Какой магнетизм продольный, а какой – поперечный?

В 1939 г. немецкий ученый доктор В. Браунбек совершил настоящее чудо, подвесив в постоянном магнитном поле крошечные тела. Причем тела эти парили в воздухе, ни к чему не прикасаясь, точно как мифический гроб Магомета (рис. 337). Но об этих телах надо поговорить особо, так как они были изготовлены их веществ, которые вплоть до ХХ в. считались немагнитными.

Рис. 337. Схема опыта В. Браунбека: 1 – кусочек висмута; 2 – полюса электромагнита

Мы знаем, что магнит притягивает железные предметы. Кроме железа, притягиваются также близкие к нему металлы – никель и кобальт. Такие металлы называют ферромагнетиками. Если нагреть эти металлы до точки Кюри, то они перестают притягиваться к магниту, – это было известно еще Гильберту. Но если быть точным, то они продолжают притягиваться, только в сотни тысяч раз слабее. Эти металлы становятся парамагнетиками. Например, металл гадолиний становится ферромагнетиком только при температуре ниже 16 °С, а выше он парамагнетик. Точка Кюри для него наступает при комнатной температуре. Парамагнетиков достаточно много. Это металлы магний, кальций, алюминий, хром, марганец, газ кислород и многие другие.

Но гораздо больше, оказывается, других веществ – диамагнетиков, которые магнитом… отталкиваются. Правда, это отталкивание диамагнетиков очень слабо, и его заметить трудно.

Еще в 1778 г. малоизвестный ученый Антон Бругманс положил кусочек металла висмута в маленький бумажный кораблик, поставил его на воду и поднес к нему магнит. И вопреки здравому смыслу того времени кораблик стал уплывать от магнита. Этот результат был так необычен, что ученые не стали даже проверять его, а просто не поверили Бругмансу. Слишком велик был авторитет Гильберта, утверждавшего, что не может быть тел, отталкивающихся от магнита.

Удивительное дело, сколько неприятностей может повлечь за собой авторитет ученого! Даже в простых вещах, где здравый смысл просто подсказывает проверить мнение авторитета, люди предпочитают верить этому мнению и не проверять его.

Так, Аристотель утверждал, что у мухи четыре ноги, а у женщин зубов во рту больше, чем у мужчин. И почти 1 500 лет после Аристотеля никто не потрудился поймать муху и сосчитать число ее ног или подсчитать число зубов во рту у своей жены. А чего стоит совет древних ученых, как с помощью чеснока или бриллиантов уменьшить силу магнитов! Нужен был громадный авторитет Гильберта, чтобы опровергнуть это устоявшееся, но в корне неверное мнение. Но тот же Гильберт пишет: «Плиний, выдающийся человек… списал у других сказку, ставшую в новое время, благодаря частым пересказам, общеизвестной: в Индии, у реки Инда, есть две горы; природа одной, состоящей из магнита, такова, что она задерживает всякое железо; другая, состоящая из феамеда, отталкивает железо. Так, если в обуви имеются железные гвозди, то нет возможности оторвать подошв от одной из этих гор, а на другую нет возможности ступить. Альберт Великий пишет, что в его время был найден магнит, который одной своей стороной притягивал железо, а другой, противоположной, отталкивал его».

Сказание о неком камне феамеде, заимствованное у Плиния, часто встречается в средневековых книгах. У того же Плиния можно прочесть: «Говорят, что существует другая гора в Эфиопии, и недалеко от названной выше Зимири (магнитной горы), которая порождена камнем феамедом, не выносящим железа, выбрасывающим его и отталкивающим от себя».

И на это все – категоричное мнение Гильберта: «Я полагаю, что не существует никакого феамеда, обладающего силой, противоположной силе магнита».

Возможно, древние заметили, что некоторые вещества, в том числе и графит, сильнейший диамагнетик и широко распространенный материал в природе, отталкиваются магнитом. Кто мог помешать кому-нибудь еще в античные времена провести нехитрый опыт Бругманса, положив на плавающую пробку или дощечку кусок графита? Вот и было бы дано начало учению о диамагнетиках, которое и легло в основу легенд о феамеде.

Результатом же авторитетного высказывания Гильберта было то, что Бругмансу никто не поверил. Правда, позже его опыты повторил французский ученый Анри Беккерель (дед знаменитого Анри Бекке-реля, открывшего радиоактивность урана) и пришел, естественно, к тому же результату. Мало-помалу ученые склонились в мысли, что висмут все-таки отталкивается магнитом, но это исключение из правил. Мнение, что только три металла – железо, никель и кобальт притягиваются к магниту, а все остальные вещества безразличны к нему, господствовало в науке вплоть до 1845 г. Потому что именно в этом году великий английский ученый Майкл Фарадей (1791—1867) установил, что нет в природе веществ, полностью безразличных к магниту. Фарадей верил, что природные силы едины и магнитные свойства присущи всем существующим в природе веществам.

Чтобы выявить даже ничтожную способность тел притягиваться или отталкиваться магнитом, Фарадей подвешивал эти тела на тонкой длинной нити между полюсами мощного электромагнита. Чем длиннее была нить, тем меньше требовалось силы, чтобы отклонить – притянуть или оттолкнуть – тело. Ведь при отклонении подвешенного тела оно движется по дуге и чутъ-чутъ поднимается. Сила притяжения Земли стремится возвратить тело в исходное, наиболее низкое положение и препятствует отклонению. Но чем нить длиннее, тем меньше кривизна дуги и тем меньше требуется усилия, чтобы ее отклонить. Каким бы тяжелым ни был груз, хоть в сотни тонн, если он подвешен на длинном канате, рабочие-монтажники легко отклоняют его руками, точно нацеливая на место приземления.

Таким методом Фарадей проверил тысячи веществ и убедился, что абсолютно все исследуемые тела различным образом, в разной мере, но реагируют на магнитное поле. Несколько металлов и сплавов – ферромагнетики – сильно притягиваются магнитом. Большее количество веществ, которые Фарадей назвал парамагнетиками, притягиваются, а огромное количество веществ – все остальные вещества, кроме ферромагнетиков и парамагнетиков, – отталкиваются магнитом. Их Фарадей назвал диамагнетиками.

Слова «парамагнетики» и «диамагнетики» отличаются приставками «пара» и «диа». Эти приставки по-гречески означают «вдоль» и «поперек». Если взять стерженьки из парамагнетика и диамагнетика, подвесить их на нити или поставить на иглу, и внести в поле между двух полюсов магнита, то поведут они себя по-разному. Парамагнитный, как и ферромагнитный, стерженек, концы которого притягиваются к полюсам магнита, расположится вдоль силовых линий поля – от полюса к полюсу (рис. 338, а). Диамагнитный же стерженек, концы которого при приближении к полюсу магнита приобретают ту же полярность, будет стремиться занять такое положение, чтобы концы были подальше от любых полюсов магнита, т. е. перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 338, б). Отсюда и названия этих магнетиков. Число диамагнетиков огромно, оно, безусловно, больше списка, который составил Фарадей на основании своих опытов: «Иод, воск, гуммиарабик, слоновая кость, баранина вяленая, говядина вяленая, говядина свежая, кровь свежая, кровь высушенная, хлеб, китайская тушь, берлинский фарфор, шелковичный червь, древесный уголь… этот список можно перечислять очень долго. Даже сам человек – тоже диамагнетик».

Рис. 338. Положение парамагнитного (а) и диамагнитного (б) стерженьков между полюсами магнитов

«Если бы можно было подвесить человека на достаточно чувствительный подвес, – писал Фарадей, – и поместить в магнитное поле, то он расположился бы поперек силовых линий, так как все вещества, из которых он составлен, включая кровь, обладают этим свойством».

Чтобы подчеркнуть, насколько всеобъемлющ диамагнетизм, говорят, что все вещества в природе – диамагнетики; как исключение из правила встречаются парамагнетики, и совсем уж редко – ферромагнетики. А ведь все время считалось, что магнитными свойствами обладают только эти «редчайшие» ферромагнетики!

Рис. 339. Пламя свечи «выталкивается» из магнитного поля

Но ведь Гильберт не мог не знать, что пламя свечи отталкивается от полюса магнита, выталкивается из магнитного поля, так как продукты сгорания диамагнитны (рис. 339). К тому же Гильберт часто помещал куски железа и магниты на плавающую пробку и наблюдал их притяжение, отталкивание одноименных полюсов, ориентировку магнита на полюса Земли. Что стоило ему, заподозрив отталкивание каких-то веществ, находящихся в составе пламени, от магнита, поместить копоть, сажу или даже кусок свечки на пробковый плотик и поднести к нему сильный магнит? Это нужно было бы сделать хотя бы для того, чтобы убедиться в невозможности феамедов. Тысячи и тысячи разнообразных опытов провел Гильберт, а этого опыта не стал проводить, потому что не видел в нем смысла, будучи заранее убежденным, что веществ, отталкиваемых магнитом, не может быть. А зря!

Возвращаясь к рукотворному «гробу Магомета» доктора В. Браунбека, нужно заметить, что подвешены в магнитном поле были именно диамагнетики – висмут и графит. Первый весил 8 миллиграммов, а второй – 75. Напряженность магнитного поля между полюсами магнита составляла 23 000 эрстед, что очень много.