Детская энциклопедия

Меню сайта











Земля- большой магнит

Удивительная способность магнита притя­гивать железо была известна еще в глубокой древности. Свойство магнита указывать юг и север было открыто позже. Еще в III в. изготовляли особые «югоуказатели» в виде маленького человечка с вытя­нутой рукой. Эта фигурка — древнейший компас—укреп­лялась на вращающемся магните. Значительно позднее (в VIII — IX вв.) ара­бы стали применять компас для мореплавания. В то время арабские торговые корабли часто плавали из Азии в Европу. Европейские мореплаватели пользовались компасом примерно с ХШ в., но не знали, так же как китайцы и арабы, почему один конец маг­нитной стрелки показывает на север, а дру­гой — на юг. Вплоть до начала XIX в. на вопрос о при­чине земного магнетизма часто отвечали так: Земля сама большой магнит. Внутри Земли как бы «спрятан» очень сильный магнит. Он и управляет поведением стрелки компаса, заставляя ее устанавливаться вдоль магнитных сило­вых линий, опоясывающих земной шар и создаю­щих магнитное поле Земли. Направление этих силовых линий и указы­вает стрелка компаса.

 

Мореплаватели, правда, давно уже заме­тили, что северный конец стрелки не совсем точно указывает на север, а южный — на юг. Еще Колумб, когда плыл в Америку, обнару­жил, что географический меридиан не совпа­дает с магнитным, вдоль которого устанав­ливается стрелка компаса. 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.

 

Магнитная ось Земли на­клонена к географической примерно под углом в 11°,5, поэтому географические по­люсы также не совпадают с магнитными.

Магнитную стрелку мож­но заставить колебаться и не на острие, как это делается в компасе. Ее можно закре­пить на горизонтальной оси, тогда она будет качаться в вертикальной плоскости. Та­кую стрелку называют стрелкой наклоне­ния. Действительно, она показывает, под каким уг­лом к горизонту действует на нее в данном месте магнит­ная сила Земли, т. е. како­во магнитное наклонение. На Северном и Южном магнитных полюсах острие стрелки направлено прямо вниз: магнитное наклонение здесь наибольшее— оно равно 90°. Углы магнитного наклонения хорошо изучены на всей Земле. Если обнару­живаются резкие изменения углов наклонения, то это указывает, что в данном месте под поверхностью Земли скрыты намагниченные горные породы или железные руды.

Магнитная разведка  залежей железа или других магнитных руд в сущности сводится к поискам мест резких магнитных ано­малий, т. е. таких мест, где магнитная сила земного поля по величине или направлению резко отклоняется от нормы. Сейчас магнитную разведку ведут даже с самолетов. Под Кур­ском, в Сибири, на Урале, на Кольском п-ове обнаружены сильные магнитные аномалии, там же найдены залежи железных руд.

Стрелка компаса в течение суток ведет себя неспокойно. Она сдвигается немного в сто­рону, колеблясь в общем около положения равновесия. Это значит, что магнитное поле Земли за сутки немного меняется. Суточные колебания магнитной стрелки всегда больше летом, чем зимой.

 

Причина этих изменений магнитного поля Земли — электрические токи, текущие в ат­мосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Иногда электрические токи в атмосфере становятся особенно сильными. Происходит это, когда с поверхности Солнца с огромными скоростями выбрасываются потоки мельчайших частиц. Они проникают в земную атмосферу и порождают в ней электрический ток. Стрелка компаса начинает вздрагивать и все больше и больше отходит от положения равновесия. Такое явление называют магнитной бу­рей. Она может продолжаться несколько ча­сов и даже суток. Когда магнитная буря ути­хает, стрелка компаса возвращается к положе­нию равновесия. Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телегра­фа, телефона и радио. Магнитные бури часто наблюдаются на ши­роте 66—67° (в зоне полярных сияний) и часто возникают одновременно с полярными сия­ниями. По-видимому, оба эти явления вызваны одними и теми же причинами. За изменениями земного магнитного поля нужно постоянно наблюдать. Для этого орга­низована специальная Служба земного магне­тизма. Вот уже более ста лет по данным мно­гочисленных экспедиций и по измерениям на магнитных станциях составляются подробные карты магнитного склонения и наклонения и та­блицы суточного и годового хода изменений магнитного поля Земли.

Многолетние наблюдения показали, что по­ложение магнитной стрелки по отношению к географическому меридиану также со вре­менем меняется: конец стрелки медленно пере­мещается к западу или востоку. Это так назы­ваемые вековые изменения маг­нитного поля Земли. Их всегда при­ходится учитывать при составлении магнитных карт.

Для вождения кораблей и самолетов, раз­ведки полезных ископаемых и для очень мно­гих научных целей нужны точные карты маг­нитного склонения и наклонения.

Магнитные бури и суточные изменения маг­нитного поля объясняются, как мы знаем, сол­нечным излучением и выбрасыванием мощных фонтанов частиц с поверхности Солнца. Но до сих пор остается невыясненной основная при­чина, создающая постоянный магнетизм Земли. Наша планета действительно ведет себя как большой магнит.

В средние века поведение магнитной стрел­ки объяснялось силами, идущими с неба, при этом Полярной звезде приписывалось глав­ное влияние на магнитную стрелку.

Серьезные исследования магнетизма нача­лись позднее. В 1600 г. в Англии были опуб­ликованы шесть книг Вильяма Джильберта «О магните, магнитных телах и о большом маг­ните— Земле». Джильберт намагнитил металли­ческий шар (он назвал его терреллой) и исследовал показания стрелки компаса воз­ле него. И все же ответа на основной вопрос, почему Земля намагничена, Джильберт дать не мог.

В начале XIX в. французский физик Ампер высказал интересную догадку. Он знал, что электрический ток может влиять на магнитную стрелку. Ампер первый понял, что, если внутри Земли будет течь электрический ток с востока на запад, тогда вокруг Земли появится магнит­ное поле и земной шар будет похож на джильбертовскую терреллу. Но течет ли на самом деле ток в Земле и какая причина делает его постоянным?

 

Чтобы ответить на эти вопросы, геофизики зарывали глубоко в землю металлические пла­стины и при помощи телеграфных проводов соединяли их над землей, включив в эту цепь гальванометр. Прибор действительно обнару­живал ток, но чрезвычайно слабый и к тому же непостоянный. Тогда для объяснения источ­ника земного магнетизма попытались привлечь на помощь атмосфер­ные электрические то­ки. Они текут из воз­духа в Землю. Однако известно, что на 1 км2 Земли приходит атмосферный ток силой всего в 0,000001 ампера. Да­же если учесть, что в каждую секунду над всей Землей происходит 100 разрядов молний, все равно постоянное магнитное поле Земли та­кими причинами невозможно объяснить. Теоретически удалось доказать, что на 99% магнитное поле Земли вызывают причины, скрытые внутри планеты. Внешние электри­ческие токи могут помочь объяснить лишь раз­личные малые изменения земного магнитного поля. В самом начале XX в. делалась попытка объяснить магнетизм Земли ее суточным вра­щением. Известно, что Земля заряжена отри­цательным электричеством. Ее вращение соз­дает ток, а электрический ток всегда окружен магнитным полем. Но теоретически вычислен­ная напряженность такого поля оказалась в де­сятки миллионов раз слабее истинного магнит­ного поля Земли.

И все же физики попытались спасти гипотезу о само намагничивании Земли из-за ее вращения. Для этого они привлекли на помощь новые све­дения о строении атома. Как известно, элек­троны в атомах вращаются по замкнутым орби­там. Оси этих орбит по-разному наклонены в различных атомах. На рисунке показано, как они расположены внутри не намагниченного металлического стерженька. Но если стержень привести в быстрое вращение, то оси электрон­ных орбит будут стремиться стать параллельно друг другу — совершенно так же, как, подчиня­ясь законам механики, это делают обычные волчки, запущенные внутри вращающейся ко­робки. В таком случае быстро вращающийся стержень должен намагнититься, так как электронные токи в атомах окажутся из-за поворота осей одинаково направленными. Их магнитные поля будут складываться, уси­ливая друг друга, и на концах стержня появятся магнитные полюсы.

В 1919 г. удалось намагнитить стержень, бы­стро его вращая.

 

Не происходит ли то же самое в металлах, находящихся в земной коре? Ведь суточное вращение Земли может «навести порядок» в расположении орбит атомов магнитных веществ земной коры. Электронные орбиты должны, по-видимому, повернуться так, чтобы стать параллельными плоскости экватора. Легко бы­ло проверить, что при этом Южный магнитный полюс появится на географическом севере, как это имеет место на Земле.

Зная скорость вращения нашей планеты и примерное распределение магнитных материа­лов в Земле, удалось подсчитать интенсивность намагничивания. Она оказалась в миллиарды раз меньше дей­ствительной. Так еще одна гипотеза потерпела неудачу. В 1939 г. американский физик Эльзассер предложил новую теорию происхождения зем­ного магнетизма: Земля намагничена термоэлек­трическими токами, текущими в жидком зем­ном ядре. Температура в нем достигает нескольких тысяч градусов, а давление доходит до миллио­нов атмосфер.

Известно, что термоэлектрический ток воз­никает, когда один спай двух металлов нагрет больше, чем другой. По мнению Эльзассера, в зем­ном ядре имеются подходящие условия для воз­никновения термотока. В ядре перемешаны раз­личные металлы, так что всегда имеется контакт двух металлов — хотя и в жидком состоя­нии. Кроме того, температура на различных глубинах в ядре, несомненно, разная. А это как раз и нужно для поддержания термотока в земном ядре: соприкосновение разнородных металлов и перепад температуры. Струи расплавленного металла текут из центра ядра по радиусам к поверхности. Враще­ние Земли искривляет путь струи, превращая ее в кольцо, охватывающее земную ось. Механики называют силу, искривляющую путь такой струи из-за вращения Земли, кориолисовой силой. Эльзассер пытался доказать, что вдоль вихря расплавленного металла должен течь с востока на запад термоэлектрический ток, подмагничивающий Землю.

На самом деле сложное движение вещества ядра Земли и циркулирующих в нем термотоков пока не поддается точному расчету. Да и не все предположения Эльзассера достаточно обо­снованы. И хотя он на протяжении многих лет пробовал улучшить методы расчета, задача все-таки оказалась до конца не решенной. Тем не менее она подготовила появление современ­ной, более совершенной теории земного магне­тизма, предложенной в 1947 г. советским физи­ком Я. Френкелем. Ученый нашел сходство между процессами, происходящими в земном ядре, и работой динамо-машины с самовозбуж­дением. Когда такая динамо-машина начинает работать, ее магнит (он называется статором) совсем слабо намагничен. Но по мере того как якорь машины, на котором намотаны витки проволоки, быстро вращается в слабом поле статора, в нем возникает индукционный ток. Он мал и непригоден еще для использования. Его заставляют течь по обмотке машины так, чтобы он намагничивал, т. е. усиливал, поле статора. Витки якоря продолжают вращаться, но теперь уже в более сильном магнитном поле, и в них наводится более сильный индукцион­ный ток. С каждым новым оборотом машины происходит «подхлестывание», или самоусиление, поля.

Как снежный ком, который катится с горы и разрастается до размеров огромной лавины, так и динамо-машина с самовозбуждением доводит поле своего магнита до предельного постоянного состояния. С этого момента машина начинает нормально работать. Если якорь машины вращает газовая или водяная турбина, то все устройство в целом называют турбогенератором.

Френкель считает, что земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра во все стороны большие массы расплавленного металла, обла­дающего свойством жидкости. Кориолисова сила «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих зам­кнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возник­нуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был до­стигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает свою работу, кине­тическая энергия бурных потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Что касается слабого начального магнитно­го поля, без которого земной турбогенератор не смог бы начать работать, то его происхож­дение обосновать нетрудно. Для этого достаточ­но вспомнить попытку объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Она была при­знана неудачной только потому, что давала земному шару ничтожно малое намагничивание. Но в природном «турбогенераторе» начальное поле может быть как угодно малым, ведь со временем оно увеличится до необходимых раз­меров.

Еще не все трудности новой теории пре­одолены. Не удается, например, подсчитать величину индукционного тока в земном ядре, Не выяснено пока, до какого предела должно усиливаться магнитное поле в ядре. Мало из­вестны еще законы движения хорошо проводя­щего электрический ток металла в магнитном поле земного ядра.

Тем не менее идея внутриземного «турбо­генератора» привлекла много последователей. Настойчиво эту теорию в последние годы раз­рабатывает и Эльзассер. Теория Френкеля особенно заманчива по­тому, что она пригодна для объяснения магнит­ных полей любых космических тел: Солнца, звезд, планет, туманностей и т. д. Быть может, внутри всех этих небесных тел также работают «космические турбогенераторы» с самовозбуж­дением. Интерес к магнитным полям небесных тел чрезвычайно большой. Именно они управляют движением заря­женных частиц, пересекающих огромные про­сторы Вселенной. За пределами земной атмосферы, в магнитных полях далеких туманностей, приобретают колоссальные скорости ядра легких атомов — водорода, гелия, лития и др. Происхождение космических лучей связано именно с этими ча­стицами. Вот почему в контейнере ракеты, посланной на Луну в 1959 г., и на борту третьего спутника, запущенного в 1958 г., были установлены сверх­чувствительные магнитометры. Они могли изме­рять магнитные поля на громадных расстояниях от Земли. Магнитометры работали в полете и переда­вали сведения при помощи телеметрической аппаратуры. Так, например, было обнаружено, что Луна не намагничена. Ученым еще не удалось полностью разгадать истинную причину магнетизма Земли и других небесных тел. Но можно с уверенностью сказать, что сей­час наука близко подошла к решению этой трудной задачи.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016