Обнаружено, что в разных частях земной поверхности магнитная сила направлена по-разному. Если сделать метку на кончике магнита, указывающем на север, то окажется, что он устанавливается в направлении, которое в общем случае существенно отличается от направления истинного меридиана, причём в северном полушарии этот кончик всегда отклоняется ещё и вниз, а в южном полушарии - вверх.
Азимут направления магнитной силы, отсчитываемой от истинного направления на север в сторону запада, называется Вариацией или Магнитным Склонением. Угол между направлением магнитной силы с горизонтальной плоскостью называется Магнитным Наклонением. Эти два угла задают направление магнитной силы; если также известна и её интенсивность, то магнитная сила определена полностью. Измерение этих трёх элементов в различных местах земной поверхности, обсуждение характера их вариаций от места к месту и с течением времени наблюдения, а также исследование причин, порождающих магнитную силу и вызывающих её изменения,- всё это составляет содержание науки о Земном Магнетизме.
373. Предположим теперь, что определены оси нескольких магнитов и у каждого из них помечен конец, указывающий на север. Подвесим свободно один из магнитов, а другой будем к нему приближать. Окажется, что два помеченных конца отталкиваются друг от друга и два непомеченных конца тоже отталкиваются друг от друга, а отмеченный и неотмеченный концы притягиваются друг к другу.
Установлено, что для магнитов, сделанных в виде длинных однородно и продольно намагниченных стержней или проволок (см. далее п. 384), наибольшее проявление силы происходит, когда конец одного магнита находится вблизи конца другого, и что эти явления можно рассматривать, исходя из предположения о том, что однотипные концы магнита отталкиваются, разнотипные концы притягиваются, а серединные части магнитов не проявляют ощутимого взаимодействия.
Концы длинного тонкого магнита обычно принято называть его Полюсами. В случае сколь угодно тонкого магнита, однородно намагниченного по длине, его концы действуют как центры силы, а остальные его части кажутся лишёнными магнитного действия. У всех реальных магнитов намагниченность отличается от однородной, так что никакие отдельные точки не могут быть выбраны в качестве полюсов. Тем не менее Кулон, используя длинные тонкие стержни, намагниченные с особой тщательностью, установил закон для силы, действующей между двумя одноимёнными магнитными полюсами (средой между ними был воздух) 1.
1 Coulomb, Mém. de l'Acad. 1785, p. 603 and in Biot’s Traité Physique, tome III
Отталкивание между двумя одноимёнными магнитными полюсами происходит по прямой линии, их соединяющей, и численно равно произведению мощностей (strengths) полюсов, делённому на квадрат расстояния между ними.
374. Этот закон, конечно, содержит предположение о том, что мощность каждого из полюсов измеряется с помощью некоторой единицы, величина которой может быть выражена через входящие в данный закон члены.
Единичным полюсом является такой полюс, который указывает на север и, будучи помещённым на единичном расстоянии от другого единичного полюса, отталкивается от него в воздухе с единичной силой (последняя определяется как в п. 6). Полюс, указывающий на юг, считается отрицательным.
Если мощности магнитных полюсов 𝑚1 и 𝑚2, расстояние между ними 𝑙 и сила отталкивания ƒ выражены численно, то
ƒ
=
𝑚1𝑚2
𝑙²
.
Но если [𝑚], [𝐿] и [𝐹] - конкретные единицы магнитного полюса, длины и силы, тогда
ƒ[𝐹]
=
⎡
⎢
⎣
𝑚
𝐿
⎤²
⎥
⎦
𝑚1𝑚2
𝑙²
,
откуда следует, что
[𝑚²]
=
[𝐿²𝐹]
=
⎡
⎢
⎣
𝐿²
𝑀𝐿
𝑇²
⎤
⎥
⎦
,
или
[𝑚]
=
[𝐿
3/2
𝑇
-1
𝑀
1/2
]
.
Следовательно, единичный полюс имеет по отношению к длине размерность, равную 3/2 по отношению ко времени - размерность, равную - 1 а по отношению к массе - размерность, равную +1/2; это совпадает с размерностью электростатической единицы электричества, установленной ранее в п. 41, 42 совершенно аналогичным путём.
375. Точность этого закона можно считать установленной опытами Кулона с Крутильными Весами и подтверждённой опытами Гаусса и Вебера, равно как и всеми наблюдателями в магнитных обсерваториях, осуществляющими ежедневные магнитные измерения и получающими результаты, которые должны были бы стать несовместимыми друг с другом, если бы закон для силы был принят ошибочно. Дополнительное подтверждение вытекает из его согласованности с законами электромагнитных явлений.
376. Величину, названную нами мощностью полюса, можно было бы назвать также и количеством «Магнетизма», если не приписывать «Магнетизму» никаких иных свойств, кроме тех, которые обнаруживаются в полюсах магнита.
Закон для силы между двумя заданными количествами «Магнетизма» выражается математически в той же форме, что и закон для силы между численно равнозначными количествами «Электричества», поэтому многие из математических методов теории магнетизма должны быть аналогичны методам теории электричества. Существуют, однако, и другие свойства магнитов, о которых следует помнить и которые могут в какой-то мере пролить свет на электрические свойства тел вообще.
Соотношение между полюсами магнита
377. Количество магнетизма на одном полюсе магнита всегда равно и противоположно количеству магнетизма на другом полюсе, или более обще:
В каждом Магните общее количество Магнетизма (суммируемое алгебраически) равно нулю.
Следовательно, в поле силы, однородной и параллельной во всём занимаемом магнитном пространстве, сила, действующая на помеченный конец магнита, в точности равна, противоположна и параллельна силе, действующей на непомеченный конец, поэтому в результате образуется статическая пара сил, стремящаяся установить ось магнита в определённом направлении, но никуда не сдвигающая магнит в целом.
Это можно легко доказать, пустив магнит плавать по воде на маленьком кораблике. Чтобы ось магнита и направление земной магнитной силы по возможности сблизились, кораблик будет определённым образом разворачиваться, не совершая при этом в целом никаких перемещений ни в каком направлении, так что не может появиться никакой избыточной силы, действующей в сторону севера, по отношению к силе, действующей к югу, и наоборот. Это можно также показать, исходя из того факта, что намагничивание куска стали не меняет его веса: оно изменяет лишь видимое положение центра тяжести, смещая его в наших широтах вдоль оси по направлению к северу. Центр инерции, определяемый через явления вращения, остаётся неизменным.
378. Если исследовать середину длинного тонкого магнита, то обнаружится, что она не обладает никакими магнитными свойствами; если же в этой точке разломать магнит, окажется, что в каждом куске появляется магнитный полюс в месте разлома, причём этот новый полюс точно равен и противоположен другому полюсу, принадлежащему данному куску. Ни намагничиванием, ни разламыванием магнитов, ни какими-либо другими способами невозможно образовать магнит с неравными полюсами.