Чтение онлайн

М-р Эйри обнаружил, что значительная часть возмущений, возникающих в Гринвиче, соответствует появлению электрических токов, собираемых электродами, размещаемыми поблизости в земле; причём эти возмущения оказались такими же, какими они вызывались бы прямо в магните, когда под ним протекал бы земной ток, сохраняющий своё истинное направление, но текущий по проводу.

Было выяснено, что периоды максимума возмущений бывают каждые одиннадцать лет и, кажется, совпадают с периодами максимального количества солнечных пятен.

474. Область исследований, в которую мы проникли при изучении земного магнетизма, является столь же глубокой, сколь и обширной.

Мы знаем, что Солнце и Луна воздействуют на земной магнетизм. Доказано, что это воздействие нельзя объяснить, исходя из предположения, что эти тела являются магнитами, и, следовательно, это воздействие не является непосредственным.

В случае Солнца часть его воздействия может оказаться тепловым, но этого нельзя приписать Луне. Может быть, притяжение этих тел, вызывая напряжение во внутренних частях Земли, производит (п. 447) изменения в магнетизме, уже существующем в Земле, как разновидность приливного действия, дающая полусуточные вариации?

Но величина всех этих изменений очень мала по сравнению с большими вековыми изменениями земного магнетизма.

Какой же источник, внешний ли по отношению к Земле или таящийся в её внутренних глубинах, производит столь огромные изменения в земном магнетизме, что её магнитные полюса медленно смещаются из одной части земного шара в другую? Если мы примем во внимание, что интенсивность намагниченности огромного земного шара вполне сравнима с той, которую мы с большим трудом создаём в своих стальных магнитах, эти обширные изменения в таком огромном теле вынуждают нас заключить, что мы всё ещё не знакомы с одним из наиболее мощных действующих в природе агентов, сцена активности которого лежит в тех внутренних глубинах Земли, к познанию которых у нас так мало средств доступа.

ЧАСТЬ IV

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

ГЛАВА I

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИЛА

475. В определённых условиях, как было замечено большим числом разных наблюдателей, магнетизм у игл и стрелок образуется или разрушается под действием разрядов электричества, проходящих через них или рядом с ними. Хотя при этом делались различного рода догадки о связи между магнетизмом и электричеством, но законы этих явлений, равно как и вид этих связей, оставались совершенно неизвестными до тех пор, пока Ганс Христиан Эрстед 1 на одной из частных лекций для небольшого числа аспирантов в Копенгагене не обнаружил, что провод, замыкающий клеммы вольтовой батареи, оказывает влияние на расположенный поблизости магнит. Он опубликовал это открытие в своём трактате, озаглавленном «Опыты, касающиеся влияния электрических возмущений на магнитные иглы», датированным 21 июля 1820 г.

1 Другой отчёт о том, как было сделано открытие Эрстеда, содержится в письме проф. Ханстина (Hansteen), помещённом в книге д-ра Бенса Джонса «Жизнь Фарадея» (Dr. Веnсе Jones, «Life of Faraday», vol. II, p. 395).

Эксперименты по связи между магнитом и электрически заряженными телами не дали никаких результатов до тех пор, пока Эрстед не попытался установить влияние провода, нагретого электрическим током. Однако он открыл, что не тепло в проводе, а сам электрический ток оказался причиной этого воздействия и что «электрическое возмущение действует вращательным образом», а именно: магнит, помещённый вблизи провода, передающего электрический ток, стремится установиться перпендикулярно проводу, а при обносе его вокруг провода он всегда указывает вперёд одним и тем же концом.

476. Из этого явствует, что в пространстве, окружающем провод, по которому течёт электрический ток, магнит находится под действием сил, зависящих от положения провода и от силы тока. Поэтому пространство, где действуют эти силы, можно рассматривать как магнитное поле и изучать его так же, как мы уже изучали поле в окрестности обычных магнитов, прослеживая ход линий магнитной силы и измеряя напряжённость силы в каждой точке.

477. Начнём со случая сколь угодно длинного прямого провода, несущего электрический ток. Если бы наблюдатель представил себе, что он расположен вдоль этого провода, а ток протекает от его головы к его ногам, то свободно подвешенный перед ним магнит установился бы таким образом, чтобы конец магнита, ранее указывавший на север, под действием тока стал бы указывать на правую руку этого наблюдателя.

Линии магнитной силы всюду составляют прямые углы с плоскостями, проведёнными через провод, и потому являются окружностями; каждая из них лежит в плоскости, перпендикулярной проводу, а сам провод проходит через центры этих окружностей. Полюс магнита, указывающий на север, при его перемещении вдоль одной из этих окружностей слева направо испытывал бы действие силы всегда в направлении движения. А на другой полюс того же магнита сила действовала бы в противоположном направлении.

Рис. 21

478. Для сравнения этих сил будем считать провод вертикальным, а ток текущим вниз. Магнит же поместим на какое-нибудь устройство, свободно вращающееся относительно вертикальной оси, совпадающей с проводом [рис. 21]. Оказывается, что в этих условиях ток не даёт никакого эффекта вращения всего устройства в целом вокруг оси. Следовательно, действие вертикального тока на два полюса магнита таково, что статические моменты обеих сил относительно тока, взятого за ось, равны и противоположны. Пусть мощности полюсов равны m1 и m2, их расстояния до оси провода r1 и r2, интенсивности магнитной силы, обусловленной током, в месте расположения этих полюсов соответственно T1 и T2, тогда действующая на m1 сила будет равна m1T1; так как она составляет с осью прямой угол, её момент есть m1T1r1. Аналогично момент силы, действующей на другой полюс, равен m2T2r2. Поскольку при этом не наблюдается никакого движения, то

m

1

T

1

r

1

+

m

2

T

2

r

2

=

0.

Однако мы знаем, что у всех магнитов m1+m2=0. Поэтому T1r1=T2r2, или электромагнитная сила, обусловленная бесконечно протяжённым прямолинейным током, перпендикулярна этому току, а её величина изменяется обратно пропорционально расстоянию от него.

479. Произведение Tr зависит от силы тока и потому может быть использовано в качестве меры этого тока. Такой метод измерения отличен от метода, основанного на электростатических явлениях, и поскольку он зависит от магнитных явлений, вызываемых электрическими токами, то его называют Электромагнитной системой измерений. Если в этой системе ток обозначить через i, то Tr=2i.

480. Если принять провод за ось z, то прямоугольные составляющие T будут равны

X

=

– 2i

y

r^2

,

Y

=

2i

x

r^2

,

Z

=

0.

Здесь Xdx+Ydy+Zdz есть полный дифференциал от 2i arctg(y/x)+C.

Следовательно, магнитная сила в этом поле может быть выведена, как и в нескольких предыдущих примерах, из потенциальной функции, но в данном случае потенциал является функцией с бесконечной последовательностью значений, имеющих общую разность, равную 4i. Частные производные по координатам, однако, имеют определённые и единственные значения в каждой точке.