Історія відкриття магніту

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Історія відкриття магніту

Історія відкриття:

За багато століть до нашої ери було відомо, що деякі кам'яні породи мають властивість притягувати шматки заліза. Про це згадував у 6 столітті до нашої ери грецький фізик та філософ Фалес.

Перше наукове вивчення властивостей магніту було зроблено в 13 столітті вченим Петром Перегріном. 1269 року з'явився його твір «Книга про магніт», де він писав про численні факти явища магнетизму: у магніта є два полюси, які вчений назвав північним та південним; неможливо відокремити полюси один від одного розламуванням. Перегрін згадав і про два види взаємодії полюсів -- притягання та відштовхування. До 12 -- 13 століття магнітні компаси вже використовувалися в навігації в Європі, у Китаї та інших країнах світу.

1600 року був опублікований твір англійського лікаря Вільяма Гільберта «Про магніт». До вже відомих фактів Гільберт додав важливі спостереження: посилення дії магнітних полюсів за допомогою залізної арматури, втрата магнетизму при нагріванні тощо. 1820 року даньський фізик Ганс Християн Ерстедна лекції спробував продемонструвати своїм студентам відсутність зв'язку між електрикою та магнетизмом, увімкнувши електричний струм поблизу магнітної стрілки. За словами одного з його слухачів, він був буквально «ошелешений», коли побачив, що магнітна стрілка після включення струму почала здійснювати коливання. Великою заслугою Ерстеда є те, що він оцінив значення свого спостереження та повторив дослід. Поєднавши довгим дротом полюси гальванічного елемента, Ерстед простягнув дріт горизонтально та паралельно щодо вільно підвішеної магнітної стрілки. Коли було ввімкнено струм, стрілка відразу відхилилася, прагнучи стати перпендикулярно до напрямку дроту. При зміні напрямку струму стрілка відхилилася в інший бік. Незабаром Ерстед довів, що магніт діє з певною силою на дріт, по якому йде струм.Відкриття взаємодії між електричним струмом та магнітом мало величезне значення. Воно стало початком нової епохи у вченні про електрику та магнетизм та зіграло важливу роль у розвитку техніки фізичного експерименту.

Дізнавшись про відкриття Ерстеда, французький фізик Домінік Франсуа Араго почав свою серію дослідів. Він обмотав мідним дротом скляну трубку, в яку вставив залізний стрижень. Коли було замкнено електричне коло, стрижень сильно намагнітився і до його кінця міцно прилипли залізні ключі; коли було вимкнено струм, ключі відпали. Араго розглядав провідник, по якому йде струм, як магніт. Правильне пояснення цього явища було дано після дослідження французького фізика Андре Ампера, який встановив внутрішній зв'язок між електрикою та магнетизмом. У вересні 1820 року він повідомив Французької Академії наук про отримані ним результати.Потім у своєму «верстаті» Ампер замінив раму на вільно підвішений спіральний провідник. Цей дріт при пропущенні по ньому струму набував властивостей магніту. Ампер назвав його соленоїдом. Виходячи з магнітних властивостей соленоїда, Ампер запропонував розглядати магнетизм як явище, що спричинене круговими струмами. Він вважав, що магніт складається з молекул, у яких присутні кругові струми. Кожна молекула являє собою маленький магнітик, розташовуючись однойменними полюсами в одну і ту ж сторону, ці маленькі магнітики й утворюють магніт.

Проводячи уздовж сталевої смуги магнітом (кілька разів на одну і ту ж сторону), ми змушуємо молекули з круговими струмами однаково орієнтуватися в просторі. Таким чином, сталева пластинка перетвориться на магніт.

Тепер став зрозумілим і досвід Араго зі скляною трубкою, обмотаною мідним дротом. Вставлоений у неї залізний стрижень став магнітом тому, що навколо нього йшов струм. Це був електромагніт.1825 року англійський інженер Вільям Стерджен виготовив перший електромагніт у вигляді зігнутого стрижня з м'якого заліза з обмоткою з товстого мідного дроту. Для ізолювання від обмотки стрижень був покритий лаком. При пропущенні струму залізний стрижень набував властивостей сильного магніту, але при перериванні струму він миттєво їх втрачав. Саме ця особливість електромагнітів дозволила широко застосовувати їх у техніці

Як і всі великі відкриття історії магнітів дуже барвисті і цікаві.

Пастир Магніт

Найбільш популярна легенда відкриття магнітів прийшла до нас від літньої критського пастуха на ім'я Магніт. Легенда свідчить, що Магніт пас своїх овець в області Північної Греції, яка називалася Магнезія, близько 4000 років тому. Раптом ніби нігті на ногах, металевий наконечник його палиці міцно застряг у великому, чорному камені, на якому він стояв. Щоб знайти джерело тяжіння він викопав камінь з землі, щоб знайти природний магніт. Природний магніт містять магнетит, що включає Fe3O4 матеріал. Цей тип каменя згодом був названий магнетит, а після Магнезії і зовсім як магніт, на честь критського пастуха.

Грецький і китайський

Найперша відкриття властивостей магніту зробили або греки або китайці. Історія магнетизму сходить до першого століття до н.е. в працях Лукреція і Плінія Старшого (23-79 н.е. римський період). Пліній писав про пагорбі біля річки Інд, який був зроблений цілком з каменю, що залучає залізо. Він зазначив, магічні сили магнетиту в своїх писаннях. Протягом багатьох років після його відкриття, магнетит був занурений в забобони і вважається, має магічну силу, такий як здатність зцілювати хворих, відлякувати злих духів і залучати і розчиняти суду створені з заліза!

Люди вірили, що з'явилися цілі острови магнітної природи, які могли б залучити суду в силу залізних цвяхів, що використовуються в їх будівництві. Суду, які зникли в морі, як вважали, були таємниче притягнуті цими островами. Підозрюють що Архімед, використовував природні магніти для видалення цвяхів з ворожих кораблів, що призводило до їх потоплення.

Люди швидко зрозуміли, що магнетит не тільки залучає предмети, зроблені з заліза, але зроблений у формі голки і плаваючий на воді, магнетит завжди вказував у північно-південному напрямку, створюючи таким чином примітивний компас. Це призвело до альтернативного імені для магнетиту, такому як магніт або "ведучий камінь".Через багато років після відкриття магнетизму це стало простим цікавим природним явищем. Китайці розробили компас близько 4500 років тому. Найбільш ранні морські компаси містили осколки з магніту, які акуратно плавали на поверхні води.

Ранні Відкриття

Перегрін та Гілберт. Петру Перегрін приписується перша спроба відокремити факти від забобонів у 1269. Перегрін написав листа з описом усього, що було відомо, в той час, про магнетит. Він сказав, що він зробив це в той час, коли стояв на варті поза стінами Люцера який був в облозі. Хоча люди в стінах голодували до смерті, Петро Перегрін створив один з перших "наукових" доповідей, який зробив величезний вплив на світ.

Однак, значний прогрес був досягнутий тільки з експериментами Вільяма Гілберта в 1600 році в розумінні магнетизму. Це Гілберт першим зрозумів, що земля є гігантський магніт, і, що магніти можуть бути зроблені, при відбиванні кованого заліза. Він також виявив, що в результаті нагрівання, втрачаються властивості магніту.

Ерстед і Максвелла

У 1820 році Ханс Крістіан Ерстед (1777-1851 датчанин) продемонстрував, що магнетизм, був пов'язаний з електрикою, використовуючи дріт проводить електричний струм, близький за своїми властивостями до магнітного компасу, який викликав відхилення стрілки компаса. В даний час відомо, що кожного разу, коли струм буде пов'язаний магнітним полем з навколишнім простором буде створено магнітне поле, або, більш загально, що рух будь-яких заряджених частинок буде виробляти магнітне поле.

У кінці кінців, була людина на ім'я Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879 шотландець), який встановив поза всяким сумнівом, взаємини між електрикою і магнетизмом і оприлюднив низку оманливо простих рівнянь, які лежать в основі електромагнітної теорії на сьогоднішній день. Що ще більш примітно так це те, що Максвелл розвинув свої ідеї в 1862 році, більш ніж тридцять років до того як Дж. Томсон відкрив електрон у 1897 році. Частинки придбали настільки фундаментальне значення для сучасного розуміння як електрики так і магнетизму.

Термін магнетизм, таким чином, придуманий, для того щоб пояснити явище, коли природні магніти привертають залізо. Сьогодні, через сотні років досліджень ми не тільки знаємо про властивості тяжіння і відштовхування натуральних магнітів, а також розуміємо що вони використовуються в області медицини; для виробництва комп'ютерних чіпів, телевізорів, телефонів і в іншу електроніку та навіть, те що деякі птахи, метелики і інші комахи мають почуття магнітного напрямки.

Дещо з історії вивчення магнітного поля

Про існування магнетизму відомо приблизно з VII ст. до нашої ери. Властивості магнетиту притягувати до себе залізні речі були добре відомі грекам. Першими назвами його були "геркулесів камінь", "лідійський камінь", "сідерит", або просто "камінь", які пізніше замінились терміном "магніт". Про притягання магніта згадується в творах грецького філософа Фалеса (640-546 р. до н.е.). Про винайдення компаса - першого магнітного приладу серед істориків одностайної думки немає. Переважно вважається, що компас з'явився в Китаї, між 2637 р. до н.е. і 1110 р. н.е. Про застосування компаса європейцями вперше згадується у творі англійського монаха Олександра Некхема (1157-1217 рр.) "De Rerum Naturis"(1187р.), в якому йшлося про застосування вільно підвішеної стрілки для визначення курсу корабля в темноті або в похмуру погоду.

Винайдення морського компаса (1302-1318 рр.) приписують італійцю Флавіо Джойя, який помістив стрілку на вістря голки в центрі круга розділеного на 32 частини - румби.

Найбільш раннім трактатом про магніт і його властивості є листи Петра Перегріна до деякого Сігера від 12 серпня 1269 р. В цьому творі П.Перегрін описує всі відомі властивості магніту і дає вперше назви полюсів магнітної стрілки - північний і південний. П.Перегрін вдосконалив компас, помістивши стрілку на гострий стержень, а також поєднав його з морською астролябією, градуйованою шкалою та базисною лінією, що давало змогу капітану не лише управляти кораблем, але й визначати азимути небесних світил.

Таким чином, в кінці XV ст. в Європі були відомі два важливі факти: відхилення стрілки компаса від істинного напрямку на північ і зміни величини відхилення залежно від місця вимірювання.

Відкриття магнітного нахилення належить Георгу Гартману із Нюрнберга, майстрові з виготовлення компасів та годинників, який вперше визначив магнітне схилення в Римі у 1510 р., але повідомив про це в листі до графа Альберта Пруського лише у 1544 р. В цьому листі він повідомляє, що магніт не лише відхиляється на схід приблизно на 9°, але також нахиляється до низу.

Перша досить значна серія вимірів магнітного схилення на морі була виконана Жаном де Кастро у 1538 р. при переїзді із Європи у Східну Індію. Перший трактат про магнітне схилення був опублікований В.Борроу в Англії у 1585 р.

До кінця XVI ст. схилення було визначене в сотнях пунктів, розташованих в різних місцях земної кулі, в тому числі і в Росії, в руслі р.Печори, на островах Нова Земля, Вайгач, в м.Холмогорську (1556 - 1557 рр.), в Астрахані і Дербенті (в 1580 р.).

Вперше думку, що причина того, що стрілка компаса встановлюється в певному напрямку знаходиться в середині Землі, висловив в 1580 р. англійській гідрограф Роберт Норман.

Наступним помітним кроком в розвитку науки про земний магнетизм можна вважати появу в 1600 р. книги У.Гільберта "Про магніт, магнітні тіла і про великий магніт - Земля". В цій праці У.Гільберт висунув гіпотезу, що Земля являє собою магніт, полюси якого збігаються з географічними полюсами. Для підтвердження цієї гіпотези автор провів досліди з намагніченою залізною кулею. При цьому нахилення магнітної стрілки виявилось однаковим як для Землі, так і для намагніченої кулі. Для пояснення схилення, яке відрізняється в різних місцях, він висунув положення про намагнічення материків, які своїм полем відхиляють магнітну стрілку. магніт морський компас

Важливою віхою у вивченні геомагнетизму було відкриття вікових і добових змін магнітного поля Землі. В 1634 р. Г.Гелібранд провів виміри магнітного схилення в Лондоні і виявив, що воно дорівнює +4,6°, тоді як за даними В.Борроу і П.Нормана, отриманими в 1580 році, схилення становить -11°15ґ. Такі великі зміни схилення за 54 роки неможливо було пояснити лише похибками вимірів. Таким чином, єдиним поясненням цього факту було визнано явище вікової варіації.

Добові варіації схилення вперше виявив в 1682 р. Гуї Ташар, який спостерігав схилення в м.Лумо в Сіамі впродовж трьох діб. Згодом це явище підтвердили лондонський годинникар Грехем (1722 р.) і професор Цельсіус (Швеція), після чого факт добової варіації стає загальновизнаним. Подальші спостереження виявили існування варіацій нахилення, а після розроблення в кінці XVIII ст. методів вимірювання горизонтальної складової були виявлені також варіації цієї складової магнітного поля Землі. Це стало можливим після експериментів Ш.Кулона, який в 1785 р. запропонував метод вимірів обертального моменту і на цій основі розробив спосіб вимірювання напруженості магнітного поля. Цей метод, який полягав у визначенні періоду коливання підвішеного магніту, знайшов відтак широке застосування на практиці. Однак, оскільки період коливання в цьому випадку залежав не лише від магнітного поля Землі, але й від магнітного моменту самого магніта, то практично вимірювались відносні значення поля.

Однак зародження геомагнетизму як науки відбулось завдяки геніальним працям Карла Фрідріх Гауса. З 1807 р. до своєї смерті в 1855 р. він був професором астрономії в Гетінгені (Німеччина). К.Гаус був різностороннім вченим, але найбільший вклад він вніс в теорію чисел, небесну механіку, геодезію та геомагнетизм. Вікова варіація магнітного поля на той час вважалась найбільш гострою проблемою. К.Гаус розумів, що без точних вимірів напруженості поля, а також його напрямку, вивчити всі її аспекти буде неможливо. Тому Гаус приступив до розроблення "абсолютного" методу вимірів горизонтальної складової (Н) магнітного поля Землі. Для застосування такого методу необхідно було, щоб одиниці напруженості поля ґрунтувалися на фундаментальних одиницях довжини, маси і часу. Гаус ввів в якості такої одиниці силу відштовхування між двома однойменними полюсами, розділеними одиничною відстанню. Відтак він винайшов метод коливань і відхилення для вимірів Н. В цьому йому допомагав Вебер, який пізніше, сприйнявши ідею Гауса, визначив одиниці заряду і струму.

Винайдення Гаусом біфілярного магнітометра (по суті, Н-варіометра) дало можливість проводити неперервні виміри Н, тоді як раніше вони проводилися лише для схилення D. Теоретичні роботи Гауса в області геомагнетизму узагальнені ним в 1838-1839 рр. В своїх книгах "Напруженість земної магнітної сили, що приведена до абсолютної міри", а також "Загальна теорія земного магнетизму" він запропонував метод аналізу потенціалу поля за допомогою сферичних гармонік і розділення його на цій основі на частини внутрішнього і зовнішнього походження.

Відмовившись від будь-яких гіпотез, Гаус зовсім по іншому поставив питання про інтерпретацію магнітного поля Землі, при цьому він зробив лише єдине припущення, що причини земного магнетизму лежать в середині Землі. К.Гаус подав магнітний потенціал для будь-якого пункту на поверхні Землі як функцію координат (широти, довготи) розкладу в нескінченний ряд сферичними функціями. Обмежившись кінечною кількістю членів цього ряду, стало можливим, використовуючи результати спостережень, визначати коефіцієнти цього ряду, і тим самим теоретично визначати потенціал у будь-якому пункті земної поверхні.

Роботи К.Гауса дали сильний поштовх для швидкого розвитку геомагнетизму.

З метою неперервних спостережень за варіаціями магнітного поля в 20-х роках XIX ст. в Європі починають появлятись магнітні обсерваторії.

В Росії, до складу якої на той час входила Україна, вперше серйозну увагу на явище земного магнетизму звернув Михайло Ломоносов. В 1759 р. він опублікував працю "Роздуми про велику точність морського шляху", де розв'язав низку питань, що стосуються земного магнетизму, в т.ч. вдосконалення морського компаса. М.Ломоносов вперше висунув думку про Землю як тіло, що складається із дрібних різнорідно намагнічених частинок, які в сукупності утворюють неоднорідно намагнічену кулю, чим і пояснював неоднакові значення схилення в різних частинах земної кулі.

Зазначимо, що ще до робіт К.Гауса професор Казанського університету І.Симонов (1794 - 1855 рр.) опублікував в 1835 р. роботу "Досвід математичної теорії земного магнетизму", в якій довів, що магнітне поле Землі, викликане сумарною дією частинок, що знаходяться в середині Землі, буде тотожне з полем диполя, якщо припустити, що частинки розподілені рівномірно. Вираз для потенціалу диполя як функції довготи і широти виявився тотожним з першим членом розкладу потенціалу, виведеним К.Гаусом.

З появою праць К.Гауса, І.Симонова пов'язується початок сучасного етапу в розвитку науки про земний магнетизм. З цього часу починається швидке накопичення і систематизація матеріалів про розподіл елементів земного магнетизму на поверхні Землі, появляється низка гіпотез про походження магнітного поля Землі, а також народжуються та широко розвиваються методи застосування геомагнітних даних для практичних цілей, в тому числі для завдань геології.

Академіком А.Кутфером в 1829 р. була організована магнітна обсерваторія в Петербурзі, в 1836 р. - в Єкатеринбурзі. Остання працює до сьогоднішнього часу.

Перша магнітна зйомка в російській науці про земний магнетизм була розпочата в 70-х роках XIX ст. І.Симоновим, який за 1871 - 1878 рр. здійснив виміри магнітного поля майже на всій території європейської частини Росії на 281 пункті. Ця зйомка дала змогу виявити крупну магнітну аномалію - всесвітньовідому Курську магнітну аномалію. Ці результати послужили основою для створення А.Тілле в 1881 - 1885 рр. перших магнітних карт.

В Україні подібні дослідження проводить доцент Одеського університету П.Пассальський, який в 1889 - 1900 рр. виконав детальну зйомку Кримського півострова.

На початку ХХ ст. стало цілком зрозумілим, що існує зв'язок між магнітним полем Землі і її геологічною будовою. У зв'язку з цим з ініціативи Академії наук була розпочата в 1910 р. загальна магнітна зйомка території Росії, яка була припинена в 1914 р. у зв'язку з початком першої світової війни.

З кінця ХІХ ст. - початку ХХ ст. в геомагнетизмі починають бурхливо розвиватися нові напрямки, такі як вивчення змінного магнітного поля і геомагнітних збурень, магнетизм гірських порід, палеомагнетизм, аномальне магнітне поле і ін. Завдяки проведенню неперервних спостережень на магнітних станціях та обсерваторіях в високих широтах було встановлено тісний зв'язок між магнітною і сонячною активністю, а ідея про заряджені частинки, які летять від Сонця в напрямку Землі, стала невід'ємною частиною наукового світогляду магнітологів.

Важливими подіями в геомагнетизмі було проведення міжнародних програм під назвою "Перший полярний рік" (1882 - 1883 рр.), "Другий полярний рік" (1932 - 1933 рр.), а також "Міжнародний геофізичний рік" (1957 - 1958 рр.).

Під час Першого міжнародного полярного року, в проведенні якого брали участь Росія, Данія, Німеччина, Франція, Голландія, Австро-Угорщина, Швеція, Італія та інші країни, було зібрано велику кількість даних з метеорології, магнітних явищ і полярного сяйва.

Необхідність в міжнародній кооперації стала ще більше очевидною і необхідною в ХХ ст., коли інтерес до геофізичних досліджень надзвичайно зріс. У зв'язку з цим в 1932 - 1933 рр. був проведений Другий міжнародний полярний рік. До його програми були включені також спостереження за електричним полем Землі і за розповсюдженням радіохвиль. Після завершення цієї програми передбачалось проведення через 25 років Третього міжнародного полярного року. Однак в 50-х роках ХХ ст. стало очевидним, що вже не можна обмежуватися лише роботами в полярних областях і що необхідно організовувати спостереження по всій земній кулі. У зв'язку з цим за ініціативою Міжнародної ради наукових спілок (МРНС) в 1957 - 1958 рр. був проведений Міжнародний геофізичний рік (МГО). Головним завданням його було вирішення проблем планетарного характеру з різних галузей геофізики: метеорологія, геомагнетизм, океанографія, ракети та супутники, сейсмологія, гравіметрія, ядерна реакція. Особливістю МГР стало те, що вперше в історії світової науки дослідження високих шарів атмосфери і міжпланетного простору стали виконуватися шляхом запуску ракет та супутників. В області магнетизму основна увага була приділена дослідженням магнітних варіацій, тому світова мережа магнітних обсерваторій була значно розширена. Так, лише в СРСР в доповнення до 20 діючих обсерваторій було організовано ще 10 станцій, із них три в Антарктиці і дві в Арктиці.

Серед знаменних подій, що здійснили помітний вплив на розвиток геомагнетизму особливе місце займають спуски на воду науково-дослідницьких морських суден - яхт "Карнегі" і "Заря" і запуск штучних супутників з магнітометричною апаратурою на борту.

Яхта "Карнегі" була побудована в 1909 р. для здійснення програми світової магнітної зйомки, яку виконував Відділ земного магнетизму Інституту Карнегі у Вашингтоні впродовж наступних 30 років на поверхні океанів, де дані про магнітне поле були майже відсутні. Під час МГР для здійснення магнітних зйомок в океані в СРСР було побудоване спеціальне немагнітне судно "Заря", яке за період своєї діяльності (до кінця 70-х років) покрило багатьма рейсами простори світового океану, що дало можливість отримати унікальні дані про аномальне магнітне поле Землі.

Із запуском в 1965 р. штучних супутників "Космос-49" (СРСР) і OGO-2 (США), оснащених ферозондовими магнітометрами, розпочалась нова ера в дослідженні магнітного поля Землі. Супутникові зйомки дали змогу отримати детальну інформацію про головне магнітне поле Землі, практично неспотворену довгоперіодними варіаціями, як це має місце при проведенні глобальних зйомок, які розтягуються на десятки років. Повторні зйомки із супутників OGO-6 і "Космос-321" виконані через п'ять років дали змогу вперше отримати детальну картину про зміни поля в глобальному масштабі за п'ятирічний інтервал (1965 - 1970 рр.).

В жовтні 1979 р. на синхронізовану з Сонцем орбіту був запущений супутник МАГСАТ (MAGSAT - Magnetic Satellite), який працював до червня 1980 р. Кут нахилу його орбіти становив 83°, а її висота в перигеї і апогеї дорівнювала відповідно 325 і 550 км. За допомогою цього супутника проводилось вивчення як головного поля, так і різних компонент локального магнітного поля Землі. Повторна зйомка 2000 р., проведена за допомогою супутника ERSTED, дала змогу виміряти Z, H компоненти магнітного поля, знайти віковий хід головного магнітного поля та побудувати за цими даними карти головного магнітного поля.

Важливою віхою у вивченні аномального магнітного поля Землі стало запровадження в практику магнітної розвідки аеромагнітних методів магнітної зйомки. Цей метод був розроблений А.А.Логачевим в 1947 р. і одразу знайшов широке застосування при вивченні важкодоступних територій (гори, ліс, пустеля та ін.), перш за все для пошуків корисних копалин та геологічного картування. Можливості методу значно розширились з розробкою трикомпонентного аеромагнітометра. Перша зйомка за допомогою цього приладу була здійснена Канадською державною обсерваторією з 1955 по 1958 рр.: виміри були виконані над територією Канади і акваторіями Тихого і Атлантичного океанів.

В 60-70-х роках ХХ ст. була виконана зйомка на висотах 200 - 300 м з відстанями між маршрутами 2 км всієї території СРСР. В останні десятиріччя для розв'язання завдань геологічної розвідки широко застосовуються виміри модуля повного вектора магнітного поля з використанням протонного аеромагнітометра.

Залучення даних магнітометрії для вивчення будови земної кори почалося в 20-30 роки у зв'язку з розвідкою і освоєнням залізорудних родовищ Курська і Кривого рогу. Трохи пізніше (1937г.) з'явилася робота Т.М.Розе ( надалі Т.М.Симоненко) "Регіональні магнітні аномалії України і їх зв'язок з геотектонікою" яку можна вважати першою, з відомих автору, роботою, направленою на з'ясування взаємозв'язку магнітного поля з тектонічним районуванням території України і є свого роду "предтечею" післявоєнних досліджень.

Размещено на Allbest.ru