Химия и Химики № 5 2015. Ртутный компас / How to make magnetic compass from metallic mercury and needle

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Компас - прибор, который указывает направление на стороны света, облегчая, таким образом, ориентировку на местности. Существуют различные виды компасов, работа которых основана на совсем разных принципах. Но, пожалуй, самым известным является магнитный компас - на нем и остановимся.

Принцип магнитного компаса основан на том, что Земля обладает магнитным полем. Магнитное поле Земли сравнительно слабое, но его вполне достаточно. Намагниченная стрелка, насаженная на вертикальную ось, ориентируется под действием магнитного поля Земли в направлении силовых линий и указывает на магнитный полюс. Положение магнитных полюсов Земли не совсем совпадает с положением географических, но они расположены сравнительно близко.

Магнитный компас был изобретен еще в древнем Китае. Первым полезным его применением стало нахождение направления движения караванов через пустыню. Однако долгое время магнитный компас был в основном безделушкой - его использовали для Фэн-шуй. Первоначально мастера Фэн-шуй занимались вовсе не "ландшафтным дизайном" и обустройством помещений. Основное их занятие состояло в том, что мастера Фэн-шуй указывали места, где нужно хоронить мертвых. Разумеется, с таким же успехом древние китайцы могли бы использовать для Фэн-шуй вместо магнитного компаса радиокомпас или спутниковый компас (если бы он у них был).

Недостаток магнитного компаса в том, что он реагирует не только на магнитное поле Земли, а на любое другое магнитное поле достаточной интенсивности. Например, стрелка отклоняется под действием железных предметов, расположенных по соседству с компасом. Это, казалось бы, невинное явление неоднократно служило причиной трагедии, особенно в прошлом - когда компас нередко был единственным средством навигации.

Например, в книге Жюля Верна Пятнадцатилетний капитан описаны вымышленные события, но они правдоподобны. Вспомним один эпизод. Чтобы сбить шхуну "Пилигрим" с курса, негодяй работорговец Негоро подкладывает под компас железный брусок (в одноименном фильме - топор), в результате вместо Южной Америки корабль попадает в Африку, где большинство его пассажиров попадают в плен к работорговцам.

Впрочем, даже из этого недостатка геологи умудрились извлечь пользу - при поиске залежей магнитных руд. Отклонение стрелки компаса под действием магнитных минералов ("магнитная аномалия") не раз позволяла обнаружить крупные залежи железной руды.

Преимуществом магнитного компаса является его простота. Нужна всего лишь магнитная стрелка, посаженная на ось, круговая шкала в градусах и система арретирования (фиксации положения стрелки, когда компас находится в нерабочем состоянии - чтобы обеспечить сохранность прибора).

Если нам нужна модель компаса - дело упрощается. Во-первых, некоторые железные предметы: игла, лезвие для бритья, ножницы и т.п. намагничиваются сами собой - под действием магнитного поля Земли. Их можно использовать вместо магнитной стрелки.

Во-вторых, магнитную стрелку не обязательно насаживать на вертикальную ось: просто нужно обеспечить, чтобы она свободно двигалась ("ориентировалась") под действием магнитного поля, а этого можно достичь и другими методами. Например, поместить магнитную стрелку на поверхность воды. Компактный магнит просто так плавать не будет - его нужно поддерживать поплавком из пенопласта. Зато лезвие и даже стальная игла могут держаться на поверхности воды за счет эффекта поверхностного натяжения [1]. И лезвие, и игла, и продолговатый магнит с пенопластом будут плавать по поверхности воды, ориентируясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли.

Заставить лезвие плавать на поверхности воды сравнительно просто, с иглой все сложнее: опыт получается далеко не с первого раза. Мы решили исправить этот недостаток экзотическим способом: взять вместо воды ртуть. Как известно, плотность воды около 1 г/см³, плотность железа - 7.9 г/см³, а плотность ртути 13.5 г/см³. Таким образом, железо тонет в воде, но плавает на поверхности ртути (см. фотографии ниже [2]). Кроме того, железо (в отличие от многих других металлов) не образует сплав со ртутью - амальгаму. Поэтому стальная игла без проблем плавает на поверхности ртути.

__________________________________________________
¹ См. статью Лезвие и игла плавают на поверхности воды [ссылка].

² Другие фотографии ртути и ее соединений вы найдете на страницах: Ртуть - фотографии ч.1 [ссылка], Ртуть - фотографии ч.2 [ссылка].

В результате у нас получился "ртутный компас", который вы можете видеть на фотографиях видео. Как и обыкновенный магнитный компас, ртутный компас легко отклоняется под действием магнитных предметов.

Смотреть Видео (32 Мб, .avi )

В статье "Ртутный компас" описан экзотический эксперимент, как сделать компас из стальной иглы и металлической ртути. Игла играет роль магнитной стрелки, а ртуть - опоры для стрелки, которая не препятствует ее круговому вращению (равно, как и другим движениям в горизонтальной плоскости). В том, что игла намагничена, легко убедиться по тому, как она отклоняет стрелку обычного магнитного компаса.

Разумеется, вместо ртути можно использовать другую - более доступную и безопасную - жидкость. Например, воду. Сделать так, чтобы стальная игла плавала на поверхности воды (гораздо более легкой, чем железо), можно - за счет явления поверхностного натяжения. Такой эксперимент достаточно "щепетильный" - его успех зависит от разных "мелочей". Но даже если сходу удастся заставить иглу плавать на поверхности воды, она легко тонет: от малейшего сотрясения. Чтобы решить эту проблему, насадил на иглу небольшой прямоугольник, вырезанный из пенопласта: он удерживает иголку на поверхности, но не мешает игле свободно двигаться по поверхности воды.

Поместил иглу с пенопластом на поверхность воды - она сразу же повернулась, словно стрелка компаса. Один конец иглы указывал на север, другой - на юг (точнее - на северный и южный магнитные полюса). Если иглу принудительно развернуть в другом направлении, будучи отпущенной, она снова ориентируется в направлении северного и южного магнитных полюсов Земли. Таким образом, мы сделали простой компас.

Смотреть Видео (31 Мб, .avi )