Магнетизм. Теперь подумаем о магнитах

Теперь подумаем о магнитах. Если вы насыплете на лист бумаги железные опилки и поместите под ним магнит, то он расположит опилки определенным образом. Магнит обладает собственным полем, которое проявляется в его воздействии на железные опилки.

Рис. 21.3. Магнит организует железные опилки на листе бумаги

До 1890-х гг. люди считали силу, создаваемую полем магнитов, и силу, создаваемую электрическим зарядом, независимыми друг от друга. Затем физики, помещая металлическую проволоку в магнитное поле и перемещая ее, обнаружили, что эти две силы – электричество и магнетизм – взаимосвязаны. Когда они раскачивали проволоку в магнитном поле, оказалось, что через нее протекает электричество! Они открыли способ генерировать электричество, и этот метод изменил наш мир.

Рис. 21.4. Генерирование электричества

Это движение проволоки в поле магнитов и есть принцип, по которому действуют электрические генераторы. Если проволока намотана на колесо и если вода крутит колесо, помещенное в середину магнита, то проволока движется через магнитное поле и в ней возникает электрический ток. Когда мотор вашего автомобиля приводит в движение провода, намотанные на колесо, которое крутится в генераторе, где есть магнит, вы получаете электричество для фар и другого оборудования.

Если через провод движется электрический заряд, то электрический ток не только течет по проводу, но и создает вокруг него магнитное поле. Вы можете проверить это с помощью компаса. Магнитная стрелка будет чувствовать магнитное поле, создаваемое электрическим током, подобно тому, как компас чувствует магнитное поле Земли.

Рис. 21.5. Магнитное поле, создаваемое движением электрических зарядов по проводу, поворачивает стрелку (неподвижного) компаса

Из подобных экспериментов можно видеть, что электричество (движение электрического заряда) и магнетизм (который воздействует на стрелку компаса и железные опилки) должны быть взаимосвязаны, поскольку они способны порождать друг друга. Движущийся электрический заряд создает магнитное поле, а движущееся магнитное поле создает электрический ток.

Во второй половине 1800-х гг. Клерк Максвелл установил эту взаимосвязь между электричеством и магнетизмом и разработал законы электромагнетизма, которые теперь называются законами Максвелла.

Если вы помните, как магнетизм порождает электричество и как электричество порождает магнетизм, вам может понравиться следующий увлекательный «мысленный» эксперимент.

Представим себе, что я неподвижно стою на земле с компасом в руке и замечаю движущийся в воздухе электрический заряд. Поскольку я знаю, что движущиеся электрические заряды создают электрические поля, мне естественно ожидать, что если я стою на земле, то стрелка моего компаса будет поворачиваться, что и происходит.

Рис. 21.6. Мимо пролетает электрический заряд, мой компас замечает магнетизм

Но что происходит, если вы не привязаны к земле, как я, а можете лететь в воздухе рядом с электрическим зарядом? По отношению к вашему положению этот электрический заряд неподвижен, поскольку вы оба двигаетесь с одной и той же скоростью. Поэтому, если у вас есть с собой компас и вы посмотрите на его стрелку, что вы увидите? Будет ли она поворачиваться под влиянием заряда, который летит в воздухе вместе с вами?

Рис. 21.7. Если вы летите вместе с зарядом, стрелка вашего компаса ничего не чувствует – но мой компас на земле чувствует магнитное поле!

С вашим компасом ничего не происходит, поскольку относительно вас заряд не движется. Таким образом, для вас этот заряд не создает магнитное поле, но движение заряда влияет на мой компас. Поскольку я стою на шоссе, наблюдая, как вы и ваш электрический заряд пролетаете мимо, относительно меня заряд движется и создает магнитное поле, которое чувствует стрелка моего компаса.

Поэтому, если вы кричите мне сверху: «Эй, Арни, мой компас не показывает никакого поля», – а я отвечаю: «Нет, дорогой друг в воздухе, вы ошибаетесь, мой компас показывает наличие магнитного поля», – у нас двоих имеется проблема отношения. Вы говорите, что мой компас неисправен, а я отвечаю, что неисправен ваш, поскольку он не показывает никакого поля. Что это – просто проблема восприятия? Нет. Если бы вы могли посмотреть вниз на мой компас, то увидели бы, что его стрелка поворачивается, и если бы я мог взглянуть вверх на ваш компас, то увидел бы, что его стрелка неподвижна.

Если законы физики должны быть одинаковыми во всех местах и системах отсчета, то мы оба должны быть правы. Но как я мог измерять нечто столь фундаментальное, как магнитное поле в данной области с данным движущимся зарядом, в то время как у вас не было никакого подобного измерения?

Это была столь центральная проблема, что Максвелл был готов отказаться от своих уравнений, которые описывали электричество и магнетизм в одной системе отсчета. Он знал, что магнетизм и электричество взаимосвязаны, но не мог придумать, как разрешить загадку двух компасов, которые могут показывать разные вещи. Его результаты вели к парадоксам. Что за дилемма!

Но тут появился Эйнштейн и сказал: «Успокойся, все хорошо. Я решу загадку с помощью принципа относительности». Эйнштейн показал, что электричество и магнетизм нельзя описывать независимо от систем отсчета в пространстве и времени. Пространство, время и материя, которая включает в себя магнетизм и электричество, взаимно зависят друг от друга. До принципа относительности Эйнштейна люди думали, что силы природы не зависят от пространства и времени и не имеют никакого отношения к системе отсчета наблюдателя. Но Эйнштейн сказал: «Я математически покажу, как преобразовывать ваши скорости в относительные скорости и заменять пространство и время на относительные пространство и время, то есть относительные к данной системе отсчета, и, наконец, я покажу, как соотносить между собой результаты в разных системах отсчета. Тогда, дорогой Максвелл, ваши законы будут справедливы везде».

То, что открыл Эйнштейн и о чем мы можем догадываться на основании описанного выше эксперимента, состоит в зависимости сил, подобных магнетизму, от скоростей объектов по отношению к наблюдателю и от используемых им измерительных приборов. Результаты зависят от системы отсчета наблюдателя. Иными словами, все силы природы связаны с нашими наблюдательными системами отсчета, с пространствами и временами мира, из которого мы наблюдаем вещи.