Гипотеза вращающихся элементарных магнитов

Рассмотренные выше явления гистерезиса, а также многие иные особенности поведения ферромагнитных материалов в случае их намагничения можно с большим правдоподобием объяснить изме­нениями в ориентировке элементарных частиц вещества, происхо­дящими во время изменения магнитного состояния. Подобные объ­яснения исходят из некоторых предположений относительно строе­ния магнитных материалов. На этой почве возникла так называе-

мая „гипотеза вращающихся элементарных магнитов", непосредственно вытекающая из идей Ампера, математически обработан­ная Вебером, затем дополненная Максвеллом, Юингом и другими.

По этой гипотезе магнитное тело представляет собою совокуп­ность особых элементарных частиц, каждая из которых является как бы элементарным постоянным магнитом, так как она обладает противоположными полярностями на двух противоположных сторо­нах. Эти элементарные магниты подвижны около своих центров. Пока тело не подвержено намагничивающей силе, элементарные частицы своими магнитными осями расположены в теле по всевоз­можным и самым разнообразным направлениям. Вследствие такого хаотического распределения магнитных осей частиц тела, послед­нее, без особых внешних воздействий, само по себе не обнаружи­вает никаких магнитных свойств. Внешнее действие любого эле­ментарного магнита вполне компенсируется действием соседних элементарных магнитов, оси которых направлены противоположно. Вообще говоря, внутри данного магнитного тела элементарные маг­ниты образуют всевозможные комбинации и группировки, замкну­тые внутри себя, т. е. так, что магнитные линии, исходящие из какого-либо элементарного магнита, замыкаются не через внешнее пространство, а через другие магниты той же группы. Поэтому вся масса данного магнитного тела, например, куска железа, вся эта сложная комбинация отдельных магнитных групп не обнаружи­вает видимого внешнего действия. Но стоит однако подвергнуть железо воздействию магнитного поля, создаваемого какою-либо внешнею причиною, как первоначальное хаотическое располо­жение элементарных магнитов тотчас же нарушается. Под влиянием поля магниты будут повертываться вокруг своих центров, стремясь расположиться по направлению магнитного поля. Поворот этот происходит так, что частицы располагаются, обращаясь одноимен­ными концами их магнитных осей в одну и ту же сторону. Чем больше приближаются к параллельности между собою оси элемен­тарных магнитов и чем ближе их направление к направлению поля, тем магнитные свойства тела начинают выявляться все сильнее и сильнее, тем сильнее „намагниченным" оказывается это тело. Однако, все эти элементарные магниты не расположатся сразу по одному направлению. Дело в том, что этому будут препятствовать силы взаимодействия между отдельными элементарными магнитами. Под действием внешнего магнитного поля последовательно и посте­пенно будут создаваться новые и новые комбинации этих магни­тов, более или менее устойчивые. -При этих перекомбииациях из всевозможных направлений элементарных магнитов все более и более будет выделяться направление, определяемое внешним маг­нитным полем. Таким образом железо „намагнитится", и при этом степень „намагничения" будет зависеть от силы внешнего магнит­ного поля. На куске железа обнаружатся „магнитные полюсы", благодаря преимущественному теперь расположению молекулярных магнитов вдоль поля. Если мы, например, намагничиваем продольно

железную полосу, то на одном конце ее сгруппируется больше элементарных северных полюсов, а на другом конце соберется больше южных. Если мы будем еще более усиливать внешнее маг­нитное поле, то все большее количество магнитиков будет распола­гаться вдоль поля. В этом отношении должен наступить предел при некотором достаточно большом значении силы внешнего поля: в конце концов все элементарные магниты расположатся по напра­влению поля. Таким образом, мы путем теоретических рассуждений пришли к представлению о пределе намагничения железа, к пред­ставлению о „насыщении". Об этом состоянии вещества мы будем дальше говорить подробнее, пока же отметим, что вообще если детально разобрать все свойства, которыми должна обладать сово­купность элементарных вращающихся магнитов, то мы найдем замечательное сходство со свойствами магнитных материалов.

Вскоре после того, как Вебер сформулировал впервые основ­ные положения гипотезы вращающихся элементарных магнитов, Видеман и другие высказали предположение, что отклонению этих магнитов от их первоначального положения противодействуют некоторые силы, имеющие характер сил внутреннего трения. Нали­чием этих именно сил можно объяснить явления остаточного намагничения и гистерезиса, ибо действительно, если только такие силы существуют, то они будут удерживать элементарные магниты от возвращения в исходное положение, после того как прекратит свое действие или хотя бы только ослабеет внешнее магнитное поле. Однако, если бы частицы удерживались в определенной ориенти­ровке силами, аналогичными силам обычного трения, то какой бы то ни было поворот их под действием некоторой внешней магнит­ной силы мог бы иметь место только в случае, если бы сила эта была достаточно велика, чтобы преодолеть трение. Другими сло­вами, намагничение таких материалов, как железо, в очень слабых магнитных полях не должно было бы наблюдаться. Опыт не под­тверждает этого заключения. Принимая во внимание все это и другие аналогичные обстоятельства, Юинг счел необходимым иначе представить себе механизм тех внутренних связей, которые в каждой стадии магнитного состояния вещества стремятся удерживать элементарные магниты в более или менее определенной ориентировке. По мнению Юинга, эти внутренние связи являются результатом взаимодействий элементарных магнитов, совершенно подобно тому, как будут взаимодействовать близ расположенные магнитные стрелки, могущие вращаться вокруг неподвижных центров.

Итак, по Юингу, всякий магнитный материал состоит из ско­пления элементарных магнитов, могущих вращаться вокруг своих осей, не встречая никаких сопротивлений, аналогичных трениям, со стороны соседних магнитов, но в то же время находящихся под магнитным контролем друг друга. Этот магнитный контроль можно понимать в смысле механического взаимодействия магнитных полю­сов элементарных магнитов, разделенных между собой некоторыми конечными промежутками и непосредственно никогда не соприка-

сающихся. Нормальное хаотическое расположение этих магнитов в теле, не подверженном действию внешнего поля, следует пони­мать таким образом. Все магнитики, из которых состоит тело, сами собой разбиваются на ряд разнообразных, замкнутых внутри себя групп, обладающих относительною устойчивостью. При отклонении магнитиков из положения равновесия под влиянием внешних при­чин, эти группы могут не претерпевать существенных изменений в своем строении, и по прекращении внешних действий магнитики могут возвращаться в первоначальное положение. Однако, это должно иметь место только в том случае, если сила внешнего магнитного поля не превосходит известной величины, иными сло­вами, пока магнитики не отклонятся дальше известного предела. При отклонении за этот предел хотя бы одного магнитика нару­шается устойчивое состояние группы, происходит внезапное пере­распределение элементов, входящих в состав группы, и получается совсем иное расположение осей их, причем новое расположение элементарных магнитиков в группе является, как и прежнее, до известной степени устойчивым. Такого рода последовательные и внезапные разрушения одних устойчивых групп магнитиков и образование новых групп, более или менее устойчивых при новых усло­виях, при учете которых необходимо принимать во внимание и внешнее магнитное поле, происходит, по Юингу, во все время, когда усиливается намагничение данного тела.

Ясно, конечно, что пределом таких прерывчатых преобразова­ний будет упомянутое выше состояние насыщения, при котором все обособленные группы элементарных магнитиков будут разру­шены, и оси всех магнитиков расположатся параллельно направле­нию внешнего магнитного поля.

По Юингу, остаточное намагничение тела объясняется тем, что по прекращении действия намагничивающей силы элементар­ные магнитики, вообще говоря, приобретают группировки, отличаю­щиеся от тех, которые были до намагничения, так как в рассма­триваемом случае мы исходим из новых начальных условий. След от предшествовавшего воздействия со стороны внешнего магнит­ного поля выразится в том, что в новых, более или менее устой­чивых группировках сохранится до некоторой степени преимуще­ственное расположение осей магнитиков, соответствующее тому, которое было насильственно создано внешним полем.

Потери энергии при циклическом перемагничении, т. е. выде­ление тепла благодаря гистерезису, Юинг объясняет возбужде­нием колебаний элементарных магнитиков, когда при изменении намагничивающей силы магнитики в отдельных группах изменяют свою ориентировку и переходят из одного состояния устойчивого равновесия в другое. Энергия этих колебательных движений рас­пределяется затем по всему объему намагничиваемого тела в форме приращения кинетической энергии молекул его и воспринимается, нами как тепловой эффект.

Юинг непосредственным опытом подтвердил справедливость своих основных предположений. Он изготовил большое количество

маленьких магнитных стрелок (рис. 79) и поместил их на отдель­ные вертикальные острия, расположив их в одной плоскости на столе так, чтобы при качаниях стрелки не задевали одна другую.

Различные группы таких магнитных стрелок Юинг подверг тща­тельному изучению. Он окружал систему стрелок несколькими вертикальными витками проволоки и пропускал по ней электрический ток. Надлежащим подбором силы этого тока и правильной ориенти­ровкой витков можно было скомпен­сировать действие земного магнит­ного поля на стрелки и наблюдать устойчивые конфигурации, которые образовывали собою стрелки, предо­ставленные самим себе. В виде при-

мера на рис. 80 приведена группа из четырех таких стрелок, а на рис. 81 показаны четыре возможные состояния устойчивого равно­весия группы из семи магнитных стрелок, так расположенных, что центры шести образуют правильный шестиугольник, а центр седьмой совпадает с центром этого шестиугольника.

На рис. 82 изображен применявшийся Юингом в этих опытах станок, в котором внешнее магнитное поле создавалось двумя катушками, расположенными по концам.

Стрелки помещались на горизонтальной доске станка в промежутке между катушками. Число отдельных магнитных стрелок, которое Юингбрал при изуче­нии этих моделей магнитного тела, колебалось в широких пределах, доходя иногда до 130.

Модели этого рода позволили Юингу произвести самые разно­образные наблюдения. Характер приобретаемой группой стрелок полярности, когда внешняя магнитная сила нарастает или меняет направление, или вообще как-нибудь изменяется, в достаточной степени делается ясным при простом взгляде на расположение стрелок. Можно было, однако, произво­дить и количественные наблюдения, применяя обычный магнитометр и принимая лишь при этом меры к тому, чтобы скомпенсировать

действие на магнитометр, происходящее непосредственно от ка­тушек, „намагничивающих" модель магнитного тела, т. е. группу стрелок. С этой целью последовательно с этими катушками вклю­чалась особая катушка, компенсационная, которая так располагалась по другую сторону магнитометра, чтобы свести до нуля действие самих намагничивающих катушек. Таким образом, можно было подвергнуть группу магнитных стрелок циклическому процессу перемагннчения. Для этого было лишь необходимо соответственно изменять силу тока в намагничивающих катушках. Кривые намагничения, получаемые та­ким способом, в высокой степени подобны обычным кривым для же­леза и других ферромагнитных материалов. И чем больше взято отдельных магнитных стрелок для построения модели, тем плавнее получаемые кривые и тем больше можно усмотреть в них деталей, имеющих харак­тер того, что в действи­тельности наблюдается с железом. На рис. 83 изоб­ражена кривая, относя­щаяся к циклическому про­цессу, проведенному над группой в 24 стрелки.

Сход­ство ее с аналогичными кривыми для ферромаг­нитных материалов пора­зительно.

Изучение всего того, что происходит с более или менее многочисленны­ми группами магнитных стрелок, позволило Юингу, таким образом, прочно обосновать его теорию, гласящую, что элементарные магниты ферромагнитных материалов контролируются в отношении ориен­тировки их осей только теми силами, которые они взаимно оказы­вают друг на друга как магниты.

Форма комбинаций, образуемых осями магнитов, а также большая или меньшая устойчивость этих комбинаций, как показали опыты Юинга над различными системами магнитных стрелок, в значительной степени зависят от относительного расположения центров магнитов. Таким неодинаковым размещением центров эле­ментарных магнитиков в разных телах Юинг объясняет наблюдаемое различие между магнитными свойствами тел.

В последнее время, благодаря развитию техники усилительных устройств с электронными лампами, явилась возможность объек­тивно показать, что в реальных условиях при намагничении, например, железа все происходит, именно, так, как и следует ожидать

согласно теории Юинга, т. е. что при совершенно плавном возрастании намагничивающей силы магнитное состояние тела изменяется не плавно, а скачками, которые вызываются внезап­ными преобразованиями устойчивых группировок элементарных магнитиков. Конечно, в силу чрезвычайной малости этих магнитиков и большого числа их групп, входящих в состав железного стержня обычных размеров, скачки в магнитном состоянии относительно ничтожно слабы, но все же эти скачки действительно имеют место при всяком, на первый взгляд совершенно плавном, намагничении. Впервые удалось это показать Баркхаузену.

Опыт производится следующим образом (рис. 84).

Перемагничиваемый стержень А (можно, например, взять обык­новенную проволочку из мягкого железа) помещается внутрь обмотки витков в 200 —300, концы которой присоединены к лампо­вому усилителю У, к которому с другой стороны присоединен телефон Т. Если мы будем намагничивать стержень, поднося к нему постоянный магнит NS, то в телефоне услышим характерный шум, напоминающий хрустение перегибаемой оловянной пластинки. Если стержень А убрать из об­мотки, шум прекращается. Смысл этого опыта совер­шенно ясен в связи с выше­сказанным.

Если гипотеза элементар­ных магнитов может считаться весьма близкой к истине, то все же еще остается открытым вопрос: а что же представляет собою элементарный магнит? Во всех вышеизложенных рас­суждениях мы обходили этот вопрос, считая лишь, что эле­ментарный магнитик обладает теми же основными свойствами, что и обычный магнит, с которым мы имеем дело на опыте. Небезынтересно будет здесь указать, что Ампер, идеи которого по существу дали начало гипотезе вращающихся элементарных магнитов, на основании своих исследований в области электроди­намики пришел к заключению, что каждая частица магнитного вещества обтекается замкнутым электрическим током. Ампер математически доказал, что такой „молекулярный" ток по всем своим внешним проявлениям совершенно эквивалентен элементар­ному постоянному магниту соответствующего размера.

Согласно теории Ампера, любой магнит, т. е. любое тело, приведенное в магнитное состояние, можно представить себе как комбинацию очень большого количества элементарных замкнутых электрических цепей, надлежащим образом ориентированных. По Амперу, в ненамагниченном теле распределение молекулярных токов совершенно хаотическое. При намагничивании тела плоскости этих токов повертываются около центров частиц, приближаясь к положению нормальному, к некоторому направлению, определяемому условиями намагничивания тела. Мы видим, таким образом, что по существу Ампер предвосхитил все, что в дальнейшем

говорилось о механизме намагничивания тела. Мало того. То, что установил Ампер, в полной мере оправдывается современными достижениями электронной теории строения атомов вещества. Согласно этой теории предполагается, что в состав каждого атома вещества входит некоторое количество электронов, находящихся в непрерывном движении, которое совершается по замкнутым орбитам, не выходящим, вообще говоря, за пределы объема атома. А ведь движущийся электрон, движущийся электрический заряд, есть, именно, электрический ток и не что иное. Таким образом, совре­менная физика признает внутриатомные электрические токи как основное явление природы. Ампер говорил то же, но только он не имел достаточных опытных данных для того, чтобы углубиться в развитие своей основной идеи. Ампер мыслил по необхо­димости интегрально, рассматривая элементарную частицу магнит­ного вещества как некоторое физическое целое, обладающее магнитною полярностью благодаря наличию в нем электрического тока. Современная наука деталирует ато основное представление и показывает, что тот электромагнитный процесс, который происхо­дит внутри каждого атома вещества, вообще состоит из целой совокупности замкнутых электронных токов. Расположением и чис­лом электронных орбит внутри атома и их же расположением внутри молекул, являющихся комбинациями атомов, определяются в конце концов магнитные качества тех физических индивидуумов, которые мы с полным правом можем продолжать называть элемен­тарными магнитами. Отметим вместе с тем еще следующее обстоя­тельство. Современные представления о природе атомов вообще и о причине магнитности элементарных магнитов приводят нас к заключению, что добавочное магнитное состояние, привносимое наличием вещества, по существу своему не может ничем отличаться от того основного магнитного состояния среды, от того основного процесса, который имеет место в так называемой „пустоте" при возникновении в ней магнитного поля.