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어린이 과학 실험실
자기장을 통과하는 나침반. 어린이 과학 연구실
이제 지구가 둥글다는 이야기에 대해 감사하게 악수할 사람은 거의 남지 않았습니다. "고마워요, 친구여, 당신에게서 항상 새로운 것을 듣게 될 것입니다." 그런데 왜 그녀는 회전하고 있습니까? 이 질문은 학생뿐만 아니라 당황하게 만듭니다. 그들의 학식 있는 아버지들 또한 영원한 순환이 그들에게 "왜"라고 물을 때 사려깊게 됩니다. "아마도 자기"라고 그들은 말합니다. 왜? 하지만... 먼저 일반적인 자기에 대해 알아보겠습니다. 못과 줄의 전자기장 파일이나 간단한 손톱으로도 가능합니다. 잘 표시된 자기장을 얻습니다. 절연 전선으로 감싸서 전류를 흐르게 하면 충분합니다. 코일을 통과하는 전류는 필드를 생성하고 코어는 이를 급격히 증가시킵니다. 못이든 줄이든 이러한 간단한 솔레노이드의 핵심은 자석이 됩니다. 그러나 동시에 못으로 만든 코어 자석은 줄로 만든 자석과 근본적인 차이가 있습니다. 이 차이점이 무엇이라고 생각하시나요? 이에 대해서는 아래에서 논의하겠습니다. 그러나 차이점을 직접 찾아보고 싶다면 다음 실험을 수행해 보세요. 일반 손톱 주위에 0,1-0,4mm 두께의 절연 전선을 감습니다. 권선의 한쪽 끝을 손전등 배터리에 연결합니다(그림 1). 테이블 위에 작은 정향을 뿌린다. 못의 머리 부분을 작은 스터드에 가져온 다음 권선의 다른 쪽 끝을 배터리에 연결합니다. 작은 손톱은 즉시 중심 손톱의 머리 부분에 달라붙습니다. 전원을 끄면 정향 배터리가 즉시 떨어집니다.
이제 파일로 인공 자석을 만들어 보겠습니다. 에머리 휠에서 파일 평면의 노치를 갈아서 필요한 스트립을 잘라냅니다. 그런 다음 스트립을 자석의 반대 극으로 중앙에서 끝까지 문질러 야합니다. 단단한 강철 스트립은 직류를 사용하여 다른 방법으로 인위적으로 자화될 수 있습니다. 철판 위에 절연성이 좋은 전선을 감은 후 가변 저항기를 통해 몇 초간 권선을 켜십시오. 이제 자화된 못과 줄의 차이가 분명해질 것입니다. 첫 번째 경우 코어는 전류가 흐르는 동안 (회전을 따라) 자기 특성을 가지며 두 번째 경우에는 영구 자석이 얻어집니다. 손톱과 달리 줄에는 잔류 자성이 있습니다. 그 이유는 줄 재질의 경도가 높기 때문입니다. 견고한 강판에서는 이를 구성하는 원자가 매우 "강하게" 방향을 잡습니다. 따라서 자기 특성을 더 잘 유지합니다. 자석을 반으로 자르면 극이 다른 두 개의 동일한 자석을 얻을 수 있습니다. 이 작업을 반복하면 다시 극이 다른 자석을 얻을 수 있습니다. 자석을 미세한 입자로 자르면 각 입자는 여전히 북쪽(양극)과 남쪽(음극)이라는 두 개의 극을 갖게 됩니다. 이 사실은 음(전자)과 양(양성자)으로 하전된 입자가 있는 것처럼 자석의 극이 별도로 존재하지 않는다는 결론으로 이어집니다. 그러나 끝 부분에 동일한 극이 있는 자석을 만드는 것이 가능합니다. 예를 들어 북쪽과 같은 동일한 극으로 강판을 문질러 중간에서 끝까지 연결하면됩니다. 그런 다음 원자는 판 구조에 배열되어 북극이 한 방향으로 가고 남쪽이 다른 방향으로 이동합니다. 자침은 자력선을 따라 위치합니다. 자기장선의 구성은 철가루로 쉽게 포착할 수 있습니다. 금속가루가 묻은 유리를 막대자석 위에 올려놓은 후 유리를 가볍게 두드려주세요. 각 자화된 철 입자는 작은 자침이 됩니다. 필드의 힘선을 따라 늘어나면 그 구성이 드러납니다. 흔들리는 동안 대부분의 톱밥은 기둥으로 이동합니다. 필드의 적도 부분이 얇아집니다. 그러나 전기를 띤 입자는 전혀 다르게 행동합니다. 음전하와 양전하를 띤 입자를 유리 위에 톱밥처럼 부을 수 있다면, 하전 입자는 극에서 반발하여 고리 형태로 자기장의 적도 영역에 집중될 것입니다. 그런데 이 모든 것을 어떻게 볼 수 있습니까? 집에서 만든 은하 하전 입자, 특히 전자(베타 입자)의 빔은 베타트론에서 생성됩니다. 그 안에서 전자는 거의 빛의 속도로 가속되고 장치 자체의 무게는 톤, 때로는 수백 톤에 이릅니다. 그럼에도 불구하고 우리 중 거의 모든 사람은 일반 텔레비전을 사용하여 전자빔으로 실험을 수행할 수 있습니다. 실제로 TV 튜브에서 키네스코프 화면에 줄지어 부딪혀 빛을 내는 것은 전자입니다. 더 강한 영구 자석을 사용하여 그 극을 화면에 가져옵니다. 화면의 이미지는 은하계를 닮은 나선형으로 변합니다. 이미지가 오른쪽으로 비틀어지면 자석의 북극이 화면으로 이동한다는 의미입니다. 자석의 남극은 왼쪽으로 꼬인 나선형을 이룹니다. 자석이 화면에 접근하면 화면에 어두운 고리가 나타나고(자석이 원통형인 경우) 밝은 점이 중앙에 남아 전자 흐름이 계속해서 극으로 이동합니다. 어두운 점은 자극이 전자를 밀어내고 전자를 자기장의 적도 방향으로 유도하고 자석 주위를 공전한다는 것을 보여줍니다. 전자는 북극과 남극에 의해 반발됩니다. 따라서 그들은 토성의 고리처럼 상당히 평평한 고리 형태로 자기장의 적도면에 집중되어 있습니다.
오른손으로 북극 끝 부분의 자석을 잡고 전체 평면을 사용하여 화면에 수평으로 가져옵니다. 화면의 이미지는 자기장의 적도 위의 호에 의해 구부러집니다. 남극이 있는 자석을 오른쪽으로 돌리면 화면의 이미지가 아래로 구부러집니다. 이러한 실험을 통해 북극에서 자석을 보면 전자가 자기장 내에서 시계 반대 방향으로 공전하는 것을 볼 수 있습니다. 양전하를 띤 입자를 다루는 경우 자석의 극에서 시작하여 궤도에 있는 전자의 방향과 반대 방향으로 이동합니다. 그리고 자석을 베어링에 놓고 다소 강력한 전자빔을 조사하면 어떻게 될까요? 아마도 자석은 전자의 흐름에서 시계 방향, 양성자의 흐름에서 시계 반대 방향으로 회전하기 시작할 것입니다. 자석의 회전 방향은 하전 입자의 비틀림 방향과 반대가 됩니다. 이제 우리 지구는 거대한 자석이고 양성자 흐름이 우주에서 지구 위로 떨어진다는 것을 기억합시다. 이제 우리가 행성의 회전에 대한 약속된 설명으로 넘어가기 전에 자기에 관해 오랫동안 이야기한 이유가 분명해졌습니다. 원 라운드 댄스에서 영국 과학자 W. Gelbert는 지구가 자성 돌로 구성되어 있다고 믿었습니다. 나중에 지구가 태양으로부터 자화되었다고 결정되었습니다. 계산은 이러한 가설이 반증되었음을 입증했습니다. 그들은 액체 금속 핵의 질량 흐름을 통해 지구의 자성을 설명하려고 했습니다. 그러나 이 가설 자체는 지구의 액체 핵에 대한 가설에 의존하고 있습니다. 많은 과학자들은 핵이 단단하고 철이 전혀 없다고 믿습니다. 1891년에 영국의 과학자 슈스터(Schuster)는 처음으로 축을 중심으로 한 지구의 자전을 설명하려고 시도했습니다. 유명한 물리학자 P. N. Lebedev는 이 가설에 많은 노력을 기울였습니다. 그는 원심력의 영향으로 원자의 전자가 지구 표면을 향해 이동한다고 가정했습니다. 이로부터 표면은 음전하를 띠어야 하며 이것이 자성을 유발합니다. 그러나 분당 최대 35회전의 링 회전 실험에서는 가설이 확인되지 않았습니다. 링에 자기가 나타나지 않았습니다. 1947년에 P. Bleket(영국)은 회전하는 물체에 자기장이 존재한다는 것은 알려지지 않은 자연 법칙이라고 제안했습니다. Blackett은 신체의 회전 속도에 대한 자기장의 의존성을 확립하려고 노력했습니다. 그 당시 처녀자리 별자리의 별 E78인 지구, 태양, 백색 왜성 등 세 천체의 회전 속도와 자기장에 대한 데이터가 알려졌습니다. 신체의 자기장은 자기 모멘트, 신체의 회전-각운동량(신체의 크기와 질량을 고려)을 특징으로 합니다. 지구와 태양의 자기 모멘트가 각운동량과 마찬가지로 서로 관련되어 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔습니다. E78 별은 이 비례성을 관찰했습니다! 따라서 천체의 회전과 자기장 사이에 직접적인 연관성이 있다는 것이 분명해졌습니다.
자기장을 일으키는 것은 신체의 회전이라는 인상을 받았습니다. Blacket은 자신이 제안한 법칙의 존재를 실험적으로 증명하려고 노력했습니다. 실험을 위해 무게 20kg의 황금 실린더를 만들었습니다. 그러나 언급된 실린더를 이용한 가장 미묘한 실험에서는 아무 것도 나오지 않았습니다. 비자성 황금 실린더는 자기장의 흔적을 보이지 않았습니다. 이제 목성에 대한 자기 및 각운동량이 확립되었고 금성에 대해서도 예비가 확립되었습니다. 그리고 다시 각운동량으로 나눈 자기장은 블래킷 수에 가깝습니다. 계수가 이렇게 일치한 후에는 그 문제를 우연에 귀속시키는 것이 어렵습니다. 그렇다면 지구의 회전이 자기장을 자극합니까, 아니면 지구의 자기장이 회전을 유발합니까? 어떤 이유에서인지 과학자들은 지구가 형성될 때부터 회전이 지구에 내재되어 있다고 항상 믿어 왔습니다. 그렇습니까? 아니면 아닐 수도 있습니다! 우리의 "텔레비전" 경험에 대한 비유는 다음과 같은 질문을 제기합니다. 지구가 축을 중심으로 회전하기 때문에 마치 큰 자석처럼 하전 입자의 흐름에 있는 것일까요? 흐름은 주로 수소 핵(양성자), 헬륨(알파 입자)으로 구성됩니다. 전자는 "태양풍"에서 관찰되지 않으며, 아마도 미립자가 충돌하는 순간 자기 트랩에 형성되고 지구 자기장 영역에서 계단식으로 생성됩니다. 지구 - 전자석 지구의 자기적 특성과 그 핵 사이의 연관성은 이제 매우 분명해졌습니다. 과학자들의 계산에 따르면 달에는 유체 핵이 없으므로 자기장도 없어야 합니다. 실제로 우주 로켓을 이용한 측정 결과, 달 주위에는 감지할 수 있는 자기장이 없는 것으로 나타났습니다. 북극과 남극의 육지 해류를 관찰한 결과 흥미로운 데이터가 얻어졌습니다. 지상 전류의 강도는 매우 높습니다. 중위도 지역의 강도보다 수십, 수백 배 더 높습니다. 이 사실은 TV 실험에서와 같이 지구의 자기 트랩 고리에서 전자가 유입되어 자극 구역의 극성 캡을 통해 지구로 강렬하게 유입된다는 것을 나타냅니다. 태양 활동이 증가하는 순간 지상 전류도 증가합니다. 이제 아마도 지구의 전류는 지구 핵심 질량의 전류와 주로 방사선 고리에서 우주에서 지구로 전자가 유입되어 발생한다는 것이 확립 된 것으로 간주 될 수 있습니다. 따라서 전류는 지구 자기장을 유발하고 지구의 자기장은 분명히 지구를 회전시킵니다. 지구의 자전 속도는 외부 자기장에 의해 포획되고 지구 자기장 내에서 생성되는 음전하 입자와 양전하 입자의 비율에 따라 달라질 것이라고 추측하기 쉽습니다. 저자: I.Kirillov
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