Hogy a mágnes-anyagok s a mágnesek között fenálló különbséget a mágnes-elemek föltevésével megmagyarázhassuk, azt is föl kell tennünk, hogy a mágnesekben az egyes elemek ellentett fluidumai egy állandó erő behatása alatt állandóan elkülönítve maradnak; ezen erőt coercitiv erőnek nevezték el. A poláros mágnességgel fel nem ruházott anyagok, mint pl. a puha vas, ezzel az erővel nem rendelkeznek; ezen anyagokban a megosztás előidézte mágnesezés csak annyi ideig tart, a meddig a mágnes érinti őket, vagy közelségükben van. A mágnesi fluidumok elkülönítése az egyes mágnes-elemekben egyedül a mágnes sarkainak köszönhető. A mint ez eltávozik: a fluidumok újból egyesülnek.
A coercitiv erő, amint mondtuk, a fluidumok egyesülését akadályozza; általánosabban szólva, a fluidumok mozgását, tehát elválasztásukat és egyesülésöket egyaránt gátolja. S valóban azon testek, a melyek a maradandó poláros mágnesség felvételére képesek, mint pl. az edzett aczél, egyúttal olyanok, hogy ha egyszer megmágneseztettek, mágnességöket legtovább megtartják. Ugyanigy, az edzett aczél a mágnes vonzásának csak kis mértékben van alávetve: a coercitiv erő, mely a mágnes-elemeket egyesíti, ellentáll elkülönítésöknek.
Lássuk már most, mi módon ad számot ez az elmélet a mágnes szerkezetéről, vagyis az olyan testéről, melynek minden molekulája, – a coercitiv erő következtében a két fluidum az egyes molekulák két ellentett végére levén hajtva – ép olyan polárosságú, mint maga az egész mágnes.
Legyen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 egy sor molekula (16. ábra) s nézzenek ellenkező sarkaikkal egymásra, vagyis a sarkokat összekötő vonal mentében legyenek irányulva.
A coercitiv erő a fluidumokat az egyes elemekben elkülöníteni törekszik. Ámde ezenkívül minden elem a megelőző és az utána követ-
25
kező elemre hatást gyakorol, s e hatást akarjuk mindenek előtt megvizsgálni.
16. ábra. – A mágnes-elemek kölcsönös hatásai.
Tekintsük az 1 elemet. A 2-nak a' sarka taszítja a-t és vonzza b-t; tehát a coercitiv erővel egy értelemben működik; b' nyilván ellenkező értelemben hat, de nagyobb távolságból, s ennélfogva az első hatása túlnyomó. A 3-ik elem ugyanazon módon hat 1-re, mint 2, de ennél kisebb erővel s így tovább. Tehát egy elemnek hatása a megelőzők akármelyikére ugyanazon hatást idézi elő, mintha ez utóbbiaknak coercitiv ereje nagyobbodnék. Világos, hogy ugyanazon eredményre jutnánk, ha egy-egy elem hatását azon elemekre keresnők, melyek utána következnek. Ez a befolyás mindkét esetben mindegyik elemben a coercitiv erőt növelni törekszik, de hatása annál csekélyebb, mentől nagyobb távolságra gyakorlódik.
Hátra van még a mágnes-szál vagy elemsor egyes tagjait egymás között az erősség szempontjából összehasonlítani, mely eme kölcsönös hatásokból egyre-egyre jut. Tegyük fel, hogy 1, 2 ... 7 sor a mágnes positiv végétől annak negativ sarka felé terjed, avagy jobban mondva, a rúd egyik végétől a másikig. Az 1 elem hat elem hatásának van alávetve, melyek távolsága növekszik; jelöljük f1, f2, f3, f4, f5, f6, fogyó értékekkel azon erőket, melyek a hat elem hatását mérik. Eredőjük F = f1 + f2 + f3 + f4 + f5 + f6. Menjünk át 2-re, s legyen az erre ható erők eredője F'; ez nyilván F' = 2f1 + f2 + f3 + f4 + f5. 3-ra nézve F'' = 2f1 + 2f2 + f3 + f4, s végre a középen álló 4-re F''' = 2f1 + 2f2 + 2f3. (*) – Az eredőkre ugyanazon értékeket nyernők, ha a sor elemein ellenkező irányban haladtunk volna végig. Ezen különböző eredők összehasonlítása azt mutatja, hogy a sor közepéig növekednek.
E szerint a mágnesezett rúdban a rúd közepére eső elemek mágnesezése a legerősebb s a középső résztöl a rúd mindkét vége felé kisebbedik.
Az elmélet eme következménye első tekintetre különösnek, képtelennek tűnik fel. Hisz a kisérlet azt bizonyítja, hogy a mágnes hatásai a végek felé a legerősebbek. Azonnal belátjuk, hogy az ellentmondás csak látszólagos.
E végből igyekezünk a mágnes-elemek sorának egy kívül fekvő α pontra gyakorolt hatásáról magunknak számot adni. Feltesszük, hogy α
(*) Itt f1 jelöli az első szomszéd által kifejtett mágnesező hatást, f2-vel a második szomszédtól jövőt és így tovább. Az ugyanolyan távoli bal és jobb szomszéd ugyanakkora hatást fejt ki az illető elemre, innen származnak a kétszeres tagok. [NF]
26
ugyanazon fluidumot tartalmazza, mint a mágnes-elemek a, a', a'' ... sarkai; a és α taszítják egymást, a és a' pedig ellenkező értelemben hatnak α-ra; ámde azokból, a miket az imént megállapítottunk, következik, hogy a' erősebb mint b; tehát a taszító erő győz. Ugyanaz történik b' és a'' elemeknél, valamint a többi elempároknál is. Ámde mivel a különbség, ha a rúd közepéhez közeledünk, elemről elemre kisebbedik: a taszító erő maga is kisebbedik e pontig. Ennélfogva ezeknek a fogyó taszító erőknek támadó pontja közel a sor végéhez esik. Ez az a pont, mely, a kívül fekvő pontra vonatkozólag a mágnesezett rúdnak sarka.
Hasonló módon azt találjuk, hogy a rúd másik felének elemei α-ra vonzó erőket gyakorolnak, melyek annál nagyobbak, mentől közelebb esnek a tekintetbe vett elemek a rúd másik végéhez. A rúd eme végének közelében az előbbivel ellentett nevű sark leszen.
17. ábra. – A mágnes-elemek sorának hatása egy külső pontra.
Igy magyarázható meg a sarkok létezése; mindegyikök ellenkező irányú erők támadó pontja levén, e sarkok mindig valamely adott külső pontra vonatkoznak s változnak, ha a pont közeledik vagy távolodik. Ha a külső pont távolsága végtelen, vagy legalább ha annak tekinthető: úgy a mágnes erők eredői párhuzamosakká válnak, s az ezen esetnek megfelelő sarkokat szokás a mágnes tulajdonképeni sarkainak tekinteni. Látni fogjuk, hogy ez az eset az olyan szabad, magára hagyott mágnesnél, a mely csupán a Föld mágnes-erejének hatása alatt áll, tényleg valósítva van.
2. A Föld hatása a mágnes tűre mágnes hatásának tekinthető.
COULOMBnak két mágnesi fluidum fölvételére alapított theóriája számot ad a mágnesi vonzásról, kölcsönös hatásaikról, a mágnesezésről, melyet a megosztás érintkezés közben vagy távolságból előidéz; vagy pedig, helyesebben mondva, ez az elmélet hű képe a tüneményeknek s azon körülményeknek, melyek között jelentkeznek. Még meg kell mutatni, hogy mi módon magyarázza a mágnesek irányulását.
Láttuk, hogy a szabadon felfüggesztett mágnesrúd vagy tű, mely súlypontja körül szabadon mozoghat, néhány lengés után egy bizonyos
27
irányban elhelyezkedik; ez az irány ugyanazon helyre nézve állandó, s legfölebb lassú évszázados, vagy jelentéktelen időszakos változásokat szenved. Tekintsünk el egyelőre eme változásoktól s keressük, vajjon mi lehet a mágnes ezen állandó irányulásának magyarázata?
De előbb térjünk vissza a tényekre, hogy szabatosan fejezzük ki őket.
|
Vegyünk egy mágnestűt vagy aczél rhombust, mely a mágnesek közös tulajdonságaival fel van ruházva: azaz végein sarkai s közepén semleges vonala van. Az ilyen mágnes papirnyeregben nem csavarodó fonálra felfüggesztve, vagy pedig hegyes oszlopocskán, agátsüveg segélyével felállítva úgy (18. ábra), hogy a vízszintes síkban minden irányban szabadon mozoghasson: néhány lengés után mindig egy meghatározott irányt vesz fel, mely változatlan, vagy pedig legfölebb jelentéktelen változásoknak van alávetve.
|
18. ábra. – Mágnestű.
|
|
A mágnesezett tűnek eme tulajdonságát, hogy egyik végével észak felé mutat, a hajósok már évszázadok óta felhasználják. Mindamellett nem pontosan északi az irány, a mely felé a tű tekint, úgy hogy a tű sarkain átmenő függőleges sík a hely délkörének – meridiánjának – síkjával nem esik egybe. Azt a szöget, melyet e két sík egymással bezár, a mágnestű declinatiójának vagy röviden declinatiónak, elhajlásnak nevezik. A Földmágnességről szóló fejezetben látni fogjuk, hogy az elhajlás a Föld különböző helyein
nem ugyanaz s hogy egyes helyeken semmi, másokon ismét keleti vagy nyugati; azon kívül egy ugyanazon helyen az évszázadok folyamában változik. Párisban az elhajlás jelenleg nyugati s körülbelül 16°56'-czel egyenlő,* ami annyit tesz, hogy a mágnestű sarkain átmenő függőleges sík – a mágnesi meridiánnak nevezett sík – a földrajzi meridiánnal közel 17° szöget alkot. A tű egyik sarka kis eltéréssel N.N.E. irányra mutat.
|
19. ábra. – Mágnesi declinatio Párisban, 1864 október havában; NS Páris meridiánja, AB a mágnesi meridián átmetszése a horizonnal.
|
A szabadon felfüggesztett mágnesek irányának állandósága egy mágnesezett varrótű segélyével is igen egyszerűen kimutatható. A tűt tel-
* Budapesten pedig jelenleg 8°20'.
28
|
20. ábra. – A mágnestű lehajlása Párisban 1864. október havában; HZH'N a mágnesi meridián síkja; HH' a horizon iránya a mágnesi meridiánban; ZN a függőleges irány.
|
jesen nyugodt vízfelületen úszó parafa-darabkára fektetve, megfordúl s anélkül, hogy vízszintesen eltolódnék, az imént megjelölt irányba helyezkedik. Ezenkívül – újból figyelmeztetünk rá – a tű sarkai között is igen feltünő különbség mutatkozik; ugyan is ha a tűt, midőn már egyensúlyba jutott, végeivel megfordítjuk, ezen új helyzetét még akkor sem tartja meg, ha ez irány, melybe állíttatott, az előbbivel összeesik. Látni fogjuk, hogy a tű önmaga körül megfordúl, félkerületet leir, s eredeti helyzetét vissza foglalja oly formán, hogy mindig egy ugyanazon sarka mutat észak felé.
|
Ha most a mágnesezett tűt a helyett, hogy vízszintes irányban szabadon foroghatólag állítanók fel, a súlypontján átmenő vízszintes tengelyre függesztjük, az függélyes síkban fog szabadon mozoghatni. Tegyük fel, hogy a sík a mágnesi meridián síkja.
|
Most az a sark, mely északra irányult, lehajlik, s a horizon alá merül, evvel szöget képezve, melyet mágnesi inclinatiónak, lehajlásnak neveznek. A Föld néhány helyén, az egyenlítő táján, a lehajlás semmi; innét távolodva, rendesen oly mértékben növekedik, mint a földrajzi szélesség s a sarkvidékeken oly pontok is vannak, melyeken a mágnestű függélyes állásba helyezkedik. A déli félgömbre menve át, szintén az tapasztalható, hogy azon helyektől távolodva, melyeken a lehajlás semmi, a földrajzi szélességgel nő; ámde itt a mágnestűnek nem ugyanaz a vége hajlik lefelé: mert most a tűnek délre mutató sarka hajlik le mindinkább, a mint a Föld déli sarkához közeledünk.
|
21. ábra. – Mágnestű, mely a declinatiót és az inclinatiót egyszerre mutatja.
|
A mágnestűt oly módon is lehet elrendezni, hogy a mágnesi meridiánba önmagától helyezkedjék s hogy egyidejűleg a horizonhoz viszonyítva oly módon hajoljon le, a mint azt az imént elmondtuk. A 21-ik
29
ábra mutatja e berendezést; a mágnestű, mint látható, a közepén átmenő vízszintes tengely körül foroghat, s a tengely nem csavarodó fonálon ismét függő villába van illesztve. Az ilyen szerkezet kezdetben lengedez, egész addig, míg a tű mágnesi meridiánba nem jő s itt azután állandó lehajlást mutat, a függőleges iránynyal oly szöget képezve, mely a hely inclinatiójával azonos. Nem sokára alkalmunk lesz, oly eszközök leirására melyek segélyével a declinatio és az inclinatio pontosan mérhető. Az ily eszközöket iránytűknek (busszóláknak) nevezik.
22. ábra. – Egy mágnes irányitó ereje.
A megelőzőkben láttuk, hogy a súlypontjában szabadon felfüggesztett, azaz a nehézség-erő hatása alól elvont mágnestű a térben meghatározott irányt foglal el, mely minden helyre más és más, s a mely irány különben, mint már említettük, idővel változhatik.
Mi a mágnestű állandó irányának az oka? Kezdetben a Földön kívül keresték s CARDAN azt gondolta, hogy ezen erő székhelye a Nagy Medve csillagzatában van; ámde az ő idejében a mágnesek tüneményei csak igen kevéssé voltak ismeretesek. GILBERT állította fel a még mai nap is elfogadott hipothézist, mely a Földgömböt egy nagy mágneshez hasonlítja; semleges vonala azon helyeken megy át, hol a lehajlás semmi, pólusai pedig a Föld két sarkának tájain keresendők.
Lássuk minő kisérletekre van ez az analogia alapítva.
23. ábra. – Mágnestől származó mágnesi irányitás.
Vegyünk egy mágnestűt s egy nagy mágnes tengelyének vagy sarkvonalának különböző pontjain állítsuk fel (22. ábra): mind ezen helyzetekben a tű tengelye a mágnes tengelyével egy síkba esik s az ellenkező nevű sarkok egymás felé néznek. Ha a tű magában állana, úgy a mágnesi
30
meridiánban helyezkednék el; ámde a rúdnak irányító ereje a Földnek irányító erejét legyőzi, mivel sarkainak távolsága a Földi mágnes sarkainak távolságához képest igen csekély.
Tapasztaljuk továbbá, hogy a vízszintes tengelye körül forogható tű, ha középpontja a rúd semleges vonala fölött áll, a rúd tengelyével párhuzamos állásban jő nyugalomba (22. ábra); s hogy lehajlik, ha valamelyik sarkhoz közelítjük, még pedig mindig az utóbbival ellenkező nevű sarkával, s hogy a lehajlás szöge annál nagyobb, mentől közelebb van a tű az illető sarkhoz. (23. ábra.)
A Föld irányító hatása tehát csakis két egyenlő nagyságú s ellenkező irányú erő hatásával hasonlítható össze; ezt erőpárnak szokás nevezni. Ama hipothézis tehát, mely a földgömböt óriási mágneshez hasonlítja, mágnesi sarkai a földrajzi sarkok vidékeire esvén, ezek szerint igazolva van. Mert csakugyan a föld felületének valamely pontján szabadon felfüggesztett mágnestűnek mindegyik sarka a földmágnes sarkai részéről két ellentett hatásnak van alávetve; a földmágnes déli sarka a tűnek délre mutató b sarkát vonzza, az északra mutató a-t pedig taszítja s mivel a tűnek méretei a földmágnes sarkainak távolához képest elenyészők, e két ellenkező irányú ba és aa' erő egymással egyenlő. Ugyanígy a Földnek északi B sarka a tűnek északra néző a sarkát vonzza, a másikat pedig taszítja, ab és bb' egyenlő nagyságú, ellentett irányú erőkkel. Ezen erőknek eredői: aC és bC' hasonlóképen egyenlő nagyságuak és ellentett irányúak lesznek. Törekvésök az, hogy a tűt súlypontja körül forgassák addig, a míg annak tengelye irányukba nem esik; a 25. ábra ezen egyensúlyi helyzetet mutatja.
32
A forgató erőpár erőssége és iránya az illető hely földrajzi szélessége szerint változik, a melyen a tű fel van függesztve, vagyis azon helyzet szerint, melyet a tű a földmágnes sarkaihoz képest elfoglal. Ekként magyarázható meg az elhajlás és lehajlás szögeinek változása, melyet a megfigyelő tapasztal, ha a föld felületén helyét változtatja.
3. A mágnesek vonzásának és taszításának törvényei.
A mágnesek taszítják egymást, ha egynevű sarkaikat állítjuk szembe; ellentett sarkaikkal pedig vonzzák egymást. A mozgás irányát a mágnesi vonzások és taszítások ezen első törvénye jelöli meg. Ámde e törvény nem fejezi ki azt, hogy mi módon változik az erők nagysága, ha támadó pontjaik, tehát sarkaik, kölcsönös távolságát változtatjuk.
E változások törvényét COULOMB-nak sikerült kisérleti uton meghatároznia, miként azt már LAMBERT szavakba foglalta s mely a következöleg fejezhető ki:
Két mágnes sarkainak kölcsönös vonzása vagy taszítása a sarkok egymástól való távolságának négyzetével visszásan arányos.
26. ábra. – Coulomb mágnesi mérlege.
E törvény helyességének igazolására COULOMB a 26-ik ábrában lerajzolt mágnesi mérleget alkalmazta, mely műszer egészen analóg a szintén
33
COULOMB-tól az elektromos erők mérésére használt sodró mérleggel. Erről majd később bővebben lesz szó.
Az eszköz négyszögletes, vagy pedig hengeralakú üvegházból áll, melynek külső felületén osztályzat van; ennek osztályrészei fokokat jelentenek s azon szögek lemérésére szolgálnak, melyeket annak síkjában az osztályzat középpontján átmenő egyenes leír. Az osztályzat síkjában egy hosszú, mágnesezett rúd van fonálra függesztve, oly módon, hogy súlypontja az osztályzat középpontjába essék. A felfüggesztésre szolgáló fonál az üvegház födeléből kiemelkedő üvegrúd végén, egy vízszintesen megerősített orsóra van erősítve s erre csavarodik. Az orsót egy mozgó körlemez tartja. E mozgó lemez viszont egy mikrométeren nyugszik, úgy hogy némi surlódással forgatható legyen rajta; a mikrométer beosztásán a fonál sodródásának szögét meg lehet mérni, mikor a fonalat a mozgó lemez segélyével megsodorjuk.
COULOMB eszközét a mágnesi taszítások törvényének igazolásánál a következő módon használják.
Mindenekelőtt meghatározandó a fonál egyensúlyának megfelelő helyzet; ez a mozgatható lemeznek az az állása, melynél a fonál nincs megsodorva. E végből a mágnesezett rudat ideiglenesen ugyanoly súlyú, mágnesezetlen rúddal kicserélik, és leolvassák a körosztás azon fokát, melyen a rúd megállapodott. Erre a mágnes visszatétetik előbbi helyére; ez azonban a Föld irányító ereje miatt csakhamar a mágnesi meridiánba helyezkedik. Ez az új irány az előbbivel bizonyos szöget alkot. Ha a mikrométert éppen akkora szöggel s a mágnes végezte mozgással ellenkező irányban elfordítjuk, világos, hogy a mágnes megmarad a meridiánban, de e fonál egyensúlyi állapotába visszahozatik s ez esetben a sodródása megint semmi lesz. (2)
Ezt elvégezvén, a mágnest eredeti helyéből, vagyis a mágnesi meridiánból kimozdítjuk azáltal, hogy a mikrométert megcsavarjuk. Tegyük fel, hogy a mágnes kitérése 2°, s hogy a mikrométer 72°-kal fordult meg; ezek különbsége 70° a fonál sodródásának erejét méri, a mely a Föld irányító erejét egyensúlyban tartja. 4°-nyi, vagyis kétakkora kitérítés eszközlése végett a mikrométert 144°-kal kellene megforgatni; a sodró erő ez esetben 140°, vagyis az előbbinek kétszerese. Általában, COULOMB azt találta, hogy a sodrás ereje a csavarás szögével arányos, és hogy a Föld irányító erejét, a mágnesi meridiánból való kitérés minden fokára,
* Szabatosabban: arányos e szög sinusával; kis kitéréseknél azonban – pl. 20° alatt – lehet a sinusok helyett a szögeket venni.
34
a fonálnak 35 foknyi sodródása egyensúlyozza. (Ez természetesen csak ezen speciális esetre áll.) Más rúddal, melynek erőssége más, e szám megváltoznék, anélkül azonban, hogy az arányosság az irányító erő és a fonál sodródási szöge között megszünnék.
Ezen előleges kisérleteket végrehajtván, COULOMB a mágnesek kölcsönös hatásainak tanulmányozására tért át. A mágnesezett rudat a mágnesi meridiánba visszavezetve, az üvegház fedelén levő nyíláson keresztül, egy másik mágnesezett rudat állított be függőleges irányban, oly módon, hogy a két mágnes egynevű sarkai álljanak egymással szemben. A mágnesi taszítás azonnal bekövetkezik: a mozgó mágnes az előbbitől bizonyos szöggel eltávolodik, tegyük fel, hogy 24°-kal. A mikrométert két egész kerülettel megforgatván, COULOMB a mágnest egy második helyzetbe hozta, tegyük 17°-nyi kitérésbe a mágnesi meridiánból; azután ujból öt kerülettel való megforgatás által 12°-nyira közelítette.
Ezen három helyzet mindegyikében a mágnesek taszító ereje két erőt tart egyensúlyban: a Földnek irányító erejét, melyet megkapunk, ha a kitérést 35°-kal szorozzuk, és a sodró erőt, melyet a mikrométer megforgatása mér, hozzáadva még a rúdnak kitérését. A taszító erőt a három helyzetben a következő adatok szolgáltatják:
1. helyzet
2. helyzet
3. helyzet
|
24×35°+24°
17×35°+17°+1080°
12×35°+12°+2880° |
= 864°
= 1692°
= 3312°
|
Eme három utolsó szám, csekély eltéréssel, 12, 17, és 21 számoknak, vagyis a sarkok távolságainak négyzeteivel fordított arányban van. Ugyanoly módon mérik a vonzó erőket, a függélyes mágnest úgy állítván, hogy ellenkező nevű sarkok kerüljenek szembe. A különbség csak az, hogy a mikrométert most ellenkező irányban kell forgatni, hogy ekként a sarkok különböző távolságba vitessenek. A vonzó erőkre ugyanazon törvény adódik ki s ennélfogva a két törvényt egyesítve a következő alakban fejezhetjük ki:
A vonzó és taszító erők, melyeket két mágnes sarkai egymásra gyakorolnak, a sarkok távolságának négyzetével visszás arányban vannak.
COULOMB a mágnesi vonzások és taszítások emez általános törvényét még egy másik módszer segélyével is igazolta. A módszer, melyről most szólunk, a lengések módszere. Ha a szabadon felfüggesztett mágnestűt egyensúlyi helyzetéből, azaz a mágnességi meridiánból kimozdítjuk, s azután magára hagyjuk, inga módjára lengeni fog. Tegyük fel, hogy a másodperczenkint végzett lengéseket megszámláljuk. Ha most a mágnesi
35
meridiánban egy mágnest állítunk fel függőlegesen s oly módon, hogy egyik sarka a tűhöz közel álljon: azt vesszük észre, hogy a lengések száma megnövekszik. Ezen mágnesnek azonban oly hosszúnak kell lennie, hogy másik sarkának hatása a mágnestűre elenyészőnek vétethessék. A két kisérlet lengési számainak négyzeteit összehasonlítva, az erők viszonyát nyerjük, melyek a tűt lengették. A kisérlet ismétlendő oly módon, hogy a mágnes egymásután kétszeres, háromszoros stb. távolságba állíttatik, miközben a lengések ismét megszámláltatnak. A Föld mágnes-erejét kiküszöbölvén, hátramarad a mágnesi erők viszonya, melyeket a mágnes külömböző távolságok mellett kifejtett. E kisérletekből is a távolságok visszás négyzeteinek törvénye derül ki.
|
Ugyanazon eredményt egyszerűbb úton az u. n. astatikus, irányzatlan tű segélyével lehet elérni. Ez két, egyenlő mágnes-erejű tűből van összeállítva, melyek közös tartóra párhuzamosan vannak megerősítve olyformán, hogy egynevű sarkaik ellenkező irányba mutassanak. Az ily szerkezet a Föld irányító erejének hatása alól ki van vonva, mivel az egy oldalon álló sarkokra ellenkező értelemben működik [hat]. E szerkezet lengéseinek négyzetei a szemben álló mágnes sarkának erősségét mérik, anélkül, hogy szükséges volna a Föld hatását kiküszöbölni. (3)
|
27. ábra. – Irányzatlan tű.
|
4. A mágnesség eloszlása mágnesekben.
COULOMB ugyanazt a két módszert, melyet a mágnesi vonzások és taszítások általános törvényének megállapítására használt, a mágnes-erőnek egy mágnes-rúdban való eloszlása módjának tanulmányozására is alkalmazta; vagyis annak megvizsgálására, hogy mily módon változik a mágnesi erő a rúd egyik végétől a másikig. Legyen AO egy prizmaalakú mágnes-rúdnak egyik fele, melynek keresztmetszete hosszához képest kicsiny; O a rúd közepe, vagyis a semleges vonal, A pedig a vége, melynek közelében az egyik sark fekszik. COULOMB azt tapasztalta, hogy a mágnesi erő a rúd közepén semmi, innét pedig folytonosan növekszik; kezdetben lassan, de azután mindinkább jobban és pedig annál gyorsabban, mentől inkább közeledünk a sarkhoz. Ha a mágnesi erőt a rúd tengelyére merőleges egyenesek hosszával ábrázoljuk, úgy az eloszlás törvényét MmM görbe vonal tünteti fel, melynek legnagyobb rendezője [függőleges tartóvonala] a rúd végére
36
28. ábra. – A mágnesség eloszlása a mágnesben.
ellentét kifejeztessék, a mely a semleges vonal ellenkező oldalain fellépő hatások között tapasztalható, vagy pedig, ha úgy tetszik, a mágnes két felében levő szabad fluidumok fajlagos különbsége között.*
29. ábra. – A mágnesség eloszlásának teljes görbéje.
Mivel a sarkok nem egyebek, mint a rúd mindegyik felében székelő mágnesi erők támadó pontjai, helyöket megkapjuk, ha a görbék területének súlypontjait a tengelyre vetítjük. COULOMB azt találta, hogy a mágnesi erő eloszlását ábrázoló görbék külömböző hosszúságu mágnesekre ugyanazok, feltéve, hogy e hossz 20 centiméternél nagyobb;
* Már a mágnesi képekből is, melyek a vasreszelék darabkáinak a mágnes sarkai körül való elrendezkedéséből keletkeznek, lehet a mágnességnek a rúd külömböző pontjai között való eloszlásáról fogalmat alkotni; a görbék összehajlása a sarkoknak, vagyis a mágnes-erők támadó pontjának helyét világosan mutatja; a szálak hosszúsága a rúd hosszának különböző pontjain az erőkkel arányos. Ámde e jelek egyike sem bír azon pontossággal, mely a COULOMB-féle vagy más újabb módszerek méréseiből adódik ki.
37
de a semleges tér, vagyis az a rész, a melyen a mágnes-erő elenyésző s a mely a két görbe közé, a rúd közepére esik, kisebb vagy nagyobb; annál nagyobb, mentől inkább múlja felül a mágnes-rúd hossza a 20 centimétert. Megállapította azt is, hogy a 20 cm.-nél hosszabb rudak sarkai mindig ugyanazon távolságban vannak a végektől; e távolság mintegy 4 centiméter. Rövidebb mágnesekre nézve a görbék egyenes vonalakba mennek át, melyek a tengelyhez hajolvák s azt a közepén metszik; a sarkok a rúd fél hosszának egy harmadára esnek a végektől. Mindezen vizsgálatok henger, vagy prizmaalakú mágnes-rudakra vonatkoznak; ha a mágnesnek váltó pontjai is vannak, vagy ha más alakú, az eloszlás is más törvényt követ. A megnyúlt négyszög formájú mágnesezett tűk sarkai annál közelebb esnek a középponthoz, mentől kevésbbé van a négyszög megnyújtva.
A mágnesség eloszlásának módja a mágnesekben ujabban egy másik franczia fizikus, JAMIN fontos vizsgálatainak tárgyát képezte; megkisértjük ezek főbb eredményeinek is az összefoglalását.
A mágnes erősségének mérésére JAMIN-től követett módszer abban áll, hogy a "vizsgálandó pontra, osztályozott rúgón függő puha vas próbapeczket helyez, s a rugót lassankint kinyújtván, grammokban méri azt az erőt, a mely a peczeknek a mágnesről való leszakítására szükséges. Ámde mivel ez az erő az érintő peczek alakjától és nagyságától is függ, szükséges a méreteket megállapítani, ha az összes méréseket egy oly egységre akarjuk visszavezetni, a mely megint könnyen előállítható." JAMIN azt az erőt veszi egységül, a mely 1 négyszög milliméter keresztmetszetű s végtelen nagy hosszaságú vas pálczának felel meg. Kisérleteiben egy mérleg karján függő kis vas golyót használt, mely a mágnes felületével érintkezésbe hozható. Ugyanezen mérleg másik karjára a rúgó van megerősítve, másik végével egy beosztott körrel ellátott orsóra csavarodván. Az orsót addig forgatják, míg az ekként megnyújtott rúgó a gömböt le nem szakítja. Ily módon a mágnes minden pontjára meghatározható az az erő, a mely a gömböcske leszakítására szükséges. Ez az eljárás a próba-peczek módszerének neve alatt ismeretes. Segélyével a mágnes-erőnek a mágnesekben való eloszlását feltüntető görbék megszerkeszthetők. * Több mágnesezett aczéllemezt egy nyalábba összerakván,** azt tapasztalta JAMIN, hogy a mág-
* Minthogy a leszakítás ereje a mágnes-erősség négyzetével arányos, könnyű egyikről a másikra átmenni.
** Az egymásra rakott lemezekből összeállított nyalábok mágnességi állapotát már COULOMB és NOBILI is tanúlmányozták, s felismerték, hogy a lemezek egymásra hatnak s így az erő távolról sem növekszik arányosan a lemezek számával.
38
nesi görbék a lemezek számának szaporodásával emelkednek, de hogy a két ág egyúttal egymáshoz s a mágnes közepéhez közeledik, s a lemezek bizonyos számánál összeér. "E pillanatban, úgymond, a nyaláb elérte maximumát; a lemezek nagyobb száma mit sem változtat az egyes pontok erősségén, s ha a nyalábot szétszedjük, az egyes lemezeket külön megvizsgálván, az derül ki, hogy eredeti mágnesezésük egy részét elvesztették és pedig annál nagyobbat, mennél több lemez volt összerakva. Ebből következik, hogy a lemezek számának szaporítása bizonyos határon túl nem egyéb, mint haszontalan aczél-pazarlás. JAMIN az ily módon készített nyalábot normális mágnesnek nevezi. Ennek az a nevezetes tulajdonsága van, hogy a mágnesi erősségek görbéje egyenes vonalba megy át, s hogy sarkai a félhossz egyharmadában fekszenek. Ez az az eset, a melyet COULOMB 2 vonal (4,5 mm.) átmérőjű mágneseknél és csak 5–6 hüvelyk (135–162 mm.) hosszaságig talált.
A normális mágnes lemezeinek száma a hosszaságukkal növekszik; 100 mm. hosszaságú lemezekből 3–4, 200 mm. hosszaságúakból 6–8 és 9–4 darab kell azokból, melyek hossza 300 mm. Többet nehéz meghatározni, mivel az erő, ámbár kezdetben a lemezek számával rohamosan nő, csak igen lassan éri el maximumát.
Miként oszlik el a mágnes-erő a mágnesnek, pl. egy mágnesezett prizma [hasáb] alakú rúdnak a belsejében? COULOMB kisérletei alapján azt hitték, hogy az erő nagysága kívülről befelé kisebbszik.
JAMIN bebizonyította, hogy a mágnesezés az aczélba bizonyos határolt mélységig csakugyan behatol; azonkívül megtalálta e mélység határát s azt a törvényt is, mely szerint az erősség a felülettől kezdve egészen e határig fogy. A mágnesezett rudat szálakból vagy elemek lánczolatából képzeli összetéve, melyeket egymásra következő, ellenkező nevű sarkaikkal érintkező apró mágnesek alkotnak. E szálak tehát egész hosszukban hatástalanok, kivéve a végeiket, hol egy-egy szabad sark képződik. Prizmaalakú rudakban a tengelylyel párhuzamosan haladnak egészen a rudak végeihez, hol szétágazva véget érnek. Növekedő vastagságú aczélrudakon végzett kisérletei azt mutatták, hogy ezen elemi szálak 3–4 mm. mélységre hatolnak be; ebből arra következtetett, hogy a vastag aczélrúdnak belseje nincs mágnesezve. A szálak csak 3–4 mm.-nyire a felület alatt kezdenek fellépni, s a szabad felülethez közeledvén, számuk növekszik, úgy hogy mindinkább összeszorulnak.
Ezekből következik, hogy a mágnesezés egy bizonyos foka után a mágnes-szálaknak száma, melyek együttvéve a mágnest alkotják, arányos azon mélységgel, a melyre a mágnesezés behatolt, s azonkívül a középső
39
keresztmetszet kerületével. "Ha a keresztmetszet nagyobbodik vagy kisebbedik, e szám is arányosan nő vagy fogy; következőleg a mágnesben foglalt mágnesség mennyisége tisztán csak a középső keresztmetszettől függ és teljesen független az aczéldarabok alakjától és méreteitől. De csak egy feltétel alatt: ha a mágnes-szálak a sarki végeken elegendő tömeget találnak, melyben szétágazhatnak. Ha az aczél igen hosszú, az elemi sarkok csupán csak a végeken lépnek fel, s a mágnesi erősség görbéi igen távol vannak egymástól. Ha a hossz kisebbedik, a görbék közelednek egymáshoz, a nélkül hogy módosulnának s a mágnesség mennyisége változnék. Ha az aczél még tovább is kisebbedik, végre [végül] találkoznak. E pillanattól kezdve egymásba hatolnak, összefolynak s két ellenkező irányú egyenesbe mennek át s felületök, mely a nekik megfelelő mágnesség mennyiségét fejezi ki, kisebbedik. E tényeket – mondja JAMIN – úgy magyarázom, hogy az első esetben a mágnesi szálaknak több helyök volt, mint a mennyi kifejlődésükre szükséges. Midőn a görbék összeérnek, épen annyi helyök van, a mennyi szükséges és viszont a mágnes-szálak sarki elemeinek száma, melyet a sark-felületek befogadhatnak, épen avval egyenlő, a melyet a középső kerület átkarolhat. Ezen esetben a mágnes tökéletes, telt mágnes. A megelőzőben a felület nem volt teljesen megtöltve. Ha már most e hosszt tovább is kisebbítjük, a legrövidebb szálak eltűnnek, mivél két sarkuk egyesül s az elemi sarkok elhelyezkedésére nem levén elég tér, a mágnesség mennyisége fogy. Az első esetben a középső kerület kicsiny, az utóbbiban pedig nagy volt; a közbeeső eset épen akkora poláris felületet szolgáltat, a mekkora a kifejlődésre megkivántató felületnek megfelel.
Általában, a rúd csak felületén van mágnesezve; ha egész tömegében, egészen a tengelyeig egyenletesen lenne mágnesezve, a szálaknak száma a középső keresztmetszettel arányos lenne. Ez esetet akként lehet megközelíteni, hogy az aczelat [!] vékony lemezekre vágván, ezeket külön mágnesezzük s azután egymásra rakjuk; most már a mágnes-szálak száma a lemezek számával arányosan nő s mivel a felületek csak a vastagság növelésével változnak; csakhamar megtelnek mágnességgel; az erősség görbéi a középen összeérnek s a mágnes minden méretében telítve van, mivel egyrészt a középső keresztmetszet teljesen át van mágnesezve s másrészt az erősség görbéi a külső felületet betöltik. Ebből belátható, hogy miért múlják felül a mágnes-nyalábok az egy darab fémből készített mágneseket, melyeknek vastagsága különben egyenlő a lemezek vastagságainak összegével."
E nézetek számos kisérletre vannak alapítva, s ha itt némileg
40
bővebben kifejtettük, ez nem csak azért történt, mivel a mágnesség elméletére nézve érdekesek, hanem azért is, mivel szerzőjüket a mágnesek csatlóinak és fegyverzeteinek készítésénél követendő új szabályokra vezették. Erre a következő fejezetben
visszatérünk. Addig is fejezzük be e szakaszt egy szintén JAMIN-tól kölcsönzött idézettel, melyben e tudós a coercitiv erőről nyilatkozik.
JAMIN szerint a coercitiv erőnek szokásos értelmezése bizonytalan és nem nyugszik határozott kisérleti alapon. Ez az erő, – kigondolva abból a czélból, hogy a vas és az aczél elütő magaviseletét a mágnesezés szempontjából a nehézséget, melyet e fém a mágnesség felvétele, s az ellenállást, melyet a mágnesség elvesztése ellenében tanusít, kifejezze; ezt az erőt alkalmasnak tartják oly tulajdonságok magyarázására, melyeket JAMIN szerint – "sokkal egyszerűbb s egyúttal világosabb módon lehet összefoglalni az által, ha kimondjuk, hogy a puha vas a mágneses feszültségnek jó vezetője, az aczél pedig nem az, és pedig annál kevésbé, mennél keményebb. ... Javaslom tehát, úgymond, mondjunk le a "coercitiv erő" névről s helyettesítsük a vezetősség – conductibilitás – névvel, mely, ha nagy vagy kicsiny, a vasnak s illetőleg az aczélnak lényeges tulajdonságát képezi s összes hatásaikat megmagyarázza. A vas azért nyeri vagy veszti el mágnességét azonnal, a mint valami külső ok hatni kezd, vagy megszűnik, mivel a mágnességet jól vezeti; a mágnes két sarka közé helyezett csatló ugyancsak ez okból vezeti át a sarkok ellenkező feszültségét s a mágnest kifelé hatástalanná teszi; s végül ugyanez okból használható arra, hogy a természetes mágnesek felületén elszórt mágnességet gondosan alkalmazott fegyverzetek segélyével egyesítse s a szomszédos poláros tömegekre átvigye. S ellenkezőleg az aczél, mivel vezető képessége jelentéktelen, a rúd ellentett végein ellenkező feszültségeket elkülönítve bírja megtartani, melyek annál tetemesebbek lehetnek, mennél hosszabb a rúd. Egyuttal megmagyarázható, hogy miért szükséges a mágnesezés műveleteinél a dörzsölés, t. i. azért, hogy a hatásnak minden egyes pontot külön alávetve, a vezetés hiánya kipótoltassék; továbbá, miért lehetetlen aczélból készült csatlókat használni s végül, hogyan tarthatja magát fenn a feszültségbeli különbség e fém s a vele érintkező mágnes között?
A két fluidum elmélete, melynek elemi tárgyalását ebben a fejezetben adtuk, azon tények felfedezése előtt állíttatott fel, melyek a mágnesség tüneményeit az elektromosság tüneményeihez kapcsolták. Elégséges arra, hogy a mágnesek főbb tulajdonságairól, kölcsönös vonzásuk- és taszításukról, a mágnes-anyagokra gyakorolt hatásukról, számot adjon; megmagyarázza még azt is, a mi akkor történik, midőn a mesterséges mágnesezés
41
műveleteit végezzük, a mi a következő fejezetnek képezendi tárgyát; szóval, a leirt tények rendezésére használható, kimutatván azt, hogy azok egyetlen egy okból leszármaztathatók.
Ámde ne feledjük, hogy a két fluidum, a mágnes-elemek, s a coercitiv erő elmélete tényleg nem más, mint ideiglenes hipothézis, melyet majd módosítanunk és kiegészítenünk kell, hogy az elektromos áramok és a mágnesek kölcsönös hatásait magyarázhassuk. Ha majd az Elektromágnességre szánt fejezetekben eme hatásokat leirtuk, alkalmunk lesz kifejteni, hogy mily új hipothézisek felállítására adtak okot.
