Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
электронов компенсируются зарядами атомных ионов. Поскольку ионы
фактически неподвижны, возникает поток зарядов, появляющийся из движения
электронов. Предположим, что в данный момент ток является постоянным во
времени, так что мы имеем дело с явлением магнитостатики. Ток создает
магнитное поле в окружающем пространстве, причем его детали зависят не
только от величины тока, но и формы проволоки. Для длинной прямой
проволоки направление магнитного поля в любой точке пространства
определяется по так называемому правилу правой руки: охватим проволоку
пальцами правой руки так, чтобы отогнутый большой палец указывал
направление тока. Тогда остальные загнутые пальцы будут показывать
направление магнитного поля. Величина магнитного поля спадает обратно
пропорционально перпендикулярному расстоянию до проволоки. В другом
случае, если проволока скручена в плотную спираль, называемую соленоидом,
поле внутри соленоида почти везде одинаково и направлено вдоль оси
спирали. Поле вне соленоида очень мало и для бесконечно длинного
соленоида практически равно нулю. В случае более сложной геометрии
уравнения Максвелла приводят к более сложным конфигурациям поля.
Что можно сказать относительно постоянных магнитов? Например,
относительного простого прямоугольного магнита, у которого есть южный и
северный полюса. Такой магнит создает магнитное поле, хотя кажется, что
никакие токи не текут. Объяснение состоит в том, что текущие здесь токи
создаются не внешними батареями или другими внешними источниками. Вместо
них внутри атомов текут внутренние токи. Для определенных химических
элементов атомы проявляют намагниченность подобно маленькому
прямоугольному магниту. Такие атомы имеют магнитный момент. Внутренние
токи частично появляются из-за движения электронов внутри атомов. Эти
движения в сумме и образуют полный ток. Есть и другой тип проявления
намагниченности. Он возникает из-за того, что электроны имеют внутренний
магнит, независящий от их орбитального движения вокруг ядер. Классически
электрон можно представить в виде маленькой заряженной сферы, вращающейся
вокруг своей оси. Это приводит к движению распределенного заряда,
42
Глава 2
а следовательно, к току и сопровождающему его магнитному полю. Картина
магнитного поля в этом случае похожа на магнитное поле реального
прямоугольного магнита. Картина вращающегося электрона приводит к наличию
у электрона внутреннего углового момента, который существует на самом
деле. Поэтому говорят о спиновом магнитном моменте и спиновом угловом
моменте электрона. Конечно, классическая картина вращающегося электрона
может иметь только качественный смысл. Ее не надо понимать буквально,
поскольку мир является существенно квантовым на микроскопическом уровне.
Тем не менее, остается фактом, что электрон имеет внутренний магнитный
момент, независимо от того, примем мы или нет картину, в которой он
появляется из-за вращения тела. Для определенных химических элементов
орбитальный и спиновой магнитный моменты складываются и дают полный
магнитный момент атома, потому атом в целом ведет себя подобно маленькому
прямоугольному магниту. Если маленькие магниты располагаются в
макроскопическом теле в случайных направлениях, то магнитные эффекты
сокращаются, и тело остается ненамагниченным. Если они выстроены
одинаково, как в постоянном магните, все тело в целом будет намагничено.
Это обсуждение постоянных магнитов мы хотим завершить, проведя параллель
с определенными конфигурациями электрического поля. Магнитное поле в
непосредственной близости от реального, макроскопического прямоугольного
магнита имеет очень сложное пространственное распределение. Но вдали
магнитное поле В распределено таким же образом, как электрическое поле
двух равных по величине, но противоположно заряженных частиц, разделенных
фиксированным расстоянием. Электрическое поле Е в любой точке
пространства может быть получено как векторная сумма вкладов, которые
дает каждый из зарядов по закону Кулона. Результирующее распределение
электрического поля будет в точности то же самое, как магнитное поле вне
прямоугольного магнита. Картина выглядит так, как если бы прямоугольный
магнит из двух равных по величине и противоположных по знаку магнитных
зарядов на концах магнита, создающих магнитное поле по закону, подобному
кулоновскому, но с заменой электрических зарядов на магнитные. Это
полезное математическое наблюдение, хотя реально в прямоугольном магните
не существует никаких магнитных зарядов. Более того, нет никаких
убедительных свидетельств, что такие заряды могут существовать в природе;
хотя возможно - если верить более современным рассуждениям на эту тему -
такие магнитные монополи могут существовать в космосе.
Вне электростатики и магнитостатики электромагнетизм проявляет свои
различные свойства, когда источники плотности зарядов и токов меняются со
временем. Тогда и результирующие магнитные и электрические поля будут
