Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Электромагниты широко распространены благодаря своему уникальному свойству: возможности включать и выключать магнитное поле. Они применяются в громкоговорителях, электронных дверных замках и компьютерных дисководах. Чтобы электромагнит создавал магнитное поле, на него должно подаваться электропитание – иначе магнитное поле пропадает. Магниты, которые вы прикрепляете на двери холодильников, называются постоянными – их нельзя включать и выключать и на них не нужно подавать электропитание. Электромагниты при подаче электропитания, по сути, исполняют ту же функцию, что и постоянные магниты. Но их удобство в том, что их можно выключить, прекратив подачу электрического тока.

На нас все время воздействуют небольшие, локальные магнитные поля. Какие-то из них постоянные, а какие-то – временные. Эти поля почти всегда рукотворны, то есть искусственного происхождения, и используются для выполнения той или иной полезной функции. Иногда они оказываются побочным продуктом при выполнении какой-либо полезной функции. Магнитные поля действуют в весьма ограниченном пространстве, поэтому их можно обнаружить только вблизи магнита. Но все это лишь слабые проявления гораздо более мощного магнитного поля, которое охватывает всю нашу планету и имеет исключительно естественное происхождение. Мы не можем почувствовать его, но все время им пользуемся.

Большинство из нас – особенно любители совершать длительные пешие походы по незнакомой местности – воспринимают компас как нечто совершенно естественное. Очень удобно брать в походы прибор, стрелка которого всегда указывает на север. Сколько бы компасов у вас ни было – десять, двадцать или двести и как бы вы их не размещали, все они всегда указывают на север. Вы можете перенести свою коллекцию компасов в любое место на Земном шаре, разложить ее на земле – и стрелки всех компасов будут указывать на север. Магнитное поле Земли повсеместно. Оно пронизывает наши города, леса и горные массивы. Мы живем в нем и хотя и не ощущаем его действия, компас всегда напомнит нам о его существовании.

Компас – гениально простой измерительный прибор. Его стрелка – это магнит, поэтому ее концы ведут себя по-разному, будучи северным и южным полюсами магнита. Если два магнита разместить рядом и перемещать относительно друга друга, то вскоре вы заметите, что сдвинуть между собой два северных полюса очень трудно, тогда как разноименные полюса магнитов сильно притягиваются. Именно поэтому так легко определить направление магнитного поля: если поместить небольшой подвижный магнит внутри магнитного поля, он будет поворачиваться вокруг собственной оси до тех пор, пока его северный и южный концы не окажутся ориентированными вдоль этого магнитного поля. Именно в этом и заключается принцип действия компаса: подвижный магнит, который поворачивается в направлении внешнего магнитного поля. Вы не можете видеть обширное магнитное поле Земли, но можете видеть стрелку компаса, реагирующую на него. Впрочем, компасы реагируют не только на магнитное поле Земли. Возьмите в руку компас и походите с ним по комнатам своего дома. Вы наверняка обнаружите магнитные поля вокруг электрических розеток, стальных кастрюль, бытовых электроприборов, магнитов, закрепленных на холодильнике, и даже возле утюга, если он недавно побывал возле какого-либо магнита.

Компасы, понятное дело, используются главным образом для ориентирования на местности. Проложить маршрут, находясь на поверхности сферы, не так-то просто, но магнитное поле Земли уже не одно столетие служит необычайно надежным инструментом для исследователей. У Земли есть северный магнитный полюс и южный магнитный полюс, и каждый обладатель компаса может легко ориентироваться на местности по какому-то из них. В качестве навигационного инструмента магнетизм прост, дешев и безотказен. Однако тут следует сделать несколько важных оговорок, причем оговорка номер один звучит неожиданно серьезно: магнитные полюса Земли не строго фиксированы и могут со временем менять местоположение.

В день, когда я пишу эти строки, северный магнитный полюс Земли расположен на север от Канады и находится примерно в 430 километрах от «истинного севера», то есть реального Северного полюса, который определяется осью вращения Земли вокруг собственной оси. С того же самого дня в прошлом году северный магнитный полюс сместился на 42 километра; сейчас он движется через Северный Ледовитый океан в направлении России. Это вряд ли вселит оптимизм в тех, кому часто приходится ориентироваться на местности, хотя, учитывая, насколько огромен наш мир, блуждание магнитных полюсов не такая уж проблема, как кажется поначалу. Причина такого блуждания в том, что внутренняя «начинка» нашей планеты отнюдь не похожа на статичный каменный шар.

Глубоко-глубоко у нас под ногами медленно перемешивается и взбалтывается насыщенное железом внешнее ядро Земли, вследствие чего происходит передача тепла от центра Земли к ее поверхности, а вращение планеты заставляет вращаться и расплавленное содержимое ядра. Из-за насыщенности железом это инертное внешнее ядро представляет собой электрический проводник, то есть может вести себя подобно электромагниту в тостере. Ученые полагают, что магнитное поле Земли создается электрическими токами, проходящими через ее внешнее ядро в ходе его вращения. Процесс основывается на медленном перемешивании расплавленной лавы во внешнем ядре Земли, а поскольку процесс перемешивания расплавленной лавы с течением времени меняется, происходит блуждание магнитных полюсов. Их ориентация примерно соответствует ориентации оси вращения Земли, так как вращение насыщенного железом внешнего ядра Земли обусловлено вращением планеты в целом, однако это соответствие лишь приблизительное.

Таким образом, при потребности в более точной навигации вы должны вносить поправку на текущее положение магнитного полюса, потому что он не совпадает с истинным Северным полюсом. Сегодняшние географические карты показывают направление обоих полюсов. Только что я посмотрела на карту южного побережья Великобритании (такие карты издаются картографическим управлением Великобритании и отличаются высокой точностью), в ней наверху указаны и северный магнитный полюс, и истинный Северный полюс. Глядя на нее, я прихожу к выводу, что если бы вы двигались по компасу строго на север и прошли бы при этом 40 километров, то в результате отклонились бы от истинного направления на север примерно на 1 километр в сторону запада. Географическая карта – относительно постоянный документ, тогда как магнитное поле, которое вы используете как инструмент ориентирования на местности, со временем изменяет направление. Наличие современных технологий вроде GPS избавляет нас от беспокойства по поводу блуждания магнитных полюсов. Но в авиации, где применяется одна из самых сложных навигационных систем нашего времени, фактор блуждания магнитных полюсов приходится учитывать.