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LABORATOIRE SCIENTIFIQUE POUR ENFANTS
Avec boussole à travers les champs magnétiques. Laboratoire scientifique pour enfants
Annuaire / Laboratoire scientifique pour enfants Maintenant, il n'y a presque plus personne qui vous serrera la main avec gratitude pour l'histoire selon laquelle la Terre est ronde, en disant : « Merci, mon ami, vous entendrez toujours quelque chose de nouveau de votre part. Mais pourquoi tourne-t-elle ? Cette question ne déconcerte pas seulement les écoliers. Leurs pères érudits deviennent également pensifs lorsque la rotation éternelle leur donne ce « pourquoi ». « Probablement du magnétisme », disent-ils. Alors pourquoi? Mais... d'abord sur le magnétisme en général. Champ électromagnétique d'un clou et d'une lime Vous pouvez utiliser une lime ou même un simple clou. obtenir des champs magnétiques clairement visibles. Il suffit de les envelopper dans un fil isolé et de faire passer un courant à travers celui-ci. Le courant électrique, passant par les spires, créera un champ et le noyau le renforcera fortement. Le noyau lui-même d'un solénoïde aussi simple, qu'il s'agisse d'un clou ou d'une lime, deviendra un aimant. Mais en même temps, un noyau magnétique fabriqué à partir d'un clou aura une différence fondamentale par rapport à un aimant fabriqué à partir d'une lime. Selon vous, qu’est-ce qui fait cette différence ? Ceci sera discuté ci-dessous. Mais si vous voulez trouver la différence vous-même, faites les expériences suivantes. Enroulez un fil isolé de 0,1 à 0,4 mm d'épaisseur autour d'un clou ordinaire. Fixez une extrémité de l'enroulement à la batterie de la lampe de poche (Fig. 1). Placez des petits œillets sur la table. Placez la tête du clou contre les petits plots, puis fixez l'autre extrémité du bobinage à la batterie. Les petits ongles colleront instantanément à la tête du clou central. Une fois éteint, les piles de l'œillet tomberont immédiatement.
Créons maintenant un aimant artificiel à partir d'un fichier. À l'aide d'une meule émeri, meulez l'encoche des plans de la lime et coupez-en la bande requise. Ensuite, la bande doit être frottée du centre vers les extrémités - avec les pôles opposés des aimants. Une bande d'acier rigide peut être magnétisée artificiellement d'une autre manière : en utilisant du courant électrique continu. Enroulez un fil bien isolé sur une plaque d'acier, puis activez l'enroulement via le rhéostat pendant quelques secondes. La différence entre un clou magnétisé et une lime deviendra désormais évidente. Dans le premier cas, le noyau n'a des propriétés magnétiques que lors du passage du courant (à travers les spires) ; dans le second cas, on obtient un aimant permanent. Une lime, contrairement à un ongle, aura un magnétisme résiduel. La raison réside dans la dureté élevée du matériau de la lime. Dans une plaque d'acier solide, les atomes qui la composent sont orientés de manière très « forte ». Ils conservent donc mieux leurs propriétés magnétiques. En coupant un aimant en deux, on obtient deux aimants identiques avec des pôles différents. En répétant cette opération, on obtient à nouveau des aimants avec des pôles différents. Si nous devions découper un aimant en particules microscopiques, chacune de ces particules aurait toujours deux pôles : nord (positif) et sud (négatif). Ce fait conduit à la conclusion que les pôles d’un aimant n’existent pas séparément, tout comme il existe des particules chargées électriquement négatives (électrons) et positives (protons). Cependant, il est possible de réaliser un aimant avec des pôles égaux aux extrémités. Il suffit de frotter la plaque d'acier avec les mêmes poteaux, par exemple ceux du nord, en les guidant du milieu vers les extrémités. Ensuite, les atomes seront disposés dans la structure de la plaque de telle sorte que les pôles nord iront dans un sens et les pôles sud dans l’autre. L'aiguille magnétique est située le long des lignes de force magnétiques. La configuration des lignes de champ magnétique est facile à capturer avec de la limaille de fer. Après avoir placé le verre avec de la limaille de métal sur la barre aimantée, tapotez légèrement sur le verre. Chaque particule de fer magnétisée sera une petite aiguille magnétique. S'étendant le long des lignes de force du champ, ils en révéleront la configuration. Lors du secouage, la majeure partie de la sciure se déplacera vers les poteaux. La partie équatoriale du champ va s'éclaircir. Mais les particules chargées électriquement se comportent complètement différemment. Si des particules chargées négativement et positivement pouvaient être saupoudrées comme de la sciure de bois sur du verre, alors les particules chargées seraient repoussées des pôles et concentrées dans la zone équatoriale du champ magnétique - sous la forme d'un anneau. Mais comment peut-on voir tout cela ? Galaxies maison Des faisceaux de particules chargées, notamment d'électrons (particules bêta), sont produits dans les bêtatrons. En eux, les électrons sont accélérés presque jusqu'à la vitesse de la lumière et les appareils eux-mêmes pèsent des tonnes, et parfois des centaines de tonnes. Et pourtant, presque chacun d’entre nous est capable de mener une expérience avec un faisceau d’électrons à l’aide de téléviseurs ordinaires. Après tout, dans le tube TV, ce sont les électrons qui frappent en lignes l'écran du kinéscope, provoquant une lueur. Prenez un aimant permanent plus puissant et amenez son pôle vers l'écran. L'image sur l'écran se transformera en une spirale ressemblant à une galaxie. Si l'image tourne vers la droite, cela signifie que le pôle nord de l'aimant est amené vers l'écran. Le pôle sud de l’aimant forme une spirale tordue vers la gauche. Lorsque l'aimant s'approche de l'écran, un anneau sombre apparaîtra contre lui (si l'aimant est cylindrique) et un point brillant restera au centre même, à travers lequel le flux d'électrons continue de se diriger vers le pôle. La tache sombre montre que les pôles magnétiques repoussent les électrons, les dirigent vers l’équateur du champ magnétique et gravitent autour de l’aimant. Les électrons sont repoussés par les pôles nord et sud. Ils sont donc concentrés dans le plan équatorial du champ magnétique sous la forme d’un anneau assez plat, comme les anneaux de la planète Saturne.
En prenant l'aimant par l'extrémité du pôle nord avec votre main droite, amenez tout son plan horizontalement vers l'écran. L'image sur l'écran se courbera en arc de cercle - vers le haut au-dessus de l'équateur du champ magnétique. Retournez l'aimant avec son pôle sud vers la droite - l'image sur l'écran se courbera vers le bas. Ces expériences montrent que les électrons tournent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans un champ magnétique, si vous regardez l’aimant depuis le pôle nord. Si nous avons affaire à des particules chargées positivement, alors elles, se repoussant des pôles de l'aimant, iraient dans la direction opposée à la direction des électrons sur l'orbite. Que se passe-t-il si un aimant est placé sur des roulements et irradié par un flux d'électrons assez puissant ? Probablement, l'aimant commencera à tourner : dans le flux d'électrons - dans le sens des aiguilles d'une montre, dans le flux de protons - dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le sens de rotation de l’aimant sera opposé au sens de torsion des particules chargées. Rappelons maintenant que notre Terre est un énorme aimant et qu’un flux de protons tombe dessus depuis l’espace. On comprend désormais pourquoi nous avons longuement parlé de magnétisme avant de passer à l'explication promise de la rotation de notre planète. En une ronde de danse Le scientifique anglais W. Gelbert croyait que la Terre était constituée de pierre magnétique. Plus tard, ils décidèrent que la Terre était magnétisée par le Soleil. Les calculs ont réfuté ces hypothèses. Ils ont tenté d'expliquer le magnétisme de la Terre par les flux de masse dans son noyau de métal liquide. Cependant, cette hypothèse elle-même repose sur l’hypothèse du noyau liquide de la Terre. De nombreux scientifiques pensent que le noyau est solide et n’est pas du tout ferreux. En 1891, le scientifique anglais Schuster tenta apparemment pour la première fois d'expliquer le magnétisme de la Terre par sa rotation autour de son axe. Le célèbre physicien P. N. Lebedev a consacré de nombreux travaux à cette hypothèse. Il a supposé que, sous l’influence de la force centrifuge, les électrons des atomes se déplacent vers la surface de la Terre. Cela provoque une charge négative de la surface, ce qui provoque le magnétisme. Mais des expériences avec une rotation de l'anneau jusqu'à 35 XNUMX tours par minute n'ont pas confirmé l'hypothèse : le magnétisme n'est pas apparu dans l'anneau. En 1947, P. Bleket (Angleterre) suggérait que la présence d'un champ magnétique dans les corps en rotation était une loi de la nature inconnue. Blackett a tenté d'établir la dépendance du champ magnétique sur la vitesse de rotation du corps. A cette époque, on connaissait des données sur la vitesse de rotation et les champs magnétiques de trois corps célestes - la Terre, le Soleil et la Naine Blanche - l'étoile E78 de la constellation de la Vierge. Le champ magnétique d'un corps est caractérisé par son moment magnétique, la rotation du corps est caractérisée par son moment cinétique (en tenant compte de la taille et de la masse du corps). On sait depuis longtemps que les moments magnétiques de la Terre et du Soleil sont liés les uns aux autres de la même manière que leurs moments cinétiques. Star E78 a respecté cette proportionnalité ! À partir de là, il est devenu évident qu'il existe un lien direct entre la rotation des corps célestes et leur champ magnétique.
On a l'impression que c'est la rotation des corps qui provoque le champ magnétique. Blacket a tenté de prouver expérimentalement l'existence de sa proposition de loi. Pour l'expérience, un cylindre d'or pesant 20 kg a été fabriqué. Mais les expériences les plus subtiles avec le cylindre mentionné n’ont rien donné. Le cylindre doré non magnétique ne présentait aucun signe de champ magnétique. Les moments magnétiques et angulaires de Jupiter sont désormais établis, ainsi que provisoirement celui de Vénus. Une fois de plus, leurs champs magnétiques, divisés par le moment cinétique, se révèlent proches du nombre de Blackett. Après une telle coïncidence de coefficients, il est difficile d'attribuer l'affaire au hasard. Alors, la rotation de la Terre excite-t-elle un champ magnétique, ou le champ magnétique terrestre provoque-t-il sa rotation ? Pour une raison quelconque, les scientifiques ont toujours cru que la rotation était inhérente à la Terre depuis sa formation. Est-ce ainsi ? Ou peut être pas! L’analogie avec notre expérience « télévisuelle » soulève la question : est-ce parce que la Terre tourne autour de son axe qu’elle se trouve, comme un grand aimant, dans un flux de particules chargées ? Le flux est principalement constitué de noyaux d’hydrogène (protons) et d’hélium (particules alpha). Les électrons ne sont pas observés dans le « vent solaire » ; ils se forment probablement dans des pièges magnétiques lors de collisions de corpuscules et naissent en cascades dans des zones du champ magnétique terrestre. Terre - électroaimant Le lien entre les propriétés magnétiques de la Terre et son noyau est désormais évident. Les calculs des scientifiques montrent que la Lune n'a pas de noyau fluide et ne devrait donc pas non plus avoir de champ magnétique. En effet, des mesures réalisées à l’aide de fusées spatiales ont montré que la Lune ne dispose pas d’un champ magnétique appréciable autour d’elle. Des données intéressantes ont été obtenues grâce à l'observation des courants terrestres dans l'Arctique et l'Antarctique. L'intensité des courants électriques terrestres y est très élevée. Elle est des dizaines et des centaines de fois supérieure à l’intensité aux latitudes moyennes. Ce fait indique que l'afflux d'électrons provenant des anneaux des pièges magnétiques terrestres pénètre intensément dans la Terre à travers les calottes polaires dans les zones des pôles magnétiques, comme dans notre expérience avec la télévision. Lorsque l’activité solaire augmente, les courants électriques terrestres augmentent également. Maintenant, on peut probablement considérer comme établi que les courants électriques dans la Terre sont provoqués par les courants des masses du noyau terrestre et l'afflux d'électrons dans la Terre depuis l'espace, principalement à partir de ses anneaux de rayonnement. Ainsi, les courants électriques provoquent le champ magnétique terrestre, et le champ magnétique terrestre, à son tour, fait apparemment tourner notre Terre. Il n'est pas difficile de deviner que la vitesse de rotation de la Terre dépendra du rapport entre les particules chargées négativement et positivement capturées par son champ magnétique depuis l'extérieur, ainsi que celles nées dans le champ magnétique terrestre. Auteur : I.Kirillov
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