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.

Linie pola magnetycznego

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. 

Linie pola magnetycznego w eksperymentach Michaela Faradaya
Michael Faraday demon­stro­wał ist­nie­nie linii pola magne­tycz­ne­go podczas swoich wykła­dów. W tym celu wysy­py­wał opiłki na arkusz pokryty cie­niut­ką warstwą sto­pio­ne­go wosku, pod którym znaj­do­wał się magnes sztabkowy.

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.

Rysowanie linii pola magnetycznego
Ryso­wa­nie mapy pola magne­tycz­ne­go z pomocą kompasu.

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. 

Linie pola magnetycznego w 3D
Dla odmiany: doświad­cze­nie z opił­ka­mi prze­pro­wa­dzo­ne nie na płasz­czyź­nie lecz w 3D.

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.

Piłkarze miedzy opiłkami

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.

Pole magnetyczne Ziemi

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. 

Kategorie:

Tagi: