Сегодня поговорим об очень сложной теме! О том, как работают магниты. И почему жить на магните размером с планету – это хорошо.
Все из-за одиночества электронов
Вся материя, включая нас самих, состоит из крошечных частиц – атомов. У атомов, в свою очередь, есть электроны – еще более маленькие частицы, от перемещения которых зависит все, что связано с электричеством. А там, где движение электронов – там всегда и магниты.
Сложность в том, что ученые еще не знают, что такое магнитное поле. То есть, мы понимаем, что оно есть и можем его зафиксировать. Но что это и с помощью каких частиц передается его воздействие – пока что неизвестно.
А что известно?
• Движущиеся электроны являются источниками магнитных полей.
• Уже имеющиеся магнитные поля оказывают воздействие на движущиеся электроны.
Вот что еще мы вычитали из научных источников (посложнее):
• Электроны имеют вокруг себя электрическое поле потому что у них всегда есть электрический заряд – отрицательный.
• Магнетизм и электрическое поле – две стороны одной монеты, одно порождает другое и наоборот.
В теории относительности один наблюдатель даже может видеть электрическое поле, а другой – магнитное, то есть фундаментально они дополняют друг друга. Поэтому их объединяют в единую силу – электромагнетизм.
Электроны без остановки движутся внутри атома. А раз движутся - значит, создают магнитное поле. Раз электроны постоянно движутся в атомах, почему тогда не все вещества являются магнитами? Потому что обычно электроны вокруг атомов «летают» парами – по одному в противоположные стороны, подавляя магнитные свойства друг друга.
Но у атомов железа, кобальта, никеля и некоторых других веществ есть электроны без пары, некому подавить их магнитное поле. Такие одинокие электроны превращают в магнит и сам атом.
Важно запомнить, что у любого магнита есть два полюса, которые называют северным и южным.
Если два магнита поднести друг к другу одинаковым полюсом (север-север, например) – они будут отталкиваться, а если разным (север-юг) – наоборот, притягиваться.
Если подносить два магнита друг к другу одинаковыми полюсами, то их поля будут направлены противоположно, а значит мешать друг другу. А если разными, то, наоборот, направлены в одну сторону, а значит усиливать друг друга.
Притяжение и отталкивание тоже происходит, когда поля разных магнитов оказываются достаточно близко, что их линии стали влиять друг на друга – соединяться или отталкиваться. Сильнее всего магнитное поле у полюсов, поэтому притяжение и отталкивание в основном происходит там же.
Земля – это магнит
Все верно – у Земли тоже есть магнитное поле с полюсами, которые, правда, чуть в стороне от географических, «настоящих» полюсов планеты. И выглядит земное поле издали примерно так же, как поле обычного красно-синего магнита, который вы могли встретить где угодно.
Компас и настоящие полюса Земли
Стрелку компаса заставляют двигаться именно линии магнитного поля Земли. Корпус компаса сделан из немагнитных материалов, чтобы стрелке, которая представляет из себя магнит со своим севером и югом, ничто не мешало «чувствовать» эти линии и выстраиваться вдоль них, то есть двигаться северным концом в сторону магнитного юга Земли, а южным – в сторону магнитного севера.
Половину стрелки, указывающую на ближайший полюс, обычно красят в красный цвет, а другую половину – в синий. При этом для каждого полушария красить стрелки приходится по-разному, чтобы компас указывал именно на ближайший полюс.
Правда, в каждом компасе есть секрет. Компасы для Северного полушария, например, где красная стрелка должна указывать на север, на самом деле абсолютно всегда указывают на магнитный юг Земли!
Дело в том, что вблизи географического Северного полюса Земли линии магнитного поля в действительности входят в планету, то есть с точки зрения физики там магнитный юг, а на географическом южном полюсе Земли – магнитный север, так как там линии выходят из Земли. Но для удобства люди все равно решили называть полюс у северного полюса «северным», а у южного – «южным».
Запутались? Вот именно поэтому такое правило и придумали.
Итак, откуда у Земли магнитное поле? Если подумали «наверное, в центре планеты большой кусок железа» – в общем, окажетесь правы. Но это очень неполная картина.
Напомним, в трех тысячах километров под землей начинается ядро планеты. По размерам его можно сравнить с Марсом, но фактически ядро состоит из двух частей – внешнего жидкого ядра и твердого внутреннего. Внутреннее ядро – это действительно кусок чистого железа, но его магнитных свойств не хватает для обеспечения того мощного и подвижного магнитного поля, которое есть у Земли.
Главным действующим лицом здесь оказывается внешняя, жидкая часть ядра, тоже состоящая в основном из железа. Из-за вращения Земли вещество там находится в постоянном движении – вращается вокруг центра планеты. Причем из-за того, что это жидкость, там допустимы разные скорости: чем ближе к центру, тем быстрее движется вещество.
Помните в начале статьи мы подчеркнули, что магнитные поля всегда там, где движение электронов? Это очень важно и для процессов в ядре Земли, ведь жидкое железо служит отличным проводником – средой для перемещения электронов.
Допустим, в процессе формирования у Земли появилось очень слабое магнитное поле просто от нахождения железа внутри ядра. Твердое ядро начало постепенно остывать, и от ядра вверх, в сторону мантии, стали подниматься потоки горячего вещества. А сверху, от мантии к ядру, начали опускаться потоки более холодной материи. В точности как в атмосфере, где теплый воздух всегда стремится вверх, так как он менее плотный, а холодный как более тяжелый двигается вниз.
Но Земля вращается — вращается и вещество в жидком ядре, причем с разными скоростями. Поэтому эти потоки закручиваются, то есть появляется дополнительное движение.
В результате всего этого движения атомы железа постоянно «трутся» друг об друга, обмениваются электронами. А чем больше электроны двигаются, тем больше рождается новых магнитных полей, которые под правильным углом могут соединяться полюсами и усиливать друг друга.
Все эти поля привязаны к потокам вещества, поэтому вращаются вокруг центра Земли вместе с жидким железом. И поскольку они постоянно находятся внутри линий более слабого, «изначального» магнитного поля Земли, они способны «тащить» за собой и усиливать его линии.
Получается, потоки вещества в жидком ядре самостоятельно рождают все больше и больше магнитных полей, линии которых захватывают и заставляют двигаться электроны рядом, а те рождают другие магнитные поля, которые «захватывают» еще больше электронов... и так по нарастающей. Старые и новые поля накладываются друг на друга.
В итоге магнитное поле спонтанно усиливается до возможного в данный момент максимума. Для этого процесса подобрали термин – эффект динамо. Динамо само по себе не создает магнитное поле Земли, но усиливает и поддерживает уже существующее.
Жизнь на магните
Это, конечно, упрощенная картина, в деталях все выглядит довольно сложно – даже Альберт Эйнштейн сначала отказывался верить, что в центре Земли происходит такой хаос. Но открытия XX века позволяют думать, что за столь мощное магнитное поле землянам действительно стоит благодарить спонтанно начавшийся миллиарды лет назад эффект динамо, а не что-то иное.
Почему благодарить? Дело в том, что магнитное поле позволяет защитить жизнь на Земле от самых опасных частиц из космоса, в частности, от самой вредной части солнечной радиации.
Такие частицы, попадая в линии нашего магнитного поля, вынуждены двигаться вдоль его линий – то есть отклониться от маршрута и либо облететь Землю стороной, либо прилететь к полюсам Земли и стать частью полярного сияния. Если бы поле Земли было слабее, радиация бы не просто убила наших предков – жизнь на планете вообще была бы невозможна.
Не всем планетам так повезло – на Марсе, по всей видимости, динамо прекратилось очень давно. Без динамо нет и сильного магнитного поля. В итоге солнечная радиация уже миллиарды лет сносит атмосферу планеты в открытый космос, а ее поверхность похожа на пустыню после ядерной войны.
При этом у земного устройства магнитного поля есть и другие последствия – из-за высокой подвижности жидкого ядра подвижно и переменчиво и само магнитное поле. Помимо магнитных аномалий – мест с более слабым или сильным магнитным полем, известно, например, что северный магнитный полюс Земли постепенно смещается в сторону Сибири. А в прошлом планеты было как минимум 183 смены магнитных полюсов – когда магнитный север спонтанно становился югом и наоборот! Но это уже тема для другого письма.
