Oddziaływanie magnetyczne obiektów jest jednym z podstawowych procesów rządzących wszystkim we Wszechświecie. Jego widocznymi przejawami są zjawiska magnetyczne. Wśród nich są zorza polarna, przyciąganie magnesów, burze magnetyczne itp. Jak powstają? Czym one są?
Magnetyzm
Zjawiska i właściwości magnetyczne są zbiorczo określane jako magnetyzm. O ich istnieniu wiadomo było od bardzo dawna. Przyjmuje się, że już cztery tysiące lat temu Chińczycy wykorzystali tę wiedzę do stworzenia kompasu i nawigowania w rejsach morskich. Przeprowadzanie eksperymentów i poważne badanie fizycznego zjawiska magnetycznego rozpoczęło się dopiero w XIX wieku. Hans Oersted jest uważany za jednego z pierwszych badaczy w tej dziedzinie.
Zjawiska magnetyczne mogą występować zarówno w kosmosie, jak i na Ziemi i pojawiają się tylko w polach magnetycznych. Takie pola powstają z ładunków elektrycznych. Gdy ładunki są nieruchome, wokół nich tworzy się pole elektryczne. Kiedy się poruszają - pole magnetyczne.
Oznacza to, że zjawisko pola magnetycznego pojawia się wraz z pojawieniem sięprąd elektryczny lub zmienne pole elektryczne. Jest to obszar przestrzeni, w którym działa siła oddziałująca na magnesy i przewodniki magnetyczne. Ma swój własny kierunek i zmniejsza się w miarę oddalania się od swojego źródła - przewodnika.
Magnesy
Ciało, wokół którego powstaje pole magnetyczne, nazywa się magnesem. Najmniejszym z nich jest elektron. Przyciąganie magnesów jest najbardziej znanym fizycznym zjawiskiem magnetycznym: jeśli połączysz ze sobą dwa magnesy, będą się one przyciągać lub odpychać. Chodzi o ich pozycję względem siebie. Każdy magnes ma dwa bieguny: północny i południowy.
Bieguny o tej samej nazwie odpychają się nawzajem, a przeciwne bieguny przyciągają. Jeśli przetniesz go na dwie części, biegun północny i południowy nie rozdzielą się. W efekcie otrzymamy dwa magnesy, z których każdy również będzie miał dwa bieguny.
Istnieje wiele materiałów magnetycznych. Należą do nich żelazo, kob alt, nikiel, stal itp. Wśród nich są płyny, stopy, związki chemiczne. Jeśli magnesy będą trzymane w pobliżu magnesu, same staną się jednym.
Substancje takie jak czyste żelazo łatwo nabywają tę właściwość, ale też szybko ją żegnają. Inne (takie jak stal) potrzebują więcej czasu na namagnesowanie, ale zachowują efekt przez długi czas.
Namagnesowanie
Powyżej ustaliliśmy, że pole magnetyczne powstaje, gdy poruszają się naładowane cząstki. Ale o jakim ruchu możemy mówić na przykład w kawałku żelaza wiszącym na lodówce? Wszystkosubstancje składają się z atomów, które zawierają poruszające się cząstki.
Każdy atom ma swoje własne pole magnetyczne. Ale w niektórych materiałach pola te są kierowane losowo w różnych kierunkach. Z tego powodu wokół nich nie powstaje jedno duże pole. Takie substancje nie są zdolne do magnetyzacji.
W innych materiałach (żelazo, kob alt, nikiel, stal) atomy są w stanie ustawić się tak, że wszystkie są skierowane w ten sam sposób. W rezultacie wokół nich powstaje wspólne pole magnetyczne, a ciało zostaje namagnesowane.
Okazuje się, że namagnesowanie ciała jest uporządkowaniem pól jego atomów. Aby złamać ten porządek, wystarczy mocno w niego uderzyć np. młotkiem. Pola atomów zaczną poruszać się chaotycznie i stracą swoje właściwości magnetyczne. To samo stanie się, jeśli materiał zostanie podgrzany.
Indukcja magnetyczna
Zjawiska magnetyczne są związane z poruszającymi się ładunkami. Tak więc wokół przewodnika z prądem elektrycznym z pewnością powstanie pole magnetyczne. Ale czy może być odwrotnie? Angielski fizyk Michael Faraday zadał kiedyś to pytanie i odkrył zjawisko indukcji magnetycznej.
Doszedł do wniosku, że stałe pole nie może wywołać prądu elektrycznego, ale zmienne pole może. Prąd występuje w zamkniętym obwodzie pola magnetycznego i nazywa się indukcją. W takim przypadku siła elektromotoryczna zmieni się proporcjonalnie do zmiany prędkości pola, które przenika obwód.
Odkrycie Faradaya było prawdziwym przełomem i przyniosło znaczne korzyści producentom urządzeń elektrycznych. Dzięki niemu możliwe stało się pozyskiwanie prądu z energii mechanicznej. Zastosowano wydedukowane przez naukowca prawo istosowany w urządzeniach silników elektrycznych, różnych generatorów, transformatorów itp.
Pole magnetyczne Ziemi
Jowisz, Neptun, Saturn i Uran mają pole magnetyczne. Nasza planeta nie jest wyjątkiem. W zwykłym życiu prawie tego nie zauważamy. Nie jest namacalny, nie ma smaku ani zapachu. Ale to z nim wiążą się zjawiska magnetyczne w przyrodzie. Takich jak zorza polarna, burze magnetyczne lub magnetorecepcja u zwierząt.
W zasadzie Ziemia jest ogromnym, ale niezbyt silnym magnesem, który ma dwa bieguny, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Linie magnetyczne opuszczają biegun południowy planety i wchodzą na północ. Oznacza to, że w rzeczywistości biegun południowy Ziemi jest biegunem północnym magnesu (dlatego na zachodzie biegun południowy jest oznaczony na niebiesko - S, a na czerwono biegun północny - N).
Pole magnetyczne rozciąga się na setki kilometrów od powierzchni planety. Służy jako niewidzialna kopuła, która odbija potężne promieniowanie galaktyczne i słoneczne. Podczas zderzenia cząstek promieniowania z powłoką Ziemi powstaje wiele zjawisk magnetycznych. Przyjrzyjmy się najsłynniejszym z nich.
Burze magnetyczne
Słońce ma silny wpływ na naszą planetę. Nie tylko daje nam ciepło i światło, ale także prowokuje tak nieprzyjemne zjawiska magnetyczne jak burze. Ich pojawienie się związane jest ze wzrostem aktywności słonecznej i procesami zachodzącymi wewnątrz tej gwiazdy.
Ziemia jest stale pod wpływem przepływu zjonizowanych cząstek ze Słońca. Poruszają się zprędkość 300-1200 km/s i są określane jako wiatr słoneczny. Ale od czasu do czasu na gwieździe dochodzi do nagłego wyrzutu ogromnej liczby tych cząstek. Działają one jak wstrząsy na skorupie ziemskiej i powodują drgania pola magnetycznego.
Takie burze zwykle trwają do trzech dni. W tej chwili niektórzy mieszkańcy naszej planety źle się czują. Wibracje muszli odbijają się w nas przy bólach głowy, zwiększonym ciśnieniu i osłabieniu. W ciągu życia człowiek doświadcza średnio 2000 burz.
Zorza polarna
W przyrodzie są też przyjemniejsze zjawiska magnetyczne - zorza polarna lub zorza polarna. Przejawia się w postaci poświaty nieba o szybko zmieniających się kolorach i występuje głównie na dużych szerokościach geograficznych (67-70°). Przy silnej aktywności Słońca blask jest obserwowany jeszcze niżej.
Około 64 kilometrów nad biegunami naładowane cząstki słoneczne spotykają się w najdalszych zakątkach pola magnetycznego. Tutaj część z nich kieruje się na bieguny magnetyczne Ziemi, gdzie oddziałują z gazami atmosfery, dlatego pojawia się zorza polarna.
Widmo blasku zależy od składu powietrza i jego rozrzedzenia. Czerwona poświata pojawia się na wysokości od 150 do 400 kilometrów. Odcienie niebieskie i zielone kojarzą się z dużą zawartością tlenu i azotu. Występują na wysokości 100 kilometrów.
Magnitorecepcja
Główną nauką badającą zjawiska magnetyczne jest fizyka. Jednak niektóre z nich mogą być również związane z biologią. Na przykład magnetyczna wrażliwość życiaorganizmy - umiejętność rozpoznawania pola magnetycznego Ziemi.
Wiele zwierząt, zwłaszcza gatunków wędrownych, ma ten wyjątkowy dar. Zdolność do magnetorecepcji wykryto u nietoperzy, gołębi, żółwi, kotów, jeleni, niektórych bakterii itp. Pomaga ona zwierzętom poruszać się w przestrzeni i znaleźć swój dom, oddalając się od niego na dziesiątki kilometrów.
Jeśli ktoś używa kompasu do orientacji, zwierzęta używają całkowicie naturalnych narzędzi. Naukowcy nie są jeszcze w stanie dokładnie określić, jak i dlaczego działa magnetorecepcja. Wiadomo jednak, że gołębie potrafią znaleźć swój dom, nawet jeśli zostaną od niego zabrane setki kilometrów, jednocześnie zamykając ptaka w całkowicie ciemnym pudełku. Żółwie znajdują swoje miejsce urodzenia nawet wiele lat później.
Dzięki swoim „supermocarstwom” zwierzęta przewidują erupcje wulkanów, trzęsienia ziemi, burze i inne kataklizmy. Są wrażliwe na wahania pola magnetycznego, co zwiększa zdolność samozachowawczy.
