Ilustrowanie magnetyzmu przez rysowanie pętelek wokół magnesu sztabkowego ma całkiem długą tradycję. Sięga ona co najmniej pierwszej połowy XIX stulecia, kiedy temat spopularyzowały prace wielkiego brytyjskiego uczonego, Michaela Faradaya. Prace naprawdę dogłębne, bo samo dzieło pod tytułem Fizyczny charakter linii sił magnetycznych, mieści ponad tysiąc stron zebranych w trzech ceglastych tomach.
W ogóle facet był niesamowity. Pochodził z ubogiej rodziny, która nie mogła zapewnić mu żadnego formalnego wykształcenia, jednak ten, mimo braku studiów oraz znajomości zaawansowanej matematyki, własnymi siłami doczłapał do najwyższych stanowisk w prestiżowym Royal Institution. Kiedy umierał należał już do największych autorytetów w dziedzinach fizyki doświadczalnej oraz chemii i cieszył się sławą odkrywcy niezliczonych zjawisk z zakresu elektromagnetyzmu. Co istotne dla nas, to właśnie Faraday jako pierwszy odważył się zasugerować, że przestrzeń nie jest prawdziwie pusta – wypełniają ją niewidzialne, ale realnie istniejące fizycznie siły. Obecnie powszechnie nazywamy je polami oddziaływań. Wykazał, że siły te układają się na kształt linii, możliwych do odsłonięcia przy pomocy odpowiednich doświadczeń.
Niech zgadnę. Opiłki żelaza wokół magnesu sztabkowego?
Tak Internecie, to najprostszy eksperyment tego rodzaju. Faraday bardzo lubił do niego sięgać zarówno w swoich książkach, jak również demonstrując zachowanie opiłków gawiedzi podczas swoich popularnych wykładów.
Ale linie magnetyczne można też odkryć używając zwykłego kompasu. Prosta sprawa: kładziesz na papierze magnes, a obok niego kompas. Tam gdzie igła wskazuje północ stawiasz kropkę, następnie przesuwasz kompas, tak żeby kropkę wskazywał tył igły, a z przodu dodajesz nową kropkę. Po jakimś czasie otrzymasz dużą liczbę punktów, które po połączeniu stworzą pętle podobne do tych, formowanych przez opiłki.
Przyglądając się temu wszystkiemu, Faraday już dwieście lat temu odnotował, że linie nigdy się nie przecinają, zaś odległości między nimi wskazują na intensywność magnetyzmu – im mniejsze odstępy, tym silniejsze oddziaływanie.
Tylko dlaczego “pole” jest zestawem linii?
Właściwie to nie jest. Przez te szkolne zabawy z opiłkami żelaza przywykliśmy do wizualizowania magnetyzmu przez krzywe linie na płaszczyźnie, ale to tylko uproszczenie. W rzeczywistości mamy do czynienia z trójwymiarowym i ciągłym polem fizycznym, szczelnie otulającym cały magnes.
W takim razie dlaczego opiłki tworzą linie i pętle?
Chodzi nie tyle o magnes, co o właściwości opiłków. Żelazo to ferromagnetyk, czyli taki materiał, który po ustawieniu w zewnętrznym polu magnetycznym, sam staje się namagnesowany. Innymi słowy opiłki metalu zachowują się jak małe magnesiki i reagują już nie tylko na obecność magnesu sztabkowego, ale też na siebie nawzajem. Bieguny opiłków są skierowane przeciwnie do biegunów głównego magnesu, co sprawia, że się obracają i układają w rządkach. Jednocześnie odpychają się od opiłków po bokach, wskutek czego powstają linie wraz z wyraźnymi przerwami między nimi.
Rozmiary tych odstępów – tak jak wydedukował Faraday – mają związek z intensywnością pola magnetycznego. Oddziaływanie jest najsilniejsze w pobliżu biegunów magnesu sztabkowego, więc mocno ściska linie, przeważając nad wzajemną niechęcią opiłków. Z kolei po bokach sztabki, gdzie pole jest słabsze, okruchy żelaza odpychają się wyraźniej, pozostawiając szersze przerwy.
A co z polem magnetycznym Ziemi? Linie planety przypominają linie magnesu?
A żebyś wiedział! Nasza planeta w przybliżeniu zachowuje się tak, jakby miała w środku schowany gigantyczny magnes sztabkowy. Jego rolę pełni metaliczne jądro planety, które swoimi ruchami generuje pole magnetyczne szczelnie otulające cały glob. W każdym razie tak głosi najpopularniejsza teoria dynama (uwaga, długie słowo) magnetohydrodynamicznego.
Skoro przy tym jesteśmy, pozwolę sobie zwrócić uwagę na trzy zabawne fakty. Po pierwsze, oś ziemskiej magnetosfery jest o jakieś 10 stopni odchylona względem osi wirowania planety. W praktyce bieguny magnetyczne wcale nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Po drugie, żeby było ciekawiej bieguny magnetyczne stale wędrują, zmieniając swoje położenie średnio o 50 kilometrów rocznie (bo i jądro pozostaje dynamiczne). Po trzecie, od strony fizycznej to na półkuli południowej znajduje się magnetyczny biegun północny, a na północnej biegun południowy. Pomyśl o tym, że w świecie elektromagnetyzmu przeciwieństwa się przyciągają, więc logicznie rzecz biorąc wierzchołek igły kompasu powinien kierować się ku biegunowi południowemu. I tak robi, tyle, że magnetyczne południe leży na północy… Pomieszanie z poplątaniem.
W każdym razie, bez względu na to jak to sobie poobracamy i nazwiemy, Kula Ziemska posiada dwa wyraźne bieguny magnetyczne, od których klasycznie wychodzą niewidzialne linie pola. Gdybyśmy mogli je dostrzec, zobaczylibyśmy pętle z grubsza przypominające kształty tworzone przez opiłki żelaza wokół magnesu sztabkowego. Główna różnica jest taka, że nasza magnetosfera musi znosić aktywność humorzastego Słońca, stale strzelającego do nas naelektryzowanymi cząstkami. Napór tego wiatru słonecznego, odkształca planetarne pola magnetyczne, “spłaszczając” je od frontu i “rozwiewając” z tyłu.
A TAK W OGÓLE TO… Nie zawsze to wygląda tak, jak w przypadku Ziemi. Słońce i inne gwiazdy mają znacznie bardziej poplątane magnetosfery, wyglądające tak, jakby pod powierzchnią ukryto setki mniejszych, na dodatek ruchliwych magnesów. Linie pola tworzą tam bezlik pętelek (“pętelek” przez jakie przecisnęłaby się cała planeta), wzdłuż których formują się widowiskowe plazmowe struktury – protuberancje.