М.И. Каганов, В.М. Цукерник - Природа магнетизма, страница 2

4). !(з учсбншса физики мы воспроизвел!5 рпсунок (ск!. р15Г. 4, и), ПО!5азыв15ющи51, ято заряд (щ1 )2исг;и!ге 'аа)21!К ПЕООГ«ЬЩОГО Ра'И1УСВ) ЕС!Ь ИСТО«ГНИК ЗЛЕКТР1ипсскОГО полЯ. Если за)!яд ПО'1ож«5телеп„то сплОвьк' лип!!И 7 электрического поля выходят пз шарика — уходят на бескоиешюстгм постепенно разрежаясь. Если заряд отрицателен (см. рис. 4, б), то силовые линии входят в заряд. Этн рисунки очень важны. Комбинируя их, можно гюнять, какова структура статического электрического поля во всех практически важных случаях.

Специальный раздел теории электромагнетизма— электростатпка — занимается изучением статического й электрического поля, его распределением в пространстве, проникновением в вещества различной природы. В основе электростатики лежит факт, нашедший графическое рггс. 4. Снловые лнннн злектрнческого поля неподвнжпого точеч- ного заряда рд з) д ~ О; б) а к' О, выражение на рис. 4, а, б: источники электрического поля — электрические заряды. Обычно для демонстрации распределения электрического поля вокруг заряда используют маленький, но вполне макроскопический (т.

е. состоящий из миллиардов атомов) шарик. Расчет и многократные эксперимен- тальные проверки показывают, что напряженность электрического паля спадает при удалении от заряда д обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда (закон Кулона)".) ч (2) ') Вьп наверное, прнвыклн к несколько другой формулвровке закона Кулона: сала взанмодействня сага между двумя зарядами д, н а обратив пропорннопзльна квадрату расстояния между ннмн: чЧглз Лкгз = —,з Гслн заряды нммот одинаковый знак, овв прктягнваготся„еслн разный — отгалкнваготся, Удивителшю, что этот закон действует не только в хюкро-, но п в микромире.

Резерфорд, исследуя рассеяние а-частиц в вешестве, установил, что атомное ядро (одно ядро!) создает вокруг себя электрическое поле, подчиняющееся закону Кулона (2). Обычно, рассказывая об опытах Резерфорда, подчеркивают тот факт, что этими опытами было открыто атомное ядро — положительно заряженный сгусток вещества, в сто тысяч раз меньший атома. Конечно, это — главный результат. Но не менее важен и факт проверки закона Кулона вплоть до расстояний порядка 10 " см. Вдумантесгп простой закон обратной пропорциональности квадрату расстояния действует и на расстояниях, соизмеримых с челогеческими масштабахш (сантиметры, метры), и на расстояниях !О-" см. А если добавить, что нет оснований сомневаться в справедливости формулы (2) при увеличении расстояний до, скажем„космических, то универсальность закона Кулона совершенно потрясает.

Закову Кулона можно придать несколько другую форму, сказав, что потенциальная энергия 0 заряда ху, отлична от нуля и равна дт~ут/г, если в начале координат имеется заряд ды Энергшо можно определять с точностью до постоянного слагаемого. Здесь постоянное слагаемое выбрано так, чтобы на бесконечном расстоянии от заряда дх (при г -~. оо) (т' = О. Тогда знак потенциальной энергии (т' определяет, имеем мы дело с притяжением ((.г ~ О), или с отталкиванием (0') О).

«Энергетическая» форма закона Кулона чаще используется в атомной физике, чем «силовая». Исследования атомной структуры вешества обнаружилп микроскопические источники электрических полей в природе. Имп оказались электроны и протоны.

Их заряды равны по величине и противоположны по знаку. Принято считать, что заряд протона в„положителен, а электрона в — отрицателен: 4 8 10 хогне села!ге-х =- — е (З) Подчеркнем: электрон и протон имеют не просто микроскопические, т. е. маленькие, заряды, а наименьшие — элементарные. В природе не обнаружены частицы с дробным электрическим зарядом (в единицах е) *). ") В последнее время много говорят н пяшут о кварках— «астявах, на которых состоят нуклоны: протоны н нейтроны.

Их 9 Б«лик заряд элсктрока (протона) нли мзлр сризикз не допускяет таков* ябстряктнОЙ НОстяновкн ВопрОса. Всегда надо добавить: впо сравнению с чем». Если рассыятривять заряд кяк м«рту ВзаимОдейстВНН между частицами, то он о1ромен. Действительно„сравним силу Очталю1вания ысжд) двумя протонамн, обязш|ную закону 1«улова с силой притялсеиии, Обязяиноп закону всеми1рного тя- готения 17Н Г., =- у — "- и' -2 :Уго сравнение легко провести, так как и тя, и другая сила убыва1от по одинаковому закону — обратно про- порционально квадрату расстояния между частицами. Масса протона гд =- 1,7 10.»' г, а постоянная у в за- коне всемирного тяготения равна в) 6,7 10-в смв г-' с '. Отношение Р„н.,/Р,„;- 4.10", Более чем в 10се (1) раз электрические сил1н больше гравитационных, Р(меиио поэтому о гравитационных силах попросту ис думают, когда рс1нают проблемы атомной физики, Почему же, если электрические силы тяк Велики, с нные не приходится считаться в быту„ в технике? Дело в том, что В окружакицей нас среде очень много 1'ВОбодпых зарядов (эли(тронов, ИОНОВ).

1»уть где ВОз пикнет зар»1д, свободиыс заряды соотвстствуюШего зна- ка притяпутся и его нейтрализуют. В большинстве слу- чаев мы имеем дело с нейтральными (незаряженныв1и) "сламп. Силы же гравитации нейтрализовать нельзя. (1нк растут с ростом массы и для макроскопических 1ел, Я о~~б~нн~ к~~~~ч~~ких, иьтенно Оип нанболс«су- ИШСПЗИ!НЫ. 1(о роль заряля не сводится к описанию взяпмодсй- с1вия между зяряженпыы11 частицами.

11авсркое, все 1 2 несколько ООатовсзе1екдвнн к, е н э. -е. Однвно, во.вндвмомт, '"*' - 3 — 3 в своаодном состояния (ке н соствве нунлоков) окн ве могут с кгествоввть — кто нм ко л м1 то ьмндещсно! '1 Задать. Вмчнслюс т, воснолюовввк.ксь внвнок ем 1ско. 1 селм твн«сть нв Зеьме, рвьнмм =- 9,8 м!се, н двннммк о вв. еаей клевете (во ь ~ 1 ете (возьюпе вх н» сврввовнккв влв нв внцнклокеднн), 1О зггаат, что заряженная частица в определенных условиях излучает злектромагнптные волны. Именно за)тяжгнная частица, а пе нейтральная, Мерой способности излучать служит заряд, точнее, безразмерное отношение еа;йс (в зто вам придется поверить). Здесь й— знаменитая постоянная Планка, без которой не обходится ни одна формула квантовой $нзикгг.

Величина Л .=. 1б ю г смз с-', так что отношение ез(йс;= 1(137. Его часто так н называют: водна сто тридцать седьмаяв а). То, что ег",йс и 1, показывает, чтгт злектрогшый заряд в определенном смысле мал. 11так, в одном смысле велик, а в другом — мал. Ннчшо пе поделаешь — так устроен ьшр.

Обратимся теперь к магнитному полю, Магнитные заряды а природе не обнаружены. В 1931 г. одни нз создателей квантовой механики, Дирак, высказал убеждение, что магнитные заряды в природе должны быть. Он назвал их монополями. Мпр был бы более симметричным, теория злектромагнетцзма более красивой, если бти монополи были. Много усилий потратили ученые на пояски монополя.

Несколько раз появлялись сенсационные сообщения об их открытии, которые в дальне()гнем опровергалнсь. Монополь обпа)зузкеи 1ге был. Но микроскопические источники магнитного поля в природе есть. Мы подробно расскажем о ннх в одной иа первых глав. Теперь мы можем кратко рассказать, о чем написано в атой книге. Во-первьж, как мы только что сказали, о микроскопических источниках магнитного полн. Во-вторых, объяснив, что микроскопическими источниками магнитного поля (как и злектрпческого) служат *) гцы постараемся не сливкам часто просить жтатгля поверить пам на слово. Но, признаемся 1еслю, бю мого обогпись пе удастся. Тех, кто ироюл кито такое квагновая механикам влн какую-нибудь другую нау ню-популярную ьнягу по квантовой механике, возможно, удовлетворит с(сдутонгая расюифронка етого отно1неяия.

Одна сто трндпать седьмая есть отношение «раднусаз алек. трона етГщ,.гт к комптоновскоп длине волны Й:пг„с (ю — з!асса алек- трона, равная = 10 зт г). Трудно сказать, объясняет ли зто чтоинбудь, но, во всяком случае, помогает обрюдаться с велнчннаьггь важными в атомной физике, а главное, показывает, как можно получать безразмерные комбннаннн, составленные из мнровых постоянных, злектроны и протоны, а также, кроме того, нейтроны (вокруг' 1шх, правда, нет электрического поля, что засвидетельствовано в их яазвгиши), мы расскажем, почему огнюдь не все макроскопические тела суть макроскоппческие песочники магнитного поля.

В-третьих, мы попытаемся объяснить, почему различные тела ведут себя по-разному, если их подвергнуть воздействию магнитного поля. В-четвертых, мы подробно расскажем о телах, которые принято называть иагнешиками. Среди них важное место занимают магниты, или ферри»~агнеглики — макроскопические источники магнитного поля. Этот перечень не исчерпывает тему книги.л1ы ничего илп почтя ничего пе расскажем об ядерно»1 магнетизме; совсем не коснемся происхождения магнитного поля Земли н других планет; обойдем вниманием увлекательные проблемы исследования магнитных полей в космосе.

Умалчивая о магнитном поле Земли, мы ощущаем угрызения совести: ведь именно использование земного магнетизма в целях навигации (компас) было первым в истории цивилизации практическим применением магнитных свойств. И хотя строгие критерии оценки важности изобретений, к сожалению, отсутствуют, по-видимому, все согласятся, что компас — свободно вращающаяся магнитная стрелка — одно пз важнейших человеческих изобретений. Успокаиваем мы себя, вспоминая мудрое изречение Козьмы Пруткова: «Нельзя объять необъятное».