Bí ẩn của kim nam châm

39

TRƯỜNG HỌC

Bí ẩn của kim nam châm

I.LEENSON

RẤT KHÓ TÌM ĐƯỢC MỘT NGƯỜI CHƯA BAO GIỜ THẤY LA BÀN. Thiết bị đơn giản này cần thiết cho khách du lịch, thợ săn và thậm chí cả người hái nấm đi hái nấm trong một khu rừng xa lạ. Một thiết bị như vậy có thể che giấu bí mật gì? Đầu màu xanh của kim la bàn chỉ về phía bắc, đầu màu đỏ chỉ về phía nam - có vẻ như đây là toàn bộ bí mật. Hóa ra không phải mọi thứ đều đơn giản như vậy, và đây chỉ là phần mở đầu cho loạt câu đố về kim nam châm của chúng ta. Câu đố đầu tiên. Đầu xanh của kim la bàn có luôn hướng về hướng bắc không? Kế tiếp. Nhiều người đã nhìn thấy nam châm hình móng ngựa hoặc thanh nam châm. Nếu không có nam châm dải mà có nam châm hình móng ngựa chắc chắn thì có thể dùng nó để dễ dàng từ hóa một dải thép (hoặc chỉ một cây kim dài), biến nó thành một nam châm dải. Các đầu của nam châm nơi có tác dụng từ mạnh nhất được gọi là các cực của nam châm. Từ “cực” xuất phát từ tiếng Hy Lạp pólos – trục, vì vậy trong phần tiếp theo, thay vì “đầu mũi tên” hay “đầu nam châm” chúng ta sẽ nói “cực”. Mỗi nam châm cũng giống như quả địa cầu, có hai cực: bắc và nam, chỉ những cực này mới gọi là từ tính. Theo truyền thống, nửa kim nam châm chỉ về phía bắc được sơn màu xanh lam và đầu của nó được gọi là cực bắc của nam châm; nó được ký hiệu bằng chữ N. Nửa kim nam châm giống nhau, chỉ về phía nam, được sơn màu đỏ và đầu của nó được gọi là cực nam của nam châm; nó được ký hiệu bằng chữ S. Mọi nam châm vĩnh cửu đều có màu sắc và ký hiệu tương tự. Tên gọi này du nhập vào tiếng Nga từ tiếng Hà Lan dưới thời trị vì của Peter I. Người Hà Lan có liên quan gì đến nó? Sự thật là Hà Lan từng là chủ nhân của biển cả và cạnh tranh với Anh. Vì vậy, vào ngày 21 tháng 8 năm 1673, một trận hải chiến đã diễn ra gần đảo Texel của Hà Lan giữa hạm đội Hà Lan và liên quân Anh-Pháp; vào thời điểm này, cuộc chiến tranh Anh-Hà Lan lần thứ ba đang diễn ra (1672–1674). Trong một trận chiến kéo dài cả ngày, người Hà Lan đã giành chiến thắng, mặc dù đối phương chiếm ưu thế về quân số. Hà Lan đã chiếm được các thuộc địa rộng lớn vào thời điểm đó, đặc biệt là ở Đông Nam Á. Cho đến ngày nay, ở bang Suriname ở Nam Mỹ, tiếng Hà Lan là ngôn ngữ chính thức. Nếu bạn có hai nam châm hoặc một nam châm và một la bàn (kim của nó là nam châm giống nhau, chỉ nhỏ và nhẹ) thì dễ dàng nhận thấy cực xanh của nam châm này hút cực đỏ của nam châm kia, còn các cực cùng màu thì đẩy nhau. Nếu chúng ta treo một dải nam châm chính xác vào chính giữa của nó trên một sợi chỉ cách xa các vật bằng sắt, buộc sợi chỉ vào một vật nào đó và đợi cho đến khi nam châm ngừng dao động thì chúng ta sẽ thấy dải đó đã quay giống như kim la bàn. Nói cách khác, ở một đầu nó sẽ là

TRONG

“QUANTE”

chỉ về phía bắc, về phía người khác - về phía nam. Điều này có nghĩa là dải từ hóa của chúng ta cũng là một chiếc la bàn, chỉ có điều là lớn và bất tiện. Bây giờ - câu đố tiếp theo. Câu đố thứ hai. Điều gì xảy ra nếu một dải từ bị cắt làm đôi chính xác ở giữa? Và một điều bí ẩn nữa. Câu đố thứ ba. Có thể từ hóa một quả bóng? Có câu đố thì phải có lời giải. Thật vậy, làm sao kim la bàn biết được Trái đất ở đâu ở phía bắc và ở đâu là phía nam? Hóa ra Trái đất là nam châm giống nhau, chỉ có hình cầu. Mọi người không hiểu ngay điều này (cũng như họ không nhận ra ngay rằng Trái đất của chúng ta không phẳng mà là hình cầu). Đây là cách nó đã xảy ra. Nhà triết học Hy Lạp cổ đại Thales vào thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên đã mô tả một hiện tượng đáng kinh ngạc mà có lẽ con người đã biết từ rất lâu trước đó. Hiện tượng này là từ tính. Theo một truyền thuyết, nó được đặt tên từ thành phố Magnesia của Hy Lạp (nay gọi là Manissa và nằm ở Thổ Nhĩ Kỳ), nơi người ta tìm thấy một loại khoáng chất có khả năng thu hút sắt. Ngày nay khoáng vật này được gọi là magnetite, hay quặng sắt từ tính; nó là hợp chất của sắt và oxy. Nhưng ai và khi nào đã phát minh ra la bàn thì vẫn chưa được biết, mặc dù phát minh này là một trong những khám phá vĩ đại nhất của con người. Có lẽ ai đó đã vô tình phát hiện ra rằng nếu một mảnh magnetite thon dài được treo trên một sợi dây hoặc để nổi trên một tấm ván gỗ thì một đầu sẽ luôn hướng về phía bắc và đầu kia hướng về phía nam, bất kể chúng ta vặn sợi chỉ hay tấm ván như thế nào. Trước đây người ta tin rằng la bàn được người Trung Quốc phát minh ra cách đây gần 5.000 năm, nhưng tài liệu đầu tiên của Trung Quốc đề cập đến la bàn có từ thế kỷ 11 sau Công Nguyên. Dù thế nào đi nữa, vào thời Trung cổ, khám phá cổ xưa này đã được các thủy thủ sử dụng rộng rãi, xác định đường đi của họ trên biển khơi bằng một chiếc la bàn nguyên thủy. Theo thời gian, người ta phát hiện ra rằng một mảnh từ tính có thể chuyển đặc tính “ma thuật” của nó sang các vật thể bằng thép - ví dụ như một cây kim, và nó sẽ tạo ra một chiếc la bàn tiện lợi hơn. Năm 1269, người Pháp Pierre de Mericourt, biệt danh Peregrine, đã viết cuốn sách “Những bức thư trên nam châm”, trong đó ông thu thập nhiều thông tin khác nhau về nam châm, cả những thông tin mà ông đã biết và phát hiện trước đây. Chính Peregrine, khi thử nghiệm với nam châm, đã phát hiện ra rằng chúng có hai đầu đặc biệt - hai cực. Vì chúng chỉ hướng bắc và nam nên chúng được gọi là cực bắc và cực nam của nam châm. Khi Peregrine treo hai kim nam châm gần nhau trên các sợi dây, hóa ra các cực cùng tên của chúng đẩy nhau và các cực đối diện của chúng hút nhau. Peregrine đã khám phá ra một tính chất quan trọng khác của nam châm: nếu

La bàn cổ của Trung Quốc

40

KVANT 2009/№3

William Gilbert bẻ một nam châm vĩnh cửu thành hai phần, bạn sẽ có hai nam châm mới với hai cực - bắc và nam - mỗi phần. Cả Peregrine và bất kỳ ai sau ông đều không thành công trong việc giành được bất kỳ cây cột nào. Đây là đáp số cho câu đố thứ hai. Tại sao điều này xảy ra sẽ được thảo luận trong phần thứ hai của bài viết. Và bây giờ - đáp số đến câu đố thứ ba: có thể từ hóa một quả bóng, và điều này đã được phát hiện bởi nhà vật lý và bác sĩ người Anh William Hilbert. Năm 1600, ông xuất bản cuốn sách “Về nam châm, vật thể từ tính và nam châm lớn – Trái đất”. Trong đó ông kể về thí nghiệm của mình với nam châm. Đây là điều ông đã khám phá ra: Nam châm có sức hút khác nhau ở những phần khác nhau; tại các cực lực này là đáng chú ý nhất. Một nam châm có hai cực: bắc và nam, chúng khác nhau về tính chất; khác cực thì hút, cùng cực thì đẩy nhau. Một nam châm treo trên một sợi dây được định vị theo một cách nhất định trong không gian, chỉ hướng bắc và nam. Không thể có được một nam châm có một cực: dù bạn có bẻ gãy nam châm bao nhiêu đi nữa thì mỗi mảnh mới thu được sẽ luôn có hai cực. Quả địa cầu là một nam châm lớn. Khi đun nóng mạnh, tính chất từ ​​của nam châm tự nhiên và nhân tạo biến mất. Nam châm phát huy tác dụng qua kính, da và nước. Nhưng Gilbert đã tiến hành thí nghiệm đáng chú ý nhất với một quả cầu từ hóa được khắc từ khoáng vật magnetit. Hóa ra nó cũng có hai cực - bắc và nam, và ở gần quả bóng này, kim la bàn luôn chỉ vào các cực này, tức là hành xử giống như đối với Trái đất. Vì vậy, Hilbert gọi quả bóng của mình là “terella”, tức là vùng đất nhỏ. Từ này xuất phát từ tiếng Latin terra - đất; Trong tiếng Nga có nhiều từ có gốc này: lãnh thổ, sân thượng (mỏ đá bên sườn núi), hồ cạn (phòng dành cho động vật lưỡng cư), đống rác thải (đống đất và đá thải), đất nung (đất sét nung), terrenkur (những con đường được đánh dấu để đi bộ trị liệu, thường ở vùng núi), cũng như terra incognita - vùng đất vô danh. Gilbert là người đầu tiên đoán rằng quả địa cầu cũng là một nam châm, đó là lý do vì sao kim la bàn bị từ hóa chỉ vào các cực của nam châm khổng lồ này. Có phải kim la bàn luôn hướng về phía bắc ở một đầu và hướng về phía nam ở đầu kia không? Hóa ra - và đây là đáp số cho câu đố đầu tiên - không phải lúc nào cũng vậy. Nếu bạn đi (lái xe, bơi, bay) đến cực địa lý phía bắc hoặc phía nam thì bây giờ

người lữ khách ở xa anh ta; thường không có điều gì bất ngờ xảy ra với kim la bàn. Nhưng khi nó đến gần cột, chiếc kim bắt đầu dần dần “phát điên”. Và các thủy thủ đã nhận thấy điều này từ lâu. Vào đầu thế kỷ 16, khi châu Mỹ được phát hiện và các con tàu bắt đầu đi xa về phía bắc, một hiện tượng kỳ lạ đã được phát hiện. Các thủy thủ biết rằng vào một đêm trời quang họ không cần bất kỳ la bàn nào: Sao Bắc Đẩu chỉ hướng về phía bắc. Nhưng khi họ so sánh hướng này với chỉ số la bàn, một hiện tượng đáng kinh ngạc đã được phát hiện: họ càng đi xa về phía bắc, kim la bàn màu xanh càng lệch khỏi phía bắc! Góc giữa trục của kim la bàn và hướng chính xác tới cực (trùng với kinh tuyến địa lý) được gọi là độ lệch từ. Sự suy giảm này là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Điều gì xảy ra với la bàn ở Bắc Cực? Hóa ra phần màu xanh của mũi tên hướng về phía bắc Canada. Ở đó, ở độ sâu nào đó, hiện đang có một trong các cực từ của Trái đất; cực từ còn lại nằm ở Nam Cực. Tại sao điều này xảy ra không được biết chính xác. Hơn nữa, người ta đã xác định được rằng các cực từ của Trái đất di chuyển chậm. Do đó, ở Paris năm 1580, độ lệch từ trường cực đại được quan sát thấy ở phía đông kinh tuyến; đó là $9,5 ^\circ$. Và 230 năm sau, vào năm 1810, độ xích vĩ tối đa theo hướng khác đã được ghi nhận - ở phía tây của kinh tuyến, và nó lên tới $22,3 ^\circ$. Điều này có nghĩa là các cực từ của Trái đất “đi bộ”, di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Hơn nữa, rất hiếm khi - cứ một nghìn năm một lần - họ lại đổi chỗ cho nhau. Các nhà khoa học không loại trừ khả năng điều này có thể xảy ra lần nữa trong một trăm đến hai trăm năm tới. Và thật khó để dự đoán điều này sẽ ảnh hưởng đến sinh vật như thế nào. Độ lệch từ thường có độ lệch cục bộ - đôi khi rất mạnh; chúng được gọi là độ lệch (từ tiếng Latin deviatio - độ lệch so với đường đi). Ví dụ, dị thường từ trường Kursk nổi tiếng là do sự lắng đọng quặng từ tính, tác động lên kim. Những “dị thường từ tính” nhỏ có thể dễ dàng được phát hiện ở nhà nếu có vật bằng sắt ở gần la bàn. Người ta chỉ có thể tưởng tượng bao nhiêu rắc rối và thậm chí là bất hạnh như những “dị thường cục bộ” như vậy đã mang đến cho các thủy thủ. Suy cho cùng, ngay cả trên những chiếc thuyền buồm bằng gỗ cũng luôn có rất nhiều đồ vật bằng sắt: đại bác, súng thần công, mỏ neo. Tình hình trở nên tồi tệ hơn sau khi tàu hơi nước bằng sắt thay thế tàu buồm. Năm 1854, một thảm họa khủng khiếp gây chấn động nước Anh: Taylor, con tàu có lượng giãn nước 2.000 tấn chở hàng trăm người di cư đến Mỹ, bị rơi ở bờ biển phía đông Ireland. Hầu hết hành khách và phi hành đoàn đều thiệt mạng. Nhưng đây là một con tàu mới, có thể dễ dàng vượt qua cơn bão kéo dài hai ngày khi bắt đầu chuyến hành trình. Cuộc điều tra cho thấy thủ phạm là do la bàn đọc sai do sai lệch. Phải nói rằng la bàn hiện đại có những thiết bị đặc biệt để loại bỏ độ lệch. Và đây là câu đố cuối cùng. Nếu cực xanh của nam châm được gọi là bắc và cực đỏ được gọi là nam, thì đầu màu xanh của kim la bàn không chỉ về phía bắc mà về phía nam: xét cho cùng, chỉ có các cực đối diện mới hút nhau! Tại sao nửa màu xanh của kim la bàn không chỉ về phía nam mà chỉ về phía bắc? Nếu đầu màu xanh của mũi tên chỉ về phía bắc thì có cực từ phía nam của Trái đất, và ở bán cầu nam có cực từ phía bắc!? Câu đố thứ tư. Cực từ nào nằm ở phía bắc quả địa cầu?

(Còn tiếp)