Электромагнитное поле
Взаимодействие между телами передается разными способами, однако общим моментом для всех случаев является наличие передатчика взаимодействия. Таким передатчиком может служить какая-либо особая среда. Гравитационное взаимодействие распространяется посредством поля тяготения, через которое передается сила притяжения между массами. Электромагнитное поле служит средой для передачи взаимодействия между электрическими и магнитными зарядами.
Открытие электромагнетизма
Люди обратили внимание на магнитные силы еще в далекие от современности времена. Само название феномена происходит от древнего города Магнесии, близ которого располагались внушительные залежи магнитных руд. О свойствах магнита люди знали испокон веков, еще задолго до того, как магнитный железняк получил свое название.
Первооткрывателями магнетизма следует считать древних индейцев ольмеков, сформировавших развитую цивилизацию. Они около 4000 лет назад открыли свойства магнитного железняка и высекали из него скульптуры тучных людей. Назначение этих скульптур до конца не определено историками, однако ученые установили, что силовые линии магнитного поля каждой скульптуры сходятся в точности на ее пупе. Таким образом, ольмеки имели представление о силовых линиях магнитного поля.
Они, видимо, знали о существовании земного магнетизма и о том, что с его помощью можно ориентироваться на местности. О наличии таких познаний свидетельствуют каменные изваяния черепах с магнитной головой. Далекие странствия морских черепах были известны многим древним народам. Видимо, ольмеки связали навигационные способности животных с наличием у них магнитного чувства.
С древнейших времен люди сложили немало легенд о загадочном явлении природы. Собиратель разнообразных занимательных историй, римский литератор Плутарх рассказывал о магнитной горе близ берегов Индии. Эта гора якобы могла вытягивать силой своего магнитного притяжения металлические гвозди из досок кораблей, отчего суда разрушались и тонули. Позднее страшная легенда вошла в состав сборника арабских сказок «Тысяча и одна ночь».
Но римляне не довольствовались пересказом красочных легенд, они пытались материалистически объяснить сущность сил и процессов в окружающем их мире. Атомист Лукреций в своей энциклопедической поэме «О природе вещей» (I в. до н. э.) подробно описывает действие магнетизма:
Видеть случалось мне, что прыгают в медных сосудахСамофракийские кольца с железа опилками вместе,Бурно бушуя, когда под сосудом камень магнитный,Словно скорей убежать они жаждут от этого камня.
Далее Лукреций дает объяснение феномена в духе того времени. Античные атомисты наивно полагали, что притяжение и отталкивание железа и магнита вызвано потоками неустойчивых частиц в магнитном веществе. В целом объяснение невероятно сложно и совершенно ошибочно. Однако оно представляет собой продукт работы ума и свободно от фантазий о душах, которыми наделяли магнитный железняк мистики.
Примерно 2000 лет назад обнаруживают магнитные свойства китайцы. Уже в период Средневековья, около 1000 лет назад, они изобретают компас, а несколько позднее защитные ворота. Магнитные ворота были установлены у императорского дворца. Они притягивали к себе всяческие металлические изделия и тем самым могли выдать преступника, задумавшего пронести в императорский дворец оружие.
Первый компас представлял собой намагниченную металлическую пластинку (стрелку компаса), закрепленную на дощечке, которая свободно плавала в глиняном сосуде с водой. Поскольку трение воды было очень слабым, а масса магнитной пластинки невелика, то металл активно притягивался к полюсам планеты. Магнитные полюса создают равные силы, которые действуют на намагниченное тело так, что оно не смещается в сторону полюсов, а занимает положение вдоль силовых линий.
Стрелка компаса, т. о., выстраивается вдоль линий напряженности магнитного поля Земли и тем самым указывает направление на магнитный полюс. В XII столетии компас попадает в Европу, где получает широкое распространение, поскольку оказывается очень выгодным навигационным прибором для активно развивающегося мореходства. Появление компаса в Европе способствовало наступлению Эпохи Великих географических открытий, которая началась с открытия Америки и морского пути в Индию.
Значение компаса для колонизаторских и торговых походов европейцев было исключительным, что заставило ученых уже в средние века заняться исследованием необычной природы магнетизма. Знатоки морской навигации прекрасно знали о существовании у Земли двух полюсов, а кроме того, установили, что строгое направление на магнитный полюс не совпадает с точным направлением на полюс географический, находимый по Полярной звезде. Дело в том, что два полюса совпадают лишь частично. Небольшое расстояние между ними требует внесения в путевые расчеты поправки, которая называется магнитным склонением.
История сохранила сведения о любопытном случае. Во время экспедиции адмирала X. Колумба в Новый свет среди матросов поднялась паника, т. к. компас внезапно изменил свои показания и стал указывать совершенно новое магнитное склонение. Адмирал, уверенный в правильности выбранного маршрута, чтобы успокоить матросов, тайком повернул картушку компаса. Прибор стал давать привычные показания.
Причиной же странного поведения компаса было, во-первых, нахождение каравелл Колумба в другом полушарии планеты, а во-вторых, махинации адмирала с путевым журналом, куда он заносил неверные данные. Колумб стремился держать матросов в неведении относительно количества пройденного пути, иначе команда могла решить, что путешествие слишком затянулось.
Физики, явившиеся первыми исследователями необычного явления природы, обнаружили непонятную связь между электрическими и магнитными явлениями. Однако объяснить ее физики тогда не пытались, потому что не испытывали большого практического интереса к электричеству. Оно привлекло к себе внимание лишь с наступлением Нового времени, особенно в конце XVIII — начале XIX вв.
В 1600 г. англичанин Гильберт издает первый в истории труд, посвященный магнетизму. В этой работе собраны многие интересные наблюдения, касающиеся, в частности, земного магнетизма, а также ряда известных в то время электрических явлений. Гильберт называл нашу планету большим магнитом, поскольку она, так же как и любой магнитный камень, имеет разноименные полюсы. Физик доказал свои воззрения экспериментальным путем. Он намагнитил большой шар и приложил к его поверхности компас. Стрелка непременно указывала направление на полюс. Ученый сообщает также о другом своем замечательном открытии: оказывается, противоположные полюсы притягиваются, но вот одноименные отталкиваются.
Причины, по которым некоторые планеты обладают магнитным полем, до конца не выяснены. Предполагается, что магнитное поле Земли генерирует ее железоникелевое ядро, которое окружено подвижной вязкой жидкостью. Ядро и обтекающая его жидкость действуют подобно динамо-машине. У Луны магнитное поле чрезвычайно слабое, почти нулевое, поскольку ее недра давно утратили активность. То же касается и прочих планетных спутников. Исполинский Юпитер обладает самым мощным магнитным полем из всех планет Солнечной системы.
Астрофизики отметили некоторые необычные свойства этого поля. Например, оно резко уменьшается в районе юпитерианского спутника Ио. Пока у астрофизиков есть только одно правдоподобное объяснение феномена. Спутник, недра которого крайне активны, обладает собственным слабым полем. Приборы автоматических станций это поле не зарегистрировали. Зато оно служит силовым барьером, экранирующим Ио от действия мощного магнитного поля планеты-гиганта. Получается, что магнитная оболочка Ио напоминает собой маленький пустотный пузырь в магнитной оболочке Юпитера.
Магнитная оболочка Земли, простирающаяся в космическое пространство, называется магнитосферой. Наиболее значимые части земной магнитосферы получили название радиационных поясов Земли (РПЗ). Это области, где силовыми линиями магнитного поля захватываются заряженные частицы солнечного излучения. Некоторые из частиц периодически высыпают в область схода силовых линий, т. н. касп, где ионизируют воздух.
Такая ионизация вызывает свечение, получившее название полярного сияния. В настоящее время полярные сияния тщательно исследуются с помощью специальной техники — гелиографов, особых фотографических устройств, компьютеров, благодаря которым ученые получают информацию о свойствах магнитного поля Земли, о приближающихся магнитных бурях, о солнечной активности, поскольку именно Солнце поставляет в зону РПЗ заряженные частицы.
