PhysBook
PhysBook
Представиться системе

Kvant. Магнитная стрелка

Материал из PhysBook

Закажите выступление кавер-группы Diamond Black с женским вокалом.

diamondblack.info

Леенсон И. Загадки магнитной стрелки //Квант. — 2009. — № 3. — С. 39-40.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Трудно найти человека, ни разу не видевшего компас. Этот простенький прибор необходим и путешественнику, и охотнику, и даже грибнику, идущему за грибами в незнакомый лес. Какие же тайны может скрывать в себе такой прибор? Синий конец стрелки компаса показывает на север, красный показывает на юг - казалось бы, вот и весь секрет. Оказывается, не все так просто, и с этого лишь начинается наша серия загадок про магнитную стрелку.

Загадка первая. Всегда ли синий конец стрелки компаса показывает на север?

Далее. Многие видели подковообразные или полосовые магниты. Если полосового магнита нет, но есть сильный подковообразный, с его помощью легко намагнитить стальную полоску (или просто длинную иголку), сделав из нее полосовой магнит. Концы магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнита. Слово «полюс» происходит от греческого polos -ось, поэтому в дальнейшем вместо «конец стрелки» или «конец магнита» будем говорить «полюс». У каждого магнита, как и у земного шара, есть два полюса: северный и южный, только эти полюса называются магнитными. По традиции, ту половину магнитной стрелки, которая показывает на север, окрашивают в синий цвет и ее конец называют северным полюсом магнита; его обозначают буквой N. Ту же половину магнитной стрелки, которая показывает на юг, окрашивают в красный цвет и ее конец называют южным полюсом магнита; его обозначают буквой S. Так же окрашивают и обозначают любые постоянные магниты. Такое обозначение пришло в русский язык из голландского во времена правления Петра I.

А при чем тут голландцы? Дело в том, что когда-то Голландия была владычицей морей и соперничала с Англией. Так, 21 августа 1673 года около голландского острова Тексель состоялось морское сражение между голландским и объединенным англо-французским флотами; в это время шла уже третья англо-голландская война (1672-1674). В бою, длившемся весь день, голландцы одержали победу, хотя численный перевес был на стороне противника. Голландия захватила в те времена обширные колонии, особенно в Юго-Восточной Азии. До сих пор в государстве Суринам в Южной Америке голландский - это официальный язык.

Если у вас есть два магнита или один магнит и компас (его стрелка - тот же магнит, только маленький и легкий), то легко убедиться в том, что синий полюс одного магнита притягивает красный полюс другого, а одинаково раскрашенные полюса друг от друга отталкиваются. Если подвесить полосовой магнит точно за его середину на нитке подальше от железных предметов, нитку к чему-нибудь привязать и подождать, пока магнит перестанет раскачиваться, то мы увидим, что полоска повернулась так же, как и стрелка компаса. Иными словами, одним концом она будет

показывать на север, другим - на юг. Значит, наша намагниченная полоска - тоже компас, только большой и неудобный.

Теперь - следующая загадка.

Загадка вторая. Что будет, если намагниченную полоску разрезать пополам точно посередине?

И еще одна загадка.

Загадка третья. Можно ли намагнитить шар?

Если есть загадки, должны быть и разгадки. Действительно, откуда стрелка компаса знает, где у Земли север, а где юг? Оказывается, Земля - тот же магнит, только шарообразный. Пришли к такому пониманию люди далеко не сразу (как и не сразу догадались, что наша Земля не плоская, а шарообразная). Вот как это произошло.

Древнегреческий философ Фалес в VI веке до новой эры описал удивительное явление, известное людям, вероятно, задолго до этого. Это явление - магнетизм. По одной из легенд, такое название оно получило от греческого города Магнезия (ныне он называется Манисса и находится в Турции), где был найден минерал, способный притягивать железо. Сейчас этот минерал называется магнетитом, или магнитным железняком; он представляет собой соединение железа и кислорода. А вот кто и когда изобрел компас, неизвестно, хотя это изобретение - одно из величайших открытий человека. Возможно, кто-то случайно обнаружил, что если кусок магнетита вытянутой формы подвесить на нитке или пустить плавать на деревянной дощечке, то один его конец всегда будет показывать на север, а другой - на юг, как бы мы ни крутили нитку или дощечку. Раньше считали, что компас изобрели китайцы чуть ли не пять тысяч лет назад, однако первый китайский документ, в котором упоминается компас, датирован XI веком новой эры. Во всяком случае, еще в Средние века этим старинным открытием широко пользовались мореплаватели, определяя по примитивному компасу свой путь в открытом море. Со временем обнаружилось, что кусок магнетита может передавать свое «волшебное» свойство стальным предметам - например, иголке, и из нее получится более удобный компас.

В 1269 году француз Пьер де Мерикур, по прозванию Перегрин, написал книжку «Письма о магните», в которой собрал различные сведения о магните - как известные ранее, так и открытые им лично. Именно Перегрин, экспериментируя с магнитами, обнаружил, что у них есть два особых конца - два полюса. Поскольку они показывали на север и на юг, их так и назвали северным и южным полюсами магнита. Когда Перегрин подвесил на нитках близко друг к другу две магнитные стрелки, оказалось, что их одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Перегрин обнаружил еще одно важнейшее свойство магнитов: если разломить постоянный магнит на две части, получатся два новых магнита с двумя полюсами - северным и южным - у каждого. Получить какой-нибудь один полюс не удалось ни Перегрину, ни кому-либо после него. Это и есть ответ на вторую загадку. Почему так получается, будет рассмотрено во второй части статьи.

Старинный китайский компас
Уильям Гильберт

А теперь - ответ на третью загадку: намагнитить шар можно, и это обнаружил английский физик и врач Уильям Гильберт. В 1600 году он опубликовал книгу «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле». В ней он рассказал о своих экспериментах с магнитами. Вот что он обнаружил:

Магнит обладает в различных частях различной притягательной силой; на полюсах эта сила наиболее заметна. Магнит имеет два полюса: северный и южный, они различны по своим свойствам; разноименные полюса притягиваются, одноименные отталкиваются. Магнит, подвешенный на нитке, располагается определенным образом в пространстве, указывая север и юг. Невозможно получить магнит с одним полюсом: сколько ни разламывай магнит, каждый вновь полученный кусочек всегда будет иметь два полюса. Земной шар - большой магнит. При сильном нагревании магнитные свойства у природных и искусственных магнитов исчезают. Магниты оказывают свое действие через стекло, кожу и воду.

Но самый замечательный опыт Гильберт провел с намагниченным шаром, выточенным из минерала магнетита. У него тоже оказались два полюса - северный и южный, и, находясь около этого шара, стрелка компаса всегда показывала на эти полюса, т.е. вела себя так же, как в отношении Земли. Поэтому Гильберт назвал свой шар «тереллой», т.е. маленькой землей. Слово это происходит от латинского terra - земля; в русском языке немало слов с этим корнем: территория, терраса (уступ на склоне горы), террариум (помещение для земноводных), террикон (куча земли и пустой породы), терракота (обожженная глина), терренкур (размеченные дорожки для лечебной ходьбы, обычно в гористой местности), а также терра инкогнита - неведомая земля. Гильберт впервые догадался, что земной шар - тоже магнит, поэтому намагниченная стрелка компаса и показывает на полюса этого гигантского магнита.

А всегда ли стрелка компаса одним концом показывает на север, а другим - на юг? Оказывается - и это ответ на первую загадку, - не всегда. Если идти (ехать, плыть, лететь) к северному или южному географическому полюсу, то пока путешественник от него далеко, со стрелкой компаса обычно никаких неожиданностей не происходит. Но при приближении к полюсу стрелка начинает понемногу «сходить с ума». И моряки давно это заметили. В начале XVI века, когда была открыта Америка и корабли начали заплывать далеко на север, обнаружилось странное явление. Моряки знали, что в ясную ночь никакой компас им не нужен: направление на север показывает Полярная звезда. Но когда они сравнили это направление с показанием компаса, обнаружилось удивительное явление: чем дальше они заплывали на север, тем сильнее синяя стрелка компаса отклонялась от севера! Угол между осью стрелки компаса и точным направлением на полюс (оно совпадает с географическим меридианом) назвали магнитным склонением. Это склонение различно в разных точках земного шара. Что же происходит с компасом на Северном полюсе? Оказывается, синяя часть стрелки показывает в сторону северной части Канады. Там, на некоторой глубине, и находится в настоящее время один из магнитных полюсов Земли; другой же магнитный полюс расположен в Антарктике.

Почему так происходит, в точности неизвестно. Более того, установлено, что магнитные полюса Земли медленно передвигаются. Так, в Париже в 1580 году наблюдалось максимальное магнитное склонение к востоку от меридиана, оно составляло 9,5°. А через 230 лет, в 1810 году, было зафиксировано уже максимальное склонение в другую сторону - к западу от меридиана, и составило оно целых 22,3°. Значит, магнитные полюса Земли «гуляют», перемещаясь с места на место. Более того, очень редко - раз в тысячи лет - они меняются местами. Ученые не исключают, что в ближайшие сто-двести лет такое может вновь произойти. И трудно предсказать, как это отразится на живых существах.

Магнитное склонение часто имеет и местные отклонения -иногда очень сильные; их называют девиацией (от латинского deviatio - уклонение от пути). Например, знаменитая Курская магнитная аномалия вызвана залежами магнитной руды, которая действует на стрелку. Маленькие «магнитные аномалии» легко обнаружить и у себя дома, если неподалеку от компаса будут находиться железные предметы. Можно только представить, сколько неприятностей и даже несчастий приносили мореплавателям такие «местные аномалии». Ведь даже на деревянных парусных судах всегда было много железных предметов: пушки, ядра, якоря. Положение усугубилось после того, как на смену парусным судам пришли железные пароходы. В 1854 году страшное несчастье потрясло Великобританию: на восточном берегу Ирландии разбилось судно «Тэйлор» водоизмещением 2000 тонн с несколькими сотнями эмигрантов, направлявшихся в Америку. Большая часть пассажиров и команды погибла. А ведь это было новое судно, легко выдержавшее двухдневный шторм в начале плавания. Расследование показало, что виной всему - неправильное показание компаса, вызванное девиацией. Надо сказать, что современные компасы имеют специальные приспособления для уничтожения девиации.

А вот и последняя загадка. Если синий полюс магнита называют северным, а красный - южным, то синий конец стрелки компаса должен показывать не на север, а на юг: ведь притягиваются только разноименные полюса! Почему же синяя половинка стрелки компаса показывает не на юг, а на север? Если синий конец стрелки показывает на север, следовательно, там находится южный магнитный полюс Земного шара, а в южном полушарии - северный магнитный полюс!?

Загадка четвертая. Какой же магнитный полюс находится на севере земного шара?