Как правило, как раз самые обычные явления и говорят о глубинных тайнах и загадках природы. Одним из наиболее ярких примеров является притяжение Земли. На первый взгляд привычное дело, когда предметы падают на землю. Но потребовался гений Эйнштейна, чтобы объяснить гравитацию искривлением пространства и времени. То же самое можно сказать и про магнитное поле Земли, разговор о котором пойдёт ниже.
Кто изобрёл компас?
Просвещённые жители Европы знали о магнитных свойствах некоторых веществ и предметов ещё с античных времён. Римский историк Плиний Старший рассказывал о некоем пастухе, жившем на Крите. Тот подбил железом свои сандалии, и к ним стали прилипать мелкие чёрные камушки, которые валялись на склонах горы Идо. Имя пастуха было Магнис , от него возникло слово "магнит ".
В то же самое время китайцы пользовались магнитами, которые называли чу-ши , что в переводе означало "любящие камень". Жители Поднебесной изобрели компас на тысячу лет раньше европейцев. Это была полоска намагниченного железа, закреплённая на куске плавающей в воде пробки. Им пользовались купцы, гонявшие караваны по пустыне.
Придумали китайцы и более изощрённые навигационные приборы. Это компас лопань , дошедший до наших дней. На нём, в отличии от европейского, имеется много колец. Называются они тсэн или слои и разделены на 24 сектора, по 15 градусов каждый.
Данный компас взяли на вооружение последователи системы фен-шуй. Она учитывается при строительстве домов и обустройстве внутренних помещений. С помощью иероглифов, которые нанесены на сектора колец, определяются благоприятные и негативные направления в помещениях.
А вот в Европе честь изобретения компаса присвоили себе итальянцы. Якобы в начале XIV века в приморском городе Амальфи жил мастер Флавио Джойя. Он был влюблён в дочь богатого Доменико, жившего в этом же городе. Тот хотел выдать свою любимую и красивую дочку за обеспеченного судовладельца, а бедный мастер мешал его планам.
И тогда хитрый и коварный Доменико поставил, как ему казалось, невыполнимую задачу перед влюблённым Флавио. Он сказал, что муж его дочери должен в совершенстве владеть лоцманским искусством и потребовал провести лодку ночью в тумане из одной рыбацкой деревушки в другую. Мастер Джойя взял иголку, сделанную из магнитного железняка, и, сверяя по ней путь, блестяще справился с заданием.
Итальянцы поставили Флавио памятник. Мастер стоит на вершине небольшой скалы в просторной накидке по моде XIV века. В левой руке он держит компас и сверяет по нему направление.
Памятник нравится всем, кроме немцев. Те считают, что компас изобрели древние тевтоны. В этом утверждении есть доля истины, так как слово "компас" произошло из немецкого языка, а не из итальянского.
Одно дело изобрести компас, а другое дело объяснить, почему его стрелка всё время указывает строго на север. Определённую ясность в этот вопрос внёс в XVI веке придворный врач Елизаветы I Уильям Гильберт. Помимо медицины он увлекался многими другими вопросами и, прочитав всё, что известно о магнитах, занялся собственными опытами. В 1601 году увидел свет его научный труд под названием "О магните, магнитных телах и большом магните - Земле". Автор высказал догадку, что голубая планета представляет собой огромный магнит, а его ось проходит через полюса.
Гильберт даже сделал миниатюрную модель Земли. Он намагнитил стальной шар и назвал его Тереллой, то есть маленькой Землёй. Когда к поверхности этого шара подносили магнитную стрелку, то она своим остриём всегда указывала на полюса. После этого Гильберта стали считать основоположником науки о магнитных свойствах нашей планеты.
Впоследствии стало ясно, что стрелка компаса всегда стремится занять положение вдоль магнитных силовых линий Земли. А те веерообразно расходятся из одного полюса и вновь сходятся в другом полюсе.
Однако после этого открытия сразу же встал вопрос: почему Земля является магнитом? Магнетит, который является магнитной породой, составляет ничтожную часть земной коры. Другие породы, за редким исключением, ярко выраженными магнитными свойствами не обладают.
Ядро Земли и магнитные свойства
До недавнего времени превалировала гипотеза, что магнитные свойства планеты обусловлены её жидким железо-никелевым ядром. Но почему оно порождает магнетизм - оставалось неясным. В XX веке было установлено, что остывающая лава запечатлевает в себе направление и силу магнитного поля Земли. Были исследованы тысячи образцов лавы и определён их возраст. В результате этого специалисты пришли к выводу, что в истории планеты случались периоды, когда интенсивность магнитного поля резко падала.
В гипотезе о ядре был ещё один существенный недостаток. Как известно, магнитное поле Земли очень чутко реагирует на солнечную активность. Здесь имеются в виду вспышки на Солнце, которые порождают магнитные бури. Многие люди проявляют к ним повышенную чувствительность.
Отсюда напрашивается вывод: если бы источник земного магнетизма находился в ядре планеты, то вряд ли солнечная активность могла бы на него существенно влиять. И ещё один интересный факт. У таких космических тел как Луна, Венера, Марс ядра есть, а магнитного поля практически нет. И как это объяснить?
Эффект геомагнетизма и водно-воздушный
океан Земли
Совсем недавно в научном мире появилась новая гипотеза, которая пытается объяснить существование у голубой планеты сильного магнитного поля. Она гласит, что важнейшую роль в формировании геомагнетизма играет водно-воздушный океан планеты.
Под воздействием солнечной энергии с голубой планеты за сутки испаряется 1 триллион кубометров воды. При этом капли воды электризуются и приобретают положительный заряд. А отрицательный заряд уходит в земную твердь. А в тех местах планеты, где царит ночь, наблюдается конденсация жидкости.
Воздушная среда непостоянно, то есть всё время находится в движении. В результате этого и в атмосфере, и в земной коре возникают потоки ионов. Это и является причиной магнетизма. А дело тут в том, что магнитное поле создаётся тогда, когда электропроводящий материал окружает переменное или вращающееся электрическое поле. В качестве такого поля выступает воздушная среда, содержащая в себе различные заряды.
Данная гипотеза прекрасно объясняет, почему у планет, на которых нет атмосферы и океанов, отсутствует магнитное поле. Также понятно, почему вспышки на Солнце существенно влияют на земной магнетизм. Можно также объяснить, почему в геологической истории голубой планеты происходило резкое изменение магнитного поля.
Это, скорее всего, было связано с катастрофами, вызванными падением крупных метеоритов. При этом глобально менялись прозрачность атмосферы и уровень испарения воды. Всё это в комплексе и воздействовало на магнитное поле Земли.
Заключение
Многие экологи считают, что нынешняя деятельность человеческой цивилизации начинает негативно сказываться на состоянии атмосферы голубой планеты. Это может отразиться и на силе магнитного поля. А ведь оно защищает Землю от губительного солнечного ветра. Так что людям есть о чём подумать и, пока не поздно, принять соответствующие меры.
Cтатью написал Максим Шипунов
ОТКРЫТЫЙ КОНКУРС ПРОЕКТОВ И УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ «ИЗЫСКАТЕЛЬ»
Тема:«Свойства магнита. Земля – огромный магнит»
Место выполнения работы: МАОУ "СОШ № 4" г.Миасс
Научный руководитель: Мельникова Ольга Михайловна
2017
СОДЕРЖАНИЕ
ВведениеГлава
I1.2 Свойства магнита и его строение
1.3 Магнитное поле
2.1 Практические опыты, позволяющие изучить
магнитные свойства
2.1.7 Непостоянство магнита. Магнитное поле вокруг
проводника с током
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Согласно википедии магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем.
Возможно, слово происходит от др.-греч. Magnētis líthos (Μαγνῆτις λίθος), «камень из Магнесии» - от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита.Магниты окружают нас повсюду - в наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, в часах, в банках с гвоздями, компьютере, наконец, сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, - гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты.
В последние годы все чаще появляется интересная информация о том, что у самого большого магнита – Земля происходят процессы в виде ускорения перемещения магнитных полюсов.
Недостаточность знаний по этому вопросу и желание понять, что же такое магнит, какими свойствами он обладает, как осуществляется механизм магнитного взаимодействия и что означает перемещение магнитных полюсов Земли, обусловили выбор темы исследования «Свойства магнита. Земля – огромный магнит».
Целью данной работы является исследование свойств магнита, понимание магнитных процессов Земли
Для достижения поставленной цели потребовалось сформулировать и решить следующие задачи:
Ознакомится с историей возникновения магнита
Изучить свойства магнита его строение, виды магнитов
Дать понятие магнитного поля магнита и магнитного поля Земли
Выяснить какие процессы происходят в магнитном поле Земли.
Провести доступные опыты для понимания свойств магнитов
Объект исследования
- магнит, магнитные процессы Земли.Предмет исследования –
комплекс мероприятий, связанных с изучением свойств магнита, магнитных процессов Земли.Гипотеза –
магнит, это тело способное создавать собственное магнитное поле, Земля – магнит, имеющий способность менять свои полюса.Актуальность –
окружающие нас повсюду магниты обладают свойствами, понимание которых, необходимо каждому человеку, как в быту так и в промышленности, понимание магнитных процессов Земли необходимо с целью контролирования необратимых процессов, способных вызвать инверсию, представляющей собой глобальную катастрофу.Методы исследования -
сбор теоретической части, доказанной практическими опытами, с использованием магнита, иголки, гвоздя, железных опилок, куска провода и батарейки для карманного фонарика.Практическая значимость работы заключена в подборе простейших опытов, позволяющих наглядно рассмотреть свойства магнита с целью понимания сложнейших процессов на уровне самого крупного магнита – Земли.
Глава
I . Теоретические аспекты магнитных свойств1.1 История возникновения магнита
Магнит известен человеку с незапамятных времён. Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус (у Льва Толстого в рассказе для детей «Магнит» этого пастуха зовут Магнис). Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии). Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес.
Много веков среди мореплавателей существовала легенда о магнитной скале, которая якобы способна притянуть из слишком близко подплывшего к ней корабля железные гвозди и разрушить его. К счастью, такое сильное магнитное поле может существовать только в окрестностях нейтронных звезд.
Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; у магнита невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсо-притяжении и отталкивании. К 12-13 векам нашей эры магнитные компасы уже использовались в навигации в странах Европы, в Китае и других странах мира.
В 1600 году вышло сочинение английского врача Уильяма Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстед на лекции попытался продемонстрировать своим студентам связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из его слушателей, он был буквально «ошарашен», увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Большой заслугой Эрстеда является то, что он оценил значения своего наблюдения и повторил опыт. Открытие взаимодействия между и магнитом и электричеством имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме.
В последующее время ещё многие свойства магнита были обнаружены и исследованы. Было замечено, что магниты, находящиеся на расстоянии один от другого, кажущимся образом действуют друг на друга: их одноименные концы взаимно отталкиваются, разноименные - взаимно притягиваются. Кусок железа или стали притягивается магнитом потому, что он сам обращается при этом в магнит. Магнитное состояние этого куска усиливается по мере уменьшения расстояния между ним и магнитом, оно достигает наибольшего развития, когда кусок пристает к тому или другому концу магнита. После отрывания или удаления стали или железа от магнита в них сохраняется магнитное состояние, но далеко не в одинаковой степени в различных сортах этих металлов. В стали остаточный магнетизм сильнее, чем в железе.
Природные магниты, не везде назывались магнитами в разных странах их называли по-разному: китайцы называли его чу-ши; греки - адамас и каламита, геркулесов камень; французы - айман; индусы - тхумбака; египтяне - кость Ора, испанцы - пьедрамант; немцы - магнесс и зигельштейн; англичане - лоудстоун. Половина этих названий переводится как любящий. Так, поэтическим языком древних описано свойство магнетита притягивать, «любить» железо. Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, в Украине, в Карелии, Курской области. Естественные магниты, выточенные из кусков магнитного железняка, иногда достигали больших размеров. В настоящее время в Тартусском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а подъемная сила 40 кг. Нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Их магнитное поле во много миллиардов раз больше, чем магнитное поле Земли.
В настоящее время для приготовления искусственных магнитов используют стальные полосы и стержни, прямые и подковообразные. Для сообщения им намагничивания ими натирают эти полосы и стержни одним концом сильного магнита, или же, обматывают эти полосы и стержни проволокой и пропускают по проволоке электрический ток.
Изучение магнита способствовало развитию науки. Например: изучение магнитных свойств горных пород позволило судить об условиях образования и преобразования минералов и горных пород, о природе магнитных аномалий Земли. Эти знания способствовали развитию науки тектоники (науки о строении и развитии земной коры). Магнитные свойства также используют в магнитной разведке, археологии. Магниты применяются в электромашинных генераторах и электродвигателях, магнитоэлектрических приборах, индукционных счетчиках электроэнергии. С применение магнита производят магнитные замки, динамометры, гальванометры, микроволновые печи. Магнитные поля широко применяют в лечебных целях. Словом, нет области прикладной деятельности человека, где бы не применялись магниты.
На протяжении тысячелетий ученые пытаются разгадать загадку самого главного и большого магнита «Земля». Еще в 14 веке английский физик Уильям Гильберт изготовил шарообразный магнит, исследовал его с помощью маленькой магнитной стрелки и пришел к выводу, что земной шар - огромный космический магнит.
1.2 Свойства магнита и его строение, виды магнитов
Магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом является электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον - янтарь) - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Постоянный магнит - изделие, длительное время, сохраняющее намагниченность.
Французский ученый Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы. Вокруг токов существуют магнитные поля, которые и приводят к возникновению магнитных свойств вещества. Во времена Ампера не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц – электронов вокруг ядра. Современная теория магнетизма подтвердила правильность предположения Ампера, что в каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы - электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали. Нарушение упорядоченного движения электронов, размагничивание, в основном производится доведением материалов до определенного уровня нагрева – точка Кюри, воздействием другим магнитным полем, как правило, электромагнитом.
Существуют постоянные и непостоянные магниты. Постоянные магниты бывают естественными и искусственными.
Естественные магниты – магниты, созданные природой. Железная руда- магнетит, является слабым магнитом (Рисунок 1.1). Уже на расстоянии 1м стрелка компаса перестает замечать его существование.
Рис. 1.1 Разновидность магнетита
Существует всего три вещества способных длительное время сохранять намагниченность – кобальт, железо и никель. Эти вещества сохраняют намагниченность когда, находящийся рядом магнит убирают. Искусственные магниты – магниты, созданные человеком, путём намагничивания железа или стали в магнитном поле. Искусственные магниты начали изготавливать в Англии в 18 веке. Их получают путём размещения куска стали вблизи магнита, прикосновения его к магниту или натирания стальной полоски магнитом в одном направлении. Виды искусственных магнитов представлены на рисунке 1.2.
Рис. 1.2 Виды искусственных магнитов
Обычно искусственным магнитам придают вид полосы – прямой или подковообразной и используют в качестве источников постоянного магнитного поля. Магниты изготовляются в виде подковы для того, чтобы приблизить полюса друг к другу с целью создать сильное магнитное поле, с помощью которого можно поднимать большие куски железа. Самый большой в мире искусственный постоянный магнит весит 2 т и применяется в оборудовании ядерного реактора Чикагского университета.
Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются по-разному. Например, диамагнетики (золото, серебро, медь) и парамагнетики (алюминий, магний, марганец) относятся к слабомагнитным веществам. Ферромагнетики (железо, кобальт, никель) относятся к сильномагнитным веществам и усиливают внутри себя магнитное поле в тысячи раз. Ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожёсткие. Магнитомягкие вещества, например, чистое железо, легко намагничиваются, но и быстро размагничиваются. Магнитожёсткие вещества, например, сталь, медленно намагничиваются и также медленно размагничиваются.
Добавка к железу вольфрама и кобальта улучшает свойства искусственных магнитов. Хорошим магнитным сплавом является сплав альнико на основе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно поднимать железные предметы в 500 раз превышающей массу самого магнита. Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. В Японии создали магнит, один квадратный сантиметр которого притягивает 900 кг груза. Изобретение представляет собой цилиндр высотой 2 см и диаметром 1,5 см. В уникальный сплав неодимового магнита входят такие металлы, как неодим, бор и железо. Неодимовый магнит известен своей мощностью притяжения и высокой стойкостью к размагничиванию. Имеет металлический внешний вид, очень востребован и применяется в разных областях промышленности, медицины, в быту и электронике. Неодимовым магнитом можно поднимать грузы до 400 кг. Поисковым магнитом на неодимовой основе часто вылавливают из реки тяжёлые сейфы и металлолом. Неодимовые магниты используются в производстве жёстких дисков для компьютеров. Обычно такие магниты имеют форму дуги. Компании, которые строят генераторы с магнитным возбуждением, в основном используют их, так как мощность генератора напрямую зависит от силы используемого магнита. Используются в DVD-приводах компьютеров в форме небольшого куба. Очень часто применяются в изготовлении динамиков наушников, радио, мобильных телефонов, смартфонов, планшетов, колонок и т.п. для большей громкости динамика. Производители масляных фильтров применяют неодимовые магниты для задержания металлической стружки из нефтепродуктов. Устройства металлодетекторов также содержат эти магниты. Неодимовые магниты теряют не более 1-2 % своей намагниченности за 10 лет. Но их можно легко размагнитить, нагрев до температуры +70 °C и более. В медицине неодимовые магниты используются в аппаратах для магнитно-резонансной томографии.
К непостоянному магниту относится понятие электромагнита - устройства, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Электромагнит представляет собой проволочную катушку с электрическим током. Отличительным свойством электромагнита является то, что его магнитным полем очень просто управлять, его можно включать и выключать.
Рис 1.3 Прямой провод с током. Ток (I), протекая через провод, создаёт магнитное поле (B) вокруг провода
Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой - к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса - северный и южный.
Рис 1.4 Полюсы катушки с током
Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис 1.5). Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.
Рис 1.5 Магнитные линии катушки с током
Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней. Магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Таким образом, электромагнит представляет собой катушку с железным сердечником внутри. Электромагнит - одна из основных деталей многих технических приборов. Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.
Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис 1.6).
Рис 1.6 Применение электромагнитов
На рисунке 1.7 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.
Рис 1.7 Магнитный сепаратор
Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.
У каждого магнита есть полюсы – места магнита, где наблюдается наибольшее взаимодействие. У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).
Рис 1.8 Полюса магнита
У полюсов магнита есть важное свойство – они неотделимы даже при разламывании магнита на части. Всякий магнит состоит из множества мелких магнитиков – доменов. Домены присутствуют даже в ненамагниченном железе в хаотическом расположении. В момент намагничивания домены поворачиваются северными полюсами на север, а южными на юг, и остаются в таком состоянии до тех пор, пока не повлияет фактор, возвращающий их в прежнее состояние.
Рис 1.9 Расположение доменов в ненамагниченном железе
Рис 1.10 Расположение доменов в намагниченном железе
Если магнитную стрелку приблизить к другой такой же стрелке, то они повернутся и установятся друг против друга противоположными полюсами. Так же взаимодействует стрелка и с любым магнитом.
Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом, следовательно, разноимённые магнитные полюсы притягиваются, одноимённые отталкиваются. Это правило относится и к электромагнитам.Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.
Подобно привычному для нас магниту Земля – является самым большим в нашем понимании магнитом.
В настоящее время однозначных взглядов на механизм возникновения магнитного поля Земли не существует. Общепринятой является идея о так называемом динамо-эффекте. Эта теория зародилась еще в 18 веке, когда английский ученый Генри Кавендиш измерил массу Земли. Стало ясно, что плотность Земли слишком высока, чтобы она состояла только из камня. И Кавендиш предположил, что центр нашей планеты состоит из железо-никелевого ядра – как и большинство метеоритов. В 1906 году ученые, изучив волны землетрясений, подтвердили теорию Кавендиша – Земля действительно имеет железо-никелевое ядро, то есть сферу приблизительно 6900 километров в диаметре, которая по своему весу составляет одну треть массы всей планеты. Это ядро с большой скоростью вращается в слое раскаленной магмы, создавая водовороты расплавленного никелевого железа, которые, в свою очередь, и создают эффект электрического тока, текущего по кругу. То есть, именно благодаря наличию подвижного ядра планеты, в Землю оказался, будто бы вставлен брусок магнита, поставленный по вертикали север полюс – южный полюс.
Интересен тот факт, что истинный южный магнитный полюс (отрицательный, где силовые линии магнитного поля «входят» в планету) расположен вблизи Северного географического полюса (в Канадском секторе Арктики), истинный северный магнитный полюс (положительный, где силовые линии «выходят» из Земли) сейчас находится недалеко от Южного географического полюса (в Индийском океане вблизи Антарктиды). Однако условно магнитные полюса Земли принято называть в соответствии с их географическим положением - южный магнитный полюс для удобства договорились считать северным, и наоборот.
Южный магнитный полюс Земли, удалён от Северного географического полюса примерно на 2100 км.
Рис 1.11 Магнитные линии магнитного поля Земли
Таким образом, Земля имеет четыре полюса – два магнитных, и два географических. Это открытие известно еще с 1492 года. Впервые это явление было открыто Колумбом. Когда он на своих каравеллах отправился через океан, то уже через день моряки обнаружили, что компас смотрит не точно на Север, а немного отклоняется. Они это проверяли по наблюдениям за Солнцем с помощью секстанта, который позволяет определить точное направление. Но это можно сделать 1-2 раза в день, а корабль движется постоянно, ориентируясь по компасу. На следующий день стрелка еще больше отклонилась, на корабле начался бунт. Колумб понял, что причиной отклонения являются свойства магнитного поля, и положил топор в том месте, где был компас, тем самым исправил направление стрелки. В своем вахтенном журнале Колумб сделал запись о том, что магнитное поле не всегда точно показывает на север и, что его нужно измерять. И с тех пор начал вести измерения магнитного поля, при этом Колумб и стал основоположником науки о земном магнетизме.
Можно сделать вывод о том, что магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами. В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске - около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске - на 17° влево от соответствующего меридиана.
Таким образом, магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем, длительное время сохраняющим намагниченность, объясняемой существованием электрического тока. Понятие электрический ток и магнит тесно связаны между собой, их взаимосвязям посвящена теория магнетизма. Магниты имеют неразрывные между собой полюса. Искусственные магниты – магниты созданные человеком, с целью получения необходимых свойств по силе превышающих свойства естественных магнитов, и повсеместно применяемых во всех областях промышленности и в быту. Магниты взаимодействуют между собой – одноименные полюса притягиваются, разноименные – отталкиваются, что обусловлено наличием магнитного поля. Самым маленьким магнитом является электрон – самым большим и интересующим нас – наша планета Земля, обладающая четырьмя полюсами, не совпадающими друг с другом – два полюса магнитные и два географические.
1.3 Магнитное поле
Пространство вокруг магнита, где действуют магнитные силы, называют магнитным полем.
Магнитные линии магнитного поля магнита (линии магнитной индукции) – замкнутые линии. Магнитные линии выходят из северного полюса (North) и входят в южный полюс (South), замыкаясь внутри магнита. Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца (рис 1.11).
Рис 1.11 Магнитные линии магнитного поля
Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок (рис 1.12).
Рис 1.12 «Видимое» магнитное поле из железных опилок.
Магнитные линии магнитного поля вокруг проводника с током зависят от направления тока в проводнике.
Существует магнитное поле Земли. Внешние расплавленные слои ядра Земли находятся в постоянном движении, в результате этого в них возникают магнитные поля, формирующие в конечном итоге магнитное поле Земли. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии, то есть какое-то отклонение. Краткосрочные аномалии – магнитные бури, постоянные аномалии – залежи железной руды на небольшой глубине.
Магнитные бури – кратковременные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на стрелку компаса. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью. В период усиления солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц, электронов и протонов. Магнитное поле, образуемое движущимися заряженными частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Магнитные бури - явление кратковременное.
Рис 1.13 А) магнитная буря на Солнце, б) магнитная буря на Земле.
Магнитные бури нередко порождают плохое самочувствие за счет образования кровеносных агрегатов, то есть повышения плотности крови, приводя к ухудшению кислородного обмена.
На земном шаре встречаются области, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклонено от направления магнитной линии Земли. Такие области называют областями магнитной аномалии. Одна из самых больших постоянных магнитных аномалий - Курская магнитная аномалия. Причиной таких аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине.
Рис 1.14 Курская магнитная аномалия
Магнитное поле Земли может изменяться – усиливаться или уменьшаться, основными причинами изменения являются: солнечный ветер, инверсия. Земля постоянно находится под потоком заряженных частиц, которые излучаются Солнцем. Этот поток получил название солнечного ветра. Солнечный ветер создает магнитные бури и полярные сияния. Северное сияние является результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли. Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.
Рис 1.15 Полярное сияние
Под воздействие солнечного ветра происходит деформация магнитосферы, таким образом, наша Земля обладает длинным магнитным хвостом, направленным от Солнца.
Рис 1.16 Магнитосфера Земли
Изучая свойства многих горных пород, используя остаточную намагниченность, геофизики пришли к выводу, что магнитные полюсы Земли много раз менялись местами. За последний миллион лет это случилось семь раз. 570 лет назад магнитные полюса были расположены в районе экватора.
В последнее время все чаще можно услышать о том, что происходит активный процесс по перемещению полюсов Земли, так называемой инверсии.
В декабре 2011 года геомагнитный полюс Земли сместился сразу на 200 километров, что было зафиксировано приборами Центрального Военно-технического института сухопутных войск. В целом ученые наблюдают ускорение движения магнитного северного полюса (и как следствие южного).
Инверсия на сегодняшний день является одной из самой опасной катастроф планетарного масштаба.
В момент инверсии напряженность магнитного поля ослабевает, оставляя людей беззащитными перед солнечной радиацией.
Рис 1.17 Инверсия
Ослабевание магнитного поля Земли приведет к неблагоприятным последствиям. Ученые из США еще в 60-е годы соорудили две камеры для экспериментов, в одной из них сохранялись земные условия, а другую окружили мощным металлически экраном, постепенно уменьшая напряженность магнитного поля Земли в сотни раз. В обе камеры поместили мышей, семена клевера и пшеницы. Через несколько месяцев опыт показал, что в экранированной камере мыши раньше теряли волосяной покров и умирали раньше. Их кожа оказалась более толстой по сравнению с контрольной группой. Кожа разбухала, вытесняя при этом волосяные луковицы, что было причиной облысения. А у растений были замечены более длинные и толстые корни.
Отслеживание состояния магнитного поля является очень важным, поскольку оно является барьером для мощного радиоактивного космического излучения.
Космические аппараты, долетевшие до других планет, зафиксировали их магнитные поля. Самыми сильными магнитными полями обладают: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Полёты межпланетных космических станций и космических кораблей на Луну позволили установить отсутствие у неё магнитного поля. Сильная намагниченность пород лунного грунта, доставленного на Землю, позволяет учёным сделать вывод, что миллиарды лет назад у Луны могло существовать магнитное поле.
Таким образом, можно сделать вывод, что пространство вокруг магнитного поля – пространство вокруг магнита, представляющего замкнутые магнитные линии, выходящие из северного полюса и входящие в южный полюс. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии - краткосрочные – в виде магнитных бурь, и постоянные – в виде образованных областей магнитных аномалий, самой крупной из которых является Курская магнитная аномалия. Магнитное поле Земли подвержено изменению, главными факторами являются – солнечный ветер и инверсия. Инверсия, представляет собой процесс, в результате которого, магнитные полюса меняются местами, и процесс сопровождаемый ослаблением магнитного поля – главного защитника Земли.
Глава 2. Практические аспекты магнитных свойств
2.1 Практические опыты, позволяющие изучить магнитные свойства
2.1.1 Как создать простейший искусственный магнит
Простейший искусственный магнит легко создать и в этом можно убедиться с помощью простейшего опыта. Для опыта необходимо иметь магнит, иголку, пенопласт и тарелку с водой. Чтобы иголка намагнитилась необходимо прикоснуться к ней любым магнитом. Проверить намагниченность можно опустив ее в опилки. По количеству притянутых опилок можно судить о том, что на краях иголки притяжение намного сильнее, чем посередине. То место, где магнит притягивает сильнее всего и называется полюсом.
Рис. 2.1 Намагничивание иголки Рис. 2.2 Притягивание железных опилок
2.1.2 Как проверить наличие полюсов?
Проверить наличие полюсов можно с помощью помещения намагниченной иголки на поплавке в тарелку с водой. После погружения иголка выстроится так, что один конец будет смотреть на север, а другой на юг, что легко проверяется компасом. Соответственно тот конец, который смотрит на север, называется северным полюсом, а тот который смотрит на юг – южным полюсом.
Рис. 2.3 Проверка при помощи компаса «иголка – магнит»
Рис. 2.4 Взаимодействие магнитов – «притяжение-отталкивание»
2.1.3 Доказательство, что полюсы магнита неотделимы
Отделить полюсы друг от друга невозможно, что доказывается с помощью опыта с делением намагниченной иголки на части. В результате проведения опыта можно сделать вывод, что даже у полученных частей иголки имеются два полюса.
Рис. 2.5 Деление намагниченной иголки на части
2.1.4 Способы размагничивания магнита
В теоретической части нами получен вывод, что всякий магнит состоит из множества крошечных магнитиков, и у каждого магнитика есть оба полюса: северный и южный. «Крошечные магнитики» принято называть доменами. В ненамагниченном железе домены располагаются в разных направлениях. После намагничивания домены поворачиваются в одну сторону северными полюсами и в другую сторону – южными. Размагничивание возможно путем нагревания магнита выше температуры Кюри, применения сильного удара молотком по магниту, помещение магнита в переменное магнитное поле. Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов, жёстких дисков, стирания информации на магнитных карточках и так далее. В результате ударов происходит частичное размагничивание материалов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.
Нами проведен доступный опыт с нагреванием ранее намагниченной иголки. После нагревания иголки на огне опилки больше не притягиваются – значит, намагниченность исчезла.
Рис. 2.6 Нагревание намагниченной иголки Рис.2.7 Отсутствие магнитного поля после нагрева
2.1.5 Наглядное представление магнитного поля
Магнитное поле невидимо, но увидеть его мы можем путем проведения опыта с опилками, положив на магнит лист плотной бумаги, предварительно наспав ровным слоем железные опилки. После легкого постукивания по листу каждая крупинка железа, намагнитившись, приобрела северный и южный полюс, став своеобразной магнитной стрелочкой. Опилки располагаются таким образом, что сразу становиться наглядным расположение магнитных сил. У полюсов, где магнитное поле сильнее всего, линии, вдоль которых действуют магнитные силы, идут плотнее, их называют магнитными силовыми линиями.
Рис. 2.8 Наглядное представление магнитного поля
В момент опускания намагниченной иголки в опилки можно заметить, что еще до момента соприкосновения опилки уже начинали прилипать к острию, следовательно, магнитные силы действуют на расстоянии.
2.1.6 Взаимодействие магнитов
Одно из наиболее часто встречающихся в обычной жизни проявлений магнитного поля - взаимодействие двух магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, противоположные притягиваются (рисунок 2.4). Исследовать этот процесс можно с помощью опыта с использованием иголки на поплавке. Достаточно поднести к ней магнит северным полюсом – иголка повернется к нему южным полюсом, а при поднесении магнита южным полюсом повернется северным. Следовательно, разные полюсы притягиваются друг к другу.
2.1.7 Непостоянство магнита. Магнитное поле вокруг проводника с током.
Для подтверждения факта существования непостоянного магнита – электромагнита, наглядно демонстрирующего взаимосвязь электрического тока и магнита, нами проведен опыт с использование батарейки, провода, и компаса. Подсоединив концы провода к клеммам батарейки, и поднеся его к компасу, мы убедились в том, что стрелка сразу меняет направление на противоположное, что обусловлено наличием магнитного поля. Поменяв концы местами, мы увидели, что магнитное поле тут же «перевернулось» - это и показывает нам магнитная стрелка компаса.
Из этого опыта можно заключить, что электромагнит – непостоянный магнит, магнитным полем которого можно управлять. Направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике (Рисунок 2.9).
Рис. 2.9. Расположение стрелки после помещения проводника с током к компасу
Заключение
Изучение теоретических аспектов магнитных свойств и взаимодействий, с подтверждением их практическими опытами, сделали возможным достижение поставленной цели настоящей работы – получение представления о магнитных свойствах магнита и Земли.
В ходе работы над проектом выяснено, что магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем, длительное время сохраняющим намагниченность. Намагниченность тел объясняется существованием электрических токов, то есть понятия электрический ток и магнит связаны между собой, их взаимосвязям посвящен целый раздел физики. Магниты, созданные природой слабее искусственных магнитов, созданных человеком и широко применяемых во всех областях промышленности и в быту.
Магниты, обладая неразрывными двумя полюсами способны размагнититься при нагревании до определенной температуры. Магниты взаимодействуют между собой, что объясняется наличием магнитного поля. Самым маленьким магнитом является электрон и самым большим, интересующим нас магнитом является Земля – обладающая четырьмя полюсами – двумя магнитными и двумя географическими не совпадающими друг с другом.
Магнитное поле представляет собой замкнутые линии, выходящие из северного полюса и входящие в южный полюс. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии – краткосрочные в виде магнитных бурь и области магнитных аномалий. Магнитное поле Земли подвержено изменению, основными влияющими факторами является солнечный ветер и инверсия. Инверсия представляет собой процесс, в ходе которого магнитные полюса меняются местами, уменьшая напряженность магнитного поля – главного защитника Земли.
Таким образом, можно сделать вывод, что задачи, поставленные в начале проекта, решены, получены начальные знания о магнитных процессах магнитов и Земли, в отношении которой теперь мне известно, что так называемая «переполюсовка» - неизбежный процесс, который опасен как для всего человечества и отдельному его представителю. И если теперь мне зададут вопрос: «А знаю ли я, где находятся магнитные полюса?» я обязательно спрошу «В какое время интересует нахождение полюсов?».
Список литературы
Большая книга экспериментов для школьников/ Под ред. Антонеллы Мейяни; Пер. с ит. Э.И. Мотылевой. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2006. – 260 с.
Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. Том 7 – Москва, 1994.
Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика / Сост. А.А. Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998. – 480 с.
М. А. Константиновский «Почему Земля – магнит?»
Энциклопедия Википедия. Магнит.
А.И. Дьяченко Магнитные полюса Земли. Серия: Библиотека. Математическое просвещение. М.: МЦНМО, 2003. – 48 с.
Земля тоже намагничена. Она имеет свое магнитное поле с двумя полюсами, вокруг глобуса можно создать такое магнитное поле, если внутрь полюса поместить намагниченный брусок. Но как? Вначале его надо разместить вдоль оси вращения Земли. Половина бруска в северном полушарии, а другая половина в южном.
Южный магнитный полюс надо направить к северному географическому полюсу. Тогда северный магнитный полюс бруска будет совпадать с южным географическим полюсом.
После этого надо брусок отклонить от оси вращения Земли на 11°. Надо отклонить его так, чтобы он своим южным магнитным полюсом упирался в город Туле (Гренландия). Тогда магнитное поле бруска, "привязанное" таким образом к Земле, будет похоже на магнитное поле Земли.
Магнитное поле земного диполя одинаковое со всех сторон: с дневной, ночной, утренней и вечерней. Оно не зависит от положения Солнца. Над магнитным экватором оно проходит горизонтально. Над магнитными полюсами силовые линии магнитного поля Земли направлены вертикально. Принято считать, что магнитное поле направлено от северного магнитного полюса к южному. Значит, силовые линии магнитного поля Земли направлены в южном полушарии снизу вверх, а в северном- сверху вниз. Силовые линии, выходящие из северного магнитного полюса (в южном полушарии), входят в южный магнитный полюс в северном полушарии.
Чтобы не было путаницы из-за того, что северный магнитный полюс находится в южном полушарии, а южный- в северном, договорились называть магнитный полюс в северном полушарии северным геомагнитным полюсом. Стрелка компаса поворачивается на север своим северным магнитным полюсом. Это и происходит потому, что на севере находится южный магнитный полюс. МЫ будем придерживаться терминологии, принятой учеными. Будем считать, что северный геомагнитный полюс находится в северном полушарии (вблизи Туле). Но будем помнить, что там на самом деле южный магнитный полюс. От этого зависит направление силовых линий магнитного поля.
Действительно ли магнитное поле Земли является полем диполя? В принципе да, а в деталях - нет. Эти детали тем не менее очень важны. Их удалось установить только сравнительно недавно, когда космические аппараты позволили измерять магнитное поле далеко за пределами Земли. Эти измерения позволили установить, какова на самом деле форма магнитного поля Земли в деталях.
Оказалось, что магнитное поле Земли со стороны Солнца не такое, как с противоположной (ночной) стороны.
В области, примыкающей к Земле, магнитное поле является дипольным и не зависит от положения и даже наличия Солнца. В более удаленной от Земли области, на расстояниях, больших чем три радиуса Земли, различие в магнитных полях очень существенное. Оно состоит в следующем.
Магнитное поле диполя характеризуется "воронками" над магнитными полями. У реального магнитного поля Земли эти воронки находятся не над магнитными полюсами, а смещаются в сторону экватора примерно на 1000 км от полюсов. Кроме того, форма магнитных силовых линий на дневной стороне очень сильно отличается от таковой на ночной стороне. Поскольку это зависит от положения Солнца, то именно Солнце "виновато" в этом различии. Как понять суть этого влияния- влияния Солнца на форму магнитного поля Земли?
Солнечный ветер и магнитосфера Земли
Как Солнце может подействовать на магнитное поле Земли? Совершенно очевидно, что оно не может действовать на магнитное поле своим притяжением. Не может действовать на магнитное поле и солнечный свет, а также рентгеновское, инфракрасное и гамма-излучение. То же самое относится и к радиоволнам, которые излучает Солнце. Они тоже должны быть исключены из тех факторов, от которых зависит форма магнитного поля Земли. Что же остается? Заряженные частицы, которые выбрасываются из атмосферы Солнца и уходят в межпланетное пространство. Мы уже говорили об этих частицах. Они обладают различными энергиями, а значит и разными скоростями. Заряженные частицы с небольшими скоростями, которые непрерывно исходят из Солнца во все страны, называют солнечным ветром. Потоки высокоэнергичных заряженных частиц выбрасываются из солнечной атмосферы время от времени. Они обладают большими скоростями и достигают Земли быстрее частиц солнечного ветра.
Можно считать, что агент, который определяет форму магнитного поля Земли, а точнее деформацию магнитного диполя Земли, найден. Это солнечные заряженные частицы. Остается выяснить, как заряженные частицы это делают. Чтобы в этом разобраться, надо вспомнить, как заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем.
Если заряженная частица движется в магнитное поле, то ее движение зависит от этого поля. Исключением является только один случай - когда заряженная частица движется строго вдоль силовой линии магнитного поля. В этом случае заряженная частица не чувствует наличия магнитного поля, она движется так, как будто магнитного поля и вовсе нет. Если заряженная частица движется поперек магнитного поля, то траектория меняется: вместо прямой линии до вхождения в поле она становится окружностью. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше эта окружность (у той же частицы) . Но с другой стороны, чем больше энергия летящей частицы, тем труднее магнитному полю согнуть ее траекторию в маленькую окружность.
Имеется некоторое условие баланса. Для того, чтобы изменить траекторию заряженных частиц с определенной энергией, магнитное поле должно иметь определенную величину и быть направлено перпендикулярно движению частиц. Если это условие выполняется, то заряженные частицы начинают вращаться вокруг силовых линий. Скорость их вращения и радиусы окружностей, по которым они вращаются, зависят от величины магнитного поля и энергии частиц. Положительно заряженные частицы вращаются в одну сторону, а отрицательно заряженные- в противоположную. Солнечные заряженные частицы подходят к магнитному полю Земли под разными углами: и продольно, и перпендикулярно, и косо. Те из частиц, которые подходят вдоль силовых линий (над магнитными полюсами), должны беспрепятственно проникать внутрь магнитной оболочки Земли (магнитосферы) . Те частицы, которые подходят к силовым линиям перпендикулярно, далеко вглубь магнитосферы не пройдут. Их траектории закручиваются вокруг силовой линии магнитного поля. Что же будет с частицами, которые косо падают на магнитное поле? Это тем более важно знать, что таких частиц большинство.
Когда заряженная частица движется под некоторым углом (но не прямым) к силовой линии магнитного поля, то это ее движение можно разложить на два: вдоль поля и поперек него. Собственно, в данном случае мы вектор скорости частицы раскладываем на составляющие- вдоль магнитного поля и поперек него. Движение такой частицы в магнитном поле станет движением по спирали. Частица будет вращаться вокруг силовой линии и одновременно смещаться вдоль силовой линии. Траектория частицы будет иметь форму спирали.
Радиус этой спирали и ее шаг будут неизменными в том случае, если будут оставаться неизменными энергия частицы и форма и напряженность магнитного поля. Это значит, что силовые линии магнитного поля должны быть прямыми, расстояние между которыми неизменно в направлении движения частицы. Это условие однородности магнитного поля. Но этот случай однородного магнитного поля для нас мало интересен. Ведь магнитное поле Земли неоднородно. Как в этом случае будут двигаться частицы?
Если силовые линии магнитного поля сходятся, то есть частица, двигаясь по спирали, продвигается во все более сильное магнитное поле, то ее продвижение в это поле постепенно замедляется. Магнитное поле противодействует продвижению частицы. Оно беспрепятственно пропускает частицу внутрь только в том случае, если она движется строго вдоль силовой линии магнитного поля. Двигаясь по спирали в сторону более сильного магнитного поля, заряженная частица на каком-то расстоянии перестает углубляться. После этого момента она постепенно (тоже по спирали) движется в противоположную сторону. Магнитное поле выталкивает заряженную частицу в сторону более слабого поля.
Магнитное поле Земли неоднородно. Это видно по форме силовых линий. По мере движения от экватора к полюсам вдоль силовых линий видно, что они сгущаются все больше и больше. Это значит, что магнитное поле увеличивается. В таком магнитном поле, которое увеличивается в обоих направлениях от экватора, заряженная частица оказывается пойманной, захваченной. Вращаясь по спиралям, заряженные частицы движутся в таком поле последовательно, отражаясь от более сильного поля попеременно то в южном, то в северном полушарии. При этом заряженные частицы находятся выше земной атмосферы. Такие заряженные частицы действительно были измерены в магнитосфере Земли. Их назвали поясами радиации.
Как деформируется магнитное поле Земли солнечными частицами? Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то они могут это поле деформировать. Поток заряженных частиц, пролетающий от Солнца, взаимодействует с самыми внешними силовыми линиями магнитосферы Земли. Концы силовых линий остаются на прежнем месте, в Земле. А сами линии "выворачиваются" и вытягиваются потоком заряженных частиц на ночную сторону. Они прикрывают магнитные полюса, и воронки над полюсами исчезают. Зато образуются новые воронки на полуденном меридиане. Новые воронки удалены от полюсов примерно на 1000 км.
Очень важно, что эти воронки могут смещаться. Чем сильнее энергия солнечного потока заряженных частиц, тем больше силовых линий он выворачивает с дневной стороны на ночную. Тем больше воронка удаляется от полюса.
Под действием солнечных заряженных частиц с дневной стороны магнитосфера Земли ограничена определенным расстоянием от поверхности Земли. Когда Солнце спокойно, это расстояние равно примерно десяти земным радиусам. Во время солнечных бурь поток солнечных частиц усиливается и поджимает магнитосферу с солнечной стороны ближе к Земле. В это время воронки смещаются еще дальше от полюса. При очень сильных солнечных бурях магнитосфера на дневной стороне может быть сжата до трех земных радиусов. Тогда воронки смещаются от полюса.
Под действием солнечных заряженных частиц меняется не только положение воронок, которые у диполя находятся над полюсами.
Воронки не только смещаются по направлению к экватору. Они при этом меняют свою форму. Каждая воронка при этом превращается в сплюснутую воронку-щель, в форме подковы. Она охватывает определенную область на дневной стороне магнитосферы.
Ночная часть магнитосферы мало похожа на дневную. Если на дневной стороне магнитное поле Земли простирается максимум на расстояние в десять земных радиусов, то на ночной стороне оно имеется на огромном расстоянии, равном ста радиусам Земли и более. Силовые линии магнитного поля Земли вытягиваются в направлении движения солнечных частиц, то есть от Земли. Так образуется шлейф силовых линий магнитосферы Земли. Специалисты его называют хвостом магнитосферы.
Заряженные частицы беспрепятственно движутся вдоль силовых линий магнитного поля. Это значит, что солнечные заряженные частицы через воронки на дневной стороне могут проникать сквозь магнитосферу к Земле, к ее атмосфере. Но внутри магнитосферы находятся заряженные частицы, которые там захвачены. В хвосте магнитосферы также имеются заряженные частицы. Они отсюда движутся вдоль силовых линий магнитного поля. Куда они попадут? Можно проследить, что они попадут в Арктику и Антарктику.
Если проследить за путем заряженных частиц на дневной и ночной сторонах магнитосферы, то окажется, что они приходят как раз в то кольцо (овал) , которое светится полярным сиянием. Это что, случайность или закономерность?
В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.
Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).
Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили образования "скалистых" планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.
Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля "помнит" о смене полюсов. Анализ таких "воспоминаний" показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.
Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время "переходного периода" на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.
Кроме "следов" плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить . Настолько резких "движений" поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. "Толщина" магнитного поля в этом районе не превышает трети от "нормальной". Исследователи давно обратили внимание на эту "прореху" в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.
На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и "выбрасывает" их в космическое пространство.
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле . Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует . Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.
Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из "теорий заговора" – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. "Собранные" частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.
Магнитное поле Земли - удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было - его необходимо было бы придумать.
Мне осталось рассказать вам о последнем из намеченных свойств Земли – о ее магнитном поле. Это явление люди тоже заметили довольно давно. Сначала находили какие‑то камни, которые притягивались один к другому и неодолимо влекли к себе железо. Потом обратили внимание и на то, что маленькая стрелочка из магнитного железа, насаженная на иглу, всегда смотрит одним своим концом в одну и ту же сторону, в направлении путеводной Полярной звезды. Даже когда небо бывало закрыто тучами.
Мудрецы считали, что там, возле Малой Медведицы, находится на небе большой магнитный камень. К нему‑то и тянутся все магниты Земли. Трудно сегодня сказать, кто первым надумал использовать магнит для указания пути. Может быть, финикийские мореплаватели, а может, китайцы. В Европу компас попал довольно поздно. Попал вместе с арабской легендой о высоких горах из железного камня, что стоят на Крайнем Севере. Будто эти магнитные горы притягивают к себе корабли и вырывают из них все гвозди.
И хотя сила магнита не без основания казалась довольно таинственной, компас пришелся морякам по вкусу.
В конце XVI века английский строитель компасов Роберт Норман описал свойства магнитной стрелки. Он обнаружил наклонение ее к горизонту и возражал тем, кто по‑прежнему верил, что «магнитный камень», притягивающий магниты Земли, находится на небе. Басни о магнитных горах его тоже не удовлетворяли. В конце концов Норман ограничился тем, что описал устройство «инклинаториума» – то есть стрелки, вращающейся вокруг горизонтальной оси в направлении магнитного меридиана.
В те времена не меньше моряков и путешественников свойствами магнитов интересовались медики. Они прописывали толченый магнит как слабительное. Представляете, какое нужно было иметь здоровье, чтобы выдержать подобное лечение.
Доктор Гильберт, или сэр Уильям Джильберт Колчестерский, как называли в то время англичане лейб‑медика Елизаветы – королевы Англии, не зря занимался магнитами. Семидесятилетнюю королеву не могли не интересовать проблемы сохранения, если не молодости и красоты, то хотя бы здоровья.
Гильберт был умен, учен и весьма осторожен. В 1600 году из‑под печатного пресса вышел его обширный труд: «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Шесть книг, написанных прекрасной латынью и снабженных гравированными рисунками. Бессмертный труд.
«Гильберт будет жить, пока магнит не перестанет притягивать»
Елизавета вошла и тихо опустилась в приготовленное для нее кресло возле камина. Вечером особенно заметно, как она немолода. Кажется, что веснушки и темные пятна с возрастом расплылись, усугубив общий нездоровый фон и без того не слишком привлекательного ее лица. Рыжеватые, густо выбеленные сединой волосы, перевитые жемчугом, поредели. Правда, голова ее все еще высоко поднята. Но не заслуга ли это воротника? И не тяжелое ли платье, расшитое золотом, не дает согнуться стану этой пожилой и усталой женщины? Впрочем, глаза у королевы зорки и светятся любопытством. Она машет платком, давая знак начинать…
Лейб‑медик берет со стола каменный шар.
– Ваше величество, я не намерен прибегать к голым и утомительным умозаключениям или измышлениям. Мои аргументы, как вы легко можете видеть, основаны только на опыте, разуме и демонстрации. Этот шар, выточенный с немалыми расходами и трудами из магнитного камня, я назвал «тереллой», что означает «маленькая земля», «земелька». Я подношу к ней магнитную стрелку. Смотрите, ваше величество. Я надеюсь, что все леди и джентльмены ясно видят, как один ее конец притягивается к одному полюсу тереллы, а другой к другому. Не так ли ведут себя и стрелки компасов, установленные иждивением адмиралтейства на кораблях флота ее величества? Если не так, то боюсь, что немногие корабли, посланные в неведомые страны, воротятся в свои порты… Но не доказывает ли это, что причина притяжения скрывается не в небе? Не является ли вся наша Земля неким «большим магнитом»?
Придворные переговариваются: «Сэру Вильяму не откажешь в проницательности и ловкости в доказательствах. А как он срезал этого надутого индюка лорда Н., браво! Давно пора. Пожалуй, с этим лекарем опасно спорить…» Между тем Гильберт продолжает:
– Век мудрого правления вашего величества даровал человечеству неисчислимые богатства; открыт Новый Свет, изобретено книгопечатание, телескоп, компас… Эти открытия стали источником нового могущества, открыли новые горизонты и в то же время предложили человеческому гению новые задачи. Здесь поможет только опыт!..
Гильберт стал водить магнитной стрелкой по поверхности тереллы.
– Взгляните, ваше величество, на разных удалениях от полюсов магнитная стрелка по‑разному отклоняется от своего горизонтального положения. Ее наклонение уменьшается у экватора, и, напротив, на магнитных полюсах тереллы она стремится стать вертикально…
Эти слова заставили двух адмиралов флота протиснуться к столу. Нельзя ли использовать эту способность магнитной стрелки, чтобы решить проблему определения местонахождения корабля в открытом море?..
А Гильберт уже кладет небольшие магнитные стерженьки в легкие кораблики и пускает их плавать в узкое корыто с водой. Всплескивают руками дамы, наблюдая, как устремляются навстречу суденышки со стерженьками, повернутыми друг к другу разноименными полюсами. И как расходятся те, на которых стержни выставлены вперед одноименными концами. Присутствующие в восторге. Королева улыбалась.
– Если ваше величество соблаговолит согласиться с выводом, что Земля – магнит, то остается сделать один шаг и для допущения, что и другие небесные тела, в особенности Луна и Солнце, наделены такими же магнитными силами. А коль скоро так, то не причина ли приливов и отливов, не причина ли движения небесных тел заключается в магнетизме?
Вряд ли кто‑нибудь из присутствующих мог понять всю глубину высказанного Гильбертом предположения.
Лорд‑канцлер снял с пальца перстень с крупным бриллиантом.
– Прошу вас, сэр Вильям, проверьте, не пропадет ли сила вашего магнита, если положить рядом этот камень? Кажется, существует мнение, что алмазы уничтожают притяжение…
– Милорд, – отвечает врач, – боюсь, что одного камня, даже с вашей руки, недостаточно, чтобы проверить это утверждение. А у меня таких драгоценностей нет.
Взгляды присутствующих обратились к королеве. Поколебавшись, Елизавета приказала принести несколько крупных камней из сокровищницы. Королева была скуповата. Но ей всегда доставляло удовольствие любоваться игрой своих бриллиантов. Тут было несколько возможностей: похвастаться перед придворными, посмотреть на бриллианты и, конечно, не лишено интереса убедиться в том, не уничтожат ли драгоценные камни силу магнита.
Гильберт обложил магнит семнадцатью крупными алмазами и поднес к нему другой магнит. Все затаили дыхание. А вдруг камни исчезнут или испортятся? Но раздался щелчок, и оба стержня слиплись. Присутствующие захлопали в ладоши.
– Ваше величество может убедиться, что и это мнение древних оказывается ложным. Можно уничтожить, конечно, намагниченность железной стрелки. Для этого ее следует нагреть…
Королева зевнула. Ученая беседа утомила всех.
Врач тоже устал. Не доверяя слугам, он сам собрал свои приборы и откланялся почти незамеченный.
«Из доказательства наилучшее – есть доказательство опытом. – Эти слова напишет Бэкон несколько лет спустя после описанного вечера и тут же добавит: – Однако нынешние опыты бессмысленны. Экспериментаторы скитаются без пути, мало продвигаясь вперед, а если найдется серьезно отдающийся науке, то и он роется в одном каком‑нибудь опыте, как Гильберт в магнетизме». Странное высказывание для того, кто во главу угла всей новой науки требовал поставить экспериментальный метод. Впрочем, сегодня нам трудно понять, насколько принципиальные побуждения двигали непоследовательным Бэконом в оценке трудов лейб‑медика Елизаветы.
Рудоподъемник в шахте. Со старинной гравюры.
Зато совсем иначе звучит отзыв другого современника Гильберта итальянского ученого Галилео Галилея: «Величайшей похвалы заслуживает Гильберт… за то, что он произвел такое количество новых и точных наблюдений. И тем посрамлены пустые и лживые авторы, которые пишут не только о том, чего сами не знают, но и передают все то, что пришло им от невежд и глупцов».
Жаль, что сам Гильберт не узнал об этой блестящей оценке. В марте 1603 года умерла королева, а несколько месяцев спустя за нею последовал и ее врач. Перед смертью он завещал все свою научное имущество Лондонскому обществу медиков. Но страшный пожар уничтожил дом и приборы Гильберта. Осталось лишь сочинение «О магните…» да имя. Много это или мало?
Пожалуй, лучше других на этот вопрос ответил английский поэт Джон Драйден, написавший: «Гильберт будет жить, пока магнит не перестанет притягивать».
А какой памятник мы, потомки, поставили великому созидателю науки о магнетизме Земли? В память о нем единица магнитодвижущей силы в системе единиц СГС носит сегодня название гильберт!
«О сходстве электрической силы с магнитною»
Гильберт доказал, что Земля – магнит. Он изучил поведение магнитной стрелки возле выточенной из магнитного камня тереллы и показал на своей модели причину магнитных наклонений. В двух точках шара стрелки Роберта Нормана становились торчком. Стрелки лучших компасов, помещенные в те же точки, бессильно крутились, не способные выбрать никого направления.
Как же выглядит Земля‑магнит? Какую картину имеет ее магнитное поле? Ведь мы, люди, его не видим, не слышим и вообще никак не ощущаем… Правда, есть один очень древний опыт. Он такой старый, что даже неизвестно, кто его проделал первым. Делается он так. На обыкновенный линейный магнит вы кладете листок плотной бумаги и насыпаете на него железные опилки. Потом стучите пальцем по листу и опилки послушно распределяются вдоль силовых линий магнитного поля, показывая их направление. Простой опыт, но исключительно наглядный. Каждая крупинка железа, попав в магнитное поле, сразу же намагничивается, становится как бы маленькой компасной стрелкой. Как и полагается «нормальному» магниту, она тут же сцепляется своим северным концом с южным полюсом соседнего магнитика, тот со следующим и так далее, располагаясь по направлению действия магнитных сил.
У полюсов, где опилки налипли гуще, магнитное поле сильнее. А там, где опилки распределились пореже, и поле слабее. Так же, как у линейного магнита, выглядит магнитное поле и нашей Земли.
«А не спрятан ли внутри планеты, где‑нибудь в центре ее, этакий „магнитный столб“, величиной с вавилонскую башню?» – рассуждали знатоки, пораженные небывалой картиной. Долгое время никто не мог придумать ничего лучшего для объяснения. Но тут стали накапливаться факты совсем из другой области, но тоже связанные с магнитом.