Трактат об электричестве и магнетизме. Том 2.

Максвелл Джеймс Клерк

Об электромагнитных теориях магнетизма

832. Мы уже видели (п. 380), что действие магнитов друг на друга может быть точно представлено притяжениями и отталкиваниями воображаемого вещества, называемого магнитной материей. Мы привели доводы, почему не следует предполагать, что эта магнитная материя перемещается от одной части магнита к другой на заметное расстояние, как это кажется на первый взгляд, когда мы намагничиваем стержень. Мы пришли к гипотезе Пуассона о том, что магнитная материя сосредоточена строго в отдельных молекулах магнитного вещества, причём намагниченной является такая молекула, в которой противоположные виды магнитной

материи более или менее разделены в направлении противоположных полюсов молекулы, но таким образом, что ни одна часть любого из видов магнитной материи фактически не может быть отделена от молекулы (п. 430).

Эти аргументы полностью устанавливают тот факт, что намагниченность есть явление, относящееся не к большим массам железа, а к молекулам, иначе говоря, к частям вещества настолько малым, что мы никаким механическим способом не можем разделить одну из них надвое, так чтобы получить северный полюс отдельно от южного полюса. Однако для установления природы магнитной молекулы несомненно требуются дополнительные исследования. Мы уже видели (п. 442), что имеются сильные основания полагать, что акт намагничивания железа или стали не состоит в намагничивании молекул, из которых они образованы, но что эти молекулы уже являются магнитными даже в ненамагниченном железе, при этом их оси базразлично ориентированы во всех направлениях. Акт намагничивания состоит в повороте молекул таким образом, что их оси либо все становятся параллельными одному направлению, либо, по крайней мере, отклоняются к этому направлению.

833. Тем не менее мы всё ещё не пришли ни к какому объяснению природы магнитной молекулы, т.е. мы ещё не нашли её сходства с какой-либо другой более известной нам вещью. Поэтому нам следует рассмотреть гипотезу Ампера о том, что магнетизм молекулы обусловлен электрическим током, постоянно циркулирующим по некоторому замкнутому пути внутри молекулы.

Можно точно имитировать действие любого магнита в точках, внешних по отношению к нему, с помощью листа электрических токов, соответствующим образом распределённых по внешней поверхности магнита. Но действие магнита в точках внутри него совершенно отлично от действия электрических токов в соответствующих точках. Поэтому Ампер заключил, что если магнетизм следует объяснять при помощи электрических токов, эти токи должны циркулировать в пределах молекул магнита и не должны течь от одной молекулы к другой. Поскольку мы не можем экспериментально измерить магнитное действие в какой-либо точке внутри молекулы, эта гипотеза не может быть опровергнута таким же путём, как мы можем опровергнуть гипотезу о токах заметной протяжённости внутри магнита.

Кроме того, мы знаем что электрический ток, проходя от одной части проводника к другой, испытывает сопротивление и порождает тепло, так что если бы токи обычного вида протекали вокруг частей магнита заметных размеров, то имелся бы постоянный расход энергии, необходимый для их поддержания, а магнит бы являлся постоянным источником тепла. Ограничивая контуры молекулами, о сопротивлении внутри которых ничего неизвестно, мы можем, не боясь впасть в противоречие, утверждать, что ток, циркулирующий внутри молекулы, не испытывает сопротивления.

Следовательно, по теории Ампера все явления магнетизма обусловлены электрическими токами, и если бы мы могли измерять магнитную силу внутри магнитной молекулы, мы обнаружили бы, что она подчиняется точно тем же законам, что и сила в области, окружённой любым другим электрическим контуром.

834. При рассмотрении силы внутри магнитов мы предполагали, что измерения выполняются в небольшой полости, образованной в веществе магнита (п. 395). Мы, таким образом, пришли к необходимости рассмотрения двух различных величин, магнитной силы и магнитной индукции, каждую из которых предполагается измерять в пространстве, из которого удалена магнитная материя. Мы не предполагали, что можем проникнуть внутрь магнитной молекулы и наблюдать силу внутри неё.

Если мы принимаем теорию Ампера и рассматриваем магнит не как непрерывное вещество, намагниченность которого меняется от точки к точке в соответствии с каким-то легко устанавливаемым законом, но как множество молекул, внутри каждой из которых циркулирует система электрических токов, создающих очень сложное распределение магнитной силы, то направление магнитной силы внутри молекулы будет обычно противоположно направлению средней силы в её окрестности, а магнитный потенциал, если он вообще существует, является функцией, степень кратности которой определяется числом молекул в магните.

835. Но мы обнаружим, что, несмотря на видимую сложность, которая вытекает просто из существования множества более простых частей, математическая теория магнетизма значительно упрощается, если принять теорию Ампера и распространить наши математические представления на внутренние части молекул.

Прежде всего два определения магнитной силы сводятся к одному - к определению магнитной силы для пространства вне магнита. Далее, составляющие магнитной силы везде удовлетворяют условию, которому подчиняются составляющие индукции, а именно

d

dx

+

d

dy

+

d

dz

=

0.

(1)

Другими словами, распределение магнитной силы имеет ту же природу, что и распределение скорости несжимаемой жидкости, или, как мы это выразили в п. 25, магнитная сила не имеет конвергенции.

Наконец, три векторные функции - электромагнитный импульс, магнитная сила и электрический ток - более просто связаны друг с другом. Все они являются векторными функциями, не имеющими конвергенции, и получаются последовательно одна из другой при помощи одной и той же операции пространственного дифференцирования, которая была обозначена Гамильтоном символом .

836. Но теперь мы рассматриваем магнетизм с физической точки зрения, поэтому мы должны исследовать физические свойства молекулярных токов. Мы предполагаем, что ток циркулирует в молекуле и что он не испытывает сопротивления. Если L - коэффициент самоиндукции молекулярного контура, а M - коэффициент взаимной индукции между этим контуром и каким-то другим, и если есть сила тока в молекуле, а ' - сила тока в другом контуре, то уравнение для тока следующее:

d

dt

(L+M')

=-

R

;

(2)

а так как, согласно предположению, сопротивление отсутствует, то R=0 и, интегрируя, мы получаем

L+M'

=

constant

=

L

 (скажем).

(3)

Предположим, что площадь проекции молекулярного контура на плоскость, перпендикулярную оси молекулы, равна A, причём эта ось определена как нормаль к плоскости, на которой проекция максимальна. Если действие других токов обусловливает магнитную силу X в направлении, наклон которого к оси молекулы равен , то величина M' равняется XA cos , и в качестве уравнения тока мы имеем