'Exhibit of the month' is a series initiated by the Jagiellonian University Museum with the beginning of the new academic year. Each month we will explain the Museum collection to you, choosing a single exhibit or a group of exhibits which usually are not shown to the open public.
W ramach cyklu „Obiekt miesiąca” prezentujemy instrumenty do badania magnetyzmu ziemskiego.
Ziemia przypomina wielki magnes. Źródłem pola magnetycznego są prądy wirowe płynące w jądrze Ziemi. Pole magnetyczne częściowo chroni Ziemię przed naładowanymi cząsteczkami promieniowania kosmicznego i wiatru słonecznego. Jest to jeden z czynników, które przyczynił się do powstania życia na planecie.
Ziemskie pole magnetyczne wykryć można używając namagnesowanego przedmiotu, np. igły magnetycznej, która będzie się układać wzdłuż linii pola. Pierwsze zapisy o użyciu podobnego przyrządu pochodzą sprzed blisko 2000 lat. W Europie zaczęto używać kompasu pod koniec XII wieku, jednak początkowo używano go nie wiedząc dlaczego igła magnetyczna zawsze wskazuje ten sam kierunek. Przypuszczano, że na biegunie północnym znajduje się wyspa magnetyczna lub, że igłę przyciąga Gwiazda Polarna. Hipotezę o tym, że Ziemia jest wielkim magnesem, który oddziałuje na namagnesowane przedmioty postawił William Gilbert (1544-1603). W opublikowanym w 1600 roku dziele De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure opisał swoje eksperymenty z terellą, czyli kulą z magnetytu będącą modelem Ziemi. Obserwował zachowanie przykładanych do niej malutkich igieł magnetycznych, które ustawiały się podobnie do igły kompasu na powierzchni Ziemi.
Igła magnetyczna ustawia się wzdłuż linii lokalnego pola magnetycznego, który to kierunek jest zazwyczaj zbliżony do linii południe-północ. Kąt pomiędzy składową poziomą pola magnetycznego (wskazywaną przez igłę magnetyczną) a kierunkiem lokalnego południka nazywamy deklinacją magnetyczną. Deklinacja może się zmieniać zarówno pomiędzy różnymi miejscami na powierzchni Ziemi jak i w czasie. Pomiar początkowo realizowano przy pomocy zwykłej igły magnetycznej, dopiero później zaczęto używać magnetometrów. Pierwszym etapem było wyznaczenie azymutu na jakiś stały obiekt ziemski (mirę)np. z pomiaru azymutalnej wysokości Słońca. Pod koniec XIX wieku mira znajdowała się na krakowskich Krzemionkach, które były widoczne z obserwatorium astronomicznego znajdującego się przy ul. Kopernika. Następnie poprzez azymutalny obrót teodolitu ustawiano go w pozycji umożliwiającej odczyt zera na skali magnesu. Linia kolimacji magnesu wyznaczała południk magnetyczny. Pomiary był powtarzane po przewieszeniu magnesu i obrocie przyrządu o 180 stopni.
Kolejnym parametrem opisującym pole magnetyczne jest inklinacja, która jest kątem pomiędzy horyzontem a kierunkiem pola magnetycznego wyznaczonego przez swobodnie zawieszoną igłę magnetyczną. Również ten kierunek może się zmieniać zarówno w czasie jak i w przestrzeni. W Polsce inklinacja wynosi około 66 stopni. Do pomiaru można było użyć swobodnie zawieszonej igły magnetycznej lub inklinometru. Mierząc inklinację z użyciem inklinometru najczęściej przeprowadzano 8 serii pomiarów. W kolejnych seriach obracano przyrząd o 180 stopni, a także odwracano oraz przemagnesowywano igłę magnetyczną. Dzięki temu uśredniały się błędy wynikające z niedokładnego ustawienia przyrządu, tarcia igły na osi oraz niedokładnego wyważenia igły. Dokładność pomiarów można było zwiększyć powtarzając serię pomiarów używając innej igły magnetycznej.
Aby w pełni określić wielkość pola magnetycznego w danym punkcie powierzchni Ziemi trzeba jeszcze określić wartość wektora natężenia pola. Kto tego dokonał? Co to jest Związek Magnetyczny i czy Kraków posiadał własne obserwatorium magnetyczne? Odpowiedzi w kolejnym poście z cyklu „Obiekt miesiąca”.
Dzisiaj prezentujemy dwa z pięciu obiektów, które można obejrzeć w Librarii Muzeum.
TEODOLIT MAGNETYCZNY
Ernest Schneider, Wiedeń, 1882
mosiądz, mosiądz srebrzony, szkło
Magnes, w formie pustego cylindra, na którego końcach przyklejone są srebrzone szkiełka z pionowym nacięciem w srebrzeniu zawieszony był na jedwabnej lub kwarcowej nici zamocowanej do miedzianego sztyftu na szczycie długiej szklanej rurki. Rurki szklane w instrumencie były wymienne i mogły mieć różną długość. Magnes znajdował się wewnątrz prostopadłościennego drewnianego pudełka, z mechanizmem tłumiącym drgania na dnie, z dwoma wysuwanymi szybkami zamiast bocznych ścianek i dwoma szklanymi okienkami. Na osi pudełka z jednej strony znajduje się lunetka, a z drugiej mosiężna przeciwwaga.
Teodolit był podstawowym narzędziem do pomiaru deklinacji magnetycznej od końca XIX wieku do lat 70-tych XX wieku. Powyższy eksponat był używany m.in. przez Daniela Wierzbickiego (1838–1901).
INKLINOMETR
John Dover, Charlton, Anglia, 1872
mosiądz, mosiądz srebrzony, stal, szkło, drewno politurowane
Igła magnetyczna (niezachowana), osadzona była na osi przechodzącej przez jej środek ciężkości i zamknięta w drewniano-szklanej obudowie, chroniącej przed wpływem ruchów powietrza. Igłę za pomocą mechanizmu aretującego sterowanego śrubą z boku obudowy, można było opuścić na dwa łoża agatowe. Na zewnątrz obudowy, na wysokości osi igły zamocowane są limbus ze skalą ze srebrzonego mosiądzu z czterema łukami 0°-90°, z działką elementarną 30’ i noniuszem o dokładności 1’. Do odczytu skali i położenia końca igły wykorzystywano 2 pary mikroskopów umocowanych na ruchomych ramionach.
Instrument został zakupiony przez Obserwatorium Astronomiczne UJ w roku akademickim 1872/1873.
Jako pierwszy wartość natężenia pola magnetycznego zmierzył Carl Friedrich Gauss (1777-1855) w 1835 roku.
Gauss już wcześniej zajmował się pomiarami pola magnetycznego Ziemi. We współpracy z Wilhelmem Weberem (1804-1891) i Aleksandrem von Humboldtem (1769-1859) założył w Getyndze Magnetische Verein (Związek Magnetyczny), którego celem było badanie magnetyzmu ziemskiego w skoordynowany sposób w 50 stacjach pomiarowych rozmieszczonych na całym świecie. Jedna z nich znajdowała się w Krakowie. Obserwatorium magnetyczne zostało ulokowane w domku zbudowanym bez użycia żelaza, który ulokowano w okolicach Obserwatorium Astronomicznego. Od 1839 roku w krakowskim obserwatorium magnetycznym prowadzone były pomiary zgodnie z procedurą Związku Magnetycznego. Polegały one na obserwacji deklinacji magnetycznej co 5 minut przez 24 godziny we wskazane dni w roku. Ponadto od grudnia 1839 roku prowadzone były systematyczne pomiary (2 razy dziennie) deklinacji magnetycznej.
W latach 1840. pomiary magnetyzmu ziemskiego zaczęto prowadzić również w Gabinecie Fizycznym Uniwersytetu Jagiellońskiego, który zakupił w tym celu przyrządy pomiarowe. Instrumenty te posłużyły profesorowi fizyki Stefanowi Ludwikowi Kuczyńskiemu (1811-1887) do wyznaczenia w 1847 roku wartości natężenia pola magnetycznego Ziemi w Krakowie. Niestety, kradzieże przyrządów sprawiły, że w 1856 roku zaniechano prowadzenia systematycznych pomiarów pola magnetycznego, zaś sam domek magnetyczny został w roku 1859 rozebrany. W latach 1872-82 zostały zakupione przez Obserwatorium Astronomiczne 2 nowe inklinometry i 2 teodolity magnetyczne i wznowiono prowadzenie obserwacji magnetycznych, które kontynuowano do lat 70. XX wieku.
Przyrządy do pomiaru deklinacji magnetycznej:
MAGNES SZTABKOWY
F.W. Breithaupt & Sohn, Kassel, Niemcy, 1836
stal
Magnes sztabkowy, który był używany w zakupionym w 1836 roku aparacie magnetycznym wykonanym według projektu Gaussa. Sam aparat został skradziony z Obserwatorium Magnetycznego w 1850 roku.
TEODOLIT MAGNETYCZNY
Moritz Meyerstein, Getynga, 1874
mosiądz, mosiądz srebrzony, szkło
Elementem pomiarowym był rurkowy magnes zakończony z jednej strony achromatyczną soczewką, w której ognisku znajdowała się szklana skala na drugim końcu, zawieszany na szczycie miedzianej rurki na jedwabnej lub kwarcowej nici. Magnes umieszczano wewnątrz prostopadłościennego pudełka drewnianego lub grubościennej mosiężnej osłony. W obu osłonach były okienka, przez które można było skierować do wnętrza światło przy pomocy ruchomego lusterka. Do odczytu położenia magnesu służył teodolit zamocowany równolegle do magnetometru na wspólnym kole azymutalnym. W połowie długości lunetki teodolitu, w bocznej ściance, znajduje się okrągłe okienko a za nim lustro ustawione pod kątem 45 stopni, z małym, prostokątnym otworem pośrodku. Umożliwiało to jednoczesną obserwację magnesu oraz miry.
Instrument został zakupiony w 1874 roku w komplecie z inklinometrem. Przyrząd był używany m. in. przez Daniela Wierzbickiego (1838–1901), asystenta i adiunkta w Obserwatorium Astronomicznym.
Przyrządy do pomiaru inklinacji magnetycznej
INKLINOMETR
Moritz Meyerstein, Getynga, 1847
mosiądz, mosiądz srebrzony, stal, brąz, szkło, drewno politurowane
Kluczową część instrumentu stanowi igła magnetyczna osadzona na osi przechodzącej przez jej środek ciężkości. Igłę zamkniętą w drewniano-szklanej obudowie chroniącej przed wpływem ruchów powietrza, opuszczano za pomocą mechanizmu aretującego na dwa niezależnie poziomowane łoża agatowe. Na zewnątrz obudowy, na wspólnej osi, zamocowane są limbus oraz dwa ruchome ramiona z mikroskopami odczytowymi. Skala ze srebrzonego mosiądzu w środkowej części limbusa obejmuje kąty od 0°-360°, z działką elementarną 15’ i noniuszem o dokładności 20’’. W bocznych ścianach obudowy, na wysokości osi igły magnetycznej, znajdują się podziałki pozwalające na ustawienie przyrządu zgodnie z kierunkiem lokalnej deklinacji magnetycznej.
Instrument został zakupiony przez Zakład Fizyczny UJ w 1847 roku.
