Теория Вебера, предполагающая, что в данном случае магнитная сила поворачивает в момент отложения молекул их оси в одном направлении, очень хорошо согласуется с этими наблюдениями.
Бетц нашёл, что если продолжать электролиз под действием намагничивающей силы, то интенсивность намагниченности последовательно осаждаемого железа будет уменьшаться. Вероятно, оси молекул отклоняются от линии намагничивающей силы по мере того, как они откладываются бок о бок с уже осаждёнными ранее молекулами, т.е. предельная параллельность осей может быть получена только для случая очень тонкой нити железа.
Если, как предположил Вебер, молекулы железа являются готовыми магнитами, то любая магнитная сила, достаточная при электролитическом осаждении для параллельного установления их осей, будет достаточной и для создания в образованной нити наивысшей интенсивности намагниченности.
С другой стороны, если молекулы железа не являются магнитами, а лишь обнаруживают способность к намагничиванию, то намагниченность образующейся нити будет зависеть от намагничивающей силы так же, как в общем случае она зависит и в обычном мягком железе. Эксперименты Бетца не оставляют места для второй гипотезы.
443. Следуя Веберу, мы будем сейчас считать, что в каждом единичном объёме железа имеется 𝑛 магнитных молекул и магнитный момент каждой из них равен 𝑚. Если бы оси всех молекул расположились бы параллельно, магнитный момент единичного объёма оказался бы равным 𝑀=𝑛𝑚, и это была бы наибольшая интенсивность намагниченности, на которую способно железо.
У обыкновенного железа в ненамагниченном состоянии, согласно предположению Вебера, оси молекул располагаются безразлично во всех направлениях.
Чтобы описать это, можно вообразить некоторую вычерченную сферу, у которой из центра проведён радиус-вектор параллельно направлению оси каждой из 𝑛 молекул. Распределение кончиков радиус-векторов по сфере будет представлять распределение осей молекул. В случае обыкновенного железа эти 𝑛 точек равномерно распределены на любом участке поверхности сферы, и число молекул, оси которых составляют с осью 𝑥 углы меньше α, равно (𝑛/2)(1-cos α) следовательно, число молекул, оси которых составляют с осью углы, лежащие в интервале α, α+𝑑α окажется равным (𝑛/2)sin α𝑑α.
Таково расположение молекул в куске железа, ранее ни разу не подвергавшегося намагничиванию.
Допустим теперь, что на железо в направлении оси 𝑥 действует магнитная сила 𝑋, и рассмотрим молекулу, ось которой была первоначально отклонена от оси 𝑥 на угол α.
Если эта молекула может поворачиваться совершенно свободно, она займёт положение, в котором её ось параллельна оси 𝑥. Если бы все молекулы были такими, то самой слабой намагничивающей силы оказалось бы достаточно для достижения самой наивысшей степени намагниченности. Однако это не так.
Молекулы не поворачиваются в положение, в котором их оси параллельны оси 𝑥. что обусловлено либо воздействием на каждую молекулу некоторой силы, стремящейся удержать её в первоначальном направлении, либо эффектом, эквивалентным этому, но производимым взаимодействием всей системы молекул.
Вебер принял первое предположение как наиболее простое, считая, что каждая молекула стремится при отклонении вернуться в исходное положение под действием такой силы, которую производила бы некоторая магнитная сила 𝐷, действующая в первоначальном направлении оси молекулы.
Положение, которое в действительности примет ось, определяется, следовательно, направлением равнодействующей сил 𝑋 и 𝐷.
Пусть 𝐴𝑃𝐵 представляет сечение сферы, радиус которой в некотором масштабе определяется силой 𝐷.
Направим радиус 𝑂𝑃 параллельно оси какой-либо отдельной молекулы в её первоначальном положении.
Пусть отрезок 𝑆𝑂 представляет в том же масштабе намагничивающую силу 𝑋 в предположении, что она действует в направлении от 𝑆 к 𝑂. Тогда при воздействии на молекулу силы 𝑋 вдоль 𝑆𝑂 и силы 𝐷 вдоль направления, параллельного первоначальному направлению её оси, ось молекулы установится в направлении 𝑆𝑃, т.е. вдоль равнодействующей сил 𝑋 и 𝐷.
Рис. 5
Рис. 6
Поскольку оси молекул ориентированы вначале по всем направлениям, 𝑃 может находиться в любой точке сферы безразлично. На рис. 5, где 𝑋 меньше, чем 𝐷, ось в конечном положении также может быть повёрнута в каком угодно направлении, но уже не безразлично, так как по направлению к 𝐴 большая часть молекул будет повёрнута своими осями, нежели по направлению к 𝐵. На рис. 6, где 𝑋 больше 𝐷, оси всех молекул будут ограничены конусом 𝑇𝑆𝑇', касающимся сферы.
Таким образом, существуют два различных случая, соответствующих значениям 𝑋, превышающим или не превышающим значение 𝐷.
Пусть
α=𝐴𝑂𝑃 - начальный наклон оси молекулы относительно оси 𝑥;
θ=𝐴𝑆𝑃 - наклон оси при отклонении силой 𝑋;
β=𝑆𝑃𝑂 - угол отклонения;
𝑆𝑂=𝑋 - намагничивающая сила;
𝑂𝑃=𝐷 - сила, стремящаяся возвратить ось в первоначальное положение;
𝑆𝑃=𝑅 - результирующая сил 𝑋 и 𝐷;
𝑚 - магнитный момент молекулы.
Тогда момент статической пары сил, обусловленный наличием силы 𝑋 и стремящийся уменьшить угол θ, будет равен 𝑚𝐿=𝑚𝑋 sin θ, а момент, обусловленный силой 𝐷 и стремящийся увеличить угол θ, 𝑚𝐿=𝑚𝐷 sin β.
Приравнивая эти величины и помня, что β=α=θ, находим
tg θ
=
𝐷 sin α
𝑋+𝐷 cos α
,
(1)
что и определяет направление оси после отклонения.
Далее мы должны найти интенсивность намагниченности, созданной силой 𝑋 во всей массе тела, для чего необходимо спроектировать магнитный момент каждой молекулы на направление 𝑥 и сложить все эти проекции.
Составляющая момента молекулы вдоль направления 𝑥 равна 𝑚 cos θ, а число молекул, у которых начальное отклонение лежит в пределах α, α+𝑑α, составляет (𝑛/2) sin α𝑑α.
Таким образом, необходимо проинтегрировать
𝐼
=
π
∫
0
𝑚𝑛
2
cos θ
sin α
𝑑α
,
(2)
помня, что θ является функцией угла α.
Мы можем выразить θ и α через 𝑅, тогда подынтегральное выражение примет вид
-
𝑚𝑛
4𝑋²𝐷
(
𝑅²
+
𝑋²
-
𝐷²
)
𝑑𝑅
,
(3)
неопределённый интеграл от которого равен
-
𝑚𝑛𝑅
12𝑋²𝐷
(
𝑅²
+
3𝑋²
-
3𝐷²
)+
𝐶
.
(4)
В первом случае, когда 𝑋 меньше 𝐷, интегрирование ведётся в пределах от 𝑅=𝐷+𝑋 до 𝑅=𝐷-𝑋, а во втором случае, когда 𝑋 больше 𝐷, - от 𝑅=𝑋+𝐷 до 𝑅=𝑋-𝐷.
Если
𝑋
меньше
𝐷
, то
𝐼
=
2
3
𝑚𝑛
𝐷
𝑋
.
(5)
Если
𝑋
равно
𝐷
, то
𝐼
=
2
3
𝑚𝑛
.
(6)
Если
𝑋
больше
𝐷
, то
𝐼
=
𝑚𝑛
⎛
⎜
⎝
1-
1
3
𝐷²
𝑋²
⎞
⎟
⎠
.
(7)
