Магнитная сила ни в коем случае не может изменить скорость частицы, то есть ее энергию. Она всегда перпендикулярна направлению движения, то есть не является ни притягивающей, ни отталкивающей. Однако два магнита отталкиваются друг от друга (если повернуты разными полюсами). Создается впечатление, что магниты приобретают кинетическую энергию. Как такое возможно?
Чтобы ответить на это, для начала вспомним, что происходит внутри магнита: магнитное поле, вызванное движением электронов в их атомах, которые создают как бы маленькие кольца. Направление этих колец обозначено на рис. 15.1: направление тока таково, чтобы магнитное поле было ориентировано от южного полюса магнита к северному (как внутри катушки). Правило трех пальцев позволяет понять направление тока, указанное на рис. 15.1.
В свою очередь, на рис. 15.2.а изображено внешнее магнитное поле, созданное магнитом (светлый прямоугольник) в различных точках пространства. Мы снова видим, что магнитное поле расходится к северному полюсу (и сходится к южному).
Рис. 15.1 – Направление колец в магните
Кольца соответствуют движению «вращения» электронов в атомах. На схеме показано направление тока: то есть электроны вращаются в обратном направлении.
Магнитное поле внутри магнита, вызванное этими кольцами, представлено на схеме прямыми стрелками: оно однородно в любой точке магнита, как внутри соленоида.
Рис. 15.2 – Сила взаимодействия между двумя магнитами
(а) – стрелки изображают магнитное поле, созданное светлым магнитом.
(b) – мы увеличили масштаб, чтобы видеть, что происходит в темном магните. Магнитное поле светлого магнита порождает магнитную силу на каждом кольце темного магнита. Эта сила стремится не только разбить кольцо, но и притянуть его к светлому магниту.
Подчеркнем, что, как и на рис. 15.1, направление кольца соответствует направлению тока, а не электронов.
Мы также поместили там другой магнит (темный прямоугольник), расположенный южным полюсом в сторону северного полюса светлого магнита (➙ рис. 15.2.а). Мы видим, что магнитное поле, созданное светлым магнитом, не везде направлено в одну сторону внутри темного магнита: оно стремится удалиться от центральной оси и приблизиться к боковым граням.
Чтобы лучше понять, что за этим следует, мы увеличили масштаб внутренности темного магнита (➙ рис. 15.2.b). На нем мы изобразили «кольцо» в соответствии с направлением, указанным на рис. 15.1.
Магнитная сила, действующая на электрон атома темного магнита, одновременно перпендикулярна его движению и магнитному полю. Правило трех пальцев, примененное на рис. 15.2, позволяет сделать вывод, что она в основном стремится разбить кольцо; но это действие магнитной силы остается без последствий, потому что электрон надежно «прикреплен» к ядру с помощью электростатическойсилы.
Гораздо интереснее то, что, как мы видим, магнитная сила также слегка отклоняется в сторону светлого магнита. Таким образом, кольцо притягивается светлым магнитом. Рассуждения аналогичны для всех колец темного магнита, то есть для всех атомов темного магнита: светлый магнит притягивает темный.
Мы видим, что это результат отклонения магнитного поля, созданного светлым магнитом. Однородное магнитное поле не создало бы притягивающей силы: фактом является то, что его направление в пространстве меняется, что влечет появление притягивающей силы.
Также, если мы приблизим северный полюс темного магнита к северному полюсу светлого магнита, будет легко убедиться в том, что они отталкиваются. На рис. 15.2.b ток в кольцах будет направлен в другую сторону, потому что темный магнит был «перевернут», то есть магнитная сила той же мощности была бы направлена в противоположную сторону. В этой ситуации магнитная сила стремится «сузить» кольцо (вместо того чтобы его «разорвать»), отдаляя его от светлого магнита (вместо того чтобы притягивать).
Таким образом, мы видим, что все наблюдения за взаимодействием магнитов могут быть объяснены благодаря микроскопическому движению электронов в их атомах.
Но вопрос, который мы задали в начале этого параграфа, так и остается без ответа: каким образом сила, которая «не работает», может придавать кинетическую энергию темному магниту (притягивая его к светлому)?
На рис. 15.2 мы видим, что магнитная сила только стремится отклонить электроны атомов, не меняя их скорости. Но тут вмешивается другая сила: электростатическая сила, которая не дает электронам удалиться от ядра. Между тем сама электростатическая сила способна придать кинетической энергии зарядам. Таким образом, магнитная сила действует на электроны и атомы, которые затем с помощью электростатической силы действуют на атомные ядра, ускоряя их в сторону светлого магнита. В конечном итоге во время взаимодействия магнитов мы видим, что электростатическая сила играет такую же большую роль, как и магнитная сила.