«Письмо о магните»
Первая публикация о свойствах магнита, которую можно считать научной работой, уносит нас в 1269 год, в военный лагерь армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Именно оттуда французский философ и естествоиспытатель Пьер де Марикур отправил приятелю в Пикардию документ, который вошел в историю науки как «Письмо о магните».
Рис. 1. Рисунок компаса XIV столетия из книги «Письмо о магните» де Марикура (1269)
Необходимо отметить, что в упомянутый период среди образованной части населения Европы и Востока было очень модно размышлять о вечных двигателях. Исследователи опирались на эффект силы тяжести, под влиянием которой откидывались противовесы на колесах (рис. 2) либо переливалась ртуть в размещенных по периметру колеса сосудах (рис. 3).
Рис. 2. Пример «вечного двигателя»
Рис. 3. «Пример вечного двигателя»
Работа самодвижущего устройства Пьера де Марикура основывалась на использовании магнитных сил. Вот почему он уделил столько внимания исследованию магнитов.
Полюса магнита
Марикур указывает, что в каждом куске магнита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо.
Рис. 4. Области, особенно сильно притягивающие железо
Он усмотрел параллель между этими зонами и полюсами небесной сферы, и поэтому мы теперь говорим о северном и южном магнитных полюсах.
Если разбить кусок магнита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются собственные полюса (рис. 5). То есть невозможно отделить полюса магнита друг от друга.
Рис. 5. Полюса магнита
После появления книгопечатания труд Пьера де Марикура много раз издавался отдельной брошюрой. Его с уважением цитировали многие натуралисты вплоть до XVII столетия.
Вклад У. Гильберта в теорию магнитного поля
С трудами Пьера де Марикура был знаком и английский придворный врач Уильям Гильберт (рис. 6). Как врач ее величества, Гильберт увлекался модным на тот период исследованием весьма сомнительного «омолаживающего эффекта малых порций магнита». Именно по этой причине он и занялся изучением свойств магнитов. Он проделал более 600 опытов в свободное от работы время.
Рис. 6. Уильям Гильберт (1544–1603)
В 1600 году, уникальном в историческом смысле, вышел его труд «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». В этой книге Гильберт не только привел практически все известные сведения о свойствах природных магнитов и намагниченного железа, но и описал собственные опыты, например с шаром из магнетита, с помощью которых он воспроизвел основные черты земного магнетизма. Он обнаружил, что на обоих магнитных полюсах такой «маленькой Земли» компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе – параллельно, а на средних широтах – в промежуточном положении (рис. 7).
Рис. 7. Расположение магнитной стрелки в разных частях Земли
Тот магнитный полюс стрелки, который притягивается к географическому северному полюсу Земли, назвали северным. Противоположные магнитные полюса притягиваются, поэтому, вблизи географического северного полюса находится магнитный южный полюс
Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали уже более полувека. Также Гильберт обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, он первым провел четкую границу между притяжением магнетита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского названия янтаря electrum). Он развел «по углам» электричество и магнетизм. Несмотря на то что это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками, после Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало.
Рис. 8. Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806)
В 1785 году известный нам уже Шарль Кулон (рис. 8) посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними – точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами.
Опыты Эрстеда. Открытие электромагнетизма
Когда будущий автор «Голого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним подростком добрался до Копенгагена, он обрел друга и покровителя в лице своего двойного тезки, ординарного профессора физики и химии Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда (рис. 9). И оба прославили свою страну на весь мир.
Рис. 9. Ганс Христиан Эрстед (1777–1851)
Многие ученые того периода находились под влиянием философских концепций Шеллинга, которые заключались в том, что все силы в природе возникают из одних и тех же источников. Поэтому Эрстед начиная с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом. Это удалось сделать весной 1820 года, во время очередной лекции по электричеству.
Рис. 10. Опыт Эрстеда, проведенный в 1820 г.
Эрстед на лекции демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба, для чего составил электрическую цепь. На демонстрационном столе случайно находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто-то из студентов присутствующих на лекции случайно заметил, что, когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону. Начались исследования обнаруженного феномена. Для начала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта.
Опыты Эрстеда
1. Магнитные стрелки располагаются на подставке с иглой и могут свободно вращаться. В свободном состоянии они ориентируются по меридиану Земли, однако, поскольку все они обладают магнитными свойствами, они влияют друг на друга и ориентированы хаотично. Между стрелками расположим проводник из немагнитного материала (медь, алюминий). Проводник соединим через ключ с источником постоянного тока. Пока цепь разомкнута и в проводнике нет тока, стрелки не реагируют на присутствие провода. При замыкании цепи стрелки стремятся развернуться таким образом, чтобы быть ориентированными по касательной к окружности, центром которой является проводник (рис. 11).
Рис. 11. Опыт Эрстеда
Изменим полярность подключения провода. При смене направления тока в проводнике мы увидим, что стрелки опять стремятся развернуться таким образом, чтобы быть ориентированными по касательной к окружности, центром которой является проводник, но при этом их полюса меняются местами.
2. Далее Эрстед проверяет действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. Оказывается, что металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретают их, когда через них протекает электрический ток.
3. Когда Эрстед ставил провод вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на него, а располагалась как бы по касательной к окружности, центром которой является проводник. При этом стрелки, которые находились в диаметрально противоположных точках окружности, были ориентированы противоположно друг другу (рис. 12).
Рис. 12. Магнитное поле проводника с током
Это натолкнуло Эрстеда на идею о том, что действие проводника с током на магнитные стрелки носит вихревой характер, так как именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.
Из опытов Эрстеда вытекают следующие выводы:
- Электричество и магнетизм тесно связаны друг с другом.
- Электрический ток оказывает магнитное действие.
- Вокруг проводника с током возникают магнитные силы, или, говоря современным языком, возникает магнитное поле.
- Магнитное поле вокруг проводника с током носит вихревой характер.
Опыт Эрстеда доказывал не только связь между электричеством и магнетизмом. Электрические и магнитные силы больше не рассматривались по отдельности, а были объединены так называемыми электромагнитными явлениями.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Чаругин В.М. Физика 11 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. – 23-е изд. – М.: Просвещение, 2014. – 400 с.
- Кудрявцев П.С. Курс истории физики. Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов. – М.: Просвещение, 1974.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
- Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)
- Интернет-портал «electrono.ru» (Источник)
Домашнее задание
- Что мы получим, если магнит разрезать на несколько частей?
- Укажите направление линий магнитного поля проводника с током:
- Какие выводы можно сделать из проведенных опытов Эрстеда?
