Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма №3. Изд. 3, доп.

Оглавление

Введение. О чем эта книга?

Название книги довольно точно обозначает ее тему. Мы постараемся рассказать о природе магнетизма.

Существует большой раздел физики – физика электромагнитных явлений. К началу XX века казалось, что трудами Фарадея и Максвелла она завершена. Завершена в том смысле, что поняты основные законы, которые управляют электромагнитными полями, т. е. написаны соответствующие уравнения, а задача будущих поколений – искать все более вычурные решения этих уравнений. Постепенно стало ясно: ни о какой завершенности не может идти речь. Теория электромагнитных явлений, как и механика, претерпела существенное развитие благодаря привнесению в них квантовых идей. Теперь мы осторожнее в своих суждениях о завершенности того или другого раздела физики. Всякая достаточно развившаяся наука формулирует не только основные принципы, на которых она строится, но и границы применимости этих принципов. Квантовую механику и теорию электромагнетизма, которые лежат в основе понимания строения и свойств окружающей нас природы, можно применять к исследованию огромной совокупности явлений, если не углубляться в субатомные структуры. Сомневаться в надежности известных нам законов физики при этом нет оснований: мы находимся в границах их применимости.

Основное понятие физики электромагнитных явлений – электромагнитное поле. Постоянное, не зависящее от времени электромагнитное поле распадается на два поля: электрическое и магнитное. Они очень непохожи. И все же, зависящее от времени электромагнитное поле есть единство электрического и магнитного полей. В электромагнитной волне энергия сосредоточена то в электрическом поле, то в магнитном, как при колебании маятника, энергия которого перераспределяется между потенциальной и кинетической.

Электромагнитное поле доступно органам чувств человека только в том случае, если электрическое и магнитное поля колеблются с огромной частотой. Если частота колебаний электромагнитного поля лежит в интервале от 4 × 1014 до 7,5 × 1014 Гц, то эти колебания мы воспринимаем как свет. На шкале частот видимое электромагнитное поле занимает незначительный участок. Но невозможно себе представить, что было бы, если бы этого участка не существовало, ведь большую часть сведений об окружающем мире мы получаем с помощью зрения. "Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать", – правота этой народной мудрости может быть подкреплена современными расчетами теории информации. <...>

Обратимся теперь к магнитному полю.

Магнитные заряды в природе не обнаружены.

В 1931 г. один из создателей квантовой механики, Дирак, высказал убеждение, что магнитные заряды в природе должны быть. Он назвал их монополями. Мир был бы более симметричным, теория электромагнетизма более красивой, если бы монополи были, Много усилий потратили ученые на поиски монополя. Несколько раз появлялись сенсационные сообщения об их открытии, которые в дальнейшем опровергались. Монополь обнаружен не был.

Но микроскопические источники магнитного поля в природе есть. Мы подробно расскажем о них в одной из первых глав.

Теперь мы можем кратко рассказать, о чем написано в этой книге.

Во-первых, как мы только что сказали, о микроскопических источниках магнитного поля.

Во-вторых, объяснив, что микроскопическими источниками магнитного поля (как и электрического) служат электроны и протоны, а также, кроме того, нейтроны (вокруг них, правда, нет электрического поля, что засвидетельствовано в их названии), мы расскажем, почему отнюдь не все макроскопические тела суть макроскопические источники магнитного поля.

В-третьих, мы попытаемся объяснить, почему различные тела ведут себя по-разному, если их подвергнуть воздействию магнитного поля.

В-четвертых, мы подробно расскажем о телах, которые принято называть магнетиками. Среди них важное место занимают магниты, или ферромагнетики - макроскопические источники магнитного поля.

Этот перечень не исчерпывает тему книги. Мы ничего или почти ничего не расскажем об ядерном магнетизме; совсем не коснемся происхождения магнитного поля Земли и других планет; обойдем вниманием увлекательные проблемы исследования магнитных полей в космосе.

Умалчивая о магнитном поле Земли, мы ощущаем угрызения совести: ведь именно использование земного магнетизма в целях навигации (компас) было первым в истории цивилизации практическим применением магнитных свойств. И хотя строгие критерии оценки важности изобретений, к сожалению, отсутствуют, по-видимому, все согласятся, что компас – свободно вращающаяся магнитная стрелка – одно из важнейших человеческих изобретений.

Успокаиваем мы себя, вспоминая мудрое изречение Козьмы Пруткова: "Нельзя объять необъятное". Действительно, нельзя! А магнетизм так же неисчерпаем, как природа.

Эта книга, как и все книги библиотечки "Квант", рассчитана на школьников старших классов. Возможно, она покажется несколько сложнее своих "товарок" по библиотечке.

Часто читателей отпугивают математические сложности. Мы об этом думали, но не могли не использовать векторы и действия с ними, понятия функции, ее производной и интеграла от нее. К более сложным математическим операциям мы не прибегаем. Некоторые математические действия мы специально вынесли в задачи. Те читатели, которые решат задачи, поймут прочитанное гораздо глубже, чем те, кто отложит решение задач на потом. Но главное, что нас волнует (в смысле контакта с читателем), это – не математические трудности. Главная трудность, которая, как нам кажется, ожидает читателя – обилие новых физических понятий. <...>

Мы глубоко благодарны Андрею Станиславовичу Боровику-Романову и Людмиле Андреевне Прозоровой, чьи замечания мы постарались учесть и чья доброжелательность была нам поддержкой в трудные моменты работы над книгой.

В оформлении рукописи нам помогла Инна Каганова, а рисунков – Шевхи Мевлют, за что мы им весьма признательны.

Об авторах

Доктор физико-математических наук, профессор, doctor honoris causa Вроцлавского технологического университета (Польша, 1998).

Родился 4 августа 1921 г. в городе Лубны Полтавской области, Украина. Участник Великой Отечественной войны. В 1949 г. закончил физико-математический факультет Харьковского государственного университета им. Горького. С 1949 по 1970 гг. работал в Украинском физико-техническом институте АН Украины (Харьков), с 1970 по 1994 гг. – в Институте физических проблем им. П.Л.Капицы РАН. Одновременно преподавал: до 1970 г. в Харьковском университете, с 1970 по 1994 гг. – в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова. С 1994 г. – пенсионер, живет в Соединенных Штатах Америки, близ Бостона.

Основные работы по квантовой теории конденсированного состояния (электронная теория металлов, низкотемпературный магнетизм, сверхпроводимость). Опубликовал более 200 статей в научных журналах. Автор книг: "Электронная теория металлов" (1970; в соавт. с И.М.Лифшицем и М.Я.Азбелем); "Электроны, фононы, магноны" (1979; 2-е изд. М.: URSS, 2008); "Квазичастицы. Идеи и принципы квантовой физики твердого тела" (2-е изд. – 1989; в соавт. с И.М.Лифшицем); "Школа Ландау. Что я о ней думаю" (1998) "Абстракция в математике и физике" (2005; в соавт. с Г.Я.Любарским).

Виктор Моисеевич ЦУКЕРНИК

Доктор физико-математических наук, профессор.

Родился 28 мая 1927 г. в Харькове. В 1949 г. окончил физико-математический одился 28 мая 1927 г. в Харькове. В 1949 г. окончил физико-математический факультет Харьковского государственного университета. Работал в Физико-техническом институте АН УССР, затем в Физико-техническом институте низких температур АН УССР (Харьков). Одновременно преподавал в Харьковском университете. С 1993 г. живет в Израиле.

Основные работы по квантовой теории конденсированных систем (низкотемпературные магнетики, точнорешаемые низкоразмерные модели).