398. Магнитное притяжение. Притяжение магнита и железа друг к другу проявляется самыми разными способами. Если поднести магнит к кучке железных опилок или иголок, то при поднятии магнита к нему прилипнет их некоторое количество. В детских игрушечных рыбках в голову вделан кусочек железа, благодаря чему рыбки следуют за магнитом. В этом случае можно ясно видеть, что чем ближе магнит и железо находятся друг к другу, тем сильнее притяжение. Действительно, сила притяжения подчиняется тому же закону расстояния, что и обычное притяжение материи, а именно: она обратно пропорциональна квадрату расстояния. Притяжение здесь также взаимно: железо притягивает магнит в той же мере, в какой магнит притягивает железо.
Fig. 279.
Fig. 280.
399. Полюса магнита. У каждого магнита есть два полюса. Именно в этих полюсах сосредоточена основная сила. По этой причине, если покатать магнит в железных опилках, они соберутся вокруг его концов, как показано на рис. 279. Притяжение уменьшается от концов к средней линии, которая называется нейтральной линией. Эти полюса называются северным и южным, потому что если подвесить магнит или установить его на опоре (оси) так, чтобы он мог вращаться, он примет направление север-юг, причем один из его концов неизменно будет указывать на север. На рис. 280 изображен магнит, установленный на оси C.
Fig. 281.
400. Магнетизм посредством индукции. Магнит, проявляя свое притяжение, фактически временно превращает в магнит то, что притягивает. Для этого результата не требуется непосредственного контакта. Так, если большой ключ поднести очень близко к мощному магниту, он сможет удерживать маленькие ключи, как показано на рис. 281. Когда ключ убирают от магнита, прикрепленные к нему ключи падают. Вы видите аналогию с индукцией электричества, отмеченной в § 379. Как и при электрической индукции, здесь два конца тела, в котором индуцируется влияние, находятся в противоположных состояниях. Если конец магнита, к которому приближен или прикреплен первый ключ, является северным полюсом, то конец ключа, обращенный к магниту, становится южным полюсом, а его дальний конец — северным. То же самое происходит и с маленьким ключом, прикрепленным к концу большого. И если бы на маленьком ключе висел гвоздь, а на нем игла, то все они обладали бы такой же полярностью. Но все это изменилось бы на противоположное, если бы большой ключ был прикреплен к южному полюсу магнита. В этом случае верхний конец каждого из этих предметов был бы северным полюсом, а нижний — южным.
401. Притяжение и отталкивание у магнитов. Вы видели при индукции, что у магнитов одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Но этот закон можно проиллюстрировать еще более наглядно. Если поместить магнит на ось, как на рис. 280, и поднести к нему другой магнит, то в зависимости от способа поднесения проявится либо притяжение, либо отталкивание. Если поднести северный полюс к северному или южный к южному, результатом будет отталкивание. Но если поднести северный полюс к южному или южный к северному, то проявится притяжение.
Fig. 282.
402. Магнитные линии. Полярность магнетизма вызывает весьма своеобразное расположение железных опилок, если их слегка встряхнуть на листе бумаги, лежащем над магнитом, как показано на рис. 282. Некоторые полагали, что наблюдаемые кривые вызваны истечением какой-то жидкости или влияния из магнита в этих определенных направлениях. Но они целиком и полностью объясняются тем, что каждая частица опилок поляризуется частицей, предшествующей ей в ряду, начиная от магнита наружу, причем ближайшая частица в каждом ряду получает свое магнитное состояние от самого магнита. Поскольку это так, и основная сила сосредоточена в концах магнита, легко понять, как возникает такое расположение линий магнитных опилок. Эти кривые можно красиво и необычно варьировать, помещая под бумагу несколько магнитов, расположенных различным образом.
403. Искусственные магниты. Сила, заключенная в магнитном железняке, может быть легко передана, как вы видели, железу и стали. Хотя мягкое железо легче воспринимает магнитное влияние, чем сталь, оно не удерживает его так, как сталь, поэтому последняя используется для изготовления искусственных магнитов. Когда магнит передает свое магнитное влияние, он не теряет собственной силы, будь то природный магнит или искусственный. Существует много способов постоянного намагничивания стали, но я отмечу лишь два из них. Если вы хотите намагнитить стержень или иглу, проведите полюсом магнита от одного его конца до другого значительное количество раз, всегда в одном и том же направлении. Более эффективный способ — взять два магнита и, поместив южный полюс одного и северный полюс другого в контакт над серединой стержня или иглы, медленно и равномерно развести их к противоположным концам. Этот процесс необходимо повторить несколько раз.
Fig. 283.
Fig. 284.
404. Подковообразные магниты. Одной из самых распространенных форм магнита является подковообразный магнит, рис. 283. К его концам прикреплен кусок мягкого железа, удерживаемый там силой притяжения. Он называется якорем. Пока он остается на месте, он является магнитом, имеющим два полюса: северный полюс (+) прикреплен к южному полюсу (-) магнита, который его удерживает, в то время как с его южным полюсом дело обстоит наоборот. Цель якоря — сохранить силу инструмента. Действительно, обнаружено, что приложение силы магнита не только сохраняет, но и фактически увеличивает ее. Поэтому, если вы прикрепите к магниту якорь с крючком, как показано на рис. 284, вы сможете постепенно, день за днем, увеличивать вес и тем самым значительно повысить мощность магнита.
405. Магнитная стрелка. Магнитная стрелка — это очень маленький магнит, закрепленный на оси. Поскольку она указывает на север и юг, она очень полезна мореплавателю. Компас мореплавателя представляет собой круглую коробку с такой стрелкой, сбалансированной внутри, и карточкой, на которой нарисован круг, разделенный на тридцать две части, как видно на рис. 285. Изначально компас был грубым приспособлением, состоящим из кусочка магнитного железняка, положенного на пробку, плавающую в воде. Дата и место его первого использования неизвестны.
406. Склонение стрелки. Склонение стрелки — это ее отклонение от линии север-юг. Сравнительно в немногих частях земной поверхности нет отклонения от этой линии к востоку или западу. Выражение «верный, как стрелка к полюсу» стало пословицей, и когда оно было впервые произнесено, предполагалось, что оно основано на строгой истине; но современные исследования показали не только то, что стрелка меняет свое направление в разных местах, но и то, что она в некоторой степени меняет свои отклонения. Склонение стрелки было впервые замечено Колумбом во время его первого путешествия, и это вызвало большую тревогу среди моряков, которые, как отмечает Ирвинг, «думали, что законы природы меняются и что компас вот-вот потеряет свою таинственную силу». Несмотря на эти и другие подобные наблюдения, до середины XVII века склонению стрелки не придавали большого значения. Но с тех пор были составлены обширные записи о ее склонениях в разных местах, а также таблицы и карты, отображающие их. Эти склонения не постоянны, а несколько меняются каждый день, предположительно под влиянием Солнца на Землю.
Fig. 285.
407. Наклонение стрелки. Установлено, что в большинстве частей Земли, если стрелку сбалансировать до намагничивания, а затем подвесить за ту же точку, она не будет сбалансирована, а один из ее концов наклонится вниз. Этот факт был открыт Норманом, лондонским оптиком, в 1576 году. Он обнаружил, что наклонение в Лондоне направлено к северу под углом 72°. В ходе дальнейшего исследования этого явления выяснилось, что при движении с севера к экватору наклонение постоянно уменьшалось, пока не достигалась точка, где стрелка становилась горизонтальной. Затем, при движении к югу от этой точки, происходило обратное наклонение — южного полюса, и чем дальше на юг перемещалась стрелка, тем больше было наклонение. На севере капитан Росс в 1832 году достиг местности к северу от Гудзонова залива, на 70° 5' с.ш. и 96° 45' з.д., где свободно подвешенная магнитная стрелка занимала вертикальное положение. Подобной местности вблизи южного полюса пока не обнаружено.
408. Земля как магнит. Из всего сказанного о магнитной стрелке можно легко понять, что Земля является магнитом или содержит в себе нечто, что каким-то образом действует как таковой. Наклонение стрелки показывает, что два полюса этого магнита находятся где-то вблизи северного и южного полюсов Земли. Местность, которую нашел капитан Росс, должна находиться вблизи северного полюса магнита в той части света. Вертикальное положение стрелки там аналогично прямым линиям железных опилок, которые вы видите на рис. 282 вблизи полюсов магнита; также легко проследить аналогию между наклонением стрелки на разных расстояниях от так называемого магнитного экватора Земли, где стрелка горизонтальна, и кривыми, которые, как вы видите, простираются от полюса к полюсу. Различные склонения стрелки и различная интенсивность магнитной силы в разных местах, соответствующих широте, показывают, что магнит внутри Земли, если он существует, имеет неправильную форму или его сила каким-то образом сильно варьируется в разных частях земной коры.
409. Земля как намагничивающее тело. Поскольку Земля действительно является магнитом, можно ожидать, что она будет передавать магнетизм посредством индукции, как это делают другие магниты. И это действительно так. Если держать стержень из мягкого железа в направлении наклонения стрелки, он становится магнитом, причем его нижний конец является северным полюсом, а верхний — южным. В этом можно убедиться, поднеся маленькую магнитную стрелку к каждому концу. Никакого эффекта такого рода не происходит, если стержень держать горизонтально с востока на запад. Молниеотводы, кочерги, вертикальные железные прутья в оградах и т. д. часто оказываются намагниченными, потому что они долгое время находились почти в нужном для намагничивания положении. Когда железный стержень был намагничен указанным способом, его магнетизм иногда можно зафиксировать ударом молотка. Любопытный, но необъяснимый факт заключается в том, что эта вибрация частиц железа оказывает такой эффект. Но хотя такая вибрация помогает передать магнетизм, она совсем не способствует его удержанию, ибо магниты всегда портятся от ударов или падений, или вообще от любого грубого обращения. По этой причине требуется осторожность при снятии якоря с магнита. Если его оторвать резко, сила магнита уменьшается.
410. Магнетизм в других веществах, кроме железа. Раньше предполагалось, что магнетизм ограничен железосодержащими веществами, но это оказалось неверным. Различные минералы обладают магнитными свойствами, особенно после нагревания, а также некоторые драгоценные камни и даже кремнезем, который в большом количестве входит в состав некоторых горных пород Земли. И некоторые полагают, что будущие исследования покажут, что влияние магнетизма в Земле столь же обширно, как и влияние электричества.
411. В чем магнетизм подобен электричеству. Магнетизм подобен электричеству в нескольких отношениях: 1. Его сила проявляется на поверхности тел. 2. Он бывает двух видов: северный и южный, или бореальный и австральный, что сравнимо с положительным и отрицательным электричеством. 3. К обоим применим один и тот же закон притяжения и отталкивания, а именно: одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются. 4. Как электричество может передаваться посредством индукции, так и магнетизм.
412. В чем магнетизм не похож на электричество. Обстоятельства, в которых магнетизм не похож на электричество, в основном следующие: 1. Очевидные проявления магнетизма в значительной степени ограничены одним классом веществ — железосодержащими, и лишь их частью; в то время как электричество проявляется в связи со всеми видами веществ. 2. Магнетизм никогда не передается, как электричество, от одного тела к другому, но тело скорее приобретает, чем теряет, передавая магнитную силу другим телам. 3. Два магнетизма, бореальный и австральный, нельзя получить отдельно, как два электричества. Если разломить магнит пополам, каждый кусок будет содержать в себе оба магнетизма и оба полюса, как и целое. Это находится в полном противоречии с электрическим экспериментом, упомянутым в конце § 379. 4. Не существует непроводников, прерывающих магнитное влияние. Если в экспериментах в § 379 между A и B поместить пластину из стекла или смолы, влияние прекратится, но это не окажет никакого эффекта на индукцию магнетизма, если поместить ее между магнитом и куском стали или железа.
413. Электромагнетизм. Хотя электричество и магнетизм так сильно отличаются друг от друга, они имеют тесные связи, и сейчас среди ученых бытует общее мнение, что они являются лишь разными формами одной и той же силы. Магнетизм может порождать электричество, а электричество может порождать магнетизм. Первое открытие фактов, раскрывающих эту связь, было сделано профессором Эрстедом из Копенгагена в 1819 году. С тех пор электромагнетизм, или получение магнетизма с помощью электричества, стал важным предметом наблюдений и экспериментов. Первое наблюдение Эрстеда состояло в том, что электрический ток, проходящий по проводу рядом с магнитной стрелкой, влиял на положение стрелки. Он также обнаружил, что железные опилки прилипают к проводу, по которому проходит электрический ток, точно так же, как к магниту, однако осыпаются, как только ток перестает проходить. Такие факты привели к большому разнообразию исследований и компоновок аппаратуры Эрстедом и другими.
Fig. 286.
Fig. 287.
414. Электромагниты. Самые мощные электромагниты изготавливаются путем сгибания толстого цилиндрического стержня из мягкого железа в форме подковы, A B, рис. 286, и наматывания на него медной проволоки. Проволока должна быть изолирована путем обмотки каким-либо непроводящим материалом, например шелком, чтобы электрический ток мог проходить по всей длине проволоки. С таким подготовленным инструментом, если соединить два конца проволоки с полюсами работающей вольтовой батареи, стержень намагнитится и будет удерживать тяжелый груз до тех пор, пока электрический ток проходит по проволоке. Как только ток прерывается путем отсоединения проводов, груз падает. Электромагниты, изготовленные таким образом, обладали силой, способной выдержать вес в четыре тысячи фунтов. На рис. 287 мы представили аппарат, который очень наглядно демонстрирует электромагнетизм. Мягкое железо, как видите, состоит из двух частей, которые при соединении образуют кольцо, d, и каждая часть имеет ручку. Если соединить части с катушкой c в положении, показанном на рисунке, то при подключении проводов P и N к работающей батарее сцепление становится настолько сильным, что сопротивляется большой силе; но как только соединение разрывается, части немедленно разъединяются.
415. Электрический телеграф. Самое замечательное и полезное применение электромагнетизма мы имеем в электрическом телеграфе. Как было сказано ранее, используется вольтово электричество. Оно генерируется в месте, откуда отправляется сообщение, и проходит по проводу к месту, где сообщение принимается. Там оно воздействует на мягкое железо, проходя через катушку из проволоки, создавая измененную силу, называемую электромагнетизмом. Я сделаю все это понятным для вас, описав машину, используемую в телеграфе Морзе, рис. 288. W W — это провода, которые соединяются со станцией, от которой должно быть получено сообщение, и они соединяются с медной проволокой, намотанной вокруг подковы из мягкого железа, m m. Над магнитом находится рычаг, a l, который работает на точке опоры d. К одному концу этого рычага прикреплен стальной наконечник s. В точке c находится механизм с колесиками, цель которого — равномерно пропускать полоску бумаги p в направлении стрелок. Понаблюдайте теперь, как работает аппарат. Когда электрический ток проходит через намотанную медную проволоку, он превращает железо m m в магнит. Поэтому рычаг a l притягивается концом a вниз. Конечно, конец l движется вверх, прижимая стальной наконечник s к бумаге, где он оставляет отметку. Длина этой отметки зависит от того, как долго электричеству позволено проходить по намотанной проволоке, ибо в тот момент, когда оно отключается, m m перестает быть магнитным, «якорь» a, больше не притягиваемый, движется вверх, а другой конец l рычага движется вниз, отводя наконечник s от бумаги.
Fig. 288.
Fig. 289.
Чтобы делать на бумаге отметки разной длины, существует приспособление для регулирования продолжительности времени, в течение которого ток должен проходить через намотанную проволоку. Это приспособление, называемое сигнальным ключом, представлено на рис. 289. N и P — две латунные полоски, соединенные с двумя проводами R и M, из которых M идет от батареи. Конец полоски N приподнят немного выше конца P. Пока они не соприкасаются, цепь не замкнута и электричество не проходит. Но если оператор нажмет N на P, цепь замыкается, и электричество проходит на станцию, с которой он поддерживает связь, и там воздействует на аппарат, показанный на рис. 287. Теперь, чем дольше палец нажимает N на P, тем длиннее будет отметка на бумаге на удаленной станции. Таким образом, оператор в Нью-Йорке, например, управляет с помощью этого ключа длиной отметок, сделанных на бумаге в Нью-Хейвене или любом другом месте, с которым он общается.
Вы можете легко увидеть, как можно составить телеграфный алфавит с помощью комбинаций отметок разной длины, согласованных для обозначения разных букв и цифр. Я привожу алфавит, используемый в связи с телеграфом Морзе:
A — ——
B —— — — —
C — — —
D —— — —
E —
F — —— —
G —— —— —
H — — — —
I — —
J —— — —— —
K —— — ——
L ————
M —— ——
N —— —
O — —
P — — — — —
Q — — —— —
R — — —
S — — —
T ——
U — — ——
V — — — ——
W — —— ——
X — —— — —
Y — — — —
Z — — — —
Numerals.
1 — —— —— —
2 — — —— — —
3 — — — —— —
4 — — — — ——
5 —— —— ——
6 — — — — — —
7 —— —— — —
8 —— — — — —
9 —— — — ——
0 ———————
Одна из самых необычных и интересных вещей в работе телеграфа еще не была отмечена. Чтобы электричество работало, необходимо иметь соединение между полюсами батареи в точке, где должен быть произведен эффект. Вы видите это в экспериментах, представленных на рис. 286 и 287. То же самое верно и для электромагнита телеграфа. Поскольку это так, сначала думали, что необходимо иметь два провода, соединяющих две общающиеся станции; но выяснилось, что нужен только один провод, так как сама Земля выполняет ту же функцию, что и другой провод. Чтобы сделать связь через Землю эффективной, на каждой станции имеется металлическая пластина с поверхностью в несколько квадратных футов, закопанная в землю, с проводом, идущим вверх к машине.