Александр Леонович - Физика без формул

Когда-то в старину скандинавы, плавающие по арктическим морям в районе Гренландии, обнаружили, что кое-где синий конец стрелки указывал почти на запад. С этим расхождением сталкивались все чаще по мере освоения северных территорий. В чем же дело?

Древним народам было невдомек, что северных полюсов — два. Необходимо различать географические полюса — условные точки, где как бы проходит ось вращения Земли, и магнитные. Северный магнитный полюс, так же, как и Южный в Антарктиде, смещен от этой точки на сотни километров. У экватора и в средних широтах такое «раздвоение» незаметно. Но чем ближе к северу, тем больше компас будет нас «обманывать».

Более того, расположение магнитных полюсов относительно географических непостоянно. Хотя и медленно, но эти полюса «дрейфуют», выписывая на земной поверхности замысловатые траектории. Современные исследования намагниченности древних пород показали, что бывали случаи, когда магнитные полюса вообще менялись местами.

Так что, пользуясь компасом, надо умело вносить в его показания поправки. Это и приходится делать полярным морякам, летчикам и ученым.

А почему магнитная стрелка крутится на поверхности Земли? Ведь если мы поднесем к ней какой-нибудь намагниченный предмет, то можем заставить ее повернуться куда захотим. Значит, в отсутствие поблизости магнитов стрелкой распоряжается Земля? Получается, что она — сама большой магнит?

Отнюдь не все планеты, как это выяснили не так давно исследователи, представляют собой магниты. Скажем, на Венере приборы, доставленные на нее ракетой, магнетизма не нашли. А вот Земля магнитными свойствами обладает. Она взаимодействует с другими магнитами, к примеру, с компасной стрелкой, так же, как и любые два магнита у нас на столе.

Как же влияют два магнита друг на друга? Давно было замечено, что северный полюс притягивается к южному, а одноименные полюса — отталкиваются. Это можно легко проверить с помощью двух намагниченных стрелок или гвоздей. Не правда ли, похоже на взаимодействие электрических зарядов?

Но если наша планета — большой магнит, то синий северный конец компасной стрелки должен был бы тянуться к южному полюсу Земли! И это — верно. А северным его считают из-за соседства с одноименным географическим полюсом.

С чем связан магнетизм Земли? Это непростой вопрос. По всей видимости, он определяется движением заряженных частиц, переносимых жидким веществом внутри планеты.

Не приходилось ли вам задаваться вопросом: а через что передается действие одного магнита на другой? Как, например, Земля заставляет «чувствовать» свой магнетизм стрелку компаса? Что является посредником при передаче этого действия? Конечно, все эти вопросы можно было поставить и для электрических зарядов. Ведь они тоже влияют друг на друга на расстоянии.

Для ответа на подобные вопросы оказалась очень удобной идея поля. Ее начал разрабатывать английский ученый Майкл Фарадей. А продолжил — его выдающийся соотечественник Джеймс Максвелл. Благодаря его усилиям была создана стройная система представлений, в рамках которой нашло объяснение большинство электрических и магнитных явлений.

Джеймс Максвелл(1831–1879) — английский физик. Один из основателей кинетической теории газов, изучал их диффузию, теплопроводность и внутреннее трение. Самое главное научное достижение — создание теории электромагнитного поля. Считал свет одним из видов электромагнитного излучения, что блестяще подтвердилось, теоретически рассчитал давление света. Оставил свой след во многих областях физики, сконструировал ряд важных приборов.

Поле невидимо, неслышимо и неосязаемо. Но его можно обнаружить с помощью вносимых в него зарядов и магнитов. Вот, скажем, к наэлектризованной расческе пытается притянуться бумажная ленточка. Можно сказать, что расческу окружает электрическое поле, образованное ее зарядами. Попадая в него, заряды на ленточке реагируют на его присутствие и начинают двигаться. Еще пример. Поворот стрелки компаса мы можем истолковать влиянием на нее магнитного поля Земли или поля поднесенного к ней железного гвоздя.

Электрическое и магнитное поля наиболее сильны вблизи заряженных или магнитных тел и ослабевают по мере удаления от них. Кстати, идея поля вполне применима к любым взаимодействующим телам. Притяжение планет к Солнцу, спутников к планетам и падение яблока на землю вполне можно описать, опираясь на представление о поле тяготения, или гравитационное поле.

Чтобы сделать понятие поля наглядным, ученым пришло в голову изображать его на картинках — в виде так называемых силовых линий. Там, где эти линии расположены гуще, например, у заряженных шариков или у полюсов магнитов, считают, что поле сильнее. А там, где расходятся друг от друга, поле слабеет. Эти картинки люди научились создавать, внося в электрические и магнитные поля крохотные железные опилки. Электризуясь или намагничиваясь, такие опилки, как на фотоснимке, «проявляли» картину силовых линий полей.

Скажем, насыпав опилочки вокруг длинного магнита, можно было разглядеть, как силовые линии «выходят» из одного его полюса, «расходятся» веером, «обтекают» его и вновь «собираются» у другого полюса. Интересно, что точно так же, как и опилки, вели бы себя вокруг магнита и маленькие компасные стрелочки. Они тоже «выдали» бы нам картину распределения магнитного поля в пространстве, выстроившись «в затылок» друг к другу вдоль силовых линий. И когда мы определяем направление на север с помощью компаса, мы словно обозначаем в данном месте, как направлено магнитное поле Земли.

Благодаря такому методу удалось как бы воочию представить себе сложные конфигурации электрических и магнитных полей. Например, в приборах и экспериментальных установках физиков, вокруг Солнца и звезд, в ближайших окрестностях и вдалеке от планет.

Возможность «нарисовать» магнитное поле позволяет натолкнуться на удивительный факт. Если длинную проволоку скрутить в виде спирали и пропустить по ней постоянный электрический ток, то вокруг такой «катушки» обнаруживается магнитное поле.