Стрелка, которую нельзя переспорить
Возьми компас, покрути его в руках, пройди с ним по комнате, поверни на месте. Стрелка каждый раз возвращается в одно и то же положение.
Это странно, если задуматься. Стрелку никто не держит, к ней не привязана верёвка, она ни за что не цепляется. Но она знает, куда север.
Значит, вокруг нас есть что-то невидимое, на что стрелка откликается. Это магнитное поле Земли. Чтобы понять, что это, начнём с обычного магнита на холодильнике.
Магнит притягивает не всё
Первое, что стоит проверить: магнит вовсе не притягивает всё подряд.
Пройдись магнитом по квартире. Притянутся: стальные скрепки, гвозди, ножницы, дверца холодильника, ключи от подъезда. Не притянутся: алюминиевая фольга, медная проволока, стекло, пластик, дерево, золотое колечко.
С монетами получится любопытно: часть притянется, часть нет. Нынешние российские монеты внутри стальные, поэтому липнут к магниту, а старые медные и медно-никелевые — нет. Проверь горсть мелочи и рассортируй её магнитом.
Магнит уверенно работает только с железом и его родственниками — никелем и кобальтом. Всё остальное ему почти безразлично. И это уже подсказка: дело не в «тяжести» и не в «блеске», а в чём-то, что есть внутри именно этих металлов.
У любого магнита есть два конца — полюсы, северный и южный. Правило, которое легко проверить двумя магнитами: одинаковые полюсы отталкиваются, разные притягиваются. Это тоже важно — компас работает именно на этом.
Что происходит внутри железа
Магнетизм рождается из движения. Каждый электрон в атоме — крошечный магнитик. Физики говорят, что у электрона есть спин: свойство, из-за которого он ведёт себя примерно так, как вела бы себя вертящаяся заряженная крупинка. По-настоящему он, конечно, не вертится, но магнитик из него получается настоящий. Так что магнитики есть в любом веществе.
Обычно эти микромагнитики смотрят в разные стороны и гасят друг друга. Но у железа, никеля и кобальта устроено иначе: их атомы умеют договариваться и выстраиваться одинаково целыми участками. Такой участок физики называют доменом — он крошечный, тысячные доли миллиметра, но в нём миллиарды атомов смотрят в одну сторону.
В обычном гвозде домены развёрнуты как попало, вразнобой, и в сумме гвоздь не магнитит. А в настоящем магните почти все домены смотрят в одну сторону — их сила складывается.
Отсюда получаются два любопытных следствия.
Первое: гвоздь можно намагнитить. Если поднести к нему магнит, домены в гвозде развернутся по полю, и гвоздь сам станет магнитом — сможет притянуть скрепку. Уберёшь магнит — большинство доменов вернётся вразнобой, но не все: слабый магнетизм часто остаётся.
Второе: магнит можно испортить. Если сильно ударить магнит молотком или нагреть до красного каления, домены собьются и рассыплются по разным направлениям. Магнит перестанет быть магнитом. Для железа температура, выше которой магнетизм пропадает полностью, — около 770 градусов.
Как выглядит поле
Магнитное поле невидимо, но его легко сделать видимым. Положи магнит под лист бумаги и насыпь сверху железных опилок — они мгновенно выстроятся дугами, идущими от одного полюса к другому.
Эти дуги называют линиями магнитного поля. На самом деле никаких линий в пространстве нет — это наш способ нарисовать, куда и насколько сильно поле действует. Там, где линии гуще, поле сильнее: у полюсов магнита опилки собираются густыми щётками, а посередине почти не шевелятся.
Почему компас смотрит на север
Теперь можно вернуться к стрелке. Она показывает на север потому, что вся наша планета — гигантский магнит.
Глубоко внутри Земли, под каменной мантией, находится ядро из железа и никеля. Внешняя его часть — жидкая, раскалённая, и она медленно перемешивается: горячее поднимается, остывшее опускается. Земля при этом вращается, и потоки закручиваются. Движущийся расплавленный металл — это движущиеся заряды, а движущиеся заряды создают магнитное поле. Такой механизм называют геодинамо.
Поле выходит из планеты у одного полюса и входит у другого, охватывая Землю огромными дугами. Стрелка компаса, как любой магнитик, разворачивается вдоль этих линий.
И тут пара честных уточнений, которые обычно замалчивают.
Компас показывает не на Северный полюс. Магнитный полюс не совпадает с географическим — тем, вокруг которого Земля крутится. Более того, магнитный полюс двигается: последние десятилетия он бодро едет из Канады в сторону Сибири со скоростью в десятки километров в год. Морякам и лётчикам приходится вносить поправку на разницу между «магнитным севером» и настоящим.
И ещё путаница с названиями. Раз северный конец стрелки притягивается к тому, что на севере, то по правилу «разные полюсы притягиваются» там должен находиться южный магнитный полюс Земли. Так и есть: географически северный магнитный полюс планеты по физике — южный. Просто названия дали раньше, чем разобрались.
Щит планеты
Магнитное поле — не просто забава для компасов. Это защита.
Солнце непрерывно выбрасывает поток заряженных частиц — солнечный ветер. Они летят со скоростью в сотни километров в секунду, и для живого это опасно.
Магнитное поле Земли отклоняет большую часть этого потока в стороны, как нос корабля раздвигает воду. Часть частиц всё же скатывается по линиям поля к полюсам, врезается в верхние слои воздуха и заставляет его светиться — это полярное сияние. Красивое зрелище на самом деле означает, что щит сработал.
У Марса собственного магнитного поля почти нет, и солнечный ветер миллиарды лет сдувал его атмосферу. Сегодня марсианский воздух в сотни раз реже нашего.
А ещё поле Земли иногда переворачивается: северный и южный магнитные полюсы меняются местами. Это уже случалось сотни раз, последний — примерно 780 тысяч лет назад. Почему и когда это происходит, учёные до конца не понимают: точно предсказать следующий переворот пока никто не умеет.
Главное в трёх строчках
- Магнетизм рождается из движения зарядов; в железе, никеле и кобальте атомы выстраиваются целыми участками — доменами, и когда они смотрят в одну сторону, получается магнит.
- Магнитное поле невидимо, но его видно по железным опилкам; у каждого магнита два полюса, и разделить их не получается.
- Земля — огромный магнит из-за движения расплавленного железа в ядре; её поле разворачивает стрелку компаса и защищает планету от солнечного ветра.