Хіба не дивовижно, що, зрозумівши природу потріскування поліестерового светра, яке виникає, коли ми знімаємо його взимку, ми можемо якоюсь мірою збагнути силу потужних гроз, що часом освітлюють блискавками все нічне небо, а також походження одного з найгучніших і найстрашніших у природі звуків?
Можна сказати, ми є сучасними версіями Бенджаміна Франкліна, бо так само намагаємося осягнути те, що лежить за межами нашого розуміння. У кінці 1980-х учені вперше сфотографували блискавки, що виникають дуже-дуже високо над хмарами. Один з різновидів таких блискавок має назву спрайт і складається з червонувато-оранжевих електричних розрядів, що відбуваються на висоті 50–90 кілометрів над землею. А існують ще так звані блакитні джети, які значно більші, завдовжки іноді до 70 кілометрів, і вистрілюють у верхні шари атмосфери. Ці дивовижні явища відомі нам лише трохи більше ніж двадцять років, тому ми ще так мало знаємо про причини їхньої появи. Попри всі наші знання про електрику, за кожною грозою, приблизно 45 000 разів на день, прихована справжня таємниця.
13 Більше про цю величну особистість ви можете прочитати у книжці Волтера Айзексона «Бенджамін Франклін», що вийшла друком у видавництві «Наш формат» 2019 року. — Прим. ред.
14 Сам Франклін називав цю грубу «пенсильванським каміном». — Прим. ред.
Розділ 8
Загадки магнетизму
Магніти для багатьох людей — лише розвага, частково тому, що ми можемо відчувати силу, з якою вони діють на предмети, і погратися з нею, хоч вона зовсім невидима. Коли ми наближаємо один до одного два магніти, вони або взаємно притягуються, або відштовхуються — як і наелектризовані тіла. Більшість із нас відчуває, що магнетизм глибоко пов’язаний з електрикою — наприклад, ледь не кожен, хто цікавиться наукою, знає слово електромагнітний, — але водночас ми не можемо остаточно пояснити, чому і як вони пов’язані. Це величезна тема, і я присвятив їй цілий вступний курс, тому тут ми оглянемо її побіжно. Але навіть у такому разі фізика магнетизму досить швидко продемонструє нам приголомшливі ефекти і допоможе глибше зрозуміти багато явищ.
Дива магнітних полів
Якщо взяти магніт і покласти його перед екраном увімкненого старого телевізора ще з доплазмових часів, ви побачите на екрані дуже цікаві кольорові візерунки.
Коли ще не існувало рідкокристалічних дисплеїв і плазмових екранів, пучки електронів, що летіли із задньої частини телевізора в бік екрана, активували на ньому кольори, фактично малюючи різні зображення.
Якщо піднести до такого екрана магніт, як роблю я на лекції, виникають майже психоделічні візерунки. Вони такі привабливі, що від них у захваті навіть дітлахи чотирьох-п’яти років. (Фотографії цих візерунків легко знайти в інтернеті).
Правду кажучи, діти, здається, постійно самі виявляють такий ефект. Інтернет так і рясніє благаннями стривожених батьків допомогти їм урятувати телевізор після того, як чада приклали до екрана магніти з холодильника. На щастя, більшість телевізорів оснащено спеціальним пристроєм, який розмагнічує екран, і зазвичай за кілька днів або тижнів проблема зникає сама собою. Але якщо ні, вам доведеться викликати майстра. Тому не раджу близько підносити магніти до екрана вашого телевізора (або монітора комп’ютера), хіба що це допотопний телевізор або монітор, якого вам не шкода. Тоді ви можете трохи розважитися. Усесвітньо відомий корейський художник Нам Джун Пайк створив безліч відеоінсталяцій, з викривленими в такий спосіб зображеннями. На лекції я вмикаю телевізор і обираю найжахливішу передачу — рекламний ролик якнайкраще згодиться для цього — і всі із захватом спостерігають за тим, як магніт викривлює зображення.
Магнетизм, як і електрика, має давню історію. Ще понад 2000 років тому греки, індуси та китайці, судячи з усього, знали, що деякі камінці — які називали морським залізом — притягують дрібні частинки заліза (так само, як давні греки помітили, що бурштин, коли його потерти, збирає шматочки листя). Сучасна назва цієї речовини — магнетит, або магнітний залізняк. Це природний магнітний мінерал, який, власне, має найсильніші магнітні властивості серед усіх природних речовин на Землі. Магнетит складається із заліза й кисню (Fe3O4) і також відомий як оксид заліза.
Але крім магнетиту, існує ще багато інших магнітів. Залізо відіграло велику роль в історії магнетизму і досі залишається важливим складником багатьох чутливих до магнітного поля матеріалів, тому ці матеріали, які притягуються до магнітів найбільше, називають феромагнетиками (префікс «феро-» вказує на наявність заліза). До них належать здебільшого метали та їхні сполуки: звісно, саме залізо, а також кобальт, нікель і діоксид хрому (раніше його часто використовували для покриття магнітної стрічки). Деякі з них можна перетворити на постійні магніти, помістивши їх у магнітне поле. Інші речовини, які називають парамагнетиками, набувають у магнітному полі слабких магнітних властивостей і втрачають їх знову, коли поле зникає. До них належать алюміній, вольфрам, магній і, хто б подумав, кисень. Ще існують речовини під назвою діамагнетики, які в присутності магнітного поля створюють досить слабке власне магнітне поле, напрямлене протилежно до зовнішнього. До них належать вісмут, мідь, золото, ртуть, водень і кухонна сіль, а також дерево, пластмаси, алкоголь, повітря і вода. (Феромагнітні, парамагнітні або діамагнітні властивості пов’язані з розподілом електронів навколо ядра — це аж занадто складна тема, щоб у неї заглиблюватися).
Існують навіть рідкі магніти — не зовсім феромагнітні рідини, а радше розчини феромагнітних речовин, які дуже красиво й незвично реагують на магніти. Такі рідкі магніти досить легко виготовити самостійно; ось посилання на інструкцію: cutt.ly/ZtLr7R. Якщо крапнути такий досить густий розчин на шматочок скла й покласти під нього магніт, результат буде дивовижний — значно цікавіше, ніж дивитися, як залізні ошурки збираються вздовж ліній магнітного поля під час досліду на уроці фізики.
Вважається, що в ХІ столітті китайці намагнічували голки об магнетит, а потім підвішували їх на шовковій нитці. Голки вирівнювалися в напрямку північ‒південь, тобто вздовж силових ліній магнітного поля Землі. До початку наступного століття компаси вже використовували для навігації як у Китаї, так і на далекому Ла-Манші. Це була намагнічена голка, що плавала в чаші з водою. Винахідливо, правда? Незалежно від того, куди поверне корабель, а разом з ним — і чаша, голка завжди вказуватиме на північ і південь.
Природа ще винахідливіша. Зараз нам відомо, що в тілі перелітних птахів є крихітні частинки магнетиту, які, мабуть, виконують роль внутрішнього компаса, допомагаючи птахам не збитися зі шляху. Деякі біологи навіть вважають, що магнітне поле Землі стимулює оптичні центри в мозку деяких птахів та інших тварин, наприклад саламандр. Тобто вчені припускають, що в певному розумінні ці тварини «бачать» магнітне поле Землі. Хіба це не вражає?
У 1600 році визначний медик і вчений Вільям Гільберт — не просто собі лікар, а особистий лікар Єлизавети І — опублікував працю «Про магніт, магнітні тіла і про великий магніт Землі» (De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure), в якій заявив, що сама Земля є магнітом. Цього висновку він дійшов після експериментів з невеликою сферою з магнетиту, що мала служити моделлю Землі. Сфера була, може, трохи більша за грейпфрут, і розташовані на ній маленькі компаси поводилися так само, як на поверхні Землі. Гільберт стверджував, що компаси вказують на північ тому, що Земля є магнітом, а не через те, що на Північному й Південному полюсах, як дехто вважав, лежать магнітні острови. І не тому, що компаси вказують на Полярну зорю.
Гільберт не помилявся не тільки щодо того, що Земля має магнітне поле, — вона має навіть магнітні полюси (так само, як магніт на холодильнику), які не зовсім збігаються з географічними полюсами. І це ще не все — магнітні полюси Землі поступово зміщуються, десь на 15 кілометрів за рік. Отже, у чомусь Земля справді поводиться як простий штабовий магніт — звичайний намагнічений металевий брусок, який можна придбати в магазині «Усе для хобі». Але в іншому вона повністю від нього відрізняється. Науковці дуже довго не могли запропонувати життєздатної теорії, яка б пояснювала, чому Земля має магнітне поле. Того факту, що земне ядро містить багато заліза, недостатньо, тому що при нагріванні до певної температури (вона називається температурою Кюрі) матеріали втрачають феромагнітні властивості, й залізо не виняток. Температура Кюрі для заліза становить приблизно 770 градусів за Цельсієм, а ми знаємо, що земне ядро значно гарячіше!
