Глава 3 · Магнетизм: полюса, силовые линии и компас
Магниты и поле Земли
Полюса и силовые линии
В сцене лежит кусок магнитного железняка — природного магнита из минерала магнетита, а вокруг него оседают железные опилки. Они выстраиваются в кривые, идущие от одного конца, северного полюса, к другому, южному. Эти кривые — силовые линии, и поле сильнее там, где они сгущаются. Если разрезать магнит пополам, получится не отдельный север и отдельный юг, а два магнита поменьше, у каждого оба полюса. Отдельный магнитный полюс никогда не наблюдали, хотя физики до сих пор его ищут. Поэтому магнит всегда рисуют с двумя концами.
Магниты встречаются с магнитами
Поднесите два магнита друг к другу. Север к северу отталкивается, север к югу притягивается: одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются. С уменьшением зазора сила быстро растёт. Обычный магнитик на холодильнике создаёт у поверхности поле около 5 мТл, а поле Земли у поверхности — около 50 мкТл, оно меняется примерно от 25 до 65 мкТл. Делим: 5 × 10⁻³ / 50 × 10⁻⁶ = 100. Магнитик примерно в сто раз сильнее планеты, но лишь на расстоянии нескольких сантиметров: его поле быстро слабеет.
Компас
Намагниченная стрелка на опоре поворачивается примерно на север. Китайские авторы описывают намагниченные иглы в XI веке, а Шэнь Ко в «Записках о ручье снов», около 1088 года, замечает, что такая игла указывает не точно на север и юг. Вскоре компасы появились на кораблях. Сама Земля — магнит, и учёные считают, что её поле создаёт движение жидкого железа во внешнем ядре. Компас находит магнитный север, а он не совпадает с географическим севером — осью вращения. Разницу называют склонением: при 10° переход в 5 км по азимуту компаса уведёт вас вбок на 5 × tg 10° ≈ 0,9 км.
Домены внутри железа
Приблизьте железо — и сцена покажет крошечные области, домены; в каждой толпа атомов, чьи маленькие магнитики смотрят в одну сторону. В обычном гвозде домены направлены кто куда и гасят друг друга. Магнит — это железо, у которого домены выстроились. Удары и нагрев сбивают их порядок. Выше точки Кюри, которую Пьер Кюри изучал в 1890-х годах, железо перестаёт быть магнитным. Для железа это примерно 770 °C, то есть 770 + 273,15 ≈ 1043 К. После остывания домены обычно сами уже не выстраиваются.
Щит вокруг планеты
Поле Земли уходит далеко в космос и образует магнитосферу. Она огибает заряженные частицы солнечного ветра вокруг планеты. Учёные считают, что Марс, давно потерявший глобальное поле, потерял под действием солнечного ветра и значительную часть атмосферы. Часть частиц по силовым линиям спускается к полюсам и встречает тонкий верхний воздух, где рождаются светящиеся занавеси полярного сияния. В сцене силовые линии обёртывают шар, как слои луковицы, а мимо скользит поток частиц.
Полосы в камне
Лава, остывающая на дне океана, запоминает направление поля в тот момент. Карты дна, составленные в 1950–1960-х годах, показали полосы породы, намагниченные поочерёдно в разные стороны по обе стороны от срединно-океанических хребтов. Лучшее объяснение, опубликованное в 1963 году Фредом Вайном и Драммондом Мэтьюзом и независимо Лоуренсом Морли, — поле Земли много раз менялось на обратное, пока дно раздвигалось, как две ленты конвейера. Последний полный разворот был около 780 000 лет назад. При скорости 2 см в год дно с тех пор ушло на 0,02 × 780 000 = 15 600 м, около 16 км от хребта.
В цифрах
- ≈ 770 °C
- точка Кюри железа, где оно теряет магнетизм
- ≈ 50 мкТл
- поле Земли у поверхности (25–65 мкТл)
- ≈ 780 000 лет
- прошло с последнего полного разворота поля