Конечно, это движение будет длиться совсем короткий промежуток времени, и мы вряд ли сможем что-то про него понять. Поэтому, чтобы изучить свойства электрического тока во всех деталях, физикам пришлось придумать «резервуары» большого количества зарядов – батарейки. Это такие мини-фабрики по разделению электрических зарядов. За счет химических реакций, протекающих внутри батарейки, на одном ее конце (он называется анод) скапливается большое количество электронов, а на другом (он называется катод) – их недостает. Поэтому, если соединить эти концы проводником, то электроны «побегут» с одного конца на другой, создавая электрический ток. А почему они должны «побежать»? Да потому что все они заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга, им обязательно нужно «разбежаться» как можно дальше. Кроме того, на катоде скопился избыточный положительный заряд, который их еще дополнительно притягивает. А при перемещении электронов от анода к катоду электроны можно заставить немного поработать. Например, если где-то на их пути подключить лампочку, или вентилятор, или еще какой полезный электроприбор.

Мы уже обсуждали[17], что существуют постоянные магниты, которые сами по себе создают вокруг себя магнитное поле. Это магнитное может воздействовать на стрелку компаса и сбивать его с «пути истинного», т. е. с направления «строго на север». Значит, мы можем использовать компас для изучения магнитных полей: если стрелка отклонилась, значит на нее подействовала магнитная сила, следовательно, где-то рядом появился магнит. Именно компас помог сделать открытие первого явления, связывающего электричество и магнетизм. Произошло это зимой 1819–1820 годов, когда датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) во время одной из своих лекций демонстрировал студентам эксперимент по нагреванию проводника током. В этот момент на его рабочем столе оказался забытый кем-то компас. Когда Эрстед пустил по проводам электрический ток, один из студентов заметил, что стрелка компаса повернулась. Это было чем-то совершенно удивительным! Ведь в проводнике нет никакого магнита, сам по себе он на стрелку компаса не воздействует. Батарейка тоже. Но стоит лишь включить ток, как стрелка компаса начинает отклоняться. Выходит, что именно движущиеся электрические заряды создают магнитное поле.

Компас также помог более детально изучить это явление. Если его перемещать вокруг проводника, то можно определить, в каком направлении будет действовать магнитная сила – по тому, в какую сторону будет поворачиваться стрелка компаса. Так удалось понять, что магнитное поле как бы закручивается вокруг электрического тока, т. е. магнитные силы направлены не в сторону проводника, а перпендикулярно ему. В школьном курсе физики для определения направления этих сил используют правило правой руки: если сжать правую ладонь в кулак, а вытянутый большой палец направить вдоль тока, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля.

Но как нам быть с постоянными магнитами? Они же не подключены ни к какой батарейке. Откуда у них магнитное поле? Для объяснения этого явления нам придется привлечь несколько идей из квантовой физики. Оказывается, что электроны, из которых все состоит, сами по себе являются маленькими магнитами. Физики говорят, что у электрона есть собственный магнитный момент или спин. Это чисто квантовая характеристика, не имеющая аналогов в классической механике. Хотя иногда для иллюстрации представляют электроны как шарики, вращающиеся вокруг своей оси, – это аналог спина. Вращение заряженного шарика может рассматриваться как круговой электрический ток, генерирующий магнитное поле электрона, – это аналог магнитного момента. Но нужно понимать, что это всего лишь аналогии. В действительности электрон, конечно же, никуда не крутится и вообще вряд ли представляет собой заряженный шарик. Тем не менее наличие магнитного момента у отдельных электронов – это экспериментальный факт. Так что давайте договоримся, что будем понимать под спином еще одну характеристику электрона, наряду с массой и электрическим зарядом.

Рис. Правило правой руки.