Почему компас показывает на север

Как планета превратилась в гигантский магнит

Под твердой земной корой и мантией на глубине около 2900 километров находится ядро Земли. Его внешняя часть состоит из жидкого расплава железа и никеля. Планета непрерывно вращается вокруг своей оси, увлекая за собой вещество недр. Горячие потоки жидкого металла постоянно поднимаются от центра к границе мантии, остывают там и опускаются обратно вниз.

Такое круговое движение проводящей ток жидкости в физике называют конвекцией. Движущиеся электрические заряды порождают магнитное поле. В физике этот природный механизм генерации поля называют геодинамо. Земля окружена невидимыми магнитными линиями, которые выходят из одного полушария и входят в другое, образуя защитный щит вокруг планеты — магнитосферу.

Устройство стрелки и физика взаимодействия

Обычная стрелка компаса представляет собой тонкую полоску стали, которую заранее намагнитили. Она свободно закреплена по центру на острой вертикальной игле, чтобы трение о воздух и опору оставалось минимальным. Любой магнит обладает двумя полюсами: северным (его обозначают буквой N) и южным (буква S).

Базовый закон магнитостатики гласит, что одноимённые полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются друг к другу. Оказавшись в магнитном поле Земли, лёгкая стрелка мгновенно ощущает действие сил этого поля. Поле разворачивает её вдоль своих невидимых силовых линий, пока силы притяжения и отталкивания не уравновесят друг друга.

Физическая путаница с полюсами Земли

У географов и физиков есть давняя нестыковка в названиях, о которой часто спрашивают на уроках физики. Географический Северный полюс находится там, где из ледяного панциря Арктики мысленно выходит ось суточного вращения Земли. Именно туда сходятся все меридианы на глобусе.

Поскольку северный конец магнитной стрелки компаса указывает на арктический регион, с точки зрения строгих законов физики там обязан находиться магнитный полюс противоположного знака. В северных широтах расположен физический южный магнитный полюс планеты. Путаницы избегают простым историческим соглашением: точку в Арктике географы условились называть Северным магнитным полюсом только из-за её географического положения на карте мира.

Магнитное склонение и дрейф полюсов

Угол между направлением на истинный географический север и направлением магнитной стрелки называют магнитным склонением. Оно бывает восточным со знаком плюс или западным со знаком минус. Величина угла меняется от региона к региону.

Если плыть по компасу прямо на север где-нибудь в районе Баренцева моря, стрелка может отклоняться от меридиана на 10-15 градусов. В приполярных областях Канадского архипелага эта ошибка превышает 40 градусов. Моряки, топографы и военные наносят поправку на магнитное склонение на специальные навигационные карты, иначе корабль или самолет сильно собьется с курса.

Вдобавок магнитные полюса Земли постоянно бродят по планете. Геологические замеры показывают следующую динамику движения Северного магнитного полюса:

• В 1831 году полярный исследователь Джеймс Кларк Росс впервые зафиксировал его координаты на полуострове Бутия в канадском секторе Арктики
• На протяжении почти всего двадцатого века полюс смещался на северо-запад со средней скоростью около 10-15 километров в год
• С конца 1990-х годов движение резко ускорилось до рекордных 50-55 километров в год по направлению к полуострову Таймыр в России
• В последние годы скорость дрейфа несколько снизилась и стабилизировалась в районе 35-40 километров в год

Почему стрелка может врать на суше

Бывают ситуации, когда стрелка компаса начинает хаотично вращаться или показывать ложное направление. Это происходит из-за локальных возмущений внешнего поля.

Крупные залежи ферромагнитных руд под землей искривляют естественные силовые линии. Самый известный пример на территории России — Курская магнитная аномалия. В некоторых районах Курской и Белгородской областей пласты железной руды залегают так близко к поверхности, что стрелка компаса сбивается на десятки градусов или вовсе показывает на восток.

В повседневных условиях показания искажают предметы, созданные человеком. К ним относятся железнодорожные рельсы, высоковольтные линии электропередачи, стальные опоры мостов и обычные смартфоны. Динамик внутри современного телефона снабжен мощным постоянным неодимовым магнитом, который легко перебивает слабое магнитное поле Земли на дистанции в пару десятков сантиметров.

Как развивались знания о земном магнетизме

Первые примитивные компасы появились в древнем Китае во времена династии Хань около двух тысяч лет назад. Прибор представлял собой бронзовую пластину с разметкой сторон света и фигурку ложки из куска природного минерала магнетита. Выпуклая ложка свободно крутилась на гладкой пластине, а её удлиненный черенок всегда останавливался в направлении юга.

В Европу секрет намагниченной иглы пришел в XII веке, полностью изменив эпоху морских экспедиций. Мореплаватели долго верили, что иголку притягивает гигантская железная скала на краю света или таинственная Полярная звезда в созвездии Малой Медведицы.

Точку в этих догадках поставил придворный врач английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт. В 1600 году он опубликовал фундаментальный научный труд «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Гильберт выточил из куска природного магнетита идеальный шар, назвал его терреллой (маленькой Землей) и водил по его поверхности маленькой магнитной стрелкой. Стрелка вела себя точно так же, как компас моряков в открытом океане, что экспериментально подтвердило магнитную природу самой планеты.