Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Ранних физиков сводил с ума поиск причины, по которой стрелка компаса показывает на север и юг. Некоторые выдумывали, что якобы на Крайнем Севере существует огромная железная гора, к которой притягивается намагниченная стрелка. В 1600 году английский физик Уильям Гильберт (1544–1603) поведал о целенаправленном эксперименте, который привел к более правдоподобному решению.

Стрелка компаса, вращаясь обычным образом, может вращаться только вокруг вертикальной оси и вынуждена оставаться совершенно горизонтальной. А если ее насадить на горизонтальную ось так, что условия позволили бы ей указывать вверх или вниз? Таким образом закрепленная стрелка (в Северном полушарии) действительно показывала север на несколько градусов ниже горизонта, в земле. Это назвали магнитным погружением.

Гильберт сделал шар из магнитного железняка и принял его за модель Земли. Он разметил полюса и принял его южный полюс, притягивавший северный полюс стрелки компаса, за арктическую область Земли, а другой — за антарктическую.

Северный полюс стрелки компаса, помещенной рядом с этим шаром из магнитного железняка, как и ожидалось, показывал «север». Однако в «северном полушарии» этого шара северный конец стрелки компаса, закрепленной соответствующим образом, тоже показывал магнитное погружение, поворачиваясь к телу сферы. Над южным полюсом «арктической области» сферы северный полюс стрелки компаса показывал прямо вниз. В «южном полушарии» сферы южный полюс стрелки компаса указывал вверх, удаляясь от тела сферы, и над «антарктической областью» указывал прямо вверх.

Гильберт решил, что поведение стрелки компаса по отношению к Земле (и ориентация на север — юг, и магнетическое погружение) полностью аналогично ее поведению по отношению к сфере из железняка. Он сделал вывод, что сама по себе Земля является сферическим магнитом с полюсами в Арктике и Антарктиде. Стрелка компаса указывает на север под воздействием той же самой силы, что и притягивает ее к полюсу любого другого магнита. (Именно этот естественный магнетизм Земли выстраивает постепенно области оксида железа и создает магнитный железняк, с которого и началось все изучение магнетизма, бывшее до XIX века.)

Можно легко решить, что магнитные полюса Земли расположены на ее географических полюсах, но это не так. Если бы это было так, стрелка компаса показывала бы более или менее точно на север, а это не так. Во времена Гильберта (1580), например, стрелка компаса в Лондоне показывала на 11° восточнее северного полюса. Угол, на который стрелка отклоняется от истинного Северного полюса, именуется магнитным склонением. Оно изменяется от места к месту на Земле и в каждом конкретном месте изменяется от года к году.

Сейчас в Лондоне магнитное склонение — 8° к западу от севера, а со времен Гильберта отмечалось склонение даже в 25°к западу от севера. На пути от восточного склонения, имевшего место в XVI веке, к западному склонению, имеющемуся сейчас, одно время склонение было временно нулевым, и тогда стрелка компаса указывала в Лондоне на истинный север. Это было в 1657 году.

Изменения в склонении в зависимости от географического положения были впервые замечены Христофором Колумбом (1451–1506) в его полном открытий путешествии 1492 года. Стрелка компаса, которая показывала явно восточнее севера в Испании, указывала четко на север, когда он достиг середины океана, и четко на запад от севера после того. Он держал это в секрете от экипажа, потому что только этого явного свидетельства нарушения законов природы матросам и не хватало для того, чтобы поднять панику и бунт.

Существование магнитного склонения и его изменения от точки к точке на поверхности Земли можно было бы объяснить тем, что магнитные полюса находятся на некотором расстоянии от полюсов географических. Так оно и есть. Южный полюс Земли как магнита (который притягивает северные полюса стрелок компаса) расположен далеко на севере и потому называется северным магнитным полюсом. Сейчас он расположен возле арктического побережья Канады, на расстоянии около 1200 миль от географического Северного полюса. Южный магнитный полюс (северный полюс Земли как магнита) расположен на берегах Антарктиды, западнее моря Росса, на расстоянии около 1200 миль от географического Южного полюса.

Эти два магнитных полюса находятся не совсем на противоположных концах Земли, так что соединяющая их линия (магнитная ось) не только составляет угол в 18° с осью географической, но также и не проходит через центр Земли.

Магнитные полюса Земли

Тот факт, что магнитное склонение изменяется со временем, кажется, показывает, что магнитные полюса меняют свое положение, и действительно, положение северного магнитного полюса на несколько градусов сдвинулось с того момента, когда он был впервые найден 100 лет назад.

Несмотря на свой размер, Земля — слабый магнит. Так, даже у небольшого подковообразного магнита магнитная напряженность может достигать 1000 эрстед, а магнитная напряженность поля Земли — только около 3/4 эрстеда даже возле магнитных полюсов, где она является наивысшей. На точках равноудаленных от магнитных полюсов (на магнитном экваторе) она падает до ¼ эрстеда.

Через точки, на которых наблюдается одно и то же склонение, на Земле можно провести линии. Они называются изогоническими линиями (от греческого слова, означавшего «равные углы»). В идеале их можно считать линиями «магнитной долготы». Однако, в отличие от географической долготы, они не являются участками окружности, а нерегулярно изгибаются в соответствии с местными магнитными свойствами структуры Земли. И конечно же они меняются со временем и их постоянно надо перерисовывать.

Если согласиться с тем, что Земля — это магнит, остается еще определить, почему она магнит. Во второй половине XIX века стало появляться все больше и больше свидетельств из разных источников о том, что ядро Земли на две трети состоит из никеля и железа. Ничего не было проще, чем предположить, что ядро это по какой-то причине намагничено. Однако появлялось также все больше и больше свидетельств, что температура земного ядра достаточно высока, чтобы железо-никелевая масса оставалась жидкой, и явно находится выше точки Кюри. Следовательно, ядро не может быть обычным магнитом, и магнитное поле Земли должно иметь более тонкое происхождение. Я еще вернусь к этому вопросу.

Магнитная сила ослабевает пропорционально квадрату расстояния (см. уравнение 9.1), как и гравитационная сила, но между ними есть важные различия. Насколько нам известно, гравитационная сила между двумя телами ни в коей мере не зависит от природы находящейся между ними среды. Другими словами, ваш вес одинаков, не важно, стоите вы прямо на земле, или подставите под ноги лист железа, или деревянную доску, или намыленную резиновую подстилку, или поместите любое другое вещество между собой и землей. Поэтому не изменяется и притяжение Земли Солнцем, когда между ними встает 2000-мильная толща Луны.