Происхождение магнитного поля постоянных магнитов

Как возникает магнитное поле постоянных магнитов? Каковы те физические процессы, которые превращают простой ненамагниченный брусок стали в магнит? Эти основные вопросы не перестают привлекать к себе внимание исследователей.

Когда изучение магнитных явлений только начина­лось, внимание исследователей особенно привлек к себе факт существования в намагниченных брусках полюсов, в которых магнитные свойства выражены особенно сильно. При этом бросалось в глаза, что оба полюса магнита раз­личны, так что каждый полюс одного магнита притягивает к себе один из полюсов другого и отталкивает его второй полюс. Для объяснения этих явлений еще Гильберт[2] высказал предположение, что подобно электрическим заря­дам в природе существуют и «магнитные заряды» – се­верный и южный, взаимодействующие друг с другом.

Кулон[3] обратил внимание на чрезвычайно сущест­венное и глубокое различие между электрическими и магнитными явлениями. Это различие заключается в том, что мы можем разделить электрические заряды и получить тело с избытком положительного или отрицательного электричества, но мы никак не можем разделить в теле северный и южный магнетизм и получить тело с одним только полюсом. Более того: оба полюса любого магнита представляют собой равные «количества магне­тизма», так что мы не можем иметь тело, содержащее в избытке северный или южный магнетизм.

Рис. 7.13

Чтобы пояснить это различие, напомним опыт электростатической индукции и попробуем проделать анало­гичный опыт с магнитом. На рис. 7.13 слева изображен опыт электризации тела путем электростатической индук­ции, а справа – аналогичный опыт намагничивания через индукцию (влияние). Когда мы подносим к заряженному (например, положительно) телу 1 кусок металла 2, то на ближнем конце его возникает отрицательный заряд, а на противоположном конце – положительный. Точно так же, когда мы подносим к полюсу (скажем, северному) магнита 3 стальной брусок 4,то на ближнем конце бруска возникает южный, а на дальнем – северный магнитный полюс. До сих пор аналогия полная. Но дальше явления проте­кают совершенно различно: если мы разделим наэлектри­зованный кусок металла 2 на части и раздвинем их, то одна часть окажется наэлектризованной отрицательно, т.е. будет иметь избыток отрицательного заряда, другая окажется наэлектризованной положительно; если же мы разделим на части намагнитившийся стальной брусок, то легко убедимся в том, что каждая из этих половинок представляет собой магнит с двумя полюсами, расположен­ными так, как показано на рис. 7.13. Мы можем разломить каждую из половинок опять на две части и продолжать этот процесс сколь угодно долго; каждый маленький об­ломок магнита будет представлять собой магнит с двумя полюсами.

Разделить полюсы, т.е. получить тело с одним только полюсом, невозможно ни этим путем, ни каким бы то ни было иным. Из невозможности разделить северный и южный магнетизм в теле Кулон заключил, что эти два вида магнитных зарядов неразрывно связаны друг с другом в каждой элементарной частице намагничивающегося веще­ства. Иными словами, было признано, что каждая неболь­шая частица такого вещества – атом, молекула или небольшая группа атомов или молекул – представляет со­бой нечто вроде маленького магнита с двумя полюсами на концах. Таким путем Кулон пришел к очень важной ги­потезе о существовании элементарных магнитов с неразрыв­но связанными полюсами.

Как же нужно представлять себес этой точки зрения процесс намагничивания железа? Нужно считать, что и в ненамагниченном бруске железа уже существуют описан­ные выше элементарные магниты, но все они расположены беспорядочно (хаотически). Магнитики без всякого порядка располагаются по всем возможным направлениям, причем в каждом направлении примерно столько же маг­нитиков ориентировано своим северным полюсом в одну сторону, сколько и в противоположную (рис. 7.14). Именно поэтому действия всех этих элементарных магни­тов взаимно уравновешиваются, и брусок железа в целом представляется ненамагниченным.

Рис. 7.14 Рис. 7.15

Когда же мы помещаем этот брусок железа в магнитное поле, например, подносим его к магниту или помещаем внутрь катушки с электри­ческим током, то магнитное поле заставляет элементарные магниты повернуться и выстроиться цепочками, как по­казано на рис. 7.15. При этомдействие противополож­ных полюсов внутри магнита взаимно уничтожается, а на концах бруска возникают магнитные полюсы. Таким об­разом, намагничивание тела представляет собой упорядо­чение ориентации его элементарных магнитов под влиянием внешнего магнитного поля, т.е. процесс, во многом ана­логичный процессу поляризации диэлектриков.