Magnetyzm to jedno z najbardziej tajemniczych zjawisk naszego świata. Niby dobrze je znamy, i to od długiego czasu, a jednak .... A jednak wciąż czegoś nowego w nim szukamy. Niby mamy teorię, ale mamy też liczne kontr-teorie. Podręczniki są niby zgodne ze sobą, ale gdy sięgnąć do czasopism naukowych, nawet tych dotyczących dydaktyki, jak na przykład American Journal of Physics, to stwierdzimy, że nadal, pomimo pewnego rodzaju cenzury, nie brak też kontrowersji. Gdy sięgniemy do czasopism słabiej cenzurowanych, jak na przykład francuskie Annales de la Fondation Louis de Broglie, to włosy nam się na głowie mogą zjeżyć. Dobrze poszperawszy w sieci zauważymy, że sprawami elektryczności i magnetyzmu mocno zainteresowane jest wojsko, agencje kosmiczne, przemysł, wywiad, autentyczni wynalazcy, a także hochsztaplerzy i naciągacze – zarówno na małą jak i na wielką skalę.
Dziś proponuję przyjrzeć się jak magnetyzmu nas uczą. Zrobię to na przykładzie wielce użytecznego skryptu „Elektryczność i magnetyzm”, którego autorem jest dr hab. Władysław Tomaszewicz z Katedry Fizyki Zjawisk Elektronowych Politechniki Gdańskiej (jako współautor skryptu figuruje też Przemysław Ciesielski – nie wiem jaki jest jego udział w przygotowaniu tego skryptu, jedyne co mogłem znaleźć w sieci to to, że przypuszczalnie jest absolwentem Fizyki Technicznej PG i swego czasu był zainteresowany przesyłaniem plików w internecie protokołem p2p). Sam skrypt jest dostępny w sieci, nas będzie dziś interesował Rozdział IV – Magnetostatyka.
Zaczyna się nasz wykład od podrozdziału 4.1 Pole magnetyczne. Siła Lorentza. Wektor indukcji magnetycznej. Omówię małą część, wprowadzającą, tego rozdziału i opatrzę moimi komentarzami.
„Przez magnetostatykę rozumiemy tę część nauki o magnetyzmie, która dotyczy stałych, niezależnych od czasu pól magnetycznych. W tym rozdziale będziemy rozpatrywać wyłącznie pola magnetyczne w próżni.”
Zakładamy więc, od samego początku, że istnieje coś takiego jak „pole magnetyczne”. Że istnieje nawet „w próżni”. Nie taka ona więc, jak widać, próżna, skoro coś w niej istnieje. No, ale skoro w próżni może istnieć czas, to czemu nie pole?
„Źródłem pola magnetycznego są m.in. trwałe magnesy oraz przewodniki z prądem. Każdy magnes posiada dwa bieguny; bieguny jednoimienne magnesów odpycha¬ją się, a bieguny różnoimienne — przyciągają się.”
Pole magnetyczne może mieć więc swoje źródła. Magnes trwały ma dwa bieguny – i to każdy. Do tego jeszcze wrócimy.
„Magnes trwały można uważać za odpowiednik dipola elektrycznego. W szczególności na magnes umieszczony w polu magnetycznym działa zwykle określony moment siły.”
To warto zapamiętać: moment siły działa tak by przedmiot na który działa obrócić.
„Magnes zawieszony swobodnie ustawia się w płaszczyźnie południka geograficznego, zjawisko to tłumaczy się istnieniem pola magnetycznego Ziemi. Biegun magnesu zwrócony na północ nazywamy północnym (N) a zwrócony na południe — południowym (S).”
Ta uwaga jest dobra: biegun zwracający się na północ nazywamy północnym. Idzie oczywiście o „północ geograficzną”. Zatem na północnej półkuli jest południowy biegun magnetyczny. Sam kiedyś o tym zapomniałem i potem miałem problemy z regułami.
„W 1785 r. Ch. Coulomb wykazał doświadczalnie, że siła oddziaływania biegunów długich magnesów jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi, podobnie jak w przypadku oddziaływania ładunków elektrycznych.”
W monografii Lernera „Physics for scientists and engineers, Volume 2, str 765” faktycznie znajduję, że takie doświadczenie przeprowadził John Michell w roku 1750, zaś Coulomb powtórzył je z większą dokładnością w roku 1785 używając do tego długich magnesów sztabkowych. Długich po to, by ten drugi biegun był dostatecznie daleko i mało wpływał na wynik doświadczenia.
”Wykorzystując tę analogię można zdefiniować pojęcie „ładunku magnetycznego” i natężenia pola magnetycznego w identyczny sposób, jak w elektrostatyce. Analogia między zjawiskami magnetycznymi i elektrycznymi jest jednak niepełna — biegunów magnesu nie można rozdzielić. „
Gdy weźmiemy magnes sztabkowy i przetniemy na pół – dostaniemy dwa magnesy sztabkowe, każdy z nich będzie miał dwa bieguny. Zatem jest jeden przykład. Ale czy jeden lub nawet kilka przykładów wystarczy by stwierdzić, że czegoś się nie da zrobić?
„Należy zauważyć, że teoretycznie możliwe jest istnienie cząstek posiadających ładunek magnetyczny określonego znaku („północny” lub „południowy”), zwanych monopolami magnetycznymi. Zagadnienie to analizował teoretycznie fizyk angielski P.A.M. Dirac w 1931 r., wyprowadzając m.in. wzór określający ładunek magnetyczny monopoli. Tym niemniej, jak dotąd nie ma żadnego doświadczalnego dowodu na istnienie monopoli magnetycznych.”
No, to zależy od tego co rozumiemy przez „doświadczalny dowód”. Co jest „dowodem”? Ehrenhaft zaobserwował doświadczalnie. Mikhailov zaobserwował doświadczalnie. Rosjanie i Francuzi obserwowali doświadczalnie. Fizyka oficjalna tego nie przyjmuje do wiadomości. Dla jednych więc dowody doświadczalne są, dla innych takowych dowodów nie ma.
„Przy definiowaniu wektora pola magnetycznego bardziej naturalne wydaje się wykorzystanie zjawiska oddziaływania pola magnetycznego na poruszające się ładunki elektryczne. Zjawisko to zostało odkryte pod koniec XIX w. Siła F działająca na cząstkę w polu magnetycznym trwałego magnesu jest prostopadła do wektora v prędkości cząstki i zależy od jego kierunku względem biegunów magnesu (rys. 4.1). „
To jest dość ciekawe: by zdefiniować pole magnetyczne będziemy posługiwać się ładunkiem elektrycznym i będziemy zakładać, że siła działająca na ładunek elektryczny jest prostopadła do kierunku ruchu tego ładunku i do kierunku pola! Trochę to karkołomny sposób i chyba nie tak pole magnetyczne historycznie wprowadzano. Autorzy idą więc na skróty, a te bywają niebezpieczne i mogą czasem wywieść w pole.
„Można znaleźć taki kierunek wektora prędkości cząstki (na rysunku od jednego bieguna magnesu do drugiego), że na poruszający się ładunek nie działa żadna siła. Kierunek ten uważany za kierunek pola magnetycznego, przy czym siła działająca na cząstkę jest do niego prostopadła. Wartość siły przy ustalonym kierunku prędkości cząstki jest wprost proporcjonalna do jej ładunku q (przy zmianie znaku ładunku siła zmienia kierunek na przeciwny), do prędkości cząstki v oraz do sinusa kąta a między kierunkiem pola magnetycznego a kierunkiem wektora prędkości. Siłę działającą na poruszający się ładunek można więc wyrazić wzorem:
No tak, zakładamy pewną formułę – wzór na siłę Lorentza. Skoro ją zakładamy, to w żaden sposób nie będziemy mogli doświadczalnie tej formuły sprawdzić! Ale cóż, to jest Politechnika a nie Uniwersytet. Inżynierowie przyjmują od fizyków wzory i je stosują. Gdy wzory wzięte od fizyków nie działają, wtedy wprowadzają tzw. „poprawki inżynierskie”. A fizycy są wniebowzięci i trąbią na cały świat, że ich teorie (np. teoria względności, czy równania Maxwella) znajdują miliony razy potwierdzenie w technologii!
Powyższe wzory stanowią w istocie definicję wektora indukcji magnetycznej B. Ostatnie równanie pozwala określić zwrot wektora B. Zgodnie z doświadczeniem, jest on skierowany od bieguna N do bieguna S magnesu. Jednostką indukcji magnetycznej nazywamy teslą (T):
Tu już nie ma się do czego przyczepić – w takim świecie żyjemy.
Cdn.
Komentarze