Физика, всё же, удивительная штука, и, порой открывает мир совершенно с неожиданных сторон — например, как вам понравится, что можно вызывать физическое движение объектов, простым воздействием магнитного поля?!
Несмотря на кажущуюся странность такой возможности — это широко известный научный эксперимент, одним из авторов которого являлся сам знаменитый Эйнштейн…
С древних времён, как только человек познакомился с железной рудой и железом — его стали привлекать необычные свойства этой руды, природной намагниченности — по дошедшим до нас сведениям, самые первые упоминания о магнитах относятся к периоду примерно 2500 лет назад и дошли до нас из Древней Анатолии, Индии, Китая.
Уже существенно позже, в Китае, было открыто, что, если охладить с помощью закалки раскалённое железо, определённым образом ориентированное* относительно Земли — оно получает необычные свойства, в последующем, постоянно разворачиваясь и сохраняя определённую ориентацию.
*Параллельно силовым линиям магнитного поля Земли — правда, они были не в курсе об этом, и, остужали раскалённую иголку, ориентируя её определённым образом, глядя на небесные тела, так как астрономия была в Китае развита.
Нагрев снимает ориентированность магнитных доменов внутри материала, и, если при этом, ещё металл ориентировать согласно имеющимся силовым линиям магнитного поля Земли и остудить в таком положении, — то произойдёт формирование новых магнитных доменов, с ориентацией уже согласно этим линиям.
Кроме того, широко известны и попытки приписывания магнитам неких чудодейственных свойств, которые можно использовать для лечения — это продолжается с древнейших времен и по наши дни…
Очевидно, что если немножко задуматься об этом вопросе, то становится понятно, что основной причиной мистификации магнитных свойств было корневое непонимание истоков, — что же является причиной магнетизма?
Считается, что одним из первых, кто постарался разобраться в этом вопросе, явился знаменитый французский физик и математик Анри-Мари Ампер (1775-188):
В ходе своих многочисленных экспериментов с пропусканием электрического тока через проводники, он обнаружил, что два параллельных проводника уложенные рядом друг с другом — притягиваются друг к другу или отталкиваются, в зависимости от того, в каких направлениях в них течёт ток.
Таким образом, он смог связать воедино две разные области: электричество и магнетизм, наглядно показав, что магнетизм, как минимум, в области электричества — это не какое-то особое «магнитное вещество», а порождается электрическим током!
Продолжая размышлять над этим, он сделал допущение, пожалуй, первое в истории, что природный магнетизм как таковой порождается маленькой частичкой вещества, которое называл «электродинамической молекулой», внутри которой «вечно» циркулирует некоторый замкнутый электрический ток, порождающий в ходе этого и магнитное поле, то есть магнетизм.*
*Много лет спустя, эксперименты показали, что он был абсолютно прав (и это мы ещё увидим ниже) — но не в части некоей «молекулы», так как, на тот момент, когда он жил, об устройстве атома ещё не знали, а касательно самого принципа существования замкнутых электрических токов, порождающих магнитное поле.
Однако, тут надо отметить его проницательность, так как, не имея практического аппарата для исследований, он, полагаясь исключительно на свою логику и эксперименты в макромире — сделал правильное допущение!
Благодаря своим теоретическим и практическим изысканиям, Ампер так сильно продвинул науку, что Максвелл его даже назвал «Ньютоном от электричества»!
Таким образом, подытоживая эту стадию, мы видим, что на тот момент, были только предположения касательно природы постоянного магнетизма и предварительные гипотезы ещё только следовало подтвердить…
Предваряя дальнейший рассказ, только отмечу, что мне тут удалось найти очень интересный документ, в том числе, с изображением изначального эксперимента, оборудования для него (!) и подробным его описанием (обычно такое очень редко встречается в сети) — кому интересно, оригинал можете найти здесь.
…Итак, наступил XX век, а совсем недавно, в 1897 году, было официально представлено открытие электрона, таким образом, учёные стали лучше знать об элементарном устройстве материи…
Тут надо сделать небольшое отступление и отметить (для лучшего понимания дальнейшей информации), что с точки зрения современных представлений, электроны не просто движутся по своим орбитам, а ещё и вращаются вокруг своей оси — называется это «спин». Правда, на момент проведения описываемого далее эксперимента, насколько я понимаю, о спине ещё не знали, и просто предположили, некое движение электронов, не имея ещё представления, об их собственным вращении вокруг осей:
Как мы можем видеть по ссылке выше на оригинальный документ, там мельком упоминается, о том, что идея самого эксперимента пришла Эйнштейну в голову, когда он работал с гирокомпасами — о дальнейшем в этом документе выше не упоминается, однако, я знаю, что в начале XX века Эйнштейн работал в патентном бюро* и, судя по всему, он вдохновился, изучая принцип гирокомпаса, в котором вращается своеобразный «волчок»:
*В качестве небольшого отвлечения: касательно этой его работы в патентном бюро, я читал как то любопытную статью, где он сам с сожалением отмечал (и я это постоянно люблю повторять) что почти не встречается «межинституциональных» людей — которые могли бы рождать новые идеи, на стыке дисциплин (а самый шик — вообще никак не связанных друг с другом дисциплин), потому что, зачастую, к сожалению, почти все люди очень сильно специализированы…
И, насколько можно судить по современному миру, — с начала XX века эта проблема никуда не делась… ;-)
Касательно самого эксперимента: когда вы будете ознакамливаться с официальными изложениями (если вообще захотите таким заняться :-) ) — то, сразу хочу сказать, что вам придётся столкнуться с весьма «зубодробительными» объяснениями, понять и осознать которые в полной мере сможет только, наверное, учёный уровня senior+++ (то бишь, академик, доктор наук и т.д. :-) ).
Поэтому, а также потому, что с этим эффектом я сам знаком достаточно давно, — ознакомимся сначала с самой схемой эксперимента, а затем, я предложу своё объяснение, на мой взгляд, гораздо более простое, так как, размышляя над всем этим, меня осенило, что всё здесь можно понять намного проще!
Итак, схема выглядела следующим образом (пока изучаем схему, а дальше будет ещё и видео):
На этой схеме мы видим, что в центре катушки подвешивался ферромагнитный цилиндр на тонкой нити; кроме того, так как, ожидаемые эффекты должны были быть очень скромными — прямо на самой нити крепилось небольшое зеркальце, на которое направлялся лучик света — соответственно, направив отражённый от зеркальца лучик, например, на стену, относительно далеко расположенную от места проведения эксперимента, если бы цилиндр начал вращаться — то это было бы заметно, по тому относительно большому пути, который проходит солнечный зайчик по стене...
Кроме того, мы здесь видим, что сама катушка может периодически подключаться к источнику тока.
Теперь, в чём же заключалась суть эксперимента: похоже что, наблюдая гироскопы, Эйнштейна осенило — если сделать допущение, что электроны действительно движутся по неким орбитам внутри атома, то, можно их рассматривать как своеобразные микроволчки (ну или маховики, если угодно), которые, кроме того, что своим движением порождают магнитное поле, так как их движение, по сути, представляет собой замкнутые электрические токи, то, естественно, помимо этого, электроны будут иметь и определённый гироскопический эффект — все мы знаем, что если быстро вращающийся волчок попытаться сместить, он будет активно сопротивляться этому, и попытается даже сместить с места вас ( если у него хватит сил) — то есть, будет наблюдаться сохранение импульса.
Гениальность эксперимента заключается в том, что он позволяет убедиться в наличии электронов — за счёт внешне проявляемых макроэффектов: например, если мы снаружи, к этим «волчкам» попробуем применить некую силу — скажем, кратковременно включив протекание тока через катушку и, таким образом, взаимодействуя возникшим магнитным полем на электроны (т.е. «волчки») внутри цилиндра — они будут активно сопротивляться этому и, в теории, сам цилиндр должен получить импульс в обратную сторону, то есть повернуться на некий угол!
Так как эффекты ожидались очень слабенькими — для усиления их внешнего проявления (чтобы было удобнее наблюдать) — было использовано вот это прикреплённое зеркальце, и, кроме того, импульсный характер включения тока через катушку: катушку запитывали не постоянным током, а, импульсно, синхронно с раскачиванием цилиндра, чтобы увеличить его амплитуду раскачки!
Чем-то это похоже на то, как дети раскачивают качели!
Размышляя над всем этим, меня тут тоже, в процессе осенило: а ведь это, по сути, самый простой электрический «двигатель», в качестве обмотки статора которого выступает вот эта катушка, а «обмотки ротора» — сами электроны внутри ферромагнитного вещества!!!
Этот эксперимент стал красивым подтверждением теории Ампера, исполненным не менее великими последователями — Альбертом Эйнштейном и Вандером Йоханнесом Де Хаасом на практике доказавшими, что да, внутри вещества есть быстродвижущиеся токи (в качестве которых можно рассматривать кольцевое движение электронов), порождающие собственное электромагнитное поле, а сам магнетизм — суть порождения протекающего электрического тока…
Правда на тот момент ещё не было известно о «спине» электрона, который мы могли видеть на картинке выше и, поэтому, расчётные величины отличались от практически полученных, где такое расхождение окончательно объяснить удалось уже только к 1928 году, с открытием спина...
И, обещанное видео эксперимента, проведённого уже в наши дни:
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
Автор: cnet
