Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

ПОСЛЕДНЕЕ ОТКРЫТИЕ

А теперь вновь предоставим слово Фарадею, чтобы почувствовать сколь критически подходит настоящий ученый к своим гипотезам.

Имея в виду объяснение оптических явлений при помощи колебаний силовых линий, точку зрения, позволяющую понять природу света, не прибегая к эфиру, Фарадей пишет:

«Я считаю вполне вероятным, что сделал на предыдущих страницах много ошибок. Ибо даже мне самому мои представления по этому вопросу кажутся лишь отражением тех построений в голове исследователя, часто мимолетных, которые, однако, могут иметь свою временную ценность, как руководящая нить для нашего мышления и исканий. Те, кто работает в области экспериментальных исследований, знают, как многочисленны эти мысленные комбинации и как часто их кажущаяся пригодность и красота исчезают по мере то— го, как идет вперед и развивается познание настоящей естественнонаучной истины».

Последнее открытие, сделанное Фарадеем, порождено его исследованиями связи между магнитным полем и светом. В полном соответствии с вышеприведенным высказыванием, у него возникло представление о том, что магнитное поле меняет внутреннюю структуру тел, а эти изменения, в свою очередь, влияют на свет.

Верный своему методу он решил проверить эти представления новым опытом, чтобы обнаружить приводят ли изменения внутренней структуры вещества к наблюдаемым механическим эффектам. Продолжая опыт с тяжелым стеклом, содержащим свинец, Фарадей в 1845 году обнаружил, что кусок такого стекла, помещенный перед полюсом мощного электромагнита, испытывает слабое отталкивание.

Исследуя это явление, Фарадей подвесил стерженек из свинцового стекла на нитке между полюсами мощного подковообразного электромагнита. При включении электромагнита стерженек поворачивался поперек магнитных силовых линий.

Очевидно, что каждый из полюсов магнита сильнее отталкивает тот из концов стержня, который ближе к нему. Поэтому равновесие достигается, когда оба конца стержня одинаково удалены от обоих полюсов. Но ведь стерженьки из железа, подвешенные таким же образом, поворачивались вдоль силовых линий!

Фарадей написал об этом наблюдении бывшему мастеру по изготовлению музыкальных инструментов Ч. Уитстону, известному своими исследованиями в области оптических и электрических явлений. Тот сообщил, что явление магнитного отталкивания описал еще в 1778 году А. Бругманс. Он наблюдал магнитное отталкивание висмута, а в 1827 году А. Беккерель обнаружил то же в опытах с сурьмой. Эти явления не были подробно изучены. Многие считали наблюдения недостоверными, а большинство физиков, вероятно, не обратило на них внимания.

Впрочем и подробные исследования Фарадея не вызвали интереса, хотя Фарадей показал, что явление магнитного отталкивания существует для многих твердых тел и жидкостей и даже для тканей человеческого тела.

Фарадей назвал такие вещества диамагнетиками, а те, что притягиваются магнитом, назвал парамагнетиками. После многочисленных точных опытов Фарадей установил, что каждое вещество является либо диамагнетиком, либо парамагнетиком, а магнитно-нейтральных веществ не существует.

Явление парамагнетизма легко объяснялось наличием в веществе множества элементарных магнитиков или элементарных кольцевых токов Ампера. Напротив, диамагнетизм выглядел весьма таинственно.

Фарадей выдвинул для объяснения диамагнетизма две гипотезы. Одна из них объявляла явление отталкивания кажущимся. Оно обусловлено тем, что среда, в которой находится диамагнитное вещество, притягивается магнитом сильнее, чем само вещество. При этом диамагнитное отталкивание есть лишь проявление разности притяжений. Но Фарадей отказался от этой гипотезы, ибо из нее неизбежно следует, что пустота или некий агент, заполняющий пустоту (эфир), обладает магнитными свойствами.

Фарадей остановился на другой гипотезе: молекулы диамагнитных веществ под действием поля намагничиваются в направлении, противоположном направлению намагничевания молекул парамагнитных веществ.

Исследуя явление диамагнетизма, Фарадей не обошел и металлы. Он заметил, что медный стержень или медный куб, подвешенные на нитке между полюсами электромагнита и приведенные во вращение, быстро останавливаются при включении магнита. Эффект был очень сильным и его нельзя было объяснить диамагнетизмом. Создавалось впечатление, что с включением магнита возникало сильное трение, препятствующее движению образца. Фарадей понял, что при включении магнитного поля в меди возникают замкнутые индуцированные токи, преобразующие энергию движения образца в тепло.

Гипотеза Фарадея о природе диамагнетизма дремала в кладовых науки до 1889 года, когда Дж. Паркер, заинтересовавшись ею, обнаружил, что она противоречит второму закону термодинамики. Это было сочтено окончательным приговором, подтвержденным «третейским судьей» — опытами П. Дюэмо. Но в 1905 году гипотеза Фарадея была возрождена знаменитым французским физиком П. Ланжевеном в форме статистической теории, находящейся в полном согласии с термодинамикой. Так появилась самая полная из доквантовых теорий магнетизма.

Эта теория описывает «механизм» возникновения диамагнетизма. Он порождается теми атомами, которые не имеют магнитных свойств, если на них не действуют внешние магнитные поля. Под влиянием внешнего магнитного поля такие атомы приходят в своеобразное круговое движение — начинают прецессировать. Это значит, что ось таких атомов при появлении магнитного поля начинает двигаться вокруг направления поля. Это явление подобно тому, как ось вращающегося волчка кружится вокруг направления силы тяжести, сохраняя постоянный наклон относительно вертикальной линии.

По закону Ленца вращение атомных осей таково, что оно препятствует увеличению внешнего поля. При этом внешнее магнитное поле выталкивает из себя образец, сделанный из диамагнитного вещества. Это и есть основной признак диамагнетизма, открытый Фарадеем.

Если же атомы вещества изначально обладают магнитными свойствами, то внешнее магнитное поле поворачивает эти атомы так, что их элементарные магнитики направляются вдоль внешнего магнитного поля. Таковы атомы парамагнитных веществ. Магнитные поля таких атомов складываются с внешним магнитным полем.

Теория объясняет почему парамагнитные вещества не проявляют магнитных свойств, если на них не действует внешнее магнитное поле. В этом случае хаотические тепловые движения атомов действуют так, что их элементарные магнитики оказываются хаотически ориентированными в пространстве. Порождаемые ими магнитные поля взаимно гасят друг друга. При этом вещество ведет себя как немагнитное.

Под воздействием внешнего магнитного поля хаотически распределенные в пространстве оси парамагнитных атомов ориентируются преимущественно вдоль поля. Это и вызывает парамагнетизм.

Теория объясняет и магнитные свойства железа. Атомы железа парамагнитны. Но магнитное взаимодействие между ними так велико, что большинство ближайших атомов вследствие этого взаимодействия ориентируется параллельно. Однако при этом не достигается единая ориентация магнитных осей всех атомов вещества. Вещество оказывается разбитым на множество малых частей, называемых доменами. В каждом из них атомные магнитики ориентированы одинаково. Но распределение направления намагничения множества доменов настолько хаотично, что вне куска железа невозможно обнаружить намагничение отдельных доменов.

Внешнее магнитное поле заставляет магнитные поля доменов повернуться так, что их магнитные поля усиливают внешнее магнитное поле.

При выключении внешнего магнитного поля возможны два различных результата. В первом случае образец остается намагниченным. Это происходит когда, после исчезновения намагничивающего поля, домены сохраняют общее направление намагниченности. Так возникают постоянные магниты. Во втором случае, после выключения намагничивающего поля восстанавливается хаотическая ориентация магнитных полей доменов.

В этой главе мы проследили за