ЗЕМЛЯ — БОЛЬШОЙ МАГНИТ

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 
34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 
68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 
85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 
102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 
119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 
136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 
153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 
170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 
187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 
204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 
221 222 223 224 

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.

Земля представляет собой большой магнит, от полюсов кото­рого расходятся силовые линии магнитного поля. Стрелки компаса на поверхности Земли ориентируются по направлению к магнитным полюсам.

Магнитная разведка (см. стр. 99) 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

Глубоко под землей закопаны две металлические пластины, соединенные проводами с телеграфной линией. К одному из проводов, ведущих к пластине, подключен миллиамперметр.

Условное изображение ато­мов в виде колец. Стрелка­ми показано направление осей электронных орбит. В ненамагниченном состоя­нии атомы и оси орбит элек­тронов расположены беспо­рядочно.

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 самонамагничивании 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 ненамагниченного 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 неподвижна. Справа — коробка вращается. Оси волчков в ней

стали параллельно оси вращения коробки.

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.

Когда быстро вращают металлический стержень, то внутри

него атомы располагаются так, что оси электронных орбит

становятся параллельными друг другу и оси вращения стержня.

Вокруг стержня идут силовые линии магнитного поля.

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 кон-

такт 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

Внутри Земли как бы действует турбогенератор.

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.