Как доказать что земля магнит проект. Проект "Почему Земля - магнит?". «О сходстве электрической силы с магнитною»

ОТКРЫТЫЙ КОНКУРС ПРОЕКТОВ И УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ «ИЗЫСКАТЕЛЬ»

Тема:«Свойства магнита. Земля – огромный магнит»

Место выполнения работы: МАОУ "СОШ № 4" г.Миасс

Научный руководитель: Мельникова Ольга Михайловна

2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава I

1.2 Свойства магнита и его строение

1.3 Магнитное поле

2.1 Практические опыты, позволяющие изучить

магнитные свойства

2.1.7 Непостоянство магнита. Магнитное поле вокруг

проводника с током

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Согласно википедии магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Magnētis líthos (Μαγνῆτις λίθος), «камень из Магнесии» - от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита.

Магниты окружают нас повсюду - в наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, в часах, в банках с гвоздями, компьютере, наконец, сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, - гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты.

В последние годы все чаще появляется интересная информация о том, что у самого большого магнита – Земля происходят процессы в виде ускорения перемещения магнитных полюсов.

Недостаточность знаний по этому вопросу и желание понять, что же такое магнит, какими свойствами он обладает, как осуществляется механизм магнитного взаимодействия и что означает перемещение магнитных полюсов Земли, обусловили выбор темы исследования «Свойства магнита. Земля – огромный магнит».

Целью данной работы является исследование свойств магнита, понимание магнитных процессов Земли

Для достижения поставленной цели потребовалось сформулировать и решить следующие задачи:

Ознакомится с историей возникновения магнита

Изучить свойства магнита его строение, виды магнитов

Дать понятие магнитного поля магнита и магнитного поля Земли

Выяснить какие процессы происходят в магнитном поле Земли.

Провести доступные опыты для понимания свойств магнитов

Объект исследования - магнит, магнитные процессы Земли.

Предмет исследования – комплекс мероприятий, связанных с изучением свойств магнита, магнитных процессов Земли.

Гипотеза – магнит, это тело способное создавать собственное магнитное поле, Земля – магнит, имеющий способность менять свои полюса.

Актуальность – окружающие нас повсюду магниты обладают свойствами, понимание которых, необходимо каждому человеку, как в быту так и в промышленности, понимание магнитных процессов Земли необходимо с целью контролирования необратимых процессов, способных вызвать инверсию, представляющей собой глобальную катастрофу.

Методы исследования - сбор теоретической части, доказанной практическими опытами, с использованием магнита, иголки, гвоздя, железных опилок, куска провода и батарейки для карманного фонарика.

Практическая значимость работы заключена в подборе простейших опытов, позволяющих наглядно рассмотреть свойства магнита с целью понимания сложнейших процессов на уровне самого крупного магнита – Земли.

Глава I . Теоретические аспекты магнитных свойств

1.1 История возникновения магнита

Магнит известен человеку с незапамятных времён. Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус (у Льва Толстого в рассказе для детей «Магнит» этого пастуха зовут Магнис). Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии). Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес.

Много веков среди мореплавателей существовала легенда о магнитной скале, которая якобы способна притянуть из слишком близко подплывшего к ней корабля железные гвозди и разрушить его. К счастью, такое сильное магнитное поле может существовать только в окрестностях нейтронных звезд.

Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; у магнита невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсо-притяжении и отталкивании. К 12-13 векам нашей эры магнитные компасы уже использовались в навигации в странах Европы, в Китае и других странах мира.

В 1600 году вышло сочинение английского врача Уильяма Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстед на лекции попытался продемонстрировать своим студентам связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из его слушателей, он был буквально «ошарашен», увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Большой заслугой Эрстеда является то, что он оценил значения своего наблюдения и повторил опыт. Открытие взаимодействия между и магнитом и электричеством имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме.

В последующее время ещё многие свойства магнита были обнаружены и исследованы. Было замечено, что магниты, находящиеся на расстоянии один от другого, кажущимся образом действуют друг на друга: их одноименные концы взаимно отталкиваются, разноименные - взаимно притягиваются. Кусок железа или стали притягивается магнитом потому, что он сам обращается при этом в магнит. Магнитное состояние этого куска усиливается по мере уменьшения расстояния между ним и магнитом, оно достигает наибольшего развития, когда кусок пристает к тому или другому концу магнита. После отрывания или удаления стали или железа от магнита в них сохраняется магнитное состояние, но далеко не в одинаковой степени в различных сортах этих металлов. В стали остаточный магнетизм сильнее, чем в железе.

Природные магниты, не везде назывались магнитами в разных странах их называли по-разному: китайцы называли его чу-ши; греки - адамас и каламита, геркулесов камень; французы - айман; индусы - тхумбака; египтяне - кость Ора, испанцы - пьедрамант; немцы - магнесс и зигельштейн; англичане - лоудстоун. Половина этих названий переводится как любящий. Так, поэтическим языком древних описано свойство магнетита притягивать, «любить» железо. Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, в Украине, в Карелии, Курской области. Естественные магниты, выточенные из кусков магнитного железняка, иногда достигали больших размеров. В настоящее время в Тартусском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а подъемная сила 40 кг. Нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Их магнитное поле во много миллиардов раз больше, чем магнитное поле Земли.

В настоящее время для приготовления искусственных магнитов используют стальные полосы и стержни, прямые и подковообразные. Для сообщения им намагничивания ими натирают эти полосы и стержни одним концом сильного магнита, или же, обматывают эти полосы и стержни проволокой и пропускают по проволоке электрический ток.

Изучение магнита способствовало развитию науки. Например: изучение магнитных свойств горных пород позволило судить об условиях образования и преобразования минералов и горных пород, о природе магнитных аномалий Земли. Эти знания способствовали развитию науки тектоники (науки о строении и развитии земной коры). Магнитные свойства также используют в магнитной разведке, археологии. Магниты применяются в электромашинных генераторах и электродвигателях, магнитоэлектрических приборах, индукционных счетчиках электроэнергии. С применение магнита производят магнитные замки, динамометры, гальванометры, микроволновые печи. Магнитные поля широко применяют в лечебных целях. Словом, нет области прикладной деятельности человека, где бы не применялись магниты.

На протяжении тысячелетий ученые пытаются разгадать загадку самого главного и большого магнита «Земля». Еще в 14 веке английский физик Уильям Гильберт изготовил шарообразный магнит, исследовал его с помощью маленькой магнитной стрелки и пришел к выводу, что земной шар - огромный космический магнит.

1.2 Свойства магнита и его строение, виды магнитов

Магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом является электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον - янтарь) - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Постоянный магнит - изделие, длительное время, сохраняющее намагниченность.

Французский ученый Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы. Вокруг токов существуют магнитные поля, которые и приводят к возникновению магнитных свойств вещества. Во времена Ампера не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц – электронов вокруг ядра. Современная теория магнетизма подтвердила правильность предположения Ампера, что в каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы - электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали. Нарушение упорядоченного движения электронов, размагничивание, в основном производится доведением материалов до определенного уровня нагрева – точка Кюри, воздействием другим магнитным полем, как правило, электромагнитом.

Существуют постоянные и непостоянные магниты. Постоянные магниты бывают естественными и искусственными.

Естественные магниты – магниты, созданные природой. Железная руда- магнетит, является слабым магнитом (Рисунок 1.1). Уже на расстоянии 1м стрелка компаса перестает замечать его существование.

Рис. 1.1 Разновидность магнетита

Существует всего три вещества способных длительное время сохранять намагниченность – кобальт, железо и никель. Эти вещества сохраняют намагниченность когда, находящийся рядом магнит убирают. Искусственные магниты – магниты, созданные человеком, путём намагничивания железа или стали в магнитном поле. Искусственные магниты начали изготавливать в Англии в 18 веке. Их получают путём размещения куска стали вблизи магнита, прикосновения его к магниту или натирания стальной полоски магнитом в одном направлении. Виды искусственных магнитов представлены на рисунке 1.2.

Рис. 1.2 Виды искусственных магнитов

Обычно искусственным магнитам придают вид полосы – прямой или подковообразной и используют в качестве источников постоянного магнитного поля. Магниты изготовляются в виде подковы для того, чтобы приблизить полюса друг к другу с целью создать сильное магнитное поле, с помощью которого можно поднимать большие куски железа. Самый большой в мире искусственный постоянный магнит весит 2 т и применяется в оборудовании ядерного реактора Чикагского университета.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются по-разному. Например, диамагнетики (золото, серебро, медь) и парамагнетики (алюминий, магний, марганец) относятся к слабомагнитным веществам. Ферромагнетики (железо, кобальт, никель) относятся к сильномагнитным веществам и усиливают внутри себя магнитное поле в тысячи раз. Ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожёсткие. Магнитомягкие вещества, например, чистое железо, легко намагничиваются, но и быстро размагничиваются. Магнитожёсткие вещества, например, сталь, медленно намагничиваются и также медленно размагничиваются.

Добавка к железу вольфрама и кобальта улучшает свойства искусственных магнитов. Хорошим магнитным сплавом является сплав альнико на основе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно поднимать железные предметы в 500 раз превышающей массу самого магнита. Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. В Японии создали магнит, один квадратный сантиметр которого притягивает 900 кг груза. Изобретение представляет собой цилиндр высотой 2 см и диаметром 1,5 см. В уникальный сплав неодимового магнита входят такие металлы, как неодим, бор и железо. Неодимовый магнит известен своей мощностью притяжения и высокой стойкостью к размагничиванию. Имеет металлический внешний вид, очень востребован и применяется в разных областях промышленности, медицины, в быту и электронике. Неодимовым магнитом можно поднимать грузы до 400 кг. Поисковым магнитом на неодимовой основе часто вылавливают из реки тяжёлые сейфы и металлолом. Неодимовые магниты используются в производстве жёстких дисков для компьютеров. Обычно такие магниты имеют форму дуги. Компании, которые строят генераторы с магнитным возбуждением, в основном используют их, так как мощность генератора напрямую зависит от силы используемого магнита. Используются в DVD-приводах компьютеров в форме небольшого куба. Очень часто применяются в изготовлении динамиков наушников, радио, мобильных телефонов, смартфонов, планшетов, колонок и т.п. для большей громкости динамика. Производители масляных фильтров применяют неодимовые магниты для задержания металлической стружки из нефтепродуктов. Устройства металлодетекторов также содержат эти магниты. Неодимовые магниты теряют не более 1-2 % своей намагниченности за 10 лет. Но их можно легко размагнитить, нагрев до температуры +70 °C и более. В медицине неодимовые магниты используются в аппаратах для магнитно-резонансной томографии.

К непостоянному магниту относится понятие электромагнита - устройства, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Электромагнит представляет собой проволочную катушку с электрическим током. Отличительным свойством электромагнита является то, что его магнитным полем очень просто управлять, его можно включать и выключать.

Рис 1.3 Прямой провод с током. Ток (I), протекая через провод, создаёт магнитное поле (B) вокруг провода

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой - к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса - северный и южный.

Рис 1.4 Полюсы катушки с током

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис 1.5). Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.

Рис 1.5 Магнитные линии катушки с током

Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней. Магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Таким образом, электромагнит представляет собой катушку с железным сердечником внутри. Электромагнит - одна из основных деталей многих технических приборов. Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис 1.6).

Рис 1.6 Применение электромагнитов

На рисунке 1.7 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис 1.7 Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

У каждого магнита есть полюсы – места магнита, где наблюдается наибольшее взаимодействие. У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).

Рис 1.8 Полюса магнита

У полюсов магнита есть важное свойство – они неотделимы даже при разламывании магнита на части. Всякий магнит состоит из множества мелких магнитиков – доменов. Домены присутствуют даже в ненамагниченном железе в хаотическом расположении. В момент намагничивания домены поворачиваются северными полюсами на север, а южными на юг, и остаются в таком состоянии до тех пор, пока не повлияет фактор, возвращающий их в прежнее состояние.

Рис 1.9 Расположение доменов в ненамагниченном железе

Рис 1.10 Расположение доменов в намагниченном железе

Если магнитную стрелку приблизить к другой такой же стрелке, то они повернутся и установятся друг против друга противоположными полюсами. Так же взаимодействует стрелка и с любым магнитом. Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом, следовательно, разноимённые магнитные полюсы притягиваются, одноимённые отталкиваются. Это правило относится и к электромагнитам.

Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.

Подобно привычному для нас магниту Земля – является самым большим в нашем понимании магнитом.

В настоящее время однозначных взглядов на механизм возникновения магнитного поля Земли не существует. Общепринятой является идея о так называемом динамо-эффекте. Эта теория зародилась еще в 18 веке, когда английский ученый Генри Кавендиш измерил массу Земли. Стало ясно, что плотность Земли слишком высока, чтобы она состояла только из камня. И Кавендиш предположил, что центр нашей планеты состоит из железо-никелевого ядра – как и большинство метеоритов. В 1906 году ученые, изучив волны землетрясений, подтвердили теорию Кавендиша – Земля действительно имеет железо-никелевое ядро, то есть сферу приблизительно 6900 километров в диаметре, которая по своему весу составляет одну треть массы всей планеты. Это ядро с большой скоростью вращается в слое раскаленной магмы, создавая водовороты расплавленного никелевого железа, которые, в свою очередь, и создают эффект электрического тока, текущего по кругу. То есть, именно благодаря наличию подвижного ядра планеты, в Землю оказался, будто бы вставлен брусок магнита, поставленный по вертикали север полюс – южный полюс.

Интересен тот факт, что истинный южный магнитный полюс (отрицательный, где силовые линии магнитного поля «входят» в планету) расположен вблизи Северного географического полюса (в Канадском секторе Арктики), истинный северный магнитный полюс (положительный, где силовые линии «выходят» из Земли) сейчас находится недалеко от Южного географического полюса (в Индийском океане вблизи Антарктиды). Однако условно магнитные полюса Земли принято называть в соответствии с их географическим положением - южный магнитный полюс для удобства договорились считать северным, и наоборот.

Южный магнитный полюс Земли, удалён от Северного географического полюса примерно на 2100 км.

Рис 1.11 Магнитные линии магнитного поля Земли

Таким образом, Земля имеет четыре полюса – два магнитных, и два географических. Это открытие известно еще с 1492 года. Впервые это явление было открыто Колумбом. Когда он на своих каравеллах отправился через океан, то уже через день моряки обнаружили, что компас смотрит не точно на Север, а немного отклоняется. Они это проверяли по наблюдениям за Солнцем с помощью секстанта, который позволяет определить точное направление. Но это можно сделать 1-2 раза в день, а корабль движется постоянно, ориентируясь по компасу. На следующий день стрелка еще больше отклонилась, на корабле начался бунт. Колумб понял, что причиной отклонения являются свойства магнитного поля, и положил топор в том месте, где был компас, тем самым исправил направление стрелки. В своем вахтенном журнале Колумб сделал запись о том, что магнитное поле не всегда точно показывает на север и, что его нужно измерять. И с тех пор начал вести измерения магнитного поля, при этом Колумб и стал основоположником науки о земном магнетизме.

Можно сделать вывод о том, что магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами. В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске - около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске - на 17° влево от соответствующего меридиана.

Таким образом, магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем, длительное время сохраняющим намагниченность, объясняемой существованием электрического тока. Понятие электрический ток и магнит тесно связаны между собой, их взаимосвязям посвящена теория магнетизма. Магниты имеют неразрывные между собой полюса. Искусственные магниты – магниты созданные человеком, с целью получения необходимых свойств по силе превышающих свойства естественных магнитов, и повсеместно применяемых во всех областях промышленности и в быту. Магниты взаимодействуют между собой – одноименные полюса притягиваются, разноименные – отталкиваются, что обусловлено наличием магнитного поля. Самым маленьким магнитом является электрон – самым большим и интересующим нас – наша планета Земля, обладающая четырьмя полюсами, не совпадающими друг с другом – два полюса магнитные и два географические.

1.3 Магнитное поле

Пространство вокруг магнита, где действуют магнитные силы, называют магнитным полем.

Магнитные линии магнитного поля магнита (линии магнитной индукции) – замкнутые линии. Магнитные линии выходят из северного полюса (North) и входят в южный полюс (South), замыкаясь внутри магнита. Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца (рис 1.11).

Рис 1.11 Магнитные линии магнитного поля

Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок (рис 1.12).

Рис 1.12 «Видимое» магнитное поле из железных опилок.

Магнитные линии магнитного поля вокруг проводника с током зависят от направления тока в проводнике.

Существует магнитное поле Земли. Внешние расплавленные слои ядра Земли находятся в постоянном движении, в результате этого в них возникают магнитные поля, формирующие в конечном итоге магнитное поле Земли. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии, то есть какое-то отклонение. Краткосрочные аномалии – магнитные бури, постоянные аномалии – залежи железной руды на небольшой глубине.

Магнитные бури – кратковременные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на стрелку компаса. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью. В период усиления солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц, электронов и протонов. Магнитное поле, образуемое движущимися заряженными частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Магнитные бури - явление кратковременное.

Рис 1.13 А) магнитная буря на Солнце, б) магнитная буря на Земле.

Магнитные бури нередко порождают плохое самочувствие за счет образования кровеносных агрегатов, то есть повышения плотности крови, приводя к ухудшению кислородного обмена.

На земном шаре встречаются области, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклонено от направления магнитной линии Земли. Такие области называют областями магнитной аномалии. Одна из самых больших постоянных магнитных аномалий - Курская магнитная аномалия. Причиной таких аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине.

Рис 1.14 Курская магнитная аномалия

Магнитное поле Земли может изменяться – усиливаться или уменьшаться, основными причинами изменения являются: солнечный ветер, инверсия. Земля постоянно находится под потоком заряженных частиц, которые излучаются Солнцем. Этот поток получил название солнечного ветра. Солнечный ветер создает магнитные бури и полярные сияния. Северное сияние является результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли. Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.

Рис 1.15 Полярное сияние

Под воздействие солнечного ветра происходит деформация магнитосферы, таким образом, наша Земля обладает длинным магнитным хвостом, направленным от Солнца.

Рис 1.16 Магнитосфера Земли

Изучая свойства многих горных пород, используя остаточную намагниченность, геофизики пришли к выводу, что магнитные полюсы Земли много раз менялись местами. За последний миллион лет это случилось семь раз. 570 лет назад магнитные полюса были расположены в районе экватора.

В последнее время все чаще можно услышать о том, что происходит активный процесс по перемещению полюсов Земли, так называемой инверсии.

В декабре 2011 года геомагнитный полюс Земли сместился сразу на 200 километров, что было зафиксировано приборами Центрального Военно-технического института сухопутных войск. В целом ученые наблюдают ускорение движения магнитного северного полюса (и как следствие южного).

Инверсия на сегодняшний день является одной из самой опасной катастроф планетарного масштаба.

В момент инверсии напряженность магнитного поля ослабевает, оставляя людей беззащитными перед солнечной радиацией.

Рис 1.17 Инверсия

Ослабевание магнитного поля Земли приведет к неблагоприятным последствиям. Ученые из США еще в 60-е годы соорудили две камеры для экспериментов, в одной из них сохранялись земные условия, а другую окружили мощным металлически экраном, постепенно уменьшая напряженность магнитного поля Земли в сотни раз. В обе камеры поместили мышей, семена клевера и пшеницы. Через несколько месяцев опыт показал, что в экранированной камере мыши раньше теряли волосяной покров и умирали раньше. Их кожа оказалась более толстой по сравнению с контрольной группой. Кожа разбухала, вытесняя при этом волосяные луковицы, что было причиной облысения. А у растений были замечены более длинные и толстые корни.

Отслеживание состояния магнитного поля является очень важным, поскольку оно является барьером для мощного радиоактивного космического излучения.

Космические аппараты, долетевшие до других планет, зафиксировали их магнитные поля. Самыми сильными магнитными полями обладают: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Полёты межпланетных космических станций и космических кораблей на Луну позволили установить отсутствие у неё магнитного поля. Сильная намагниченность пород лунного грунта, доставленного на Землю, позволяет учёным сделать вывод, что миллиарды лет назад у Луны могло существовать магнитное поле.

Таким образом, можно сделать вывод, что пространство вокруг магнитного поля – пространство вокруг магнита, представляющего замкнутые магнитные линии, выходящие из северного полюса и входящие в южный полюс. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии - краткосрочные – в виде магнитных бурь, и постоянные – в виде образованных областей магнитных аномалий, самой крупной из которых является Курская магнитная аномалия. Магнитное поле Земли подвержено изменению, главными факторами являются – солнечный ветер и инверсия. Инверсия, представляет собой процесс, в результате которого, магнитные полюса меняются местами, и процесс сопровождаемый ослаблением магнитного поля – главного защитника Земли.

Глава 2. Практические аспекты магнитных свойств

2.1 Практические опыты, позволяющие изучить магнитные свойства

2.1.1 Как создать простейший искусственный магнит

Простейший искусственный магнит легко создать и в этом можно убедиться с помощью простейшего опыта. Для опыта необходимо иметь магнит, иголку, пенопласт и тарелку с водой. Чтобы иголка намагнитилась необходимо прикоснуться к ней любым магнитом. Проверить намагниченность можно опустив ее в опилки. По количеству притянутых опилок можно судить о том, что на краях иголки притяжение намного сильнее, чем посередине. То место, где магнит притягивает сильнее всего и называется полюсом.

Рис. 2.1 Намагничивание иголки Рис. 2.2 Притягивание железных опилок

2.1.2 Как проверить наличие полюсов?

Проверить наличие полюсов можно с помощью помещения намагниченной иголки на поплавке в тарелку с водой. После погружения иголка выстроится так, что один конец будет смотреть на север, а другой на юг, что легко проверяется компасом. Соответственно тот конец, который смотрит на север, называется северным полюсом, а тот который смотрит на юг – южным полюсом.

Рис. 2.3 Проверка при помощи компаса «иголка – магнит»

Рис. 2.4 Взаимодействие магнитов – «притяжение-отталкивание»

2.1.3 Доказательство, что полюсы магнита неотделимы

Отделить полюсы друг от друга невозможно, что доказывается с помощью опыта с делением намагниченной иголки на части. В результате проведения опыта можно сделать вывод, что даже у полученных частей иголки имеются два полюса.

Рис. 2.5 Деление намагниченной иголки на части

2.1.4 Способы размагничивания магнита

В теоретической части нами получен вывод, что всякий магнит состоит из множества крошечных магнитиков, и у каждого магнитика есть оба полюса: северный и южный. «Крошечные магнитики» принято называть доменами. В ненамагниченном железе домены располагаются в разных направлениях. После намагничивания домены поворачиваются в одну сторону северными полюсами и в другую сторону – южными. Размагничивание возможно путем нагревания магнита выше температуры Кюри, применения сильного удара молотком по магниту, помещение магнита в переменное магнитное поле. Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов, жёстких дисков, стирания информации на магнитных карточках и так далее. В результате ударов происходит частичное размагничивание материалов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.

Нами проведен доступный опыт с нагреванием ранее намагниченной иголки. После нагревания иголки на огне опилки больше не притягиваются – значит, намагниченность исчезла.

Рис. 2.6 Нагревание намагниченной иголки Рис.2.7 Отсутствие магнитного поля после нагрева

2.1.5 Наглядное представление магнитного поля

Магнитное поле невидимо, но увидеть его мы можем путем проведения опыта с опилками, положив на магнит лист плотной бумаги, предварительно наспав ровным слоем железные опилки. После легкого постукивания по листу каждая крупинка железа, намагнитившись, приобрела северный и южный полюс, став своеобразной магнитной стрелочкой. Опилки располагаются таким образом, что сразу становиться наглядным расположение магнитных сил. У полюсов, где магнитное поле сильнее всего, линии, вдоль которых действуют магнитные силы, идут плотнее, их называют магнитными силовыми линиями.

Рис. 2.8 Наглядное представление магнитного поля

В момент опускания намагниченной иголки в опилки можно заметить, что еще до момента соприкосновения опилки уже начинали прилипать к острию, следовательно, магнитные силы действуют на расстоянии.

2.1.6 Взаимодействие магнитов

Одно из наиболее часто встречающихся в обычной жизни проявлений магнитного поля - взаимодействие двух магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, противоположные притягиваются (рисунок 2.4). Исследовать этот процесс можно с помощью опыта с использованием иголки на поплавке. Достаточно поднести к ней магнит северным полюсом – иголка повернется к нему южным полюсом, а при поднесении магнита южным полюсом повернется северным. Следовательно, разные полюсы притягиваются друг к другу.

2.1.7 Непостоянство магнита. Магнитное поле вокруг проводника с током.

Для подтверждения факта существования непостоянного магнита – электромагнита, наглядно демонстрирующего взаимосвязь электрического тока и магнита, нами проведен опыт с использование батарейки, провода, и компаса. Подсоединив концы провода к клеммам батарейки, и поднеся его к компасу, мы убедились в том, что стрелка сразу меняет направление на противоположное, что обусловлено наличием магнитного поля. Поменяв концы местами, мы увидели, что магнитное поле тут же «перевернулось» - это и показывает нам магнитная стрелка компаса.

Из этого опыта можно заключить, что электромагнит – непостоянный магнит, магнитным полем которого можно управлять. Направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике (Рисунок 2.9).

Рис. 2.9. Расположение стрелки после помещения проводника с током к компасу

Заключение

Изучение теоретических аспектов магнитных свойств и взаимодействий, с подтверждением их практическими опытами, сделали возможным достижение поставленной цели настоящей работы – получение представления о магнитных свойствах магнита и Земли.

В ходе работы над проектом выяснено, что магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем, длительное время сохраняющим намагниченность. Намагниченность тел объясняется существованием электрических токов, то есть понятия электрический ток и магнит связаны между собой, их взаимосвязям посвящен целый раздел физики. Магниты, созданные природой слабее искусственных магнитов, созданных человеком и широко применяемых во всех областях промышленности и в быту.

Магниты, обладая неразрывными двумя полюсами способны размагнититься при нагревании до определенной температуры. Магниты взаимодействуют между собой, что объясняется наличием магнитного поля. Самым маленьким магнитом является электрон и самым большим, интересующим нас магнитом является Земля – обладающая четырьмя полюсами – двумя магнитными и двумя географическими не совпадающими друг с другом.

Магнитное поле представляет собой замкнутые линии, выходящие из северного полюса и входящие в южный полюс. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии – краткосрочные в виде магнитных бурь и области магнитных аномалий. Магнитное поле Земли подвержено изменению, основными влияющими факторами является солнечный ветер и инверсия. Инверсия представляет собой процесс, в ходе которого магнитные полюса меняются местами, уменьшая напряженность магнитного поля – главного защитника Земли.

Таким образом, можно сделать вывод, что задачи, поставленные в начале проекта, решены, получены начальные знания о магнитных процессах магнитов и Земли, в отношении которой теперь мне известно, что так называемая «переполюсовка» - неизбежный процесс, который опасен как для всего человечества и отдельному его представителю. И если теперь мне зададут вопрос: «А знаю ли я, где находятся магнитные полюса?» я обязательно спрошу «В какое время интересует нахождение полюсов?».

Список литературы

Большая книга экспериментов для школьников/ Под ред. Антонеллы Мейяни; Пер. с ит. Э.И. Мотылевой. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2006. – 260 с.

Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. Том 7 – Москва, 1994.

Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика / Сост. А.А. Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998. – 480 с.

М. А. Константиновский «Почему Земля – магнит?»

Энциклопедия Википедия. Магнит.

А.И. Дьяченко Магнитные полюса Земли. Серия: Библиотека. Математическое просвещение. М.: МЦНМО, 2003. – 48 с.

Открыли новый этап в развитии науки о земном магнетизме, науки, насчитывающей уже четыре столетия своего существования.

Как известно, еще в 1600 году в Лондоне вышла знаменитая книга Вильяма Гильберта «О магните», где впервые было установлено, что наша планета представляет собой большой шарообразный магнит, ничем не отличающийся по своим проявлениям на поверхности от любого другого сферического магнита. Шаровые магниты вытачивались Гильбертом из природной намагниченной железной руды (магнетита) и исследовались в качестве моделей Большой Земли. Такая малая модель земного шара была названа Гильбертом терреллой - землицей.

В последующие столетия изучение магнетизма нашей планеты интенсивно развивалось. В настоящее время учение о земном магнитном поле представляет собой разветвленную область знаний, связанных со многими науками о Земле и Солнце. Благодаря новейшим научным исследованиям в самое последнее время были намечены пути, позволяющие хотя бы в общих чертах выяснить происхождение магнетизма Земли. Впервые после многих десятков лет напряженных поисков и исканий ученые получили возможность измерения напряженности геомагнитного поля не только на поверхности планеты, но и на больших расстояниях от Земли. В настоящее время приборы, установленные на искусственных спутниках и ракетах, открывают завесу над тайнами распределения магнитного поля на больших расстояниях от центра Земли. Теперь мы можем на основе тщательных наблюдений утверждать, что источники земного магнетизма находятся в основном в трех сферах нашей планеты: в ядре, коре и высокой атмосфере. Главное магнитное поле Земли более или менее постоянно. Это объясняется большинством современных исследований как результат действия замкнутых систем электрических токов в жидкообразном ядре, внешняя оболочка которого отстоит на 3 000 километров от земной поверхности. Внутри ядра имеется как бы катушка из проводника, обтекаемая электрическим током. Она создает первичное магнитное поле, наблюдаемое на Земле и управляющее перемещением стрелки компаса. Но первичное поле не строго постоянно: оно меняется, отражая изменения в силе и в направлении электрических токов . Такие изменения бывают, по-видимому, двух родов: одни - очень медленные, обнаруживаемые по истечении десятков тысяч лет, и другие - более быстрые, вековые изменения. Последние объясняются наложением на поле главных токовых систем в жидком ядре полей от мелких вихревых токов, образующихся на его поверхности и быстро перемещающихся с востока на запад.

Как известно, географические и магнитные полюсы Земли не совпадают, а углы между магнитными и географическими меридианами, называемые склонением, с течением времени изменяются вследствие векового хода поля. Но для использования компаса в морской и воздушной навигации надо точно знать распределение склонения на всей поверхности земного шара. Для этой цели во многих странах создана государственная служба земного магнетизма, которая следит за состоянием магнитного поля Земли, составляет карты распределения этого поля, необходимые для штурманской службы и других практических нужд.

Второй областью источников геомагнитного поля является земная кора. Горные породы, содержащие окислы железа и других ферромагнитных металлов, остывая в первичном магнитном поле Земли, могут приобретать весьма сильную намагниченность. Интересно отметить, что именно этот вторично образовавшийся магнетизм железных руд и создал первое представление о том, что Земля является ферромагнитным намагниченным шаром (Гильберт). Но ферромагнитные элементы неравномерно распределены в земной коре. Там, где их скопилось больше, в распределении магнитного поля обнаружены значительные отклонения от нормального. Такие места поверхности Земли получили название магнитных аномалий. В нашей стране имеется много магнитных аномалий. На одной из них - Курской магнитной аномалии - напряженность магнитного поля в пять раз больше средней напряженности поля Земли. Проведение магнитной съемки имеет, таким образом, огромное научное и практическое значение, ибо оно связано с планомерным использованием полезных ископаемых земной коры и выяснением структуры геомагнитного поля в целом.

Следует также отметить, что исследования магнитного поля, возникающего в земной коре, служат в настоящее время выяснению многих вопросов геологической истории. В далекие геологические времена, отстоящие от нас на сотни миллионов лет, происходили вулканические извержения; лавы остывали в магнитном поле Земли, и при этом они намагничивались по направлению существовавшего тогда земного магнитного поля. Если с тех пор породы не подвергались серьезным дислокациям и сдвигам, то, выбирая куски этих пород и измеряя направление остаточной намагниченности, можно выяснить, как было направлено геомагнитное поле в эпоху остывания лав. Оказалось также, что осадочные породы, включая в себя крупинки ранее намагниченных ферромагнитных горных пород, при осаждении их в водоемах закрепляли в себе направление геомагнитного поля, которое существовало во время образования пород. Исследования горных пород, позволяющие определить, как было направлено геомагнитное поле в отдаленные геологические эпохи, называются палеомагнитными. В течение последних лет выполнен обширный цикл таких работ. В результате ученые пришли к выводу, что земное поле во все геологические эпохи имело такое же строение, как и в настоящее время, то есть оно являлось полем намагниченного шара с двумя полюсами (дипольным); однако в разные времена эти полюса меняли свое место на поверхности Земли; например, в докембрийское время северный магнитный полюс перемещался с северо-запада на восток и далее в юго-восточном направлении.

Сделал и прислал Кайдалов Анатолий.
_____________________

Читатель!
Прежде всего я должен честно тебя предупредить: вопрос, который ты только что прочёл на обложке, - «Почему Земля - магнит?» - ужасно сложный. Мало того, признаюсь тебе по секрету: окончательного ответа на него нет до сих пор. Но разве не интересно попытаться самому раскрыть тайну, которую не разгадал ещё никто на свете? Я знаю, трудности тебя не испугают! Однако ты, как человек разумный, хорошо понимаешь: с налёту, эдаким лихим наскоком, тайну природы не раскроешь. Нужно как следует подготовиться, изучить со всех сторон вопрос, которым тебе предстоит заняться. Но у сложного вопроса много сторон. В каком порядке их изучать?
Давай наметим план действий. Раз ты решил выяснить, почему Земля - магнит, тебе не мешает сначала познакомиться со свойствами магнитов. Вооружившись этими сведениями, ты сможешь исследовать и магнитные свойства нашей чудесной планеты. А затем попробуешь найти этим свойствам объяснение.
Для опытов тебе понадобится немного: магнит, иголки, гвоздь, железные опилки (их ты можешь получить, опилив над листком бумаги тот же гвоздь напильником с мелкой насечкой), кусок провода и батарейка для карманного фонарика.
Итак, за дело!

КАК СДЕЛАТЬ МАГНИТНЫЙ КОМПАС?

Прикоснись иголкой к любому магниту, какой найдётся в квартире: к магнитному держателю для мыла, магниту громкоговорителя или, на худой конец, к магнитной резине на дверце холодильника.
Положи иголку на железные опилки. Смотри: крупинки железа сразу же прилипли к ней! Раньше не прилипали, а теперь прилипли. Выходит, стоило иголке «пообщаться» с магнитом, как она и сама стала магнитом - намагнитилась!
Но обрати внимание: посредине иголки крупинок прилипло немного, зато концы облеплены так, что получились «ёжики»! Значит, на концах магнит притягивает намного сильнее, чем в середине.
Можно убедиться в этом и с помощью другого опыта: прикоснись гвоздём к середине намагниченной иголки - она не притянется, а прикоснёшься к концам - притянется. То место, где магнит притягивает сильнее всего, называется ПОЛЮСОМ.
Сколько у иголки таких мест? Считать недолго - два.
Значит, и полюса два. Есть ли между ними какая-нибудь разница?
Укрепи иголку-магнит на поплавке (можно попросту проткнуть кусочек пробки или пенопласта) и пусти плавать в тарелке.
Смотри: иголка повернулась так, что одним концом смотрит на север, а другим на юг. Ты можешь это проверить по Солнцу (в полдень оно точно на юге) или с помощью компаса.
Попробуй повернуть иголку-магнит наоборот. Видишь - она тут же вернулась в прежнее положение. И упрямо возвращается, как бы ты её ни крутил.
Но раз один магнитный полюс всё время смотрит на север, а другой - на юг, значит, полюсы магнита отличаются друг от друга!
Естественно, что тот полюс, который смотрит на север, назвали СЕВЕРНЫМ ПОЛЮСОМ, а тот, что на юг - ЮЖНЫМ ПОЛЮСОМ.
Магнитный компас, которым пользовались в давние времена моряки, очень похож на твой самодельный компас: это был просто магнит на поплавке.
В современном корабельном компасе тоже есть поплавок, но художник его не нарисовал, чтобы тебе видны были магниты. Их в морском компасе несколько (четыре или шесть).
Как бы сильно ни накренилось судно при качке, магниты останутся в горизонтальном положении.

МОЖНО ЛИ ОТДЕЛИТЬ СЕВЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ ПОЛЮС ОТ ЮЖНОГО?

Переломи свою иголку-магнит посредине (что поделаешь, наука требует расходов!). Только осторожно, не уколись: оберни иголку мокрой тряпочкой или бумажкой и тогда уже ломай. Готово? Теперь положи обе половинки на железные опилки. И у той, и у другой, как ни в чём не бывало, притягивают оба конца!
Пусти плавать на поплавке ту половинку иглы, которую ты хотел лишить южного полюса, оставив ей только северный. Он и смотрит по-прежнему на север, а другой конец половинки - тот, что жил прежде посредине иглы, - на юг. Значит, это южный полюс!
Таким же образом ты убедишься, что вторая половинка, которой ты хотел оставить только южный полюс, «отрастила» себе новый северный полюс.
Оказывается, магниты даже ящериц перещеголяли: ящерица отращивает только хвост, да и то ей нужно на это время, а магнит восстанавливает взамен утраченного любой полюс, с какого угодно конца, и притом мгновенно!
До каких пор он сохраняет эту необыкновенную способность?
Ломать иголку на ещё более мелкие части трудно, да и опасно - можно поранить руки. А вот если тебе удастся раздобыть пилку для лобзика (она длинная, тонкая, хрупкая и к тому же хорошо намагничивается), ты быстро убедишься, что, сколько её ни ломай, у любого её обломочка, даже самого маленького, обязательно есть оба магнитных полюса - и северный, и южный.
Я уверен, что когда ты подумаешь над этим, тебе придёт в голову (а может, уже пришла) мысль, которая позволит очень просто объяснить этот удивительный факт: «Наверное, всякий магнит состоит из множества крошечных магнитиков, и у каждого магнитика есть оба полюса - и северный, и южный».

КАК УСТРОЕН МАГНИТ?

Итак, ты предположил, что всякий магнит состоит из множества микроскопических магнитиков, северные полюсы которых смотрят в одну сторону, а южные в другую.
Представь себе - учёным удалось доказать, что магнит устроен именно так.
Но вот что интересно: оказывается, крошечные магнитики - их называют ДОМЕНАМИ - есть даже в ненамагниченном железе! А почему же оно никак не проявляет своих магнитных свойств, хотя прямо-таки «набито» магнитиками-доменами? Вероятно, ты сам догадался: пока железо не намагнитили, его домены располагаются «кто в лес, кто по дрова». А вот когда железо намагничивают, все его домены поворачиваются, словно миниатюрные магнитные стрелочки, и начинают смотреть своими северными полюсами в одну сторону, южными в другую.
Теперь тебе понятно, как намагнитилась твоя иголка - она ведь железная! Стоило тебе прикоснуться иголкой к магниту, как все её домены повернулись в одну сторону, словно по команде: «Рравняйсь!!!» Да так и остались. Иголка сама превратилась в магнит! И будет оставаться магнитом, пока что-нибудь не нарушит строй магнитиков-доменов.
В ненамагниченном железе магнитики-домены располагаются как попало...
...но магнит, пообщавшись с железом, наводит среди доменов «железный» порядок.

КАК РАЗМАГНИТИТЬ МАГНИТ?

Попроси кого-нибудь из взрослых нагреть намагниченную иголку так, чтобы она раскалилась (нагревать лучше не спичкой, а в пламени кухонной горелки). Дай иголке остыть и снова опусти в железные опилки. Концы иголки больше не притягивают! Иголка размагнитилась! Почему?
Ты знаешь, конечно, что все на свете вещества состоят из крошечных-прекрошечных частичек - атомов. Разумеется, из атомов состоит и железо. В каждом домене ни много, ни мало - тысяча миллиардов атомов железа! Причём атомы железа в домене подчинены такой же «железной дисциплине», как и сами домены в магните. Но даже в твёрдом теле, и в иголке тоже, атомы непрерывно колеблются, слегка «приплясывают» на месте. Чем сильнее нагрето тело, тем быстрее и беспорядочнее это приплясывание.
Раскалив намагниченную иголку, ты довёл приплясывание атомов железа до бешеной пляски. Понятно, что «железная дисциплина» атомов в доменах нарушилась - домены исчезли, а вместе с ними исчезла и намагниченность. Правда, потом, когда
иголка остыла, домены в ней появились снова, но теперь они смотрят куда попало. Чтобы опять заставить их повернуться в одну сторону, нужна новая «магнитная команда», то есть, иголку придётся намагничивать заново.

ЧТО ОКРУЖАЕТ МАГНИТ?

Опусти гвоздь остриём в железные опилки и приближай к шляпке магнит. Он ещё не прикоснулся к шляпке, а крупинки уже прилипают к острию! Значит, магнитные силы действуют на расстоянии.
Пространство вокруг магнита, где действуют магнитные силы, называют МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.
Исследуй, как ведёт себя в магнитном поле твоя намагниченная иголка на поплавке. Поднеси к ней магнит северным полюсом. Она сразу «заволновалась» и повернулась к нему... каким полюсом? Южным! Теперь поднеси магнит южным полюсом - иголка повернулась и поплыла к нему северным полюсом. Ясно, какой ты сделаешь из этого вывод: разные полюсы испытывают друг к другу явную симпатию - притягиваются. Южный к северному, северный к южному.

Но вернёмся к магнитному полю. К сожалению, мы его не ощущаем и не видим. И всё-таки ты можешь сделать его видимым! Положи на магнит лист плотной бумаги или тонкого плексигласа и насыпь сверху ровным слоем железные опилки. Теперь постучи слегка по листу пальцем. Смотри, какая картинка получилась!
Каждая крупинка железа, попав в магнитное поле, намагнитилась, «приобрела» северный и южный полюсы и стала как бы малюсенькой магнитной стрелочкой. Тысячи таких стрелочек и нарисовали картинку: на ней сразу видно, в каком направлении действуют магнитные силы. Обрати внимание: у полюсов, где магнитное поле сильнее всего, линии, вдоль которых действуют магнитные силы - их называют МАГНИТНЫМИ СИЛОВЫМИ ЛИНИЯМИ, - идут густо-прегусто.
Глянешь на картинку, и магнитное поле как на ладони! Сразу становится ясно, где оно сильнее, где слабее и в каком направлении магнитные силы повернут магнитную стрелку в той или иной точке этого поля.
Вот как выглядит магнитное поле магнита в форме цилиндра. А как оно выглядит у магнита в форме подковы? Это ты можешь увидеть на третьей странице обложки (в самом конце книги).

КАК ВЫГЛЯДИТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ?

Теперь ты можешь приступить ко второй части своего плана: исследовать магнитные
свойства нашей планеты. Картонку с железными опилками на Земной шар не положишь, но о магнитном поле Земли можно судить по поведению двух магнитных стрелок. Одна стрелка - обычного компаса, она способна поворачиваться только влево-вправо. Её дополняет другая магнитная стрелка, которая способна поворачиваться вверх и вниз - её называют СТРЕЛКОЙ НАКЛОНЕНИЯ.
Облазав с этими двумя стрелками весь Земной шар, а также облетав его со всех сторон и на разных высотах в космическом корабле (как жаль, что всё это только в воображении!), ты нарисуешь магнитные силовые линии Земли и увидишь, как выглядит её магнитное поле.
Во время этого путешествия ты обнаружишь на Земле две замечательные точки: стрелка
наклонения здесь становится вертикально и показывает остриём вниз, а стрелка обычного компаса вообще ничего не показывает - она крутится, как ей вздумается. Эти две точки - магнитные полюсы Земли!

ПОЧЕМУ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ «КУВЫРКАЕТСЯ»?

Нам с тобой повезло - в наши дни геофизики, то есть физики, изучающие Землю, умеют выстукивать её, просвечивать и взвешивать не хуже, чем врач больного. И вот многие из них предполагают, что в глубинах Земного шара, особенно в сердцевине Земли - её ядре, действительно много богатых железом веществ и даже чистого железа! Правда, в глубинах нашей планеты ужасно жарко - на очень большой глубине температура такая высокая, что железо там находится в расплавленном состоянии, словно в доменной печи.
«Но разве расплавленное железо способно намагнититься? - удивишься ты. - Я просто раскалил иголку, и то она потеряла магнитные свойства!»
Видишь ли, твоё возражение было бы правильным, если бы речь шла не о ядре Земли. Там ведь царят совсем другие условия! На вещество ядра давит вся земная толща. Колоссальное давление «притискивает» друг к другу атомы железа с такой неимоверной силой, что в середине ядра жидкое железо снова становится твёрдым, хотя температура там четыре тысячи градусов. У нас, на поверхности, железо при такой температуре давно превратилось бы в пар!
Что если в таких необычных условиях магнитные свойства у железа тоже необычные? Вполне возможно (учёные это допускают), что оно всё-таки способно намагничиваться, несмотря на адскую жару. Но если даже твёрдое железное ядро Земли намагничено, всё равно сейчас можно уверенно сказать: не железный магнит внутри нашей планеты главный «виновник» того, что у Земного шара есть магнитное поле!
Откуда такая уверенность? Она появилась не так давно - после того, как геофизики ухитрились узнать, каким было магнитное поле Земли тысячи и даже миллионы лет назад. У многих горных пород (особенно у тех, что содержат железо) оказалась отличная магнитная память! Допустим, вылилась когда-то во время извержения вулкана лава, и пока она остывала, магнитное поле Земли её намагнитило. Потом оно изменилось, но у затвердевшей лавы осталось «воспоминание» о том магнитном поле, которое её первым намагнитило - ОСТАТОЧНАЯ НАМАГНИЧЕННОСТЬ. Её-то и научились измерять геофизики. И обнаружили невероятную вещь: магнитные полюсы.
Земли много раз менялись местами! Скажем, за последний миллион лет это случилось семь раз. Причём седьмой раз они поменялись местами примерно десять тысяч лет назад. И вот что удивительно: «обмен» магнитными полюсами совершался прямо-таки с фантастической быстротой - магнитному полю Земли, чтобы перевернуться, требовалось всего-навсего несколько десятков лет! Для нас с тобой это срок немалый, а для нашей планеты, которая живёт больше четырёх миллиардов лет, - краткий миг!
Такой прыти от «спрятанного» в ядре Земли магнита никто не ожидал. Вообще-то учёным давно было известно, что магнитные полюсы Земли путешествуют. Но чтобы Северный магнитный полюс переехал на место Южного и наоборот? Да ещё так быстро? Нет, ни у одного уважающего себя железного магнита магнитное поле не станет кувыркаться, как акробат! Да и не сможет: перемагнитить железный магнит можно только «насильно» - с помощью более сильного магнита (ты можешь это проделать со своей намагниченной иголкой). Однако никто никогда не видел, чтобы железный магнит вдруг сам ни с того ни с сего поменял местами полюсы - недаром его называют ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ.

Некоторые геофизики сравнивают нашу планету с доменной печью: тяжёлое железо стекает вниз, к сердцевине Земли - её ядру, а более лёгкий «шлак» всплывает. Мы с тобой живём на тоненькой корочке застывшего сверху «шлака».
И в наше время после каждого извержения вулкана лава, остывая, намагничивается в магнитном поле Земли...

Но если не железный магнит в ядре Земли - главный виновник того, что у неё есть магнитное поле, то кто же?
Теперь ты перейдёшь к третьей, самой трудной части своего плана: попробуешь объяснить магнитные свойства Земли.

МОЖЕТ ЛИ МАГНИТ БЫТЬ «НЕПОСТОЯННЫМ»?

Протяни над стрелкой компаса (всё равно какого - покупного или своего, самодельного, на поплавке) провод и прикоснись на мгновение его концами к «плюсу» и «минусу» батарейки для карманного фонарика. Стрелка отклонилась, словно к ней поднесли магнит!
Ещё сильнее будет эффект, если ты намотаешь на картонную или бумажную трубку с полсотни витков тонкого провода и подключишь его концы к батарейке. Проволочная катушка, по которой идёт электрический ток, ведёт себя как настоящий магнит! Она не только поворачивает магнитную стрелку, но может и намагнитить железные предметы - в этом ты можешь убедиться, поместив внутрь катушки гвоздь и сунув его конец в железные опилки.
Проволочная катушка с электрическим током называется ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ. Но какой же это удивительный магнит - электромагнит! Его можно включать и выключать, его магнитным полем очень просто управлять. Увеличил ток, подсоединив ещё одну батарейку, - магнитное поле усилилось. Уменьшил ток, пустив его через лампочку, - поле стало слабее. Поменял местами концы катушки, магнитное поле тут же «перевернулось» - это легко обнаружит магнитная стрелка. Так и хочется назвать катушку с током «непостоянным магнитом»!
А как выглядит её магнитное поле? Накрой катушку листком бумаги с железными опилками и пощёлкай по листку.
Смотри: силовые линии магнитного поля у катушки с током в точности такие, как у магнита тех же размеров в форме цилиндра! Но ведь и у Земли - помнишь? - магнитное поле такое, как если бы внутри неё был магнит в форме цилиндра...
А спорим, что я знаю, о чём ты сейчас подумал! «Вот если бы в ядре Земли был не железный магнит, а катушка с электрическим током, то странное поведение земного магнитного поля легче было бы объяснить... Только откуда в ядре Земли катушка из проволоки?»
Ты прав, не может её там быть. И всё-таки твоя мысль заслуживает серьёзного обсуждения! Что, если электрический ток способен течь по кругу без всякой катушки?
Однако прежде чем решить, способен он так течь или не способен, надо сначала выяснить, что же это такое - электрический ток.

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК?

«Ток» - значит, что-то течёт. По трубам текут жидкости и газы: вода, нефть, воздух, горючий газ...
А что и куда течёт по проводу, когда ты подключаешь его концы к батарейке?
Долгое время учёные думали, что по проводам течёт особая электрическая жидкость. Что представляет собой эта загадочная жидкость, из чего состоит, никто не мог толком объяснить. Но вот в самом конце прошлого века английский физик Джозеф Джон Томсон открыл невероятно лёгкие и малюсенькие электрические частички. Они оказались намного меньше даже крошечных-прекрошечных атомов! Томсон назвал открытые им частицы ЭЛЕКТРОНАМИ.
Вскоре после этого открытия другой английский физик, Эрнест Резерфорд, установил, что электроны «живут» в каждом атоме - они непрерывно кружатся вокруг атомного ядра.
Но вот какая интересная особенность оказалась у атомов металлов: самые дальние от атомного ядра электроны легко покидают свои атомы и начинают бродить по всему металлу. В любом металле полным-полно таких беспризорных, или, как называют их физики, свободных электронов. И конечно, в любом металлическом проводе их тоже великое множество. Они беспорядочно мечутся между атомами металла... пока не появится сила, которая заставит их двигаться в каком-нибудь одном направлении.
Подключил ты, например, концы провода к «плюсу» и «минусу» батарейки - и сразу же появилась сила, которая заставила электроны двигаться к «плюсу» батарейки. По проводу пошёл ток.
Правда, свободные электроны - «существа» настолько непоседливые, что даже во время этого направленного движения продолжают метаться из стороны в сторону. Словом, ведут себя, как рой мошек, когда его сдувает ветерком: каждая мошка в рое мечется туда-сюда вроде бы беспорядочно, но в целом рой всё-таки движется под действием ветерка в одном направлении! Вот что такое электрический ток - это направленное движение электронов!

КАК ЗАСТАВИТЬ ЭЛЕКТРОНЫ ДВИГАТЬСЯ ПО КРУГУ?

Теперь мы с тобой можем вернуться к вопросу: способен ли электрический ток течь по кругу без проволочной катушки? Выясним сначала, нельзя ли создать направленное движение электронов прямо в толще металла - твёрдого или жидкого? Говоря о толще металла, мы, само собой, имеем в виду железное ядро Земли.
В толще океана подобные вещи бывают. Взять хотя бы знаменитое течение Гольфстрим: мощная струя воды течёт в океане словно по гигантской невидимой трубе, хотя на самом деле никакой трубы, конечно, нет. Не могло ли и в Земном ядре возникнуть могучее «течение» электронов? Причём течение в форме кольца, чтобы электроны двигались словно по виткам гигантской проволочной катушки, хотя никакой катушки там, конечно, нет. Что может заставить электроны двигаться таким образом?
Вспомни свой опыт - «провод с током над магнитной стрелкой». Проделав его, ты обнаружил, что электрический ток создаёт магнитное поле. Потом ты узнал, что электрический ток - это направленное движение электронов. Значит, это движущиеся электроны создают вокруг себя магнитное поле! Каждый электрон, когда он движется, превращается в крошечный магнитик!
Но в таком случае на электрон-магнитик должны как-то влиять другие магниты. Они и в самом деле влияют! Если электрон вторгается во владения какого-нибудь магнита, то есть в его магнитное поле, оно сбивает пришельца с пути. Посмотри на картинку: электрон собирался пересечь «чужое» магнитное поле и влетел в него поперёк магнитных силовых линий, но не тут-то было! Магнитное поле искривило путь «нарушителя», и он вместо прямой полетел... как? По кругу!

ПОЧЕМУ ЖЕ ЗЕМЛЯ - МАГНИТ?

Попробуем представить, как могло возникнуть у нашей планеты магнитное поле...
У ядра Земли, как ты помнишь, сердцевина из твёрдого железа, нагретого до очень высокой температуры. И вот однажды во время беспорядочной тепловой пляски атомов-магнитиков железа какое-то их число, пусть небольшое, случайно оказалось повёрнутым в одну сторону. Могло это произойти? Вполне! Такое и с танцорами-людьми бывает. Немедленно у ядра появилось магнитное поле - слабое-преслабое, но появилось. Оно бы тут же исчезло, но в этот момент началось самое интересное...
Сердцевина из твёрдого железа окружена в ядре толщей жидкого железа. А жидкость может течь! Даже в застойном пруду вода хоть медленно, да перемешивается. А жидкая толща ядра и подавно живёт бурной жизнью: Земля ведь вращается, словно волчок, - уже от одного этого в жидкой части ядра наверняка возникают потоки.
Представь, что какой-то из этих потоков течёт поперёк слабого-преслабого случайно возникшего магнитного поля. Что произойдёт со свободными электронами, которых в железе, как и во всяком металле, полным-полно? Ясно что: когда они вместе с потоком начнут пересекать магнитное поле, оно искривит их путь и заставит двигаться по кругу, словно по виткам гигантской катушки! Но ведь у этой невидимой катушки сразу появится и собственное магнитное поле, верно?
Теперь внимание! Посмотри, как направлено собственное магнитное поле «катушки»: в точности так же, как слабое-преслабое случайно возникшее поле, которое искривило путь электронов и заставило их двигаться по кругу! Оба поля сложились - магнитное поле стало сильнее. Оно уже способно искривить путь большего числа электронов, вовлечь их в «хоровод» вокруг ядра - круговой электрический ток усилился, усилилось и его магнитное поле.
Всё больше электронов бегает по кругу, всё сильнее круговой ток, всё сильнее его магнитное поле - пока в хоровод вокруг ядра не будут вовлечены все пересекающие магнитное поле электроны.
В глубинах Земли появился мощный электромагнит, который к тому же «сам себе электростанция» - он ведь сам «гонит» электроны по кругу, то есть сам питает себя электрическим током! А всё началось со случайно возникшего слабого-преслабого магнитного поля и с пересекающих это поле потоков жидкого железа.
Но потоки в жидкости - штука довольно неустойчивая. В океане, например, течения нередко меняют направления. Могут они менять направление и в жидкой части ядра. К чему это может привести, ты сам догадался: электроны начнут кружиться вокруг ядра в обратную сторону, магнитное поле Земли «перевернётся»!
Вот ты и выполнил свой план: познакомился со свойствами магнитов, исследовал магнитные свойства Земли и попытался найти этим свойствам объяснение. Но чтобы доказать, что магнитное поле у Земли появилось именно так, как мы с тобой предположили, необходимо точно выяснить, что представляют собой потоки жидкого железа в глубинах Земли, как они возникают и как текут. Кроме того, нужно сравнить магнитные свойства Земли с магнитными свойствами её сестёр - других планет Солнечной системы, и узнать, что у них внутри - есть ли жидкое ядро, какие потоки возникают в нём из-за вращения планеты?
Словом, дел ещё невпроворот. Послушай, а вдруг ты окажешься тем самым человеком, который окончательно разгадает вековую тайну природы: почему Земля - магнит?
Желаю успеха!

_____________________

Распознавание - БК-МТГК.

МАГНЕТИЗМ НУЖЕН ЧЕЛОВЕКУ Представьте себе, что железо, никель и другие материалы неожиданно потеряли свои магнитные свойства. Остановились бы все фабрики и заводы, погасло бы электрическое освещение; телеграф, телефон и радио перестали бы действовать; остановились бы трамваи, троллейбусы и электропоезда. На кораблях и самолетах компасы вышли бы из строя и т. д. Произошла бы страшная катастрофа, потому что буквально вся техника применяет магнитные материалы. Они нужны при изготовлении важнейших машин и приборов; из них делают статоры и сердечники гигантских динамомашин и трансформаторов, изготовляют мельчайшие детали сложных приборов, применяемых в военном деле, в лабораториях и на заводах. Вот какое огромное значение в нашей жизни играет магнит. ЧТО ЗНАЛИ В СТАРИНУ О МАГНЕТИЗМЕ? Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Индусские врачи две с половиной тысячи лет назад рекомендовали пользоваться магнитом для вытаскивания железных наконечников стрел, вонзившихся в тело. Но ни римляне, ни греки, ни египтяне, ни индусы не знали, что магнит может быть указателем юга и севера и служить в качестве компаса. Это открытие было сделано китайцами. В каком веке китайцы начали пользоваться компасом, сказать трудно. Но во всяком случае за 200 лет до нашей эры в знаменитом китайском словаре «Шо-вэнь» слово «магнит» было объяснено так: «Магнит-камень, который может дать направление». В Европу компас привезли арабы. Они заимствовали его у китайцев и в IX веке начали им пользоваться для мореплавания. В европейских книгах в XII веке компас впервые описывается так: «Кусок магнитной руды на поплавке». Но никаких теорий, объясняющих свойства магнита, не существовало до начала XIX века. Если, конечно, не считать таких объяснений, которые предлагались, например, древнегреческими философами - Фалесом Милетским и Платоном. Фалес считал, что в магните есть «душа», от которой исходит притяжение. В то время думали, что только одушевленные предметы могут приводить в движение окружающие их тела. Платон наделял магнит «божественной силой», которая порождает притяжение. Замечательный римский поэт Лукреций Кар в своей книге «О природе вещей», написанной 2100 лет назад, пытался объяснить все явления природы, в том числе и магнетизм, «истечением» из тел материальных частиц, летящих во все стороны. Не только в глубокой древности, но и в средние века высказывались совершенно фантастические мнения по поводу свойств магнита. Автор одного из средневековых трактатов о магнетизме пишет: «Магнит любит красный цвет и обернутый в красную фланель он лучше сохраняет силу, чем без такого одеяния», «Магнит не любит чесноку и луку», «Гроб Магомета магнитной силой держится в воздухе» и т. д.