Зачем нужен компас? А Земля магнит?

Магнитные явления известны людям с глубокой древности. Например, в одной из китайских летописей рассказывается, что более 4000 лет тому назад в Китае использовалась повозка, на которой, поворачиваясь вокруг своей оси, стояла магнитная фигурка человека, показывающего рукой на юг,

В старинных легендах есть упоминание о пастухе по имени Магнус, который обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к черному камню. Этот камень стали называть магнитом — «камнем Магнуса».

Однако известно и другое предание о том, что слово «магнит» произошло от названия древнегреческого города Магнесия (в Малой Азии). Там при добыче железной руды были обнаружены образцы породы, которые притягивались друг к другу. По названию города их стали называть магнитами.

Вы все хорошо знаете свойство магнита притягивать к себе железные и стальные предметы: гайки, шайбы, скрепки, монеты. В собственной квартире можно встретить множество полезных магнитов: магнитный держатель для мыла, магнит громкоговорителя, магнитная резина на дверце холодильника, магнитная защёлка в шкафу.

Известно, что магнит не притягивает тела из цветных металлов (медь, алюминий и другие). Магниты бывают различных форм, но наиболее распространены полосовой и подковообразный магниты, которые найдутся практически в любом кабинете физики.

Ещё различают естественные и искусственные магниты. Естественные магниты представляют собой некоторые железные руды, которые обладают способностью притягивать к себе находящиеся поблизости небольшие железные предметы и оказывают влияние на компас.

Кусок железа или его сплава можно намагнитить, то есть сделать его искусственным магнитом. Например, если к металлическому предмету достаточно близко поднести магнит, то он намагнитится и будет притягивать к себе другие железные предметы. Но после удаления магнита он может потерять свою намагниченность.

— А одинаковы ли свойства магнита в разных его точках?

Изучим эту способность магнита с помощью динамометра и железного шарика. Поднося шарик, укреплённый в динамометре, к различным участкам магнита, можно обнаружить, что наиболее сильное притяжение обнаруживается на концах магнита. А вот в его середине притяжение практически отсутствует.

Те места магнита, в которых магнитное действие проявляется наиболее сильно, называют магнитными полюсами. У всякого магнита есть два полюса: северный и южный. Для их обозначения принято южный полюс окрашивать красным цветом и обозначать буквой, а северный — синим и буквой N. Середину магнита, то есть там, где нет притяжения, называют нейтральной зоной. Очень сильным нагреванием или другими воздействиями любой магнит можно размагнитить.

— А как взаимодействуют магниты между собой?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведём простые эксперименты. Закрепим магниты: один к крючку динамометра, а другой — жёстко к штативу. Поднеся магниты разными полюсами друг к другу, легко увидеть, что они начинают притягиваться. Если же поднести магниты друг к другу одноимёнными полюсами, то они начнут отталкиваться.

При этом можно показать, что сила взаимодействия зависит от расстояния между полюсами и может быть даже больше или равной силе тяжести магнита. Это подтверждает опыт с «парящим» в воздухе магнитом.

Таким образом видим, что взаимодействие магнитов имеет сходство со взаимодействием электрически заряженных тел. В обоих случаях одноименные полюса (заряды) отталкиваются, а разноимённые полюса (заряды) притягиваются.

Но у электрических и магнитных взаимодействий есть одно очень большое различие. Электрические заряды можно отделить друг от друга. А вот полюса магнита неразделимы. Разрезая магнит на части (неважно, равные или неравные), вы не отделите его полюса друг от друга, а будете получать новые магниты. Каждый из них будет иметь нейтральную зону и два полюса: северный и южный.

Взаимодействием магнитов объясняется принцип работы компаса. Стрелка компаса — это лёгкий сильный магнит, который может поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Кстати, как мы уже упоминали, первый компас был изобретён в Китае более 4000 лет назад. А в Европу он попал лишь в XII веке. Однако устройство его оставалось очень простым — магнитная стрелка, укреплённая на пробке и опущенная в сосуд с водой. В воде пробка со стрелкой ориентировалась нужным образом.

— А с каким вторым магнитом взаимодействует стрелка компаса?

Таким гигантским магнитом является наша Земля. Впервые это доказал в XVI веке английский исследователь Уильям Гильберт. Он изготовил из магнитного железняка огромный шар — «магнитный глобус». Обходя шар с компасом, он показал, что ориентация стрелки во всех изучаемых точках полностью копирует её ориентацию в различных точках Земли.

Магнитные полюса Земли расположены не слишком далеко от географических Северного и Южного полюсов нашей планеты. Поэтому стрелка компаса устанавливается по направлению, близкому к направлению земного меридиана (с юга на север). Именно поэтому полюса всех магнитов получили свои названия (северный и южный) и обозначения (N и S, от голландского «норд» и «сюд»).

Многочисленные наблюдения показали, что географические и магнитные полюсы не совпадают. Поэтому северный конец стрелки компаса ориентирован не на Северный географический полюс планеты, а на Южный магнитный полюс Земли. Соответственно, южный конец стрелки ориентируется на Северный магнитный полюс нашей планеты.

Чрезвычайно интересным и трудным для объяснения является достоверно доказанный факт изменения положения магнитных полюсов Земли с течением времени. Сейчас Южный магнитный полюс Земли движется в сторону Таймыра со скоростью около 10 километров в год. А вот Северный магнитный полюс сейчас движется от Антарктиды в сторону Австралии. Таким образом, магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на географический север.

На Земле есть области, в пределах которых магнитная стрелка компаса ведёт себя не по правилам. Такие области называют областями магнитной аномалии (от латинского слова, которое означает «отклонение», «ненормальность»). Определять с помощью компаса направление на север или на юг в этих областях бесполезно.

Одна из самых больших магнитных аномалий находится в районе города Курска — Курская магнитная аномалия. Причиной таких аномалий являются огромные залежи железной руды на небольшой глубине.

Итак, вам уже известно, что тела могут взаимодействовать на расстоянии без непосредственного контакта, то есть посредством поля. Изучая электрические явления, мы говорили об электрическом поле. Ещё ранее — о поле тяготения (гравитационном поле). Как мы выяснили, магниты также взаимодействуют на расстоянии. Тогда логично предположить, что вокруг магнитов тоже существует какое-то особое состояние пространства. Его называют магнитным полем.

Подобно другим физическим полям, магнитное поле не действует на наши органы чувств (зрение, слух, обоняние, осязание). Однако реальность его существования проявляется в конкретном наблюдаемом действии. Например, в магнитном поле Земли поворачивается стрелка компаса. Магнитная стрелка — это то тело, которое позволяет обнаруживать и изучать магнитные поля.

Теперь давайте проведём такой опыт. Расположим маленькие магнитные стрелки вокруг полосового магнита. Они мгновенно придут в движение и расположатся в строго определённом порядке.

На практике ещё удобнее использовать мелкие железные опилки, насыпанные на картонный лист. Не трудно заметить, что опилки располагаются в виде цепочек — магнитных линий, причём с разной плотностью вокруг магнита. Это говорит о том, что действия, которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее сильно это действие проявляется возле полюсов магнита. А чем дальше от полюсов, тем слабее подобное действие, следовательно, тем слабее магнитное поле.

Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы магнитные стрелки, помещённые в магнитное поле.

С помощью таких линий можно изображать самые различные магнитные поля. За направление линий магнитного поля по договорённости принимается направление, в котором магнитное поле ориентирует северный полюс магнитной стрелки. Обратите также внимание на то, что у любого магнита есть поле и внутри него, а линии магнитного поля замкнутые. Сгущение линий внутри магнита отражает то, что там поле наиболее сильное.

— А вот интересно. Если электрические и магнитные явления имеют столько много общего, то может они как-то связаны друг с другом?

Ответим и на этот вопрос небольшим опытом. Расположим по направлению стрелки компаса проводник, под которым находится магнитная стрелка. Включим ток. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику. Поворот стрелки указывает на появление магнитного поля вокруг проводника с током. Изменим направление тока в проводнике на противоположное. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но в противоположном направлении.

Впервые этот опыт был описан в 1820 году датским учёным Хансом Эрстедом. И хотя опыт достаточно простой, он позволяет сделать чрезвычайно важный вывод. Магнитное поле создаётся не только постоянным магнитом. Оно возникает и при движении электрических зарядов.

Огромный вклад в изучение электромагнетизма внёс французский учёный Андре-Мари Ампер. Он высказал мысль о том, что движением заряженных частиц объясняется магнетизм всех постоянных магнитов, включая Землю. Согласно гипотезе Ампера, в телах из железа, стали и других постоянно протекает множество замкнутых круговых токов. Каждый такой ток создаёт слабое магнитное поле. В ненамагниченном теле элементарные магниты расположены хаотично, и их поля компенсируют друг друга. Магнитное поле у такого тела отсутствует. При намагничивании тела элементарные магниты ориентируются в одном направлении и тело становится магнитом. Подобные круговые токи протекают, по мнению Ампера, и внутри Земли.

Ампер не мог объяснить природу введённых им круговых токов. Ведь в ту пору учёные ещё ничего не знали о строении атома. Круговым током, создающим элементарное магнитное поле, можно считать каждый электрон, движущийся вокруг ядра атома. Заслуга Ампера в том, что он первым связал магнитные поля постоянных магнитов и Земли с движением электрических зарядов в этих телах.

— А зачем Земле нужно магнитное поле?

Магнитное поле Земли имеет для нас огромное значение. Ведь, кроме приятного, дарящего жизнь всему земному света, Солнце излучает и обильные потоки быстрых заряженных частиц. В основном это электроны и протоны, которые неблагоприятно действуют на все живое. Именно благодаря своему магнитному полю наша планета защищена от их губительного действия. Частицы огибают Землю, частично попадают в своеобразные магнитные ловушки. И лишь малая часть заряженных частиц может достичь поверхности планеты, вызывая полярное сияние в верхних слоях атмосферы.

В магнитном поле Земли иногда наблюдаются резкие непродолжительные изменения («магнитные бури»), связанные с процессами, происходящими на Солнце. Они часто вызывают неполадки в работе электроприборов.