§ 116. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов.

Опыт Кулона. Как возникает магнитное ноле 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 высказал предположение, что подобно электрическим зарядам в природе существуют и «магнитные заряды» - северный и южный, взаимодействующие друг с другом.

Эти представления были в значительной мере развиты Кулоном. С помощью крутильных весов, описанных в § 10, Кулон исследовал взаимодействие двух длинных и тонких магнитов. Кулон показал, что можно характеризовать каждый полюс определенным «количеством магнетизма», или «магнитным зарядом», причем закон взаимодействия магнитных полюсов такой же, как закон взаимодействия электрических зарядов (§ 10): два одноименных полюса отталкиваются друг от друга, а два разноименных полюса притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна «магнитным зарядам», сосредоточенным в этих полюсах, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Таким образом, если один из полюсов характеризуется «магнитным зарядом» , а другой «магнитным зарядом»  и если расстояние между полюсами есть , то сила взаимодействия между полюсами

,                 (116.1)

где  – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц.

На основе опытов Кулона за меру напряженности магнитного поля была принята сила, с которой магнитное поле действует на магнитный заряд, равный единице. Если на магнитный полюс, содержащий «магнитный заряд» , действует сила , то напряженность поля

.

Напряженности поля приписывалось направление, совпадающее с направлением силы, действующей на северный полюс магнита.

Сам Кулон 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 (§ 5), 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.

Чтобы пояснить это различие, напомним опыт электростатической индукции (§ 8) и попробуем проделать аналогичный опыт с магнитом. На рис. 207 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. 207. 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.

Рис. 207. Сопоставление процесса электризации куска металла путем электростатической индукции (слева) и намагничивания стального бруска под влиянием магнита (справа)

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 себе с 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. 208,а). Именно поэтому действия всех этих элементарных магнитов взаимно уравновешиваются, и брусок железа в целом представляется ненамагниченным. 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. 208,б. При этом действие 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 (§ 37).

Рис. 208. Процесс намагничивания с точки зрения гипотезы Кулона: а) хаотическое распределение элементарных магнитов в ненамагниченном железе; б) упорядоченное их расположение в намагниченном железе, помещенном в магнитное поле