МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ: ПОХОДЖЕННЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦІЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

У магнітному полі Землі є магнітним ефектом , який надає Землі і простягається від його інтер'єру до сотні кілометрів в космосі. Він дуже схожий на той, що виробляється бар-магнітом. Цю ідею запропонував англійський вчений Вільям Гілберт у 17 столітті, який також зауважив, що розділити полюси магніту неможливо.

На малюнку 1 показані лінії магнітного поля Землі. Вони завжди закриті, проходять через інтер’єр і продовжують зовні, утворюючи своєрідне покриття.

Рисунок 1. Магнітне поле Землі нагадує магнітофон. Джерело: Wikimedia Commons.

Походження магнітного поля Землі досі залишається загадкою. Зовнішня серцевина землі, виготовлена ​​з чавуну, сама по собі не може виробляти поле, оскільки температура така, що руйнує магнітний порядок. Температурний поріг для цього відомий як температура Кюрі. Тому неможливо, щоб велика маса намагніченого матеріалу відповідала за поле.

Виключивши цю гіпотезу, ми повинні шукати походження поля в іншому явищі: обертання Землі. Це змушує розплавлене ядро ​​нерівномірно обертатися, створюючи ефект динамо, при якому рідина мимовільно генерує магнітне поле.

Вважається, що ефект динамо є причиною магнетизму астрономічних об'єктів, наприклад, Сонця. Але до цих пір невідомо, чому рідина здатна поводитись таким чином і як утворені електричні струми встигають залишатися.

характеристики

- Магнітне поле Землі є результатом трьох внесків: самого внутрішнього поля, зовнішнього магнітного поля та магнітного мінералу в земній корі:

1. Внутрішнє поле: воно нагадує магнітний диполь (магніт), розташований в центрі Землі, і його внесок становить близько 90%. Він змінюється дуже повільно в часі.
2. Зовнішнє поле: надходить від сонячної активності в шарах атмосфери. Він не схожий на диполь і має безліч варіацій: щодня, щорічно, магнітні бурі тощо.
3. Магнітні гірські породи в земній корі, які також створюють своє власне поле.

- Магнітне поле поляризоване, представляючи північний і південний полюси, як магніт смуги.

- Оскільки протилежні полюси притягують один одного, голка компаса, яка є її північним полюсом, завжди вказує на околиці географічного півночі, де знаходиться південний полюс магніту Землі.

- Напрямок магнітного поля представлений у вигляді замкнутих ліній, які виходять з магнітного півдня (північний полюс магніту) і входять у магнітний північ (південний полюс магніту).

- На магнітній півночі - а також на магнітному півдні - поле перпендикулярне до земної поверхні, а на екваторі поле пасеться. (див. рисунок 1)

- Інтенсивність поля набагато більша на полюсах, ніж на екваторі.

- вісь наземного диполя (рисунок 1) та вісь обертання не вирівняні. Між ними відбувається зміщення 11,2º.

Геомагнітні елементи

Оскільки магнітне поле векторне, декартова система координат XYZ з початком O допомагає встановити своє положення.

Малюнок 2. Геомагнітні елементи. Джерело: Ф. Сапата.

Загальна напруженість магнітного поля чи індукції становить B, а його проекції або компоненти складають: H по горизонталі та Z по вертикалі. Вони пов'язані:

-D, кут магнітного скланення, утворений між Н та географічною північчю (вісь X), позитивний у напрямку сходу та негативний у напрямку на захід.

-Я, кут магнітного нахилу між В і Н, позитивний, якщо В нижче горизонталі.

Голка компаса буде орієнтована в напрямку Н, горизонтальній складовій поля. Площину, визначену B і H, називають магнітним меридіаном, тоді як ZX - географічним меридіаном.

Вектор магнітного поля повністю задається, якщо відомі три наступні величини, які називаються геомагнітними елементами: B , H, D, I, X, Y, Z.

Функція

Ось кілька найважливіших функцій магнітного поля Землі:

- Люди використовували його, щоб орієнтуватися за компасом протягом сотень років.

-Виконує захисну функцію планети, обводячи її і відводячи заряджені частинки, які Сонце безперервно випромінює.

-Хоча магнітне поле Землі (30 - 60 мкг Тесла) слабке порівняно з лабораторією, воно досить сильне, що певні тварини використовують його для орієнтування. Так роблять і мігруючі птахи, приводять голубів, китів та деякі школи риб.

-Магнітометрія або вимірювання магнітного поля використовується для розвідки корисних копалин.

Північне сяйво та південне

Вони відомі як північне або південне сяйво відповідно. Вони з'являються на широтах біля полюсів, де магнітне поле майже перпендикулярне до поверхні Землі і набагато інтенсивніше, ніж на екваторі.

Малюнок 3. Північне сяйво на Алясці. Джерело: Wikimedia Commons.

Вони мають своє походження у великій кількості заряджених частинок, які Сонце надсилає постійно. Ті, що потрапили в пастку поля, як правило, пливуть до полюсів через більш високу інтенсивність. Там вони використовують його для іонізації атмосфери і в процесі випромінюється видиме світло.

Північне сяйво видно на Алясці, Канаді та північній Європі через близькість магнітного полюса. Але через міграцію цього можливо, що з часом вони стають більш помітними на північ Росії.

На сьогодні це, мабуть, не так, оскільки полярні походження не точно слідують хаотичному магнітному півночі.

Магнітна скланення та навігація

Для навігації, особливо в дуже тривалих подорожах, вкрай важливо знати магнітне відхилення, щоб зробити необхідну корекцію і знайти справжню північ.

Це досягається за допомогою карт, які позначають лінії рівного скланення (ізогональні), оскільки скланення сильно змінюється залежно від географічного положення. Це пов’язано з тим, що магнітне поле постійно зазнає локальних змін.

Велика кількість, намальована на злітно-посадкових смугах, є напрямками в градусах відносно магнітної півночі, поділеною на 10 і округлою.

Хлопці на півночі

Як не заплутано це здається, існує кілька типів півночі, визначених якимись певними критеріями. Таким чином, ми можемо знайти:

Магнітна північ - точка на Землі, де магнітне поле перпендикулярне поверхні. Там компас вказує, і до речі, він не антиподальний (діаметрально протилежний) з магнітним півднем.

Геомагнітна північ - це місце, де вісь магнітного диполя піднімається до поверхні (див. Рисунок 1). Оскільки магнітне поле Землі трохи складніше, ніж дипольне поле, ця точка точно не збігається з магнітною північчю.

Географічна північ , вісь обертання Землі проходить там.

На північ від Ламберта або від сітки - точка, де меридіани карт сходяться. Це не зовсім збігається з справжньою чи географічною північчю, оскільки сферична поверхня Землі спотворена при проектуванні на площину.

Малюнок 4. Різні півні та їх розташування. Джерело: Wikimedia Commons. Кавіт

Інверсія магнітного поля

Є дивовижний факт: магнітні полюси можуть змінити положення протягом декількох тисяч років, і це в даний час відбувається. Насправді, як відомо, це траплялося 171 раз раніше, за останні 17 мільйонів років.

Докази знайдені в скелях, що випливають із розриву посеред Атлантичного океану. По мірі виходу гірська порода охолоджується і твердне, задаючи на даний момент напрямок намагніченості Землі, який зберігається.

Але поки що немає задовільного пояснення, чому це відбувається, а також немає джерела енергії, необхідної для інвертування поля.

Як уже обговорювалося раніше, магнітна північ зараз швидко рухається в бік Сибіру, ​​а південь також рухається, хоча і повільніше.

Деякі експерти вважають, що це пов'язано з швидкісним потоком рідкого заліза трохи нижче Канади, що послаблює поле. Це також можуть бути початки магнітного звороту. Останнє, що трапилося, було 700 000 років тому.

Можливо, динамо, що спричиняє магнетизм Землі, вимикається на час спонтанно або через якесь зовнішнє втручання, наприклад, наближення комети, наприклад, хоча останнього немає ніяких доказів.

Коли динамо перезапускається, магнітні полюси помінялися місцями. Але також може статися, що інверсія не є повною, а тимчасовою варіацією дипольної осі, яка нарешті повернеться у вихідне положення.

Експеримент

Здійснюється з котушками Гельмгольца: двома однаковими та концентричними круговими котушками, через які проходить однакова інтенсивність струму. Магнітне поле котушок взаємодіє з полем Землі, породжуючи отримане магнітне поле.

Малюнок 5. Експеримент для визначення значення магнітного поля Землі. Джерело: Ф. Сапата.

Всередині котушок створюється приблизно рівномірне магнітне поле, величина якого:

-Я інтенсивність струму

-μ _o - магнітна проникність вакууму

-R - радіус котушок

Процес

За допомогою компаса , поміщеного в осьової осі котушки, визначає напрямок магнітного поля Землі B _T .

-Oriente осі котушки перпендикулярна до B _T . Таким чином, поле В _Н генерується , як проходить струм, буде перпендикулярна B _T . В цьому випадку:

Малюнок 6. Отримане поле - це те, що позначить голка компаса. Джерело: Ф. Сапата.

-B _H пропорційний струму, що проходить через котушки, так що B _H = kI, де k - константа, що залежить від геометрії зазначених котушок: радіус і кількість витків. Вимірювальний струм, може мати значення B _H . Так що:

Таким чином:

-Різні струми пропускаються через котушки, а пари (I, tg θ) записуються в таблицю.

-Графік I vs. tg θ. Оскільки залежність лінійна, ми очікуємо отримання прямої лінії, нахил якої дорівнює m:

-Нарешті, від прямої - лінії відповідають найменших квадратів або візуальну коригування, він приступає до визначити значення B _T .

Список літератури

1. Земне магнітне поле. Відновлено з: web.ua.es
2. Група магнітогідродинаміки Університету Наварри. Динамо ефект: історія. Відновлено з: fisica.unav.es.
3. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6-е скорочене видання. Cengage Learning.
4. POT. Магнітне поле Землі та його зміни у часі. Відновлено з: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Земний магнітний північний полюс рухається. Відновлено з: ngenespanol.com.
6. Науковий американський. У Землі більше одного північного полюса. Відновлено з: scienceamerican.com.
7. Вікіпедія. Геомагнітний полюс. Відновлено з: en.wikipedia.org.