65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Мы уже обсуждали[17], что существуют постоянные магниты, которые сами по себе создают вокруг себя магнитное поле. Это магнитное может воздействовать на стрелку компаса и сбивать его с «пути истинного», т. е. с направления «строго на север». Значит, мы можем использовать компас для изучения магнитных полей: если стрелка отклонилась, значит на нее подействовала магнитная сила, следовательно, где-то рядом появился магнит. Именно компас помог сделать открытие первого явления, связывающего электричество и магнетизм. Произошло это зимой 1819–1820 годов, когда датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) во время одной из своих лекций демонстрировал студентам эксперимент по нагреванию проводника током. В этот момент на его рабочем столе оказался забытый кем-то компас. Когда Эрстед пустил по проводам электрический ток, один из студентов заметил, что стрелка компаса повернулась. Это было чем-то совершенно удивительным! Ведь в проводнике нет никакого магнита, сам по себе он на стрелку компаса не воздействует. Батарейка тоже. Но стоит лишь включить ток, как стрелка компаса начинает отклоняться. Выходит, что именно движущиеся электрические заряды создают магнитное поле.

Компас также помог более детально изучить это явление. Если его перемещать вокруг проводника, то можно определить, в каком направлении будет действовать магнитная сила – по тому, в какую сторону будет поворачиваться стрелка компаса. Так удалось понять, что магнитное поле как бы закручивается вокруг электрического тока, т. е. магнитные силы направлены не в сторону проводника, а перпендикулярно ему. В школьном курсе физики для определения направления этих сил используют правило правой руки: если сжать правую ладонь в кулак, а вытянутый большой палец направить вдоль тока, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля.

Но как нам быть с постоянными магнитами? Они же не подключены ни к какой батарейке. Откуда у них магнитное поле? Для объяснения этого явления нам придется привлечь несколько идей из квантовой физики. Оказывается, что электроны, из которых все состоит, сами по себе являются маленькими магнитами. Физики говорят, что у электрона есть собственный магнитный момент или спин. Это чисто квантовая характеристика, не имеющая аналогов в классической механике. Хотя иногда для иллюстрации представляют электроны как шарики, вращающиеся вокруг своей оси, – это аналог спина. Вращение заряженного шарика может рассматриваться как круговой электрический ток, генерирующий магнитное поле электрона, – это аналог магнитного момента. Но нужно понимать, что это всего лишь аналогии. В действительности электрон, конечно же, никуда не крутится и вообще вряд ли представляет собой заряженный шарик. Тем не менее наличие магнитного момента у отдельных электронов – это экспериментальный факт. Так что давайте договоримся, что будем понимать под спином еще одну характеристику электрона, наряду с массой и электрическим зарядом.

Рис. Правило правой руки.

Кроме того, что электроны обладают собственным магнитным моментом, они еще вращаются вокруг ядер атомов[18], создавая за счет этого дополнительное магнитное поле. А поскольку внутри вещества этих электронов огромное количество, то их суммарное магнитное поле может достигать довольно больших значений. Однако для этого нужно, чтобы все эти магнитные поля были выстроены примерно в одном направлении. У обычных веществ так выстроить все свои электроны не получается – там магнитные моменты всех электронов ориентированы как попало, так что они просто компенсируют друг друга, и итоговое магнитное поле оказывается равным нулю. Но есть в природе особые вещества, ферромагнетики, у которых магнитные поля всех электронов могут выстроиться в одну и ту же сторону. И тогда происходит их взаимное усиление, а кусок такого вещества превращается в постоянный магнит.

Вопрос 15. Как при помощи магнита получить электричество?

Воздействие проводника с током на магниты – это довольно интересное свойство, поскольку оно четко показывает, что электричество и магнетизм как-то связаны друг с другом. И если с помощью электричества можно получать магнитное поле, то, наверное, с помощью магнитов можно получать электричество. Но как превратить магнетизм в электричество? Этим вопросом задавались многие ученые XIX века. И только Майкл Фарадей 29 августа 1831 года придумал, как это сделать. Это было очень важным открытием, потому что именно таким способом мы до сих пор получаем бóльшую часть электричества.