МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

В магнитном поле Земли является магнитным эффектом , который оказывает Земли и простирается от его интерьера до сотни километров в космосе. Он очень похож на стержневой магнит. Эта идея была предложена английским ученым Уильямом Гилбертом в 17 веке, который также заметил, что невозможно разделить полюса магнита.

На рисунке 1 показаны силовые линии магнитного поля Земли. Они всегда закрыты, проходят внутрь и продолжаются наружу, образуя своего рода укрытие.

Рис. 1. Магнитное поле Земли напоминает стержневой магнит. Источник: Wikimedia Commons.

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой. Внешнее ядро ​​Земли, сделанное из чугуна, само по себе не может создавать поле, так как температура такова, что разрушает магнитный порядок. Температурный порог для этого известен как температура Кюри. Следовательно, большая масса намагниченного материала не может быть причиной возникновения поля.

Отбросив эту гипотезу, мы должны искать происхождение поля в другом явлении: вращении Земли. Это заставляет расплавленный сердечник вращаться неравномерно, создавая динамо-эффект, при котором жидкость самопроизвольно генерирует магнитное поле.

Считается, что динамо-эффект является причиной магнетизма астрономических объектов, например, Солнца. Но до сих пор неизвестно, почему жидкость может вести себя таким образом и как создаваемые электрические токи удерживаются.

характеристики

- Магнитное поле Земли является результатом трех вкладов: самого внутреннего поля, внешнего магнитного поля и магнитных минералов в коре:

1. Внутреннее поле: похоже на магнитный диполь (магнит), расположенный в центре Земли, и его вклад составляет около 90%. Он очень медленно меняется во времени.
2. Внешнее поле: происходит от солнечной активности в слоях атмосферы. Он не похож на диполь и имеет множество вариаций: дневные, годовые, магнитные бури и многое другое.
3. Магнитные породы в земной коре, которые также создают свое собственное поле.

- Магнитное поле поляризовано и представляет северный и южный полюса, как стержневой магнит.

- Поскольку противоположные полюса притягиваются друг к другу, стрелка компаса, которая является его северным полюсом, всегда указывает на близость географического севера, где находится южный полюс магнита Земли.

- Направление магнитного поля представлено в виде замкнутых линий, которые покидают магнитный юг (северный полюс магнита) и входят в магнитный север (южный полюс магнита).

- На магнитном севере - а также на магнитном юге - поле перпендикулярно поверхности земли, а на экваторе поле скользит. (см. рисунок 1)

- Напряженность поля на полюсах намного больше, чем на экваторе.

- Ось земного диполя (рисунок 1) и ось вращения не совмещены. Между ними есть смещение на 11,2 °.

Геомагнитные элементы

Поскольку магнитное поле является векторным, декартова система координат XYZ с началом O помогает установить его положение.

Рисунок 2. Геомагнитные элементы. Источник: Ф. Сапата.

Общая напряженность магнитного поля или индукции равна B, а его проекции или составляющие: H по горизонтали и Z по вертикали. Они связаны между собой:

-D, угол магнитного склонения, образованный между H и географическим севером (ось X), положительный на восток и отрицательный на запад.

-I, угол магнитного наклона между B и H, положительный, если B ниже горизонтали.

Стрелка компаса будет ориентирована в направлении H, горизонтальной составляющей поля. Плоскость, определяемая B и H, называется магнитным меридианом, а ZX - географическим меридианом.

Вектор магнитного поля полностью задан, если известны три из следующих величин, которые называются геомагнитными элементами: B , H, D, I, X, Y, Z.

функция

Вот некоторые из наиболее важных функций магнитного поля Земли:

- Люди использовали его, чтобы ориентироваться по компасу в течение сотен лет.

- Выполняет защитную функцию планеты, обволакивая ее и отклоняя заряженные частицы, которые непрерывно испускает Солнце.

-Хотя магнитное поле Земли (30-60 микротесла) слабое по сравнению с лабораторным, оно достаточно сильно, чтобы некоторые животные использовали его для ориентации. Как и перелетные птицы, почтовые голуби, киты и некоторые косяки рыб.

-Магнитометрия или измерение магнитного поля используется для разведки полезных ископаемых.

Северное сияние и юг

Они известны как северное или южное сияние соответственно. Они появляются на широтах около полюсов, где магнитное поле почти перпендикулярно поверхности Земли и намного сильнее, чем на экваторе.

Рисунок 3. Северное сияние на Аляске. Источник: Wikimedia Commons.

Они происходят из большого количества заряженных частиц, которые Солнце постоянно посылает. Те, что захвачены полем, обычно дрейфуют к полюсам из-за более высокой интенсивности. Там они используют это для ионизации атмосферы, и в процессе излучается видимый свет.

Северное сияние видно на Аляске, в Канаде и в Северной Европе из-за близости магнитного полюса. Но из-за миграции этого не исключено, что со временем они станут более заметными к северу России.

Однако на данный момент это не так, поскольку полярные сияния точно не следуют за неустойчивым магнитным севером.

Магнитное склонение и навигация

Для навигации, особенно в очень длительных поездках, чрезвычайно важно знать магнитное склонение, чтобы внести необходимые поправки и найти истинный север.

Это достигается с помощью карт, на которых показаны линии равного склонения (изогональные), поскольку склонение сильно варьируется в зависимости от географического положения. Это связано с тем, что магнитное поле постоянно испытывает локальные изменения.

Большие числа, нарисованные на взлетно-посадочных полосах, - это направления в градусах относительно магнитного севера, разделенные на 10 и округленные.

Северные ребята

Каким бы запутанным это ни казалось, существует несколько типов севера, определяемых некоторыми конкретными критериями. Таким образом, мы можем найти:

Магнитный север - это точка на Земле, где магнитное поле перпендикулярно поверхности. Там компас указывает, и, кстати, он не антиподален (диаметрально противоположен) магнитному югу.

Геомагнитный север - это место, где ось магнитного диполя поднимается к поверхности (см. Рисунок 1). Поскольку магнитное поле Земли немного сложнее, чем поле диполя, эта точка не совсем совпадает с магнитным севером.

Географический север , здесь проходит ось вращения Земли.

К северу от Ламберта или сетки , это точка, где сходятся меридианы карт. Он не совсем совпадает с истинным или географическим севером, поскольку сферическая поверхность Земли искажается при проецировании на плоскость.

Рисунок 4. Различные северные направления и их расположение. Источник: Wikimedia Commons. Cavit

Инверсия магнитного поля

Есть загадочный факт: магнитные полюса могут менять положение в течение нескольких тысяч лет, и это происходит в настоящее время. Фактически, это, как известно, происходило 171 раз раньше, за последние 17 миллионов лет.

Доказательства обнаружены в скалах, выходящих из разлома в центре Атлантического океана. Когда он выходит наружу, скала охлаждается и затвердевает, задавая направление намагниченности Земли на мгновение, которое сохраняется.

Но пока нет ни удовлетворительного объяснения того, почему это происходит, ни источника энергии, необходимого для инвертирования поля.

Как обсуждалось ранее, магнитный север в настоящее время быстро движется в сторону Сибири, а юг также движется, хотя и медленнее.

Некоторые эксперты считают, что это происходит из-за высокоскоростного потока жидкого железа чуть ниже Канады, который ослабляет поле. Это также может быть началом перемагничивания. Последнее, что произошло, произошло 700 000 лет назад.

Может случиться так, что динамо-машина, порождающая магнетизм Земли, отключается на время либо самопроизвольно, либо из-за какого-либо внешнего вмешательства, такого как, например, приближение кометы, хотя свидетельств последнего нет.

При перезапуске динамо-машины полюса магнитов поменялись местами. Но также может случиться так, что инверсия не полная, а временное изменение оси диполя, которая наконец вернется в исходное положение.

эксперимент

Он осуществляется с помощью катушек Гельмгольца: двух одинаковых концентрических круговых катушек, через которые проходит ток одинаковой силы. Магнитное поле катушек взаимодействует с магнитным полем Земли, создавая в результате магнитное поле.

Рис. 5. Эксперимент по определению величины магнитного поля Земли. Источник: Ф. Сапата.

Внутри катушек создается приблизительно однородное магнитное поле, величина которого:

-I - сила тока

-μ _o - магнитная проницаемость вакуума

-R - радиус витков

Обработать

С помощью компаса , помещенного в осевой оси катушки, определяет направление магнитного поля Земли B _T .

-Oriente оси катушки перпендикулярна к B _T . Таким образом, поле В _Н генерируется , как проходит ток, будет перпендикулярна B _T . В таком случае:

Рис. 6. Результирующее поле - это то, что отметит стрелка компаса. Источник: Ф. Сапата.

-B _H пропорционален току, проходящему через катушки, так что B _H = kI, где k - константа, которая зависит от геометрии указанных катушек: радиуса и количества витков. Измерительный ток, может иметь значение B _H . Так что:

Таким образом:

-Различные токи проходят через катушки, и пары (I, tg θ) записываются в таблицу.

-Граф I vs. tg θ. Поскольку зависимость линейная, мы ожидаем получить линию, угол наклона которой m равен:

-Наконец, от прямой - линии соответствуют наименьших квадратов или визуальную корректировку, он приступает к определить значение B _T .

Ссылки

1. Магнитное поле Земли. Получено с: web.ua.es
2. Группа магнитогидродинамики Университета Наварры. Эффект динамо: история. Получено с: fisica.unav.es.
3. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6-е сокращенное издание. Cengage Learning.
4. ГОРШОК. Магнитное поле Земли и его изменения во времени. Получено с: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Северный магнитный полюс Земли движется. Получено с: ngenespanol.com.
6. Scientific American. У Земли более одного северного полюса. Получено с: scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Геомагнитный полюс. Получено с: en.wikipedia.org.