнитных взаимодействий на сколько-нибудь значительном расстоянии. Дело здесь само до себе несложное. Вот, например, простейшая нейтральная система - электрический диполь: два одинаковых заряда противоположных знаков на небольшом расстоянии друг от друга. В точке, удаленной от диполя на расстояние, много большее длины диполя, электрические поля положительного и отрицательного зарядов почти одинаковы, а направлены чуть ли не в противоположные стороны. Поэтому полное поле (сумма двух полей) весьма мало. У диполя электрическое поле убывает обратно пропорционально кубу расстояния, а у более сложных нейтральных систем еще быстрее.

Говоря иными словами, почти все электрическое поле сосредоточено между зарядами: силовые линии перекинуты от одного заряда к другому и как бы стягивают их вместе. На большом расстоянии от диполя электрического поля, можно считать, нет^*. Все поле оказывается сосредоточенным внутри нейтрального тела и на самой его периферии.

^*(Это справедливо для статического диполя, заряды которого не смещаются по отношению друг к другу. При быстром колебании зарядов диполь будет излучать электромагнитные волны.)

Не всегда хорошо начинать с простого

В нашем рассказе о действии электромагнитных сил в природе мы будем почти всегда иметь дело с неявными их проявлениями. Такие случаи, как молния или разряд электрического ската, огни святого Эльма и т. д., - это интересные, а зачастую и грозные явления, но все они не идут по своей значимости ни в какое сравнение с такими явлениями, как упругость, трение и т. д.

Можно было бы начать рассказ со случаев, когда мы имеем дело со свободными электрическими зарядами, осевшими на телах или перемещающимися между ними. Но свободное электричество возникает из электричества связанного и не существует в природе долго в этом состоянии, если не касаться состояния вещества при очень высоких температурах^*. Поэтому, чтобы прийти к возникновению такого явления, как молния, нужно отправляться от связанных зарядов в нейтральных телах. Начать придется все-таки с этого, хотя неявные проявления электромагнитных сил и сложнее, чем явные. Иначе удастся только понять, как протекают отдельные простые электромагнитные процессы, но как и почему они возникают, почему они не длятся бесконечно долго, останется неясным.

^*(При очень высоких температурах вещество переходит в состояние плазмы, с полным правом называемое учеными четвертым состоянием вещества наряду с твердым, жидким и газообразным.)

Может быть обо всем этом и не стоило говорить столь подробно, если бы не одно обстоятельство. В электротехнике, откуда в основном черпает представления об электромагнитных силах современный человек, используются преимущественно свободные заряды, причем заряды в движении - электрический ток. Электростатические силы человеку не удалось приручить до сих пор, хотя они несравненно мощнее магнитных. Из-за этого невольно возникают часто превратные представления о значении различного рода сил в окружающем нас мире. Природа гораздо экономнее в использовании электромагнитных сил, ибо во всех почти случаях "предпочла" силы электрические (кулоновские) как более мощные, сведя роль магнитных сил на Земле до минимума. Природа, можно сказать, оказалась более изощренным "инженером", чем люди. О том, как она это делает, мы и постараемся здесь рассказать. Технических применений законов электродинамики мы постараемся не касаться: наша задача - в первую очередь рассказать о силах в природе.