Реферат: Магнетизм и магниты

МАГНЕТИЗМ

Кого-то он обогатит,

кого-то загонит в гроб.
Что мы знаем об этом?

Научившись производить и использовать сверхмощные технические магниты для своих нужд, люди пока не могут совладать с гораздо более слабыми природными магнитными полями, которые нас убивают. Ученые-геофизики буквально со дня на день ожидают начала нового всплеска солнечной активности, а это значит -- магнитные бури, инфаркты, аварии, самоубийства, массовые помешательства. Хорошо бы, чтобы к тому времени медики уже опробовали лекарства от магнитных бурь.

«ЧУ-ШИ»

Первое историческое упоминание о магните оставил нам Плиний. Он рассказал, как некий пастух с острова Крит, сандалии которого были подкованы железом, обратил внимание, что к его обуви пристают какие-то мелкие черные камешки, в изобилии валявшиеся на склонах горы Идо. Пастуха звали Магнис, отсюда природные магниты получили свое название. А может, все было и не так. Римский поэт Лукреций Кар считал, что магнит обязан своим названием местности, где его нашли. Эта местность в Малой Азии называлась Магнезия.

Китайцы, ничего не знавшие ни о Магнезии, ни о греческих пастухах в железных сандалиях, называли эти черные камешки «чу-ши», что можно перевести как «любящий камень». Ход мыслей был прост: раз тянется -- значит, любит. (Кстати говоря, людское мышление бывает забавно параллельным: на французском языке магнит называется «эман» -- «любящий».)

Китайцы -- народ пытливый. Они первыми придумали, как можно практически использовать магниты. Они не изобрели компас, как многие думают, они изобрели игрушку -- югоуказатель. Небольшие фигурки с вытянутой рукой, постоянно указывающей на юг, ставились ими не только на корабли, но и на конные повозки. Это было четыре тысячи лет тому назад. Граждане огромной Поднебесной империи жили довольно замкнуто, тихо и мирно. Плавания совершали в основном каботажные -- вдоль берега, по рекам, и компас был китайцам не очень-то нужен. (Заторможенные китайцы даже изобретенный порох умудрились не использовать для военных нужд -- делали фейерверки и ракеты.)

Другое дело -- агрессивная и неугомонная европейская цивилизация, вечно тянет на какие-то приключения. Ей компас был просто необходим. И он был изобретен в Италии неким Джойя примерно 700 лет назад. Тогда уже научились натирать природными магнитами стальные иглы, которые стали первыми искусственными магнитами и которые использовали в качестве стрелок. Джойя снабдил магнитную стрелку кругом с делениями. Прибор получил название «компассаре», что означает «измерять шагами».

То что стрелка компаса нигде не показывает на Полярную звезду, было известно еще Колумбу. Об этом свидетельствует письмо, написанное им королю и королеве Испании:«...Когда я отплыл из Испании в Западные Индии, я обнаружил, что, после того как я проплыл сто лиг на запад от Азорских островов..., стрелка компаса, дотоле показывавшая на северо-восток, вдруг повернулась на целую четверть, к северо-западу, и уже более не меняла своего направления...».
Столь странное поведение компасной стрелки вызвало панику среди матросов Колумба: они полагали, что компас должен всегда указывать на Полярную звезду. Колумб и сам думал точно так же; однако ему удалось убедить своих моряков, что неправильно вел себя не компас, а Полярная звезда. Благодаря этому обману Колумб смог предотвратить мятеж матросов, требовавших возвращения назад, и довел до конца свой замечательный подвиг. В противном же случае открытие Америки могло бы отодвинуться на несколько десятков лет.

Так магниты вошли в широкое применение.

Магнитный компас

Если стержневой магнит, намагниченную иголку или кусок магнитного железняка укрепить так, чтобы они могли свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, то, как хорошо известно, их концы будут показывать на север и юг.

Подобный инструмент называется компасом. Тот конец иголки, который указывает на север, был назван северным полюсом (его обозначение N или С), противоположный конец — южным полюсом (обозначается S или Ю).

Почему компас показывает направление с севера на юг?

Тот факт, что разноименные магнитные полюсы притягиваются друг к другу, может объяснить, почему стрелка компаса показывает определенное направление. Так как северный конец стрелки указывает на север, то, видимо, где-то в этом направлении должен находиться противоположный магнитный полюс. Это же можно сказать и в отношении южного полюса. Но если эти полюсы действительно существуют, то где же они находятся?

В течение долгого времени считалось, что источником магнитного притяжения для компаса является Полярная звезда. Однако если бы это было так, то направление стрелки компаса должно было бы меняться по крайней мере на 1 градус через каждые 12 часов, вследствие видимого кругового движения Полярной звезды на небосводе. Наблюдения же не показывают поворота стрелки компаса в течение суток, так что это объяснение ошибочно.

Находится ли источник магнитного притяжения на Земле?

Английский ученый Уильям Джилберт (1540 - 1603) был одним из первых, кто предположил, что магнитом является сама Земля. Для проверки своего предположения Джилберт построил большой глобус из магнитного железа, который назвал «маленькой Землей», и поместил его магнитные полюса в места географических полюсов. Затем он поднес к этому глобусу компас и нашел, что во всех точках глобуса, за исключением его полюсов, стрелка компаса показывает направление с севера на юг. Джилберт жил в Англии; он думал, что такое положение стрелка компаса сохраняет и во всех других точках земной поверхности.

Для дальнейшего сравнения магнетизма своего глобуса и Земли Джилберт использовал иглу наклонения, которая укреплялась так, что могла свободно поворачиваться в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси. Возле магнитных полюсов глобуса эта стрелка устанавливалась вертикально. На половине же расстояния между магнитными полюсами - на магнитном экваторе - стрелка устанавливалась горизонтально, параллельно поверхности Земли. Угол, который такая игла образует с горизонтальной плоскостью, называется углом наклонения, или просто наклонением. На магнитном экваторе глобуса Джилберта наклонение было равно нулю, на полюсах составляло 90 градусов, а между экватором и каждым из полюсов оно постепенно менялось от нуля до 90 градусов.

Где находятся магнитные полюсы Земли?

После открытия Америки, уже в XIX веке, исследователи земного магнетизма установили, что на севере Гудзонова залива, в точке, находящейся приблизительно на 73° северной широты и 96° западной долготы, северный полюс иглы для грубых определений наклонения оказался направлен точно вниз, указывая, что северный магнитный полюс Земли находится непосредственно в этой точке. Южный магнитный полюс Земли находится в Антарктиде на 72° южной широты и 155° восточной долготы. Через точки, расположенные на половине расстояния между магнитными полюсами, проходит магнитный экватор.

Оба магнитных полюса связывает линия, опоясывающая глобус и называемая линией нулевого склонения, в точках которой концы стрелки компаса показывают на север и юг. Часть этой линии проходит в общем направлении с севера на юг через Канаду, США, пересекает западную границу штата Мичиган и выходит в Атлантический океан, на берегу штата Джорджиа. К востоку от этой линии компас показывает на северо-запад; к западу от нее стрелка компаса устанавливается в северо-восточном направлении. Угол, на который стрелка компаса отклоняется от направления на географический или истинный север и юг, называется магнитным склонением компаса, или вариацией. Если склонение происходит к западу от севера, оно называется западным склонением, если же к востоку от севера - то восточным склонением.

Благодаря совместным усилиям ученых многих стран были тщательно определены и постоянно проверяются магнитные склонения и наклонения, а также интенсивность земного магнетизма. Современные карты показывают склонения во всех частях земного шара. Линии, проведенные через точки с одинаковыми значениями магнитного склонения, называются изогоническими (равноугольными) линиями. Карты, на которых нанесены такие линии, необходимы для морской и воздушной навигаций по компасу.

РЕКОРДЫ

Перстень Ньютона превращается в летающий поезд

Сэр Исаак Ньютон носил «магический» перстень, в котором вместо драгоценного камня был оправлен золотом природный магнит необычайной силы. Неудивительно даже для ученого: с магнитом связано множество легенд и преданий. Считалось, что магнит может отпирать замки, извлекать золото из-под земли. Говорили, что где-то в море-океане есть магнитные скалы, которые вытаскивают гвозди из проплывающих мимо кораблей. С помощью магнитов пытались построить вечный двигатель.

Английская королева Елизавета попросила своего придворного медика Уильяма Гильберта поехать в Россию и вылечить царя Ивана Грозного от какой-то неизвестной болезни. Прибыв в Московию, лекарь начал потчевать капризного государя пилюльками и корешками, но тому все не легчало. Над лекарем замаячила тень Малюты Скуратова, и от отчаяния эскулап бросился изучать лечебные свойства магнитов. И стал большим специалистом в этой области, хотя царя так и не вылечил.

Кстати, после Ньютона, нарисовавшего четкую механистическую картину мироздания, оставались только две пустяковые вещицы, которые в эту картину не укладывались, -- притягивающиеся к железке магниты и электрические явления (например, притягивание бумажек к натертой эбонитовой палочке).

Впервые на связь между магнетизмом и электричеством указал Эрстед. На лекции в Копенгагенском университете случайно возле действующей электрической установки оказался компас. При включении тока стрелка компаса поворачивалась к проводнику. Это заметил один студент и спросил: а на каком, собственно, основании? Случилось это 15 февраля 1820 года. По наводке студента Эрстед уже через неделю опубликовал работу об этом, став известным и богатым. Фамилию же студента история до нас не донесла. Неизвестно также, делал ли потом наблюдательному студенту Эрстед поблажки на экзаменах. Через пять лет после той знаменитой лекции английский любитель науки по фамилии Стёрджен сунул стальной стержень в катушку с протекающим по ней током. Так был изобретен первый электромагнит.

И пошла гонка -- кто сделает магнит мощнее! Электромагнит Стёрджена поднимал груз в 18 раз больше собственного веса. Ученик Стёрджена Джоуль (тот самый) сделал магнит, поднимающий в 200 раз больше собственного веса. Американец Эдисон разработал проект по превращению в электромагнит целой скалы из магнитной руды. Эдисон планировал обмотать скалу проводом и пустить по проводу ток от местной электростанции. Проект так и не был осуществлен, видимо, в силу его бессмысленности.

Но в 1937 году другой американец, Биттер, построил-таки электромагнит-монстр. Чтобы включить его, пришлось обесточить весь Бостон -- так много жрал энергии. Когда его включили, все железные предметы в округе -- гвозди, болты, железная стружка, инструменты -- со страшной скоростью полетели к магниту. Этот магнит развил напряженность поля в 100 000 эрстед, что в 200 000 раз больше напряженности магнитного поля Земли. Другой американец -- Кольм построил магнит еще более мощный (250 000 эрстед) и настолько же бесполезный. На этом Америка успокоилась.

Но не успокоились русские большевики. Им нужны были рекорды, фрейдистский комплекс «у меня самый большой» не давал им покоя. Были задействованы лучшие умы. Капица-старший, разряжая на электромагнит «ударный» генератор, питающийся от огромного маховика, получил 500 000 эрстед напряженности магнитного поля. Но уж совсем за всякие рамки вышел академик Сахаров: он предложил оригинальное решение -- сжимать электромагнит вместе с его магнитным полем с помощью взрывчатки. В сдавленном пространстве напряженность поля достигла 25 000 000 эрстед!

Конечно, поле такой силы существовало доли секунды, но существовало же! Вообще на создание сверхсильных магнитных полей необходимо либо тратить энергию целого города, либо такие поля будут жить доли секунды. А если надо и надолго, и город не отключать? Здесь может помочь сверхпроводимость. Это явление было открыто в 1911 году. Суть его в том, что при охлаждении металла до космического холода его электрическое сопротивление падает до нуля, поэтому ток в замкнутом витке может циркулировать вечно. И магнитное поле, создаваемое этим током, также будет вечным.

Для чего вся эта гигантомания? Как это зачастую бывает в науке, целесообразность проявилась не сразу. Но вот десять лет назад швейцарские физики открыли «теплые» сверхпроводники. Для достижения ими состояния сверхпроводимости уже не нужен абсолютный нуль, достаточно температуры, при которой азот превращается в жидкость. Хотелось бы, чтобы проводники становились сверхпроводящими при комнатной температуре, но таких пока нет. А когда будут...

Фантастические перспективы! Не говоря даже о принципиально новой энергетике и электронике, станет возможным магнитное подвешивание тяжелых тел -- мостов, зданий, поездов, можно подвешивать турбины электростанций, маховики -- накопители энергии. Представляете -- дворец, парящий в воздухе! Во всяком случае, в Японии уже продаются игрушки, основанные на сверхпроводящем подвешивании.

ЖИДКИЕ МАГНИТЫ

Идея: размолоть железо в такой мелкий порошок, который бы не осаждался в жидкости -- воде, керосине, масле... Тогда получилась бы магнитная жидкость. Осуществить это удалось только в 60-х годах. После целой недели размалывания в шаровой мельнице добились такого тонкого помола порошка феррита, что, будучи засыпанным в смесь керосина и олеиновой кислоты, он уже не осаждался.

Это был первый жидкий магнит -- тяжелая черно-бурая жидкость. Если к сосуду с такой жидкостью поднести магнит, она в буквальном смысле лезет на стенку или вздувается бугром. Разлитую на полу, ее можно собрать магнитом. Правда, лучше для этого брать электромагнит. Его выключил -- и жидкость стекла в подставленную емкость. А вот постоянным магнитом жидкомагнитную субстанцию лучше не собирать: потом от магнита ее нипочем не отскребешь.

Для чего? Например, из подводной лодки торчит вал с винтом. Встает проблема с уплотнением, чтобы забортная вода не проникала в машинное отделение. Вместо сальников можно использовать жидкомагнитное уплотнение, чуть намагнитив вал в месте его выхода из корпуса лодки.

Магнитную жидкость на основе масла используют в качестве вечной смазки для намагниченных подшипников. Она оттуда уже не вылезет. Наоборот, захочешь -- не вынешь.

Можно построить герметичный насос для перекачки агрессивных или ядовитых жидкостей. Вместо поршня в трубке будет ходить туда-сюда жидкомагнитная «пробка». Внешний магнит двигает ее, «пробка» толкает в трубке перекачиваемую жидкость.

Вот еще. Затонул нефтеналивной танкер. На море образовалась нефтяная пленка. Как ее собрать? Распылить небольшое количество магнитной жидкости, она растворится в нефти, а затем нефть собрать мощными электромагнитами.

Мелочи:

Предсказать магнитную бурю реально за сутки. Иногда, при особо сильной вспышке, за 12 часов. Это минимум. А максимум -- магнитную бурю можно спрогнозировать за 27 суток. За 27 дней Солнце оборачивается вокруг своей оси, вновь поворачиваясь к Земле тем же бочком, той же точкой, в которой произошло взрывное возмущение, выбросившее к Земле поток частиц. Если возмущение еще не затихло, Землю опять облучит мощным потоком солнечного ветра.

Следите за прогнозами магнитных бурь

У нашей планеты есть постоянное магнитное поле. А вот колебания этого поля -- магнитные бури -- зависят уже не от планеты, а от ближайшей звезды. В моменты вспышек на Солнце в пространство исторгаются потоки частиц. Их называют солнечным ветром. Через сутки-двое частицы долетают до Земли. Бомбардируя магнитное поле нашей планеты, они вызывают магнитные бури, северные сияния и... головные боли. Причем болит и сияет больше у полюсов, где напряженность магнитного поля достаточно велика.

Лет семь назад сильнейшая магнитная буря обрушилась на Землю. Тогда не повезло Канаде, Квебеку. По девятибалльной штормовой шкале буря достигла 8 баллов. В Квебеке вышла из строя энергосистема всего города. И этот случай не единственный. «Вылетали пробки» и в США, и в других странах. А уж о нарушениях радиосвязи и не говорим -- это стало притчей во языцех. Не зря славяне называли Солнце Ярилой!

Сначала тем, кто говорил о влиянии магнитных бурь на организм человека, не верили. Над этими учеными смеялись, негодовали, обвиняли в лженауке. Первым был осмеян Чижевский. После него, в 20-е годы нашего века двое французов, Фор и Сарду, также обнаружили зависимость между магнитными бурями и сердечно-сосудистыми заболеваниями. По их выкладкам получалось, что в 85% наблюдаемых мест Франции число сердечно-сосудистых больных увеличивалось в моменты магнитных бурь.

Впоследствии были найдены корреляции между бурями и еще многими заболеваниями, в том числе астмой, язвой, эпилепсией и психическими заболеваниями. Скандинавы подтвердили: да, в дни магнитных волнений в психиатрические лечебницы поступает больше пациентов, чем в спокойные дни. Возрастает также число самоубийств.

Вслед за физиками физиологи нашли свое объяснение вредного влияния бурь, но уже на макроуровне. Вегетативная нервная система состоит из двух отделов -- симпатического и парасимпатического. Симпатический отдел отвечает за повышение артериального давления и убыстрение сердечных сокращений, а парасимпатический действует наоборот. Всплески магнитной активности нарушают гормональный баланс и тем самым активизируют какой-то из отделов нервной системы. В итоге -- нарушение сердечного ритма, обострение всех хронических болезней, инфаркты.

Магнитные бури заставили ученых в последнее время внимательно понаблюдать за небольшой шишковидной железой под названием эпифиз. Эпифиз вырабатывает гормон мелатонин, который действует как иммуномодулятор, то есть восстанавливает нарушенную иммунную систему человека. Но самое главное -- мелатонин управляет биоритмами человека -- заставляет его ночью спать, а днем активно действовать. Во время магнитных бурь характер выделения мелатонина нарушается, «плывут» биоритмы. И что самое смешное, это может даже привести к внезапной смерти. Причем умереть, в принципе, может и молодой здоровый человек.

Чаще подвержены синдрому внезапной смертности (СВС) младенцы. Они первые три месяца живут по так называемому околонедельному ритму. Потом в их крошечных организмах происходит перестройка: недельный ритм меняется на суточный. Если смены не происходит, младенчик может умереть.

Вполне здоровый человек с железным сердцем тоже может внезапно умереть. Это зависит только от типа его нервной системы. Поэтому необходимо выявить типы реакции людей на магнитные бури. Чтобы человек знал не только группу своей крови, но и тип магнитной восприимчивости. Пока что материал для подобных тестирований еще только накапливается, нарабатываются методики.

Это делается следующим образом. К груди испытуемого прикрепляют датчики, на пояс вешают небольшую черную сумку с измерительным аппаратом и отпускают на волю, как окольцованную птичку. Человек идет на работу, скандалит с женой, едет в метро. А все это время, круглые сутки вся информация о деятельности сердца поступает в компьютер. Каждые полчаса (или час, или минуту -- по желанию исследователя) на руке испытуемого надувается небольшая манжетка, измеряющая артериальное давление, и данные опять-таки поступают в компьютер. (Наверное, сексом заниматься во всем этом снаряжении не совсем удобно.) А потом медик анализирует 24-часовую электрокардиограмму и приходит к выводу, что на клиента повлияло -- магнитная буря или семейная.

Если магнитная -- товарищу мягко порекомендуют лекарства, которые, правда, чаще не помогают: мало мы еще знаем о человеке. Сложность состоит еще и в том, чтобы найти универсальное лекарство, которое можно было бы давать и сердечнику, и язвеннику, и «трезвеннику». Правда, сейчас большие надежды ученые возлагают на синтезированное лекарство со знакомым уже нам названием «мелатонин».