все еще вопросом.
Каждый магнит имеет два полюса магнитных сил — северный и южный. Этот факт наводил на мысль, что в полюсах магнита скапливается особое «магнитное вещество», на одном конце — вещество южного магнетизма, на другом — северного. Однако совсем несложные опыты отвергают такой вывод. Если предположить, что в полюсах находится какое-то «магнитное вещество», то, разрезав магнит пополам, мы можем разделить вещество южного и северного магнетизма, получить один магнит с северным магнитным полюсом, а другой — с южным. Но сколько бы мы ни разрезали магнит, у каждой даже самой маленькой его частички снова появляются два полюса.
Заметим попутно, что многие физики не оставляют надежды обнаружить в природе или получить в эксперименте одиночный магнитный полюс — монополь. Об этом писал еще в 1931 году известный английский физик-теоретик П. А. М. Дирак. Подобно электрону — носителю электрического заряда, в природе, утверждал он, должна существовать элементарная частица магнитного заряда. В 1975 году американские физики как будто обнаружили в космических лучах след такой частицы. Дальнейшая проверка не подтвердила этого. Между тем открытие магнитного монополя несомненно стало бы сенсацией в физике. «Двухполюсность» магнетизма прослеживается и на молекулярном уровне. Каждый атом, каждая молекула по сущности — микромагнитик. Чаще всего эти элементарные диполи располагаются хаотически — северные и южные полюсы у них направлены в разные стороны, и магнитные силы этих магнитиков как бы уничтожают друг друга. Но бывает так, что все элементарные магнитики в веществе выстраиваются в относительном порядке — северные полюсы предпочтительно в одну сторону, южные — в другую. Вот тогда в пространстве, окружающем тело, и возникает магнитное силовое поле.
Перед нами — магнит. Поднесем к нему железный гвоздь. Под действием поля частицы железа, расположенные прежде беспорядочно, повернутся параллельно друг к другу, и гвоздь сам становится магнитом. Против южного полюса у него возникает северный магнитный полюс, а против северного — южный. Разноименные магнитные полюсы, как мы уже знаем, притягиваются. Вот почему железный гвоздь и притягивается магнитом. Исследования, проведенные учеными, показали, что намагничиваются все тела — твердые, жидкие и газообразные. Но у большинства веществ степень намагничивания очень невелика — их магнитные свойства можно заметить только при помощи приборов. Скажем, олово, титан, платина притягиваются к магниту, но сила их притяжения в сотни тысяч раз меньше, чем у железа или стали. В чем же секрет?
В том, что далеко не у всех веществ атомы обнаруживают свои магнитные свойства. Атом тоже сложная частица материи: вокруг центрального тяжелого ядра в нем вращаются элементарные электрические заряды — электроны.
Все составляющие атома, находясь в движении, создают вокруг себя магнитное поле, или, как говорят, обладают определенным магнитным моментом. Складываясь, отдельные поля образуют общий магнитный момент атома, который, однако, у разных атомов различен. Если у ферромагнетиков, к которым относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, каждый атом — магнит в миниатюре, то у других веществ магнитные моменты атомов близки или почти равны нулю. Взаимодействия атомов-магнитиков в различных веществах также различны. Отсюда — разнообразие в магнитных свойствах у разных тел.
Кроме того, у ферромагнетиков независимо от внешнего магнитного поля отдельные атомы объединены в большие группы — домены — с одинаковым направлением магнитных моментов. Другими словами, в ферромагнитных веществах всегда существуют намагниченные участки. Их называют также областями самопроизвольной намагниченности. В каждой такой области — миллиарды атомов.
Пока на ферромагнетик не действует внешнее магнитное поле, он не проявляет свойств магнита — магнитные моменты доменов нейтрализуют друг друга (значительную роль тут играет тепловое движение атомов). Но зато, попав в поле внешних магнитных сил, такое вещество легко становится магнитом, причем его свойства сохраняются и тогда, когда воздействие внешнего поля снято. Это означает, что какая-то часть доменов остается ориентированной, не возвращается в хаотическое состояние.
Интересно, что в микроскоп можно воочию увидеть перестройку доменов при намагничивании: сначала беспорядок сменяется порядком, а затем, когда снимается внешнее поле, порядок снова нарушается. Можно даже услышать этот процесс. Каким образом? Поместите внутрь небольшой проволочной катушки стальной сердечник, присоедините катушку к мощному динамику, а затем поднесите к катушке магнит. Сталь ответит звуками, словно в жестяную банку падают мелкие камешки. Это перестраиваются в металле домены… Пока мы говорили о так называемых парамагнитных телах. Но кроме них есть и такие вещества, которые не притягиваются, а отталкиваются от магнита. К ним относятся, например, серебро, висмут. Это так называемые диамагнетики. В чем причина здесь? Когда мы намагничиваем железо, в нем возникают разноименные с магнитом полюсы: против северного полюса появляется всегда южный полюс. А у висмута или золота все наоборот — у северного полюса магнита возникает северный полюс, а у южного — южный. Вот почему диамагнетики и отталкиваются от магнита.
Такова в самой общей и довольно упрощенной форме «механика» магнитных взаимодействий. Как уже говорилось, во многом еще это «чудесное» свойство материи не выяснено с достаточной полнотой. И несомненно наука о магнетизме откроет в этом явлении еще немало удивительных вещей, которые — при желании! — всегда можно истолковать как чудо.
Наверное, многие из моих читателей помнят старую школьную шутку об электричестве. Профессор, экзаменуя студента первого курса, спрашивает: «Что такое электричество?» Обрадованный «легким» вопросом, парень быстро отвечает: «Ну это очень просто. Электрический ток представляет собой направленное движение электронов…» и т. д. «Завидую вам, — с легкой иронией говорит профессор, — вы единственный человек в мире, который знает, что такое электричество». Аналогичную картину можно себе представить и с магнетизмом. «Магнетизм? Ну это же так просто…»
Ключ к прошлому
Археолог бережно поднял из отвала сосуд, созданный из глины много веков назад безвестным мастером. Очистил его мягкой щеткой от остатков земли. О чем может рассказать ученому эта находка?
Об очень многом. И в том числе о магнитном поле Земли в далеком прошлом.
Не торопись спрашивать, зачем это нужно. Изучая природные процессы во времени, ученый получает в свои руки более обширные и объективные данные, а это нередко приводит к пересмотру даже фундаментальных взглядов.
Уже давно было замечено: магнитные полюсы нашей планеты далеко не постоянны. Точнее сказать, это вечные бродяги.
Вот только одно наблюдение. За шесть лет (1948–1954) северный магнитный полюс переместился почти на полтораста километров ближе к географическому полюсу. И такие смещения идут постоянно. Ученые убедились в этом, когда стали проверять местонахождение магнитных полюсов в прошлом. Помогли старинные карты, составленные по магнитным координатам. Координаты менялись. И не как-нибудь, а подчиняясь определенной закономерности. Выяснилось, что за последние пять-шесть веков магнитные полюсы планеты совершили путешествие по большому кругу, причем сейчас они завершают цикл.
Возникает вопрос: а что было тысячи и десятки тысяч лет назад? Как путешествовали магнитные полюсы Земли тогда, когда на земном шаре еще не было человека? Казалось бы, необыкновенно трудная, возможно неразрешимая задача. Но для науки рискованно устанавливать пределы ее возможностей! По существу вся история научного познания представляет собой не что иное, как бесконечный ряд побед над теми, кто ограничивал и ограничивает могущество человеческого познания. Нашелся «ключик» и к магнитному прошлому нашей планеты.
Впрочем, пора уточнить, зачем же все-таки нужно ломать нам голову над трассами магнитных «бродяг». Ответ здесь не столь труден, как кажется.
Как уже говорилось, все мы живем в магнитном поле Земли. От его состояния зависят многие и многие природные явления и процессы. Магнитное поле оказывает несомненное влияние на живые организмы (об этом мы будем говорить дальше). Поэтому знать закономерности столь всеобъемлющего
