Сколько необъяснимых явлений и неразгаданных тайн скрывает наша планета! Но наблюдательные обитатели Земли из века в век изучают закономерности, ставят опыты, изобретают, делают выводы и пользуются своими изобретениями. Тайны космоса и природы постоянно манят людей, толкая их на все новые эксперименты в поисках истины и разгадок. Одной из таких загадок является поведение вещества в магнитном поле.
Первые магнитные наблюдения
По существующей легенде, древний пастух по имени Магнус однажды обнаружил, что его посох пристал металлической стороной к камню. Ему (камню) и посвящено это открытие. Согласно еще одной теории, слово «магнит» с греческого языка переводится как «камень из магнесии», по имени города Магнесии, где были обнаружены месторождения магнита. Еще за несколько веков до нашей эры китайцы подметили, что некоторые камни, скрепленные таким образом, чтобы они могли свободно вращаться, неизменно поворачиваются в определенном направлении.
Как появился компас
Самые первые компасы представляли собой ложечки из магнетита с коротким стержнем, который можно было вращать по кругу. Через некоторое время после того, как ложечку поворачивали, она останавливалась, причем ее стержень всегда указывал на север. Но эти силы настолько небольшие, что они могут вращать только свободно закрепленные стрелки компаса.
Позже моряки вставляли магнитные иголки в соломинки и ставили в миску с водой. Соломинка всегда указывала направление север - юг. Причина этого, тогда еще неизученного явления, - некое поле вокруг Земли, обладающее способностью влиять на вещества, находящиеся в нем и определяющие их направленность.
Магнитная сфера вокруг Земли
Наша Земля опоясана сферой, в которой работают магнитные силы, ее название - магнитное поле. Хотя версия о возникновении его не подтверждена, но геофизики в основном согласны с утверждением, что магнитное поле существует благодаря железному составу ядра нашей планеты. Вращение Земли способствует формированию в расплавленном металлическом ядре непрерывных потоков электрических зарядов, которые ведут к возникновению вокруг них магнитного поля.Земля, таким образом, выступает громадным магнитом, на который и реагируют стрелки компасов.
Свойства и природа магнитов
Магниты, подобные тем, которыми любят украшать холодильники или удерживать записки на кухне, обладают довольно интересными свойствами. Поведение веществ в магнитных полях зависит от материалов, из которых состоят эти вещества. Всем известно, что магниты прилипают к железным или стальным предметам. А почему так происходит? В каждом магните имеется два полюса. Если провести эксперимент и держать пару магнитов близко друг напротив друга, то окажется, что северный полюс одного притягивает противоположный - южный - полюс другого. Однако если развернуть магниты одинаковыми полюсами, они всегда будут отталкивать друг друга. Электроны, которые совершают обороты вокруг ядра атома, имеют отрицательный электрический заряд. Поток заряженных частиц порождает магнитное поле, которое выгибается большой петлей вокруг них.
Например, когда горит лампочка, электрический ток движется по ее проводку, а электроны переходят из одного атома на другой, и вокруг проводка возникает слабое магнитное поле. Подобным образом возникает сильное магнитное поле, идущее от проводов высокого напряжения. Электричество и магнетизм выступают как две составляющих электромагнетизма. Каждый электрон, вертящийся вокруг собственной оси, как планета, которая оборачивается, на своей орбите строит маленькую петлю электрического тока и создает свое магнитное поле в веществе. Вещества в магнитном поле ведут себя по-разному.
Как происходит взаимодействие магнитного поля с веществом
Например, при действии магнитного поля на пластик происходит следующее: миниатюрные магнитные поля каждого из атомов нейтрализуют друг друга, потому что их полюса направлены в разные стороны. Но вот в железе атомы размещены таким образом, что материал способен намагничиваться. Атомы в них собраны в группы и называются магнитными доменами. Каждый такой крошечный домен состоит из миллиардов частиц со всеми их магнитными полями, которые направлены в одну сторону, и он сам становится крошечным магнитом. В железном куске сами домены направлены в разные стороны, поэтому они нейтрализуют друг друга, и самостоятельно железо не проявляет магнитных свойств. Для создания магнита все домены должны быть расположены в одном направлении, тогда кусок железа намагнитился бы и притягивал к себе все металлические предметы, находящиеся поблизости. Как заставить железо расположить домены в одном порядке? Достаточно просто: для этого следует поместить железный кусок в магнитное поле. Выстраиваясь друг за дружкой, домены разворачиваются в направлении поля. При этом они начнут притягивать атомы от других доменов, увеличиваясь в размерах.
Вскоре множество таких элементов создадут линию, и железный кусок сам станет магнитом и будет притягивать к себе каждую булавку, гвоздь или другие металлические предметы, находящиеся поблизости. Так появляется намагниченность: магнитное поле в веществе значительно увеличивается. Но, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Не исключение и рассматриваемое нами явление. Как убедиться в сказанном?
Магнитное поле и намагниченность веществ можно рассмотреть на примере в домашних условиях. Достаточно провести простой опыт. Взять маленький железный гвоздь и положить его на магнит с холодильника. Его домены быстро выстроятся, и на некоторое время гвоздь сам превратится в магнит, с помощью которого легко можно будет поднять булавку.
Определение магнитного поля
Для исследования магнитного поля в веществе изучают два вида токов – макротоки и микротоки. Макротоками являются те, что созданы движением заряженных макроскопических тел. Микротоками именуют токи, созданные движущимися электронами в атомах, молекулах и ионах. Магнитное поле в веществе создают два поля: внешнее, созданное макротоками, и внутреннее - образованное микротоками.
Самое магнитное вещество
Интересным фактом является то, что в природе существует настоящий магнит – минерал магнитный железняк. Но основная часть тел, обладающих собственным магнитным полем, все же создана человеком искусственно. Сильнейшими из них являются те, что представляют собой сплав неодима, железа и бора. А какое вещество является самым магнитным на сегодняшний день? Ученые смогли дать ответ на этот вопрос. Группа физиков из штата Миннесота создала новый материал, состоящий из 16 атомов железа и 2 атомов азота, который характеризуется магнитной проницаемостью на 18 % выше, чем у самого сильного - неодимового - магнита.
Какие существуют магнетики
Магнитное поле в веществе, кратко говоря, зависит от магнетиков. Помещение любого из них в магнитное поле формирует свое магнитное поле в веществе. Виды магнетиков различают следующие: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Самые мощные поля создают ферромагнетики, ведь они имеют высокие магнитные свойства. К таким веществам относятся железо, никель, кобальт, редкоземельные металлы и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца. Из них делают постоянные магниты, ведь поле ферромагнетика не пропадает после прекращения действия магнитного поля.
Парамагнетики обладают магнитной проницаемостью, которая чуть выше единицы при комнатной температуре. Такие вещества в магнитном поле плохо намагничиваются, но по мере снижения температуры магнитные свойства их увеличиваются. К парамагнетикам относятся, например, кислород, платина, алюминий, редкоземельные металлы.
Диамагнетики – еще один вид веществ, магнитная проницаемость которых чуть меньше единицы, их магнитные свойства еще слабее. К таковым причисляют многие металлы, такие как висмут, серебро, золото, медь, а также воду и органические соединения. Интересный факт, что при нагревании до определенной температуры (точка Кюри) ферромагнитные свойства исчезают, и металлы размагничиваются и становятся парамагнитными.
Использование магнитного поля
Люди научились использовать себе во благо упомянутые свойства вещества в магнитном поле: ферромагнетики незаменимы при производстве электро- и вычислительной техники. Их можно обнаружить в трансформаторах, электродвигателях и различных измерительных приборах, они позволяют в несколько раз увеличить магнитное поле, не меняя силы тока в катушке.
Значение магнитного поля для планеты
Магнитное поле играет огромную роль в жизни планеты. В первую очередь оно служит защитой для обитателей Земли и спутников от небезопасного влияния космических тел. Под влиянием магнитного поля меняется их траектория. Исследователи допускают, что некоторые планеты не имеют металлического ядра, а значит, и магнитного поля, что значительно уменьшает численность возможно обитаемых планет. Земляне тоже рискуют остаться без защиты поля. Но сообщить, когда это случится, геофизики не берутся. Исследования выявили, что за 160 миллионов лет магнитные полюса - север и юг - менялись между собой около сотни раз. Последнее такое явление имело место 720 тысяч лет назад, и Земля подвергалась атаке космических частиц. Одна из теорий, поясняющих вымирание динозавров, гласит, что эти великаны исчезли как раз по этой причине.
Магнитное поле становится тоньше
Геофизики, проанализировав свойства магнитного поля, открыли, что в нем возникают небезопасные сдвиги, которые не фиксировались раньше. На юге Атлантического океана слой магнитного поля постепенно истончается. За последние 150 лет поле здесь стало слабее на десять процентов. Ученые утверждают, что смена полюсов будет происходить достаточно быстро, в пределах 100 лет от начала инверсии. Какое поколение будет наблюдать это явление и как оно отразится на обитателях Земли, пока неизвестно, но есть утверждение, что такая смена полюсов пагубно скажется на электротехнике.
Магнитные бури и их влияние на людей
Иногда в магнитном поле Земли происходят возмущения – это магнитные бури, напрямую зависящие от Солнца. В период повышения солнечной активности наблюдается огромный выброс энергии, что способствует образованию солнечных вспышек. При этом гигантский поток заряженных частиц устремляется к Земле с высокой скоростью – 500–1000 километров в секунду, создавая сильное магнитное поле. Этот поток достигает планеты всего за несколько дней. Сталкиваются два мощных магнитных поля, и в итоге нарушается магнитное поле Земли. Человек привык к нормальному магнитному полю, и при магнитных бурях его самочувствие меняется.
Реакция животных на магнитное поле
Доказано, что птицы очень хорошо ощущают магнитное поле Земли и даже видят его. Ученые считают, что пернатые - уникальные существа в этом роде: магнитная сила помогает им в поиске собственного жилища при перелетах на колоссальные дистанции.
Вместо послесловия
Влияние магнитного поля на обитателей нашей планеты пока не изучено полностью, ученые всего мира лишь приоткрыли занавес тайны планеты Земля и пытаются найти ответы на особо важные вопросы. Но прогресс не стоит на месте, и наука развивается стремительно в наши дни, так что кто знает, возможно, уже следующее поколение будет знать ответ на большинство вопросов, над которыми бились лучшие умы человечества.
