ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА (стр. 2 )

1.5 Интересные факты

носил «магический» перстень, в котором вместо драгоценного камня был оправлен золотом природный магнит необычайной силы. Неудивительно даже для ученого: с магнитом связано множество легенд и преданий. Считалось, что магнит может отпирать замки, извлекать золото из-под земли. Говорили, что где-то в море-океане есть магнитные скалы, которые вытаскивают гвозди из проплывающих мимо кораблей. С помощью магнитов пытались построить вечный двигатель.

Английская королева Елизавета попросила своего придворного медика Уильяма Гильберта поехать в Россию и вылечить царя Ивана Грозного от какой-то неизвестной болезни. Прибыв в Россию лекарь стал изучать лечебные свойства магнитов. И стал большим специалистом в этой области, хотя царя так и не вылечил. Кстати, после Ньютона, нарисовавшего четкую механистическую картину мироздания, оставались только две пустяковые вещицы, которые в эту картину не укладывались, -- притягивающиеся к железке магниты и электрические явления (например, притягивание бумажек к натертой эбонитовой палочке). Впервые на связь между магнетизмом и электричеством указал Эрстед. На лекции в Копенгагенском университете случайно возле действующей электрической установки оказался компас. При включении тока стрелка компаса поворачивалась к проводнику. Это заметил один студент. Случилось это 15 февраля 1820 года. Эрстед уже через неделю опубликовал работу об этом. Через пять лет английский любитель науки по фамилии Стёрджен вставил стальной стержень в катушку с протекающим по ней током. Так был изобретен первый электромагнит. Электромагнит Стёрджена поднимал груз в 18 раз больше собственного веса. Ученик Стёрджена Джоуль сделал магнит, поднимающий в 200 раз больше собственного веса. Американец Эдисон разработал проект по превращению в электромагнит целой скалы из магнитной руды. Эдисон планировал обмотать скалу проводом и пустить по проводу ток от местной электростанции. Проект так и не был осуществлен.

1.6. Жидкие магниты

Идея: размолоть железо в такой мелкий порошок, который бы не осаждался в жидкости -- воде, керосине, масле... Тогда получилась бы магнитная жидкость. Осуществить это удалось только в 60-х годах. После целой недели размалывания в шаровой мельнице добились такого тонкого помола порошка феррита, что, будучи засыпанным в смесь керосина и олеиновой кислоты, он уже не осаждался. Это был первый жидкий магнит -- тяжелая черно-бурая жидкость. Если к сосуду с такой жидкостью поднести магнит, она в буквальном смысле лезет на стенку или вздувается бугром. Разлитую на полу, ее можно собрать магнитом. Правда, лучше для этого брать электромагнит. Его выключил -- и жидкость стекла в подставленную емкость. А вот постоянным магнитом жидкомагнитную субстанцию лучше не собирать. Магнитную жидкость на основе масла используют в качестве вечной смазки для намагниченных подшипников. Вместо сальников можно использовать жидкомагнитное уплотнение, чуть намагнитив вал в месте его выхода из корпуса лодки. Можно построить герметичный насос для перекачки агрессивных или ядовитих жидкостей. На море образовалась нефтяная пленка, ее можно собрать распылив небольшое количество магнитной жидкости, которая растворится в нефти, а затем нефть собрать мощными электромагнитами.

Выводы к главе 1

Не смотря на то, что история земного магнетизма насчитывает болем двадцати веков, человечество еще не знает ответы на многие вопросы, в том числе, и на один из самых главных в этой области науки – возникновение магнитного поля Земли. К счастью, каждый прожитый день дарит нам новые открытия, возможность применения накопленого жизненного опыта и знаний в других областях и сферах жизнедеятельности.

И, казалось бы, чем больше человечество познает, тем больше у него вопросов появляется. Магнитное поле Земли привлекает не только ученых-физиков, магнитным явлениям уделяют внимание и писатели, особенно работающие в жанре научной фантастики. В их произведениях вы можно встретить магнитные пушки, башмаки, «прилипающие» к металлической обшивке космического корабля и позволяющие без труда передвигаться в невесомости, другие магнитные диковинки.

В известной комедии «Сирано де Бержерак» Эдмон Ростан устами своего героя предложил такой шутливый способ путешествия к Луне:

Лечь на железный лист и сильными рывками

Магнит подбрасывать, он лист железный с вами

Подтянет кверху. Вы опять.

Так до Луны и упражняйтесь!

Магнетизм и связанные с ним явления интересовали А. Конан-Дойля («Письма доктора Монро»), (рассказ «Тост», действие которого происходит в 2906 году), Д. Свифта («Путешествия Гулливера») и многих других писателей.

ГЛАВА 2

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ И ЕГО СВОЙСТВА

2.1. Гипотезы возникновения магнитного поля Земли

В 1838 г. немецкий учёный путём строгих математических расчётов показал, что постоянное магнитное поле Земли очень мало зависит от околоземного пространства, а источник магнетизма заключён внутри земного шара, т. е. возникновение магнитного поля Земли связано с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо» находится на расстоянии 0,25...0,3 радиуса Земли. Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей. Следует заметить, что гипотезы, объясняющие механизм возникновения магнитного поля планет, довольно противоречивы и до настоящего времени экспериментально не подтверждены.

Достоверно установлено, что магнитное поле Земли чутко реагирует на солнечную активность. В то же время вспышка на Солнце не может оказать заметного влияния на ядро Земли. С другой стороны, если связывать возникновение магнитного поля планет с токовыми слоями в жидком ядре, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Так Юпитер, вращающийся вокруг своей оси в ту же сторону что и Земля, имеет магнитное поле направленное противоположно земному.

Предлагается новая гипотеза о механизме возникновения магнитного поля Земли и установка для экспериментальной проверки.

Рис. 1. Схема взаимодействия Солнце-Земля:

(–) – поток заряженных частиц;

Ic – ток Солнца;

Iз – круговой ток Земли;

Мв – момент вращения Земли;

ω – угловая скорость Земли;

Фз – магниный поток, создаваемый полем Земли;

Фс – магнитный поток, создаваемый током солнечного ветра.

На рис. 1 изображена схема Солнце-Земля. Земля (З) вращается вокруг своей оси N-S с угловой скоростью ω. Земля имеет магнитное поле, северный полюс которого находится на южном географическом полюсе. Чтобы получить магнитное поле такого направления, вокруг земного шара, в плоскости перпендикулярной оси вращения Земли, должен существовать устойчивый токовый слой с током IЗ. Назовем его током Земли. Следовательно, над поверхностью Земли должен существовать проводящий слой, по которому должен замыкаться ток IЗ. Такой слой существует – это ионосфера.

Рассмотрим каким образом может возникнуть направленный ток IЗ в ионосфере. Солнце, в результате ядерных реакций протекающих в нем, излучает в окружающее пространство огромное количество заряженных частиц больших энергий (энергия частиц солнечного ветра ≈1027...1029 эрг/с) – так называемый солнечный ветер. По составу солнечный ветер содержит, главным образом, протоны, электроны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа [1]. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. Таким образом, вокруг Земли образуется направленный поток электронов, движущихся в сторону вращения Земли. Электрон – это заряженная частица, а направленное движение заряженных частиц есть не что иное, как электрический ток. За направление тока принято направление противоположное движению электронов, которое совпадает с направлением тока IЗ. Таким образом, существует ток IЗ, вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли. В результате наличия тока IЗ возбуждается магнитное поле Земли ФЗ.

2.2. Создание магнитных обсерваторий