Магнетизм: открытие загадочного явления

То, что минерал магнетит (магнитный железняк Fe3O4) притягивает металлические предметы, люди знали еще за 3 тысячи лет до нашей эры. Раньше всех эту «магическую» способность магнетита заметили жители Месопотамии, а объяснить ее попытались древние греки приблизительно в V в. до н. э. Так, античный философ Фалес Милетский (тот, что открыл статическое электричество, натирая шерстью янтарь) полагал, будто у магнетита есть душа. Иные мудрецы высказывали предположения о том, что магнетит и железо окутаны незримым паром, потому и притягиваются. Греки же придумали и название «магнетит» — в честь города Магнесия-у-Сипила, где были большие залежи этого минерала.

Затем эстафета исследования магнитных свойств перешла к китайцам. В 240 г. до н. э. появились «Весенние и осенние записи мастера Лю», где рассказывалось, как магнетит притягивает железо. А через сто лет китайские мудрецы заметили, что ни медь, ни керамика никак не реагируют на минерал. Прошло девять столетий, прежде чем китайцы сделали еще одно открытие: железная иголка, подвешенная за нить и натертая магнитом, разворачивается в направлении Полярной звезды. Данное наблюдение позволило китайцам создать морской компас, а чуть позже они обратили внимание на то, что намагниченная игла ориентируется не четко на северную звезду, а скорее между севером и северо-востоком. Так было выявлено магнитное склонение.

Первым европейцем, заинтересовавшимся свойствами магнита, стал французский физик Пьер де Марикур. Во второй половине XIII в. 29-летний Пьер участвовал в осаде одного из итальянских городов и прямо с поля боя послал другу «Письмо о магните», где описывались эксперименты с магнетитом. В ходе своих опытов Марикур выявил, что независимо от размера и формы минерал имеет две зоны с мощной притягивающей силой, подобные полюсам небосвода. Соответственно, эти зоны получили название магнитных полюсов — северного и южного. Сколько ни дели магнетит на части, в каждой из них снова и снова будут образовываться два полюса. Из-за этого куски минерала могут как притягиваться между собой, так и отталкиваться: первое происходит, если повернуть магниты один к другому «севером» и «югом», второе — если попробовать их состыковать одноименными зонами.

В XVI в. магнит получил славу чудесного камня, способного делиться своим «даром» с другими предметами, притягивать тела даже на большом расстоянии и через преграды, а также узнавать родственную породу.

В начале следующего столетия английский ученый Уильям Гильберт обратил внимание, что железный предмет, находящийся вблизи магнита, на время тоже становится магнитом. Ученый предположил, будто магнит окружен «миром добродетели» — по современной терминологии, магнитным полем, которое и воздействует на близлежащий металл. В работе «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» Гильберт заметил, что наша планета — это гигантский магнит.Желая изучить направление магнитных линий Земли, ученый пронаблюдал за поведением железной стрелки на шаре из магнитной руды и нашел, что на экваторе стрелка ложится параллельно шару, на полюсах становится перпендикулярно, а в области средних широт принимает диагональное положение. Кроме того, Гильберт смоделировал магнитное склонение, указывающее на смещение оси магнитного поля относительно географической земной оси, и объяснил это тем, что шар сверху не гладкий, а шероховатый.

В том же труде ученый изложил результаты своих исследований касательно свойств естественных магнитных материалов и железа, а также подтвердил выводы Марикура о двух полюсах и законах их притяжения/отталкивания. Вдобавок ученый исследовал силовые линии магнита, водя по ним магнитной стрелкой, однако понятие «сила» по отношению к магниту счел некорректным. По его мнению, о силе можно говорить только применительно к электричеству: мол, электрическая жидкость притягивает тела, не изменяя их форму, а лишь выпуская собственные частицы. Между тем магнит действует через форму (или «душу»), меняя притягиваемый предмет и внешне, и внутренне. Отвечая на вопрос, почему намагниченное железо теряет притягивающие свойства при температуре выше 700 °С, Гильберт сказал, что виноват во всем разрушительный характер пламени. Якобы огонь меняет структуру материи и деформирует металлический предмет, из-за чего тот перестает притягиваться к магниту. Затем, остывая, предмет восстанавливает свою форму — и вновь обретает магнитные свойства.

Позже теория Гильберта получила свое подтверждение. Как оказалось, способность намагничиваться зависит от направления и силы тока в атомах вещества, то есть от движения электронов. Любой магнетик состоит из нескольких магнитных областей (доменов), которые различаются направлением электронов и, соответственно, собственного магнитного поля. Когда вещество попадает во внешнее магнитное поле, электроны начинают вести себя по-другому, и границы стенок между доменами сдвигаются. Например, у ферромагнетиков (веществ, способных сильно намагничиваться, в том числе железа) магнитные поля атомов стремятся выстроиться параллельно внешнему полю, и выходит, что те домены, где внутреннее поле совпадает с внешним, разрастаются и занимают собой все пространство. При повышении температуры молекулы вещества возбуждаются, электроны меняют свое направление, наступает хаос, и вещество размагничивается. Но стоит снизить температуру, и все возвращается на свои места. То есть можно сказать, что магнетизм действительно зависит от структуры материи.

Открытия Гильберта по достоинству оценили все ученые, а после его кончины поэт Джон Драйден посвятил ему такие слова: «Пока магнит не перестанет притягивать — не уйдет от нас и Гильберт».

На протяжении последующих двух столетий открытия в области магнетизма были довольно скудными. Через 40 лет после выхода книги Гильберта итальянец Бенедетто Кастелли — друг и ученик Г. Галилея — высказал догадку, что магнетит притягивает другие материалы благодаря крошечным частичкам в своем составе, каждая из которых является магнитом. В 1778 г. нидерландский ученый Себальд Бругманс обратил внимание на свойство сурьмы и висмута слегка «отскакивать» от магнитной стрелки — и таким образом нашел первые диамагнетики (хотя само явление диамагнетизма будет открыто М. Фарадеем более чем полвека спустя). А затем Шарль-Огюстен Кулон, экспериментируя с собственным изобретением — крутильными весами, выявил, что взаимодействие магнитных полюсов, подобно взаимодействию электрических зарядов, слабеет с увеличением расстояния между ними.

Большинство же ученых в те времена интересовались скорее изучением электричества, нежели магнетизма. Первое давало множество возможностей для экспериментов, ведь его можно было производить и конденсировать. А вот второй, будучи неотъемлемым свойством естественных минералов, казался статичным и не поддающимся никаким изменениям. Однако в XIX в. было открыто явление электромагнетизма — и исследование магнитных свойств вышло на новый уровень…