Чудеса магнитных полей
Если взять магнит и положить его перед включенным телевизором (старого образца, не c плоским экраном, а с кинескопом), вы увидите по всему экрану потрясающие цветные узоры. В далекие времена до появления жидкокристаллического дисплея или плазменных телевизионных экранов пучки электронов, вылетающие из задней части телевизора в сторону экрана, активизировали на нем цвета и весьма успешно рисовали разные изображения. Если поднести сильный магнит к такому экрану, как делаю я на своих лекциях, он выдает практически психоделические узоры. Они настолько красивы, что очаровывают даже малышей четырех-пяти лет. (Подобные изображения можно легко найти в интернете.)
Впрочем, дети, судя по всему, довольно часто обнаруживают этот замечательный эффект совершенно самостоятельно. Иначе почему интернет буквально кишит просьбами родителей, умоляющих о помощи в восстановлении телевизоров после того, как их отпрыски приложили к экрану магнитик с холодильника? К счастью, большинство современных телевизоров оснащены размагничивающим устройством, которое размагничивает экран, и, как правило, через несколько дней или недель проблема исчезает сама собой. Но если этого не происходит, для ее решения потребуется специалист. Так что я не рекомендую вам класть магнит возле экрана домашнего телевизора (или компьютерного монитора), если только это не древний телевизор или монитор, который вам больше не нужен: в этом случае вы можете немного поразвлечься. Например, всемирно известный корейский художник Нам Джун Пайк примерно таким способом создал множество произведений искусства с искаженными видеообразами. Я на своих лекциях включаю телевизор, выбираю какую-нибудь особенно жуткую телепередачу – по-моему, для этой цели отлично подходят рекламные ролики, – и студенты с огромным удовольствием наблюдают за тем, как магнит искажает картинку до неузнаваемости.
История магнетизма, как и электричества, началась в далекой древности. Еще более двух тысяч лет назад греки, индусы и китайцы знали, что некоторые камни – со временем их назвали магнитным железняком – притягивают мелкие кусочки железа (практически так же, как древние греки установили, что натертый янтарь притягивает кусочки листьев). Сейчас мы называем это вещество магнетитом; это естественный магнитный минерал, по сути, самый магнитный материал природного происхождения на планете. Магнетит представляет собой комбинацию железа и кислорода (Fe3O4) и, соответственно, известен также как окись железа.
Но, кроме магнетита, есть много других видов магнитов. Железо сыграло в истории магнетизма такую значимую роль и по-прежнему остается настолько важным компонентом многих чувствительных к магнитному полю материалов, что те материалы, которые сильнее всего притягиваются к магнитам, назвали ферромагнитными («ферро» – приставка, указывающая на присутствие железа). Это, как правило, металлы или их соединения: само железо, конечно, а также кобальт, никель и диоксид хрома (раньше его активно использовали в магнитных пленках). Некоторые из них при помещении в магнитное поле намагничиваются, оставаясь такими и впоследствии. Другие, называемые парамагнитными, находясь в таком поле, намагничиваются слабо и размагничиваются, когда магнитное поле исчезает. К ним относятся алюминий, вольфрам, магний и – хотите верьте, хотите нет – кислород. А так называемые диамагнитные материалы при наличии магнитного поля создают довольно слабые противоположные магнитные поля. Эта категория включает в себя висмут, медь, золото, ртуть, водород и поваренную соль, а также древесину, пластмассы, спирт, воздух и воду. (То, что одни материалы ферромагнитные, другие парамагнитные, а третьи диамагнитные, зависит от того, как именно электроны распределяются вокруг ядра, но это слишком сложная тема, чтобы детально обсуждать ее в этой книге.)
Существуют даже жидкие магниты, которые скорее являются не ферромагнитными жидкостями, а растворами ферромагнитных веществ, красиво и ярко реагирующими на магниты. Вы можете довольно легко изготовить один из жидких магнитов самостоятельно, следуя набору подробных инструкций по адресу: http://chemistry.about.com/od/demonstrationsexperiments/ss/liquidmagnet.htm . Если налить такой довольно тягучий раствор на кусок стекла и положить под него магнит, результат будет весьма любопытным – намного интереснее, чем те железные опилки, которые банально выстраиваются вдоль линии магнитного поля. Этот «фокус» вам наверняка показывали в школе.
В XI веке китайцы намагничивали иглы, прикладывая их к магнетиту, а затем подвешивали их на шелковой нити. Намагниченные иглы выравнивались в направлении север-юг, то есть вдоль силовых линий магнитного поля Земли; по сути, это был компас. Уже в следующем столетии компасы использовались для навигации и в Китае, и на Ла-Манше. Первые компасы состояли из намагниченной иглы, плавающей в миске с водой. Гениально, не так ли? Куда бы ни поворачивала лодка или корабль, миска поворачивалась вместе с ним, но игла неизменно указывала одним концом на север, а другим на юг.
Но природа еще более гениальна и изобретательна, чем человек. Сегодня нам известно, что в телах мигрирующих птиц имеются крошечные кусочки магнетита, которые они, по-видимому, используют в качестве внутренних компасов, помогающих им не отклоняться от маршрута миграции. Ряд биологов даже считают, что магнитное поле Земли стимулирует оптические центры некоторых птиц и других животных, например саламандр, то есть в определенном смысле эти животные способны «видеть» магнитное поле Земли. Ну разве не круто?
В 1600 году замечательный врач и ученый Уильям Гильберт – не обычный простой доктор, а врач самой королевы Елизаветы I – опубликовал книгу De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure («О магнитах и магнитных телах и земном магнетизме»), в которой утверждал, что сама Земля является магнитом, о чем свидетельствуют его эксперименты с терреллой, сферой из магнетита, моделью Земли. Эта сфера была чуть больше грейпфрута, а маленькие компасы, прикрепленные к ней, вели себя точно так же, как если бы находились на поверхности Земли. Гильберт утверждал, что компасы указывают на север, потому что Земля – это магнит, а не потому, что, как думали некоторые, на Северном и Южном полюсах находятся магнитные острова, поскольку в этом случае компасы указывали бы в сторону Полярной звезды.
Гильберт был совершенно прав, утверждая, что у Земли есть магнитное поле. Более того, у нее имеются даже магнитные полюса (точно такие же, как у магнитиков на наших холодильниках), которые не вполне совпадают с географическими Северным и Южным полюсами. И это еще не все – эти магнитные полюса еще и немного «блуждают», каждый год километров на пятнадцать или около того. Так что в некотором смысле Земля действительно ведет себя как обычный стержневой магнит – простой прямоугольный намагниченный кусок металла, продающийся в любом магазине «Сделай сам». Однако в других отношениях она совершенно иная. Ученым потребовалось очень много времени даже для того, чтобы предложить жизнеспособную теорию, объясняющую, почему у Земли есть магнитное поле. Дело в том, что хотя в ядре Земли много железа, его наличия недостаточно, поскольку выше определенной температуры (мы называем ее температурой Кюри) тела теряют свои ферромагнитные свойства, и железо не исключение; его температура Кюри составляет около 770 °C, а, как нам известно, ядро Земли значительно горячее!
Имеющаяся теория довольно сложная и связана с электрическими токами, циркулирующими в ядре Земли, и с тем фактом, что Земля вращается, – физики называют это динамо-эффектом. (Кстати, астрофизики используют теорию динамо-эффектов для объяснения магнитных полей в звездах, в том числе в нашем Солнце, магнитное поле которого полностью переворачивается в обратную сторону каждые одиннадцать лет.) Вам это может показаться удивительным, но ученые до сих пор работают над созданием полной математической модели Земли и ее магнитного поля; вот насколько она трудна. Их задача усложняется еще и тем, что сегодня есть четкие геологические доказательства того, что магнитное поле Земли за тысячелетия серьезно изменилось: полюсы сдвинулись намного сильнее, чем за время их ежегодной прогулки, и, судя по всему, магнитное поле тоже переворачивалось в противоположную сторону – более 150 раз только за последние 70 миллионов лет. Невероятно, правда?!