Электромагнитная картина мира

Кратко об истории изучения магнетизма

С XII в. многие исследователи интересовались направлением стрелок компаса строго по линии север — юг. Слово «полюс» (лат. polus — ось, граница, предел чего-то) в словосочетании «географический полюс» означает точку пересечения оси вращения Земли с земной поверхностью. Поскольку ось вращения Земли меняет со временем свой наклон, то географические полюса медленно меняют свое местоположение.

Южный географический полюс был открыт в 1911 г. норвежской экспедицией под руководством Р. Амундсена (1872—1925). Он находится в Антарктиде (Полярное плато, на высоте 2800 м).

Северный географический полюс находится в центральной части Северного Ледовитого океана. Первым Северного полюса достиг в 1909 г. американец Р. Пири. Впервые в истории мореплавания советский атомный ледокол «Арктика» достиг Северного полюса 17 августа 1977 г. В XIII в.

Петр Перегринус предложил метод определения полюсов магнитного тела. На шаре из магнита имеются две точки, в которых магнитная стрелка устанавливается под углом в 90°. Эти точки назвали полюсами магнитного шара. Это физическое явление (изменение горизонтального положения магнитной стрелки под определенным углом, вплоть до 90°) называется магнитным наклонением. Оно характеризует величину магнитной силы Земли, действующей на магнитную стрелку в данном месте. На северном магнитном полюсе северный конец магнитной стрелки направлен строго вертикально вниз (притягивается южным полюсом), на южном магнитном полюсе имеет место обратная ситуация: северный конец магнитной стрелки направлен вверх.

В середине XVII в. многие исследователи полагали, что Земля является большим шарообразным магнитом. Эта идея была изложена в знаменитом труде английского врача В. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земля» (1660). В этом труде утверждалось, что географические полюсы север — юг совпадают с магнитными полюсами. Однако дальнейшее изучение вопроса о совпадении географических и магнитных полюсов, которое велось в XVIII и XIX вв., показало, что данное совпадение отсутствует. Отклонение магнитной оси Земли от оси ее вращения называется магнитным склонением. В России, за период с 1829 по 1836 г. было открыто несколько магнитных обсерваторий для измерения магнитного склонения в целях развития мореплавания в суровых климатических условиях. Большую роль в проведении и организации точных магнитных измерений в России (1871 — 1878 гг.) сыграл профессор Казанского университета И. Н. Смирнов. Работы, которые он проводил, привели к созданию первых магнитных карт России.

Английский физик М. Фарадей доказал, что силовые линии магнита исходят из его северного полюса и входят в его южный полюс. Внутри магнита направление магнитных сил противоположно направлениям внешних магнитных сил магнита.

На основании этого факта исследования установили, что южный магнитный полюс Земли находится в Северном географическом полушарии, его открыл в 1831 г. английский полярный исследователь Джон Росс, а северный магнитный полюс — в Южном географическом полушарии, его открыл в 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) на окраине антарктического материка на расстоянии 800 км от южного географического полюса. Южный магнитный полюс находится на расстоянии около 1000 км от северного географического полюса (полуостров Бутия, Канадский архипелаг).

Французский ученый Ш. Кулон (1736—1806) является одним из первых исследователей, которые пытались измерить силы магнитного взаимодействия. В 1785 г. он сформулировал закон взаимодействия между магнитными массами. Он полагал, что все большие магниты составлены из маленьких магнитов. Сформулированный им закон для магнитных сил утверждал, что сила взаимодействия между магнитными массами обратно пропорциональна расстоянию между ними. Еще годом раньше он сформулировал закон о взаимодействии между электрически заряженными телами, который также утверждал, что сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна расстоянию между заряженными телами. В последнем случае речь идет об известном законе Ш. Кулона:

F(электр.) = K(q1q2/r2),.

где К электрическая постоянная, q1 и q2 — электрические заряды, r — расстояния между зарядами. Однако Ш. Кулону не был известен факт о связи электрических и магнитных сил. Этот факт был обнаружен в 1820 г. шведским ученым X. Эрстедом (1777—1851).

Исследования Ш. Кулона положили начало изучению ряда важных проблем электричества и магнетизма: является ли Земля магнитным шаром, как утверждал еще В. Гильберт? существуют ли магнитные заряды? как осуществляется действие электрических сил и магнитных сил в пространстве? имеют ли электрические и магнитные силы единую физическую природу? В частности, изучение Земли как магнитного шара показало, что многие геологические породы не обладают свойством намагничивания, т. е. не приобретают свойства магнита. Причем некоторые из земных пород, такие как гипс, каменная соль, свинец и ряд других, при их намагничивании во внешнем магнитном поле не усиливают это магнитное поле, а, наоборот, ослабляют его. Таким образом, подобные породы противоположны по магнитным свойствам так называемым ферромагнитам.

Ферромагниты — (лат. ferrum — железо) — вещества, которые при их намагничивании во внешнем магнитном поле усиливают данное магнитное поле. Это обстоятельство вызвало сомнение в представлении о Земле в форме шарообразного магнита. Другим обстоятельством, усиливающим это сомнение, было открытие факта утрачивания ферромагнитами магнитных свойств при температурах свыше (+100° С): железо — 780 °C, магнетит — 580° С и другие. Эти температурные точки для ферромагнитов называются обобщенно точкой Кюри: П. Кюри (1859—1906) сформулировал этот закон в 80-х годах XIX в.

Идея Ш. Кулона о магнитных частицах, обладающих обоими магнитными полюсами, сходна с гипотезой о существовании частицы, названной «монополь Дирака», т. е. частицы, обладающей только одним магнитным полюсом, аналогичным электрическому заряду. П. Дирак — один из создателей квантовой механики. В слове «монополь» соединены два слова греческого происхождения: моно — один, поль — полюс.

Электрические монополи существуют. Это положительно и отрицательно заряженные частицы. Магнитные монополи до сих пор не обнаружены, хотя существуют как электрические, так и магнитные диполи (два полюса): два точечных электрических заряда, расположенных на расстоянии, равных по величине и противоположные по знаку, а также магнитный диполь (равные по величине магнитные противоположные заряды, находящиеся на условно одинаковом расстоянии). Исследование магнетизма обнаружило тесную связь его с электрическими явлениями, но лишь физическая теория электромагнитного взаимодействия, созданная в 60-х годах XIX в., дала более ясное понимание природы магнитных явлений на Земле. Уже в начале ХХ в. в этой области появилось две теории: а) электрическая и б) теория, которая связывает магнетизм Земли со структурой пород, составляющих земную кору, обладающих свойством намагничивания. Эти теории существуют и в настоящее время.

Первая утверждает, что электрические токи, возникающие внутри Земли, создают ее магнитное поле. Эти токи были названы вихревыми. Вторая теория считает, что магнитные свойства Земли, ее магнитосфера обусловлены строением образующих ее геологических пород. Речь идет о так называемых доменах — это группы атомов, образующие области, где их магнитные моменты ориентированы в одном направлении.