Земной магнетизм. Избранные труды по Земному магнетизму

Из трех элементов, определяющих проявление земного магнетизма в данном месте, — склонения, наклонения и напря-женности — прежде всего стал предметом исследования первый, много позднее — второй и, наконец, лишь в последнее время — третий. Это объясняется тем, что склонение представляет непосредственный интерес для мореплавателей и геодезистов и что наклонение могло казаться гораздо ближе к склонению, нежели напряженность.

Для естествоиспытателей же интерес ко всем трем элементам совершенно одинаков: наши познания о земном маг-нетизме будут оставаться несовершенными и отрывочными до тех пор, пока все его отрасли не будут исследоваться с одинаковою тщательностью.

Первыми исследованиями напряженности земного магнетизма мы обязаны г-ну фон Гумбольдту, который при всех своих путешествиях обращал на этот предмет главное свое внимание и произвел большое число наблюдений, из которых выявилось постепенное уменьшение этой напряженности от магнитного экватора Земли  к ее магнитным полюсам I1].

Многие наблюдатели последовали затем по стопам этого великого исследователя природы и накопили весьма ценные наблюдения почти во всех частях земной поверхности, куда в последнее время проникали ученые-путешественники. На основании этих наблюдений столь известный своими знаниями по земному магнетизму Ханстин сделал попытку составить общую карту  изодинам.

Метод, применяемый при всех этих наблюдениях, состоит в том, что магнитную стрелку заставляют колебаться в тех местах, где желают сличить напряженность земного магнетизма, и точно измеряют продолжительность ее колебаний. Эта продолжительность, при прочих одинаковых условиях, зависит от величины размаха так, что чем меньше становится размах, тем быстрее приближается его продолжительность к определенному пределу, который собственно и называется продолжительностью колебания; зная величину размаха, легко можно найти и этот предел.

Напряженность земного магнетизма обратно пропорциональна квадрату продолжительности колебания одной и той же стрелки, иначе — прямо пропорциональна квадрату числа коле-баний, совершаемых в течение заданного промежутка времени. Этот результат относится к полной напряженности или к го-ризонтальной составляющей ее, смотря по тому, колеблется ли стрелка в плоскости магнитного меридиана около горизонтальной оси или в горизонтальной плоскости около вертикальной оси.

Очевидно, допустимость этого способа зависит всецело от предположения о полной неизменяемости магнитного со¬стояния стрелки, применявшейся при наблюдениях. При использовании для этих опытов стрелки из хорошо намагниченной стали, тщательно сохраняемой, опасность значительных изменений состояния стрелки невелика, если опыты не занимают слишком большого промежутка времени; на это можно тем более полагаться, если по возвращении на первое место окажется, что продолжительность колебаний не изменилась; однако опыт показывает, что на такой успех не легко рассчитывать, и, строго говоря, такое совпадение содержит даже логически ложный круг. В самом деле, давно известно, что как склонение, так и наклонение в том же самом месте не остаются неизменными, — и то и другое испытывает с течением времени весьма большие прогрессивные изменения, к которым прибавляются весьма заметные при точных наблюдениях периодические изменения, зависящие от времен года и часов дня; поэтому несомненно, что и третий элемент — напряженность — подвержена подобным же изменениям, и ее периодические дневные изменения определенно обнаружи¬ваются при точных наблюдениях. Таким образом, если по прошествии долгого времени на том же самом месте найдена та же самая продолжительность колебаний, то нет никакой гарантии, что это не произошло от случайной компенсации изменения магнитного состояния стрелки изменением напря¬женности земного магнетизма в этом месте.

Если даже допустить, что эти обстоятельства лишь немного уменьшают надежность сравнительного метода, когда пользуются лишь небольшими промежутками времени, то этот метод становится совершенно неприменимым, если возникает вопрос об измерениях напряженности земного магнетизма в том же самом месте в течение весьма больших сроков, — этот вопрос, весьма важный в научном отношении, останется без ответа, если только вместо чисто сравнительного метода не будет применен другой метод, который приводит напряженность земного магнетизма к вполне определенным, неизменным мерам, которые во всякое время могут быть с наибольшей точностью проверены и находятся в полной независимости от особенностей применяемой при наблюдениях стрелки.

Нетрудно изложить теоретические основания такого независимого метода. Продолжительность колебаний данной стрелки зависит от трех величин: напряженности земного магнетизма, статического момента свободного магнетизма стрелки [-] и момента инерции ее.

Момент инерции легко находится соответствующими, существующими для этого способами; по наблюденной же про-должительности колебаний получится не величина напряжен¬ности земного магнетизма, а произведение этой величины на статический момент свободного магнетизма стрелки. Рас¬членить   эти   два   множителя   один   от  другого   невозможно, если не привлечь наблюдения совершенно другого рода, заключающие совершенно иное сочетание вышеуказанных величин: мы достигнем этой цели, подвергая вторую стрелку воздействию как земного магнетизма, так и первой стрелки, что позволит найти отношение этих величин. Эти два действия зависят также от магнитного состояния второй стрелки, но надлежащая постановка опытов дает возможность исключить эту зависимость: отношение обоих действий тем менее зависит от магнитного состояния второй стрелки, чем боль¬шее расстояние взято между двумя стрелками.

Очевидно, что при этом необходимо будет принимать в расчет положение магнитных осей обеих стрелок и поло¬жение прямой, соединяющей их центры, относительно магнитного меридиана, а также магнитное состояние первой стрелки. Все это может быть подчинено расчету только в том случае, если известен закон взаимодействия двух элементов свободного магнетизма, т. е. закон, по которому одноименные элементы отталкиваются, разноименные притягиваются. Уже Тобиас Майер высказал предположение, что закон взаимодействия элементов тот же самый, как и всемирного тяготения, т. е. что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между элементами. Кулон и Ханстин пытались подтвердить опытами это предположение; в представленной статье указанное предположение подтверждено с несомненностью. Но этот закон отно¬сится лишь к элементарным действиям; расчет полного действия одного магнитного тела на другое представляет чисто математическую задачу, если только вполне известно распределение свободного магнетизма в этих телах; поэтому взаимодействие тел зависит от особенностей самих тел, но чем больше расстояние между телами, тем меньше становится указанное случайное влияние, и при весьма больших расстояниях (как это следует из основного закона) полное взаимо-действие при прочих одинаковых условиях можно считать обратно пропорциональным   кубу   расстояния. Произведение этого куба на дробь, выражающую отношение действия первой стрелки на вторую к действию земного магнетизма на эту же вторую стрелку, будет поэтому при возрастающем расстоянии приближаться к определенному пределу. Соответствующее сочетание наблюдений при различных, надлежащим образом избранных, расстояниях после математической обработки даст значение этого предела, по которому найдется отношение тех двух величин, произведение которых выведено из наблюденной продолжительности колебаний первой стрелки. Соединение этих результатов, очевидно, даст отдельно каждую из этих величин.

Опыты по сравнению действия земного магнетизма и первой стрелки на вторую стрелку, подвешенную на нити, могут быть поставлены двояко, причем вторая стрелка может наблюдаться или в   состоянии   движения,   или в состоянии покоя.

Первая возможность осуществляется наивыгоднейшим образом, если поместить первую стрелку в магнитном меридиане, проходящем через вторую, вследствие чего продол¬жительность колебаний второй стрелки становится или больше, или меньше, смотря по тому, одноименные или разноименные полюсы обращены друг к другу. Сравнение измененной таким образом продолжительности колебаний с получаемой под действием только одного земного магнетизма, или, лучше, сравнение увеличенной продолжительности с уменьшенной (при обратном положении первой стрелки) легко доставляет требуемое отношение.

Второй способ состоит в том, что первая стрелка поме¬щается так, чтобы ее действие на вторую составляло неко¬торый угол с меридианом; угол отклонения от меридиана при положении равновесия также доставляет значение требуемого отношения. Здесь также выгодно сравнивать противоположные отклонения при обращенных положениях первой стрелки. Наивыгоднейшее положение этой стрелки есть то, когда она направлена по прямой, перпендикулярной к меридиану, проходящей через середину второй стрелки. Впрочем, первый способ совпадает, в сущности, с методом, предложенным несколько лет тому назад Пуассоном, но известные к настоящему времени попытки некоторых физиков применить этод метод или совершенно не удались, или, в лучшем случае, привели к весьма недостаточным приближениям.

Автор много раз применял оба способа и по многим при¬чинам нашел, что второй способ во многом предпочтительнее первого.

Главное затруднение состоит в том, чрго предельное зна¬чение наблюденных действий искажается многими другими воздействиями, зависящими от самих стрелок. Указанное действие выражается рядом, расположенным» по отрицательным степеням расстояния, начиная с третьей, причем последующие члены становятся тем заметнее, чем расстояние меньше;, поэтому надо на основании нескольких наблюдений эти последующие члены исключить; но при знакомстве с теорией исключения легко убедиться, что неизбежные погрешности наблюдений становятся тем опаснее для надежности результатов, чем большее число коэфициентов подлежит исключению, так что число их должно быть весьма умеренным, чтобы результаты вычислений не стали совершенно непригодными. Вследствие этого нельзя ожидать никакой точности от резуль¬татов, если не применять столь больших расстояний, что ряды сходятся весьма быстро, и достаточно в, них удерживать только первые два члена. Но тогда действия стрелки становятся столь малыми, что теперешними средствами их нельзя измерить с требуемою точностью; этим объясняются неудачи опытов, произведенных до сих пор.

Сколь ни легкими теоретически представляются способы приведения напряженности земного магнетизма к абсолютным единицам, они будут неудачны в приложениях, пока магнитным наблюдениям не будет придана гораздо большая точность, нежели та, которою они до сих пор обладали. Автору представляется теперь случай осуществить многие усовершенствования   приборов   для   магнитных   наблюдений идея которых у него явилась много лет назад, с уверенностью, что магнитные наблюдения могут быть доведены почти, если не совсем, до той же точности, как тончайшие астрономические наблюдения. Успех оправдал эти ожидания, и два прибора, установленные в обсерватории, которые послужили для производства опытов, упомянутых в статье автора, не оставляют желать ничего более совершенного, разве только более подходящего помещения, вполне защищенного от токов воздуха и от действия расположенного поблизости железа.

Здесь не место вдаваться в полное описание этих приборов и их достоинств, но мы полагаем, что сообщением главных черт мы окажем услугу  естествоиспытателям.

Автор применяет обыкновенно стрелки (если только можно назвать стрелками призматические бруски указанных ниже размеров) длиною почти в один фут и весом почти в один, фунт [J]. Подвесом служит шелковая некрученая нить длиной

в 2-л фута, состоящая из 32 волокон, которая надежно мо-жет нести и двойную нагрузку; верхний конец нити можно поворачивать и углы поворота измерять по разделенному кругу. Стрелка несет на своем южном и северном конце (смотря по тому, что в данном помещении удобнее) плоское зеркало, плоскость которого двумя установочными винтами может быть с любою точностью приведена в положение, перпендикулярное магнитной оси стрелки,, хотя нет необходимости строго заботиться о точности такой регулировки^ ибо при самых наблюдениях погрешность регулировки сама собою измеряется весьма точно и вводится в вычисление как коллимационная погрешность.

Подвешенная таким образом стрелка помещается в деревянном цилиндрическом футляре, в котором, кроме небольшого отверстия в крышке, через которое пропускается нить, имеется еще одно отверстие в боковой стенке; по высоте и ширине оно   немного   больше   упомянутого выше зеркала. Против зеркала помещается теодолит; его вертикальная ось и нить подвеса находятся в одном магнитном меридиане в расстоянии около 16 парижских футов между ними. Оптическая ось трубы теодолита несколько выше оси стрелки и настолько наклонена в вертикальной плоскости магнитного меридиана, что она направляется на середину зеркала.

На штативе теодолита укреплена горизонтальная шкала длиною около 4 футов, разделенная на миллиметры и пер-пендикулярная к магнитному меридиану. Точку шкалы, лежа¬щую в одной вертикальной плоскости с оптическою осью трубы, мы для краткости будем называть нулевою; эта точка отмечается проходящей через середину объектива золотою нитью отвеса; шкала помещена на такой высоте, чтобы в трубу было видно отраженное изображение части шкалы; окуляр трубы устанавливается так, чтобы было ясно видно изображение шкалы. На противоположной от стрелки стороне, в расстоянии, равном расстоянию до изображения шкалы, ставится мира, служащая для проверки того, что теодолит не получил какого-либо смещения.

Отсюда легко заключить, что при точном соблюдении высказанных выше условий изображение нулевой точки шкалы придется на оптической оси трубы, и, следовательно, если с места стояния теодолита виден предмет, азимут которого известен, то с помощью описанного прибора тотчас же определяется магнитное склонение.

Если какое-нибудь из перечисленных выше условий не соблюдено, то, вообще говоря, на оптической оси окажется не нулевая точка шкалы, а какая-либо иная, и если горизонтальное расстояние от зеркала до шкалы известно, легко определить угловую цену деления шкалы и исправить полученный результат.

Величина коллимационной погрешности зеркала опре-деляется весьма точно и просто перекладкою магнита в его подвесе так, чтобы его верхняя грань стала на место нижней. В описанном приборе цена деления шкалы составляет 22 секунды дуги, и привычный глаз легко подразделяет этот промежуток еще на 10 частей.

Таким образом, описанным устройством направление стрелки и изменения этого направления определяются с весьма большою точностью. Нет даже надобности выжидать, чтобы стрелка пришла в состояние покоя; так как отклонения направо и налево наблюдаются весьма точно, то при надлежащей их обработке положение покоя определяется весьма точно. В утренние часы, когда дневное изменение склонения наиболее значительно, его можно прослеживать от одной минуты времени к следующей.

Не менее важны выгоды этого устройства при наблюдении колебаний. Прохождение вертикальной нити в трубе через определенное деление шкалы (на самом деле происходит обратное) можно наблюдать, даже при углах отклонения в несколько минут, со столь большой точностью, что при надлежащем внимании погрешность не превзойдет 1/10 секунды времени. Значительная продолжительность одного колебания (для самого сильного магнита около 14 секунд) и весьма малое затухание размахов доставляют при этом еще весьма значительные преимущества. Достаточно пронаблюдать пару размахов, чтобы знать продолжительность одного колебания с такою точностью, что нет надобности следить за стрелкою, считать ее колебания; даже через несколько часов можно рассчитать, сколько колебаний произошло за это время. Можно начинать наблюдение колебаний со столь малых размахов (приблизительно с таких, при которых обычно наблюдения заканчивали), что приведение к бесконечно малым размахам (впрочем, весьма легко вычисляемое) становится почти незаметным, а колебания после 6 и большего числа часов остаются еще достаточно большими, чтобы наблюдать прохождения с достаточною точностью. Иногда при наблюдениях обнаруживаются некоторые неправильности, но столь малые, что при прежних устройствах они оставались бы незамеченными; их следует приписать токам воздуха, избежать которых в теперешнем помещении полностью не удавалось. Этих токов совершенно не было бы, если бы отверстие перед зеркалом было бы прикрыто плоскопараллельным стеклом, весьма совершенным по качеству, но автор до сих пор такового не имел; во всяком случае при этом   происходила бы  неприятная  потеря   света.

К перечисленным выгодам устройств надо еще прибавить то, что наблюдатель находится все время в очень большом расстоянии от стрелки, тогда как при прежних устройствах он должен был находиться весьма близко, так что при помещении стрелки даже в стеклянном ящике теплота самого наблюдателя, теплота осветительной лампы или железо, или. даже латунь, которую случайно мог иметь при себе наблю¬датель, могли оказывать возмущающее влияние на стрелку. Преимущества, доставляемые сильными тяжелыми магнитами, которыми исключительно пользовался автор, настолько оче¬видны, что непонятно, почему для большей части магнитных наблюдений, в особенности для колебаний, до сих пор применяются весьма малые стрелки [*]. Было бы выгодно еще увеличить размеры примененных автором магнитов, как показали испытания магнита, вес которого был более двух фунтов. Автор убежден, что при пользовании четырех- или шестифунтовыми магнитами, на которые движения воздуха заметного влияния не оказывают, магнитные наблюдения достигли бы такой точности, которая не уступала бы точности самых тщательных астрономических наблюдений. Правда, пришлось бы применять более прочные нити подвеса, кручение которых дало бы более значительную реакцию, но это совершенно не является препятствием к их применению, так как при точных наблюдениях кручением никогда нельзя пренебрегать и необходимо вводить его в вычисления, что не представляет никакой трудности.

Описанные приборы, кроме главного своего назначения, служат еще для другой цели, о которой, хотя она и не на¬ходится в непосредственной связи с главною, мы здесь в нескольких словах упомянем.

Эти приборы являются наиболее чувствительными и наиболее удобными гальванометрами как для самых сильных, так и для самых слабых гальванических токов, и не представит никаких затруднений привести и эти измерения к абсолютным мерам. Для измерения наиболее сильных токов стоит только провести проволоку, проводящую ток, в плоскости магнитного меридиана на значительном расстоянии выше или ниже стрелки (по крайней мере, на расстоянии в несколько футов); для весьма слабых токов присоединяют мультипликатор, намотанный на ящик, в котором находится стрелка. Автор произвел несколько опытов с мультипликатором, содержавшим 68 оборотов проволоки длиною в 300 футов. Здесь нет надобности в больших пластинах: две небольшие кнопки, даже оголенные концы проволок из двух различных металлов, погруженные в подкисленную воду, дают ток, который вызывает отклонение в несколько сот делений шкалы; когда применяли пару пластинок весьма умеренных размеров, то при замыкании цепи изображение шкалы пролетало  с быстротою   стрелы через   все поле зрения   трубы.

Легко видеть, каким образом, пользуясь этими средствами, можно производить измерения гальванических токов с такими удобствами и точностью, которые оставляют далеко позади применявшиеся до сих пор громоздкие способы наблюдения продолжительности колебаний: таким образом можно с полною точностью наблюдать постепенное и, как известно, вначале весьма быстрое убывание силы тока от секунды к секунде. Если вместо простой стрелки взять двойную (астатическую), то нет столь малой электромагнитной силы, которую нельзя бы измерить с весьма большою точностью. Таким образом, здесь открывается естествоиспытателю обширная область самых интересных исследований.

Что же касается главного содержания самой статьи — именно математического развития теории, различных своеобразных, примененных автором, приемов определений разных величин, например момента инерции колеблющегося магнита, независимо от предположения о правильности его формы; опытов, произведенных для определения основного закона магнитных взаимодействий; наконец, определения напряжен¬ности земного магнетизма в данном месте,—то относительно всего этого мы отсылаем к самой статье.

Здесь же мы приведем вкратце окончательные результаты.

Еще до применения описанных приборов автор произвел множество опытов со стрелками самых разнообразных раз¬меров, нисходя до веса в пол-лота. Полученные результаты в общем достаточно близко согласуются с позднейшими, но так как они основаны на гораздо более несовершенных средствах и так как вообще с малыми стрелками невозможно получить большую точность, то они не заслуживают упоминания. Наоборот, результаты определения интенсивности горизонтальной составляющей земного магнетизма, полученные при помощи описанных приборов,   помещаются здесь:

I. Май 21    .   .   . .   1.7820

и. Май 24    .   .   . .   1.7694

III. .   1.7713

IV. Июнь 24—28 . .   1.7625

V. Июль 23—24 . .   1.7826

VI. Июль 25—26 .

VII. Сентябрь 9   .

VIII. Сентябрь 18 .

IX. Сентябрь 27 .

X. Октябрь 15    .

1.7845 1.7764 1.7821 1.7965 1.7860

Здесь за единицы приняты миллиметр, миллиграмм и се¬кунда, однако каким образом выражается мера указанной напряженности через эти единицы, здесь изложено быть не может; впрочем, вышеприведенные числа остаются теми же самыми, если единицы длины и единицы веса (собственно, единицы   массы)  будут   изменены в   одинаковом отношении.

Произведенные опыты различались между собою отчасти соблюдением большей или   меньшей точности  при их производстве, отчасти применением разных стрелок или магнитов, частью местом их производства.

Опыты VII, VIII, IX во всех отношениях произведены настолько тщательно, насколько это допускал для их произ-водства прибор в его теперешнем виде, а именно — требуемые расстояния измерялись с микроскопической точностью.

При опытах IV, V, VI и X некоторые измерения произ-водились с несколько меньшей тщательностью; в этом отно¬шении опыты I, II, III отстают еще более.

Для первых восьми опытов мы применяли различные магниты, но не сильно разнящиеся по размерам и весу (вес от 400 до 440 г). При опыте X главный магнит весил 1062 г. Опыт же IX, наоборот, был произведен с весьма малым магнитом (весом 55 г) для того только, чтобы посмотреть, какая точность достижима с весьма малой стрелкой при соблюдении всех прочих мер предосторожности. Надежность результатов этого опыта значительно ниже прочих.

Опыты VII — X произведены на одном и том же месте в обсерватории, более ранние в других местах — частью в обсерватории, частью в жилых комнатах автора. Из всех этих опытов нельзя, собственно говоря, вывести чистый результат, так как в зданиях, особенно в самой обсерватории, находится много железа, которое, намагнитившись от земного магнетизма, влияет на стрелку, и это влияние прибавляется к силе земного магнетизма. Однако места выбирались так, чтобы вблизи приборов не было ни неподвижных, ни по¬движных масс железа; но наверное влияние даже отдаленных масс нельзя считать вполне устраненным. Тем не менее по простому рассмотрению различных результатов можно пред¬полагать, что происходящее от внешних влияний изменение земного магнетизма ни в одном из этих мест не превосходит одной сотой доли полной его величины. Истинное значение, соответствующее точности метода измерений, может быть получено лишь в особом помещении, совершенно не содержащем железа. Чтобы найти полную величину силы земного магнетизма, надо умножить полученные числа на секанс угла наклонения. Автор намерен в будущем исследовать и этот элемент при помощи соответствующих методов; пока что 23 июня он нашел значение этого элемента с помощью инклинатора физического кабинета равным 68° 22'52". Этот результат не свободен от искажающих влияний, так как наблюдения производились в обсерватории, и поэтому легко может быть изменен на несколько минут.