Магнитното поле на земната физика. Теория на магнитното поле на Земята: механизъм на възникване, структура, магнитни бури, обръщане на поляризацията

Работа по физика

Ученик от 10 клас А

Училище №1202

Круглова Егор

Магнитно поле

През 19 век е открита връзката между електричеството и магнетизма и възниква концепцията за магнитно поле. Според съвременните концепции проводниците с ток упражняват сила един върху друг не директно, а чрез заобикалящите ги магнитни полета.

Източници магнитно полесе движат електрически заряди (токове). В пространството около проводниците с ток възниква магнитно поле, точно както електрическо поле възниква в пространство около неподвижни електрически заряди. Магнитното поле на постоянните магнити също се създава от електрически микротокове, циркулиращи вътре в молекулите на веществото (хипотезата на Ампер).

За да се опише магнитното поле, е необходимо да се въведе силова характеристика на полето, която е подобна на вектора на напрегнатостта на електрическото поле. Такава характеристика е векторът на магнитната индукция. Векторът на магнитната индукция определя силите, действащи върху токове или движещи се заряди в магнитно поле.

Положителната посока на вектора се приема като посока от южния полюс S към северния полюс N на магнитната стрелка, която е свободно монтирана в магнитното поле. По този начин, чрез изследване на магнитното поле, създадено от ток или постоянен магнит, с помощта на малка магнитна игла, е възможно във всяка точка на пространството

За да се опише количествено магнитното поле, е необходимо да се посочи метод за определяне не само на посоката на вектора, но и на неговия модул.

Модулът на вектора на магнитната индукция е равен на отношението максимална стойностСилата на Ампер, действаща върху проводник с постоянен ток, спрямо силата на тока азв проводника и неговата дължина Δ л :

Тази зависимост се нарича закон на Ампер.

В системата от единици SI единицата за магнитна индукция е индукцията на такова магнитно поле, при което за всеки метър от дължината на проводника при ток от 1 A, максимална силаЕдин ампер е 1 N. Тази единица се нарича тесла (T).

Тесла е много голяма единица. Магнитното поле на Земята е приблизително равно на 0,5·10–4 T. Голям лабораторен електромагнит може да създаде поле от не повече от 5 T.

Силата на Ампер е насочена перпендикулярно на вектора на магнитната индукция и посоката на тока, протичащ през проводника. За да се определи посоката на силата на Ампер, обикновено се използва правилото на лявата ръка: ако поставите лява ръкатака че линиите на индукция да влизат в дланта, а протегнатите пръсти да са насочени по течението, след това разпределеното палецпоказва посоката на силата, действаща върху проводника.

Правило на лявата ръка и правило на гимлета.

Линии на магнитни индукционни полета постоянен магнити токови бобини

справка

Гаус ( Руско обозначение Gs, международен - G) - единица за измерване на магнитна индукция в системата CGS. Носи името на немския физик и математик Карл Фридрих Гаус.

1 Gs = 100 μT;

1 T = 104 Gs.

Може да се изрази чрез основните единици на системата CGS, както следва: 1 Gs = 1 g 1/2 .cm −1/2 .s −1 .

Опит

източник:учебници по физика по магнетизъм, курс в Бъркли.

Тема: ммагнитни полета в материята.

Цел:разберете как различни веществареагират на магнитно поле.

Представете си някои експерименти с много силно поле. Да предположим, че сме направили соленоид с вътрешен диаметър 10см и 40см дължина.

1. Дизайнът на намотката създава силно магнитно поле. показано напречно сечениенамотка, през която тече охлаждащата вода. 2. Кривата на големината на полето B 2 върху оста на намотката.

Външният му диаметър е 40 см и повечето отпространството е изпълнено с медна намотка. Такава намотка ще осигури постоянно поле от 30 000 gsв центъра, ако донесете 400 до него kWток и вода за около 120 лна минута за разсейване на топлината.

Тези конкретни данни са дадени, за да покажат, че въпреки че инструментът не е нищо необичайно, той все още е доста уважаван лабораторен магнит.

Силата на полето в центъра на магнита е около 105 пъти по-голяма от магнитното поле на Земята и вероятно 5 или 10 пъти по-силно полеблизо до всеки магнитен железен прът или подковообразен магнит!

Близо до центъра на соленоида полето е сравнително равномерно и намалява с около половината по оста близо до краищата на намотката.

заключения

И така, както показват експериментите, в такива магнити величината на полето (т.е. индукцията или интензитета) както вътре в магнита, така и извън него е почти пет порядъка по-голяма от величината на полето на Земята.

Освен това само два пъти - не "на моменти!" - по-малък е извън магнита.

И в същото време 5-10 пъти по-голяма от силата на обикновен постоянен магнит.

Средната сила на полето на земята на повърхността е около 0,5 Oe (5,10 -5 T)

Въпреки това, вече на няколкостотин метра (ако не и десетки) от такъв магнит, магнитната стрелка на компаса не реагира нито на включване, нито на изключване на тока.

В същото време той реагира добре на полето на земята или нейните аномалии при най-малката промяна в позицията. Какво пише?

На първо място, за очевидно подценената цифра на индукцията на земното магнитно поле - тоест не самата индукция, а как я измерваме.

Измерваме реакцията на контура с ток, ъгъла на неговото въртене в земното магнитно поле.

Всеки магнитометър е изграден на принципа на измерване не директно, а индиректно:

Само от естеството на промяната в стойността на напрежението;

Само на повърхността на земята, близо до нея в атмосферата и в близкия космос.

Не знаем източника на полето с конкретен максимум. Измерваме само разликата в силата на полето в различни точкии градиентът на интензитета не се променя твърде много с височината. Без математика с максимална дефиниция при използване класически подходне работи тук.

Влиянието на магнитното поле - опити

Известно е, че дори силните магнитни полета практически нямат ефект върху химикала и биохимични процеси. Можете да поставите ръката си (без часовник!) в соленоида с поле 30 kgfбез забележими ефекти. Трудно е да се каже към кой клас вещества принадлежи ръката ви - парамагнитни или диамагнитни, но силата, действаща върху нея, във всеки случай ще бъде не повече от няколко грама. Цели поколения мишки са били развъждани и отглеждани в силни магнитни полета, които не са имали забележим ефект върху тях. Други биологични експерименти също не разкриват никакви забележителни магнитни ефекти върху биологичните процеси.

Важно е да запомните!

Би било погрешно да се приеме, че слабите ефекти винаги преминават без последствия. Подобно разсъждение може да доведе до заключението, че гравитацията няма енергийно значение в молекулярен мащаб, но въпреки това дърветата на хълма растат вертикално. Обяснението очевидно се крие в общата сила, действаща върху биологичен обект, чиито размери са много по-големи от размерите на молекулата. Наистина, подобен феномен ("тропизъм") е експериментално демонстриран в случай на разсад, растящ в присъствието на много нееднородно магнитно поле.

Между другото, ако поставите главата си в силно магнитно поле и я разклатите, ще "вкусите" електролитен ток в устата си, което е доказателство за наличието на индуцирана електродвижеща сила.

При взаимодействие с материята ролята на магнитните и електрическите полета е различна. Тъй като атомите и молекулите са изградени от бавно движещи се електрически заряди, електрически силив молекулярните процеси доминират над магнитните.

заключения

Въздействието на магнитното поле на такъв магнит върху биологични обекти не е нищо повече от ухапване от комар. Всякакви създаниеили растението е постоянно под влияние земен магнетизъммного по-мощен.

Следователно ефектът от неправилно измерено поле не се забелязва.

Изчисления

1 гаус = 1 10 -4 тесла.

Единица за напрежение геомагнитно поле(T) в системата C е ампер на метър (A/m). В магнитното изследване се използва и друга единица Ерстед (E) или гама (G), равна на 10 -5 Oe, но практически измереният параметър на магнитното поле е магнитната индукция (или плътността на магнитния поток). Единицата за магнитна индукция в системата C е тесла (T). При магнитното изследване се използва по-малка единица нанотесла (nT), равна на 10 -9 T. Тъй като за повечето среди, в които се изследва магнитното поле (въздух, вода, по-голямата част от немагнитните седиментни скали), тогава количествено магнитното поле на Земята може да се измери или в единици магнитна индукция (в nT), или в съответната напрегнатост на полето - гама.

Фигурата показва общия интензитет на магнитното поле на Земята за епохата от 1980 г. Изолиниите T са начертани през 4 μT (от книгата на П. Шарма "Геофизични методи в регионалната геология").

По този начин

На полюсите вертикалните компоненти на магнитната индукция са приблизително равни на 60 μT, а хоризонталните компоненти са нула. На екватора хоризонталният компонент е приблизително 30 µT, а вертикалният компонент е нула.

По този начин съвременната наука за геомагнетизма отдавна е изоставила основния принцип на магнетизма, два магнита, поставени плоски един срещу друг, са склонни да се свързват с противоположни полюси.

Тоест, съдейки по последната фраза на екватора, няма сила (вертикален компонент), която да привлича магнит към земята! Колко отблъскващо!

Привличат ли се тези два магнита? Тоест няма сила на привличане, но има сила на разтягане? Глупости!

Но на полюсите с това разположение на магнита е така, но хоризонталната сила изчезва.

Освен това разликата между тези компоненти е само 2 пъти!

Просто вземаме два магнита и се уверяваме, че в подобна позиция магнитът първо се разгъва и след това привлича. ЮЖЕН ПОЛЮС към СЕВЕРЕН ПОЛЮС!

Тези глобални модели са като Международно геомагнитно аналитично поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) и Световен магнитен модел (WMM)- създават се от различни международни геофизични организации, като на всеки 5 години се одобряват и публикуват актуализирани набори от коефициенти на Гаус, които определят всички данни за състоянието на геомагнитното поле и неговите параметри. И така, според модела WMM2015, северният геомагнитен полюс (всъщност е Южен полюсмагнит) има координати 80,37 ° с.ш. ш. и 72,62° з.д D., южен геомагнитен полюс - 80,37 ° S. ширина, 107.38° E и т.н., наклонът на оста на дипола спрямо оста на въртене на Земята е 9,63°.

Полета на световните аномалии

истински силови линииМагнитното поле на Земята, макар и средно близо до диполните силови линии, се различава от тях по локални неравности, свързани с наличието на намагнетизирани скали в кората, разположени близо до повърхността. Поради това на някои места земната повърхностпараметрите на полето са много различни от стойностите в близките области, образувайки така наречените магнитни аномалии. Те могат да се припокриват едно с друго, ако магнетизираните тела, които ги причиняват, лежат на различни дълбочини.

Наличието на магнитни полета в разширени локални области на външните обвивки води до факта, че истински магнитни полюси- точки (или по-скоро малки области), в които линиите на магнитното поле са абсолютно вертикални - не съвпадат с геомагнитните, докато не лежат на самата повърхност на Земята, а под нея. Координатите на магнитните полюси в един или друг момент също се изчисляват в рамките на различни модели на геомагнитното поле чрез намиране на всички коефициенти в редицата на Гаус по итеративен метод. Така, според настоящия модел на WMM, през 2015 г. северният магнитен полюс е бил на 86° с.ш. ширина, 159° з.д D., а южната - 64 ° S. ширина, 137° E Стойностите на настоящия модел IGRF12 са малко по-различни: 86,3°N. ширина, 160° з.д за северния полюс, 64.3°S ш., 136,6 ° E за юж.

съответно магнитна ос- права, минаваща през магнитните полюси - не минава през центъра на Земята и не е неин диаметър.

Позициите на всички полюси непрекъснато се изместват - геомагнитният полюс прецесира спрямо географския с период от около 1200 години.

Външно магнитно поле

Определя се от източници под формата на токови системи, разположени извън земната повърхност в нейната атмосфера. В горната част на атмосферата (100 km и повече) - йоносферата - нейните молекули се йонизират, образувайки плазма, поради което тази част от магнитосферата на Земята, простираща се на разстояние до три нейни радиуса, се нарича плазмосфера. Плазмата се задържа от магнитното поле на Земята, но нейното състояние се определя от взаимодействието й със слънчевия вятър – плазмения поток на слънчевата корона.

Така на по-голямо разстояние от повърхността на Земята магнитното поле е асиметрично, тъй като се изкривява под действието на Слънчев вятър: от страната на Слънцето се свива и в посока от Слънцето придобива „опашка“, която се простира на стотици хиляди километри, излизайки извън орбитата на Луната. Този вид "опашата" форма възниква, когато плазмата на слънчевия вятър и слънчевите корпускулярни потоци текат около земната повърхност, така да се каже. магнитосфера- районът на околоземното космическо пространство, все още контролиран от магнитното поле на Земята, а не от Слънцето и други междупланетни източници; отделя се от междупланетното пространство магнитопауза, където динамичното налягане на слънчевия вятър се балансира от налягането на собственото му магнитно поле. Подслънчевата точка на магнитосферата е средно на разстояние 10 земни радиуси * R⊕; при слаб слънчев вятър това разстояние достига 15-20 R ⊕, а в периода на магнитни смущения на Земята магнитопаузата може да излезе извън геостационарната орбита (6,6 R ⊕). Удължената опашка откъм нощната страна е около 40 R⊕ в диаметър и над 900 R⊕ дължина; започвайки от разстояние около 8 R ⊕, той е разделен на части от плосък неутрален слой, в който индукцията на полето е близка до нула.

Геомагнитното поле, поради специфичната конфигурация на индукционните линии, създава магнитен капан за заредени частици - протони и електрони. Той улавя и задържа огромен брой от тях, така че магнитосферата е един вид резервоар на заредени частици. Общата им маса, според различни оценки, варира от 1 кг до 10 кг. Те образуват т.нар радиационен поясобхващайки земята от всички страни, с изключение на полярни региони. Условно се разделя на две - вътрешна и външна. Долната граница на вътрешния пояс се намира на надморска височина от около 500 км, дебелината му е няколко хиляди километра. Външният пояс се намира на надморска височина от 10-15 хиляди км. Частиците на радиационния пояс под действието на силата на Лоренц изпълняват комплекс периодични движенияот северното полукълбо към южното и обратно, докато бавно се движи около Земята по азимут. В зависимост от енергията, която произвеждат пълен оборотоколо Земята за период от няколко минути до ден.

Магнитосферата не позволява потоци към земята космически частици. Но в опашката му, на големи разстояния от Земята, силата на геомагнитното поле, а оттам и неговите защитни свойства, отслабват и някои частици от слънчевата плазма получават възможност да попаднат в магнитосферата и магнитните капани на радиацията. колани. По този начин опашката служи като място за образуване на потоци от утаяващи се частици, които причиняват полярни сияния и аврорални потоци. В полярните райони част от слънчевия плазмен поток нахлува в горните слоеве на атмосферата от радиационния пояс на Земята и, сблъсквайки се с молекулите на кислорода и азота, ги възбужда или йонизира, а по време на обратния преход към невъзбудено състояние кислородните атоми излъчват фотони с λ = 0,56 μm и λ = 0,63 μm, докато йонизираните азотни молекули по време на рекомбинация подчертават сините и виолетовите ленти на спектъра. В същото време се наблюдават полярни сияния, особено динамични и ярки по време на магнитни бури. Те възникват при смущения в магнитосферата, причинени от увеличаване на плътността и скоростта на слънчевия вятър с повишена слънчева активност.

Опции на полето

Визуално представяне на положението на линиите на магнитната индукция на земното поле се дава от магнитна стрелка, фиксирана по такъв начин, че да може свободно да се върти както около вертикалната, така и около хоризонталната ос (например в кардан) - във всяка точка близо до повърхността на Земята се монтира по определен начин по тези линии.

Тъй като магнитният и географският полюс не съвпадат, магнитната стрелка показва посоката север-юг само приблизително. Вертикалната равнина, в която е монтирана магнитната стрелка, се нарича равнината на магнитния меридиан на даденото място, а линията, по която тази равнина се пресича с повърхността на Земята, се нарича магнитен меридиан. По този начин магнитните меридиани са проекции на линиите на магнитното поле на Земята върху нейната повърхност, събиращи се в северния и южния магнитни полюси. Ъгълът между посоките на магнитния и географския меридиан се нарича магнитна деклинация. Тя може да бъде западна (често обозначена със знака „-“) или източна (обозначена със знака „+“), в зависимост от това дали северният полюс на магнитната стрелка се отклонява на запад или на изток от вертикалната равнина на географския меридиан. .

Освен това линиите на магнитното поле на Земята, най-общо казано, не са успоредни на нейната повърхност. Това означава, че магнитната индукция на земното поле не лежи в равнината на хоризонта на дадено място, а образува определен ъгъл с тази равнина – т.нар. магнитен наклон. Близо е до нула само в точки магнитен екватор- обиколката на голям кръг в равнина, която е перпендикулярна на магнитната ос.

Магнитната деклинация и магнитната инклинация определят посоката на магнитната индукция на земното поле във всяко конкретно място. И числената стойност на това количество може да се намери, като се знае наклона и една от проекциите на вектора на магнитната индукция B (\displaystyle \mathbf (B) )- по вертикална или хоризонтална ос (последното е по-удобно на практика). По този начин тези три параметъра са магнитната деклинация, наклонът и модулът на вектора на магнитната индукция B (или вектора на силата на магнитното поле H (\displaystyle \mathbf (H) )) - характеризират напълно геомагнитното поле в дадено местоположение. Техните прецизни познания за макс Голям бройточки на Земята е изключително важно. Изготвят се специални магнитни карти, на които изогони(линии с еднаква деклинация) и изоклини(линии с еднакъв наклон), необходими за ориентиране с компас.

Средно интензитетът на магнитното поле на Земята варира от 25 000 до 65 000 nT (0,25 - 0,65 гауса) и силно зависи от географско местоположение. Това съответства на средна сила на полето от около 0,5 (40 /) . На магнитния екватор стойността му е около 0,34, на магнитните полюси е около 0,66 Oe.В някои области ( магнитни аномалии) интензитетът рязко се увеличава: в района на Курската магнитна аномалия достига 2 Oe.

Природата на магнитното поле на Земята

За първи път Дж. Лармор се опитва да обясни съществуването на магнитните полета на Земята и Слънцето през 1919 г., като предлага концепцията за динамо, според която магнитното поле на небесното тяло се поддържа под въздействието на хидродинамично движение на електропроводима среда. Въпреки това през 1934г Т. Каулингдоказа теорема за невъзможността за поддържане на осесиметрично магнитно поле с помощта на хидродинамичен динамо механизъм. И тъй като повечето студенти небесни тела(и още повече Земята) се считат за аксиално симетрични, въз основа на това може да се приеме, че тяхното поле също ще бъде аксиално симетрично и тогава генерирането му по този принцип би било невъзможно според тази теорема. По-късно беше показано, че не всички уравнения с аксиална симетрия, описващи процеса на генериране на магнитно поле, имат аксиално симетрично решение, а през 1950 г. Намерени са асиметрични решения.

Оттогава теорията за динамото е успешно развита и днес най-вероятното обяснение за произхода на магнитното поле на Земята и другите планети е самовъзбуждащ се динамо механизъм, базиран на генерирането електрически токв проводник, докато се движи в магнитно поле, генерирано и усилено от самите тези токове. Необходимите условиясе създават в ядрото на Земята: в течното външно ядро, състоящо се главно от желязо при температура от около 4-6 хиляди келвина, което провежда перфектно тока, се създават конвективни потоци, които отнемат топлината от твърдото вътрешно ядро ​​(генерирано поради до разпадането на радиоактивни елементи или освобождаването на латентна топлина по време на втвърдяването на материята на границата между вътрешното и външното ядро, докато планетата постепенно се охлажда). Кориолисовите сили усукват тези потоци в характерни спирали, образувайки т.нар Тейлър стълбове. Поради триенето на слоевете те придобиват електрически заряд, образувайки контурни токове. По този начин се създава система от токове, която циркулира по проводяща верига в проводници, движещи се в (първоначално присъстващо, макар и много слабо) магнитно поле, като във Фарадеев диск. Създава магнитно поле, което при благоприятна геометрия на потоците усилва първоначалното поле, а това от своя страна усилва тока, като процесът на усилване продължава, докато загубите от джаулова топлина, които нарастват с увеличаване на тока, се балансират енергийните потоци поради хидродинамични движения.

Математически този процес е описан диференциално уравнение

∂ B ∂ t = η ∇ 2 B + ∇ × (u × B) (\displaystyle (\frac (\partial \mathbf (B) )(\partial t))=\eta \mathbf (\nabla ) ^(2 )\mathbf (B) +\mathbf (\nabla ) \times (\mathbf (u) \times \mathbf (B))),

където u- скорост на потока на течността, б- магнитна индукция, η = 1/μσ - магнитен вискозитет, σ е електропроводимостта на течността, а μ е магнитната проницаемост, която практически не се различава за такива висока температураядра от μ 0 - пропускливост на вакуум.

Въпреки това, за пълно описаниее необходимо да се напише системата от магнитохидродинамични уравнения. В приближението на Бусинеск (в рамките на което всички физически характеристикитечностите се приемат за постоянни, с изключение на силата на Архимед, при изчисляването на която се вземат предвид промените в плътността, дължащи се на температурни разлики) е:

• Уравнението на  Навие - Стокс, съдържащо членове, изразяващи комбинираното действие на въртене и магнитно поле:

ρ 0 (∂ u ∂ t + u ⋅ ∇ u) = − ∇ P + ρ 0 ν ∇ 2 u + ρ g ¯ − 2 ρ 0 Ω × u + J × B (\displaystyle \rho _(0)\left ((\frac (\partial \mathbf (u) )(\partial t))+\mathbf (u) \cdot \mathbf (\nabla ) \mathbf (u) \right)=-\nabla \mathbf (P) +\rho _(0)\nu \mathbf (\nabla ) ^(2)\mathbf (u) +\rho (\bar (\mathbf (g) ))-2\rho _(0)\mathbf (\ Омега ) \times \mathbf (u) +\mathbf (J) \times \mathbf (B) ).

• Уравнение топлопроводимост, изразяващо закона запазване енергията:

∂ T ∂ t + u ⋅ ∇ T = κ ∇ 2 T + ϵ (\displaystyle (\frac (\partial T)(\partial t))+\mathbf (u) \cdot \mathbf (\nabla ) T=\ kappa \mathbf (\nabla ) ^(2)T+\epsilon ),

Пробив в това отношение е постигнат през 1995 г. от групи от Япония и САЩ. Започвайки от този момент, резултатите от редица числени симулации задоволително възпроизвеждат качествените характеристики на геомагнитното поле в динамика, включително обръщания.

Промени в магнитното поле на Земята

Това се потвърждава и от сегашното увеличение на ъгъла на отваряне на куспидите (полярни процепи в магнитосферата на север и юг), който достигна 45° до средата на 90-те години. Радиационният материал на слънчевия вятър, междупланетното пространство и космически лъчи, в резултат на което голямо количествоматерия и енергия, което може да доведе до допълнително нагряване полярни шапки [ ] .

Геомагнитни координати (координати McIlvine)

Във физиката на космическите лъчи широко се използват специфични координати в геомагнитното поле, кръстени на учения Карл МакИлуейн ( Карл МакИлуейн), който пръв предложи тяхното използване, тъй като те се основават на инвариантите на движението на частиците в магнитно поле. Точка в диполно поле се характеризира с две координати (L, B), където L е така наречената магнитна обвивка или параметър на McIlwain (англ. L-обвивка, L-стойност, L-параметър на McIlwain), B е индукцията на магнитното поле (обикновено в G). Стойността L обикновено се приема като параметър на магнитната обвивка, равна на отношението на средното разстояние на истинската магнитна обвивка от центъра на Земята в равнината на геомагнитния екватор към радиуса на Земята. .

История на изследванията

Преди няколко хиляди години в Древен Китайизвестно е, че магнетизираните обекти са разположени в определена посока, по-специално иглата на компаса винаги заема определена позиция в пространството. Благодарение на това човечеството отдавна може да използва такава стрелка (компас), за да се ориентира в открито море далеч от брега. Въпреки това, преди пътуването на Колумб от Европа до Америка (1492 г.) специално вниманиеникой не показа подобно явление на изследването, тъй като учените от онова време смятаха, че това се случва в резултат на привличането на стрелата от Полярната звезда. В Европа и заобикалящите я морета компасът по това време е бил инсталиран почти по дължината на географския меридиан. При пресичане Атлантически океанКолумб забеляза, че на половината път между Европа и Америка стрелката на компаса се отклонява почти 12° на запад. Този факт веднага породи съмнения относно правилността на предишната хипотеза за привличането на стрелата от Полярната звезда, даде тласък на сериозно изследване на новата открит феномен: Навигаторите се нуждаеха от информация за магнитното поле на Земята. От този момент започва науката за земния магнетизъм, започват широко разпространени измервания на магнитната деклинация, тоест ъгълът между географския меридиан и оста на магнитната стрелка, тоест магнитния меридиан. През 1544 г. немски учен Георг Хартманоткри нов феномен: магнитната стрелка не само се отклонява от географския меридиан, но, като е окачена от центъра на тежестта, се стреми да застане под определен ъгъл спрямо хоризонталната равнина, наречен магнитен наклон.

От този момент, наред с изследването на феномена на отклонението, учените започват да изучават и наклона на магнитната стрелка. Хосе де Акоста (един от основоположници на геофизиката, според Хумболт) в неговия Истории(1590) за първи път се появява теорията за четирите линии без магнитна деклинация. Той описва използването на компаса, ъгъла на отклонение, разликите между магнитния и северния полюс и флуктуацията на отклоненията от една точка към друга, идентифицира места с нулево отклонение, например на Азорските острови.

В резултат на наблюденията беше установено, че има както деклинация, така и наклон различни значенияв различни точкиземната повърхност. В същото време техните промени от точка до точка се подчиняват на някакъв сложен модел. Нейните изследвания позволиха на придворния лекар на английската кралица Елизабет и натурфилософа Уилям Гилбърт да изложи през 1600 г. в книгата си „За магнита“ („De Magnete“) хипотезата, че Земята е магнит, чиито полюси съвпадат с географски полюси. С други думи, У. Гилбърт вярва, че полето на Земята е подобно на полето на магнетизирана сфера. У. Хилберт базира твърдението си на експеримент с модел на нашата планета, който представлява магнетизирана желязна топка и малка желязна стрела. Основният аргумент в полза на своята хипотеза, Гилбърт смята, че магнитното наклоняване, измерено на такъв модел, се оказва почти същото като наклона, наблюдаван на земната повърхност. Хилберт обяснява несъответствието между земната деклинация и деклинацията към модела с отклоняващото действие на континентите върху магнитната стрелка. Въпреки че много факти, установени по-късно, не съвпадат с хипотезата на Хилберт, тя не е загубила своето значение и до днес. Основната идея на Хилберт, че причината за земния магнетизъм трябва да се търси вътре в Земята, се оказва вярна, както и това, че в първо приближение Земята наистина е голям магнит, който представлява равномерно намагнетизирана топка.

През 1634 г. английски астроном Хенри Гелибранд?!установи, че магнитната деклинация в Лондон се променя с времето. Това беше първото регистрирано доказателство за вековни вариации - редовни (от година на година) промени в средните годишни стойности на компонентите на геомагнитното поле.

Ъглите на деклинация и наклон определят посоката в пространството на интензитета на магнитното поле на Земята, но не могат да дадат числената му стойност. До края на XVIII век. измервания на величината на интензитета не са направени поради това, че не са известни законите на взаимодействие между магнитното поле и намагнитизираните тела. Едва след като през 1785-1789г. Френският физик Шарл Кулон установи закон, кръстен на него, и се появи възможността за такива измервания. От края на 18 век, заедно с наблюдението на деклинацията и наклона, започват широко разпространени наблюдения на хоризонталния компонент, който е проекцията на вектора на силата на магнитното поле върху хоризонталната равнина (познавайки деклинацията и наклона, можете също да изчислите големината на вектора на пълната напрегнатост на магнитното поле).

Първата теоретична работа за това какво представлява магнитното поле на Земята, тоест каква е величината и посоката на интензитета му във всяка точка от земната повърхност, принадлежи на немския математик Карл Гаус. През 1834 г. той дава математически израз за компонентите на напрежението като функция на координатите - географската ширина и дължина на мястото на наблюдение. Използвайки този израз, е възможно да се намерят за всяка точка от земната повърхност стойностите на всеки от компонентите, които се наричат ​​елементи на земния магнетизъм. Това и други произведения на Гаус станаха основата, върху която е изградена сградата на съвременната наука за земния магнетизъм. По-специално, през 1839 г. той доказва, че основната част от магнитното поле излиза от Земята и причината за малки, кратки отклонения в стойностите му трябва да се търси в външна среда.

През 1831 г. английският полярен изследовател Джон Рос открива северния магнитен полюс в Канадския архипелаг - зоната, където магнитната игла заема вертикално положение, тоест наклонът е 90 °. И през 1841 г. Джеймс Рос (племенник на Джон Рос) достига другия магнитен полюс на Земята, разположен в Антарктида.

Вижте също

• Интермагнит (Английски)

Бележки

1. Учени от САЩ установиха, че магнитното поле на Земята е със 700 милиона години по-старо, отколкото се смяташе
2. Едуард Кононович. Магнитно поле на Земята (неопределен) . http://www.krugosvet.ru/. Енциклопедия по света: Универсална научнопопулярна онлайн енциклопедия. Посетен на 26 април 2017 г.
3. Геомагнетизъм Често задавани въпроси(Английски) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html. Национални центрове за информация за околната среда (NCEI). Посетен на 23 април 2017.
4. А. И. Дяченко.Магнитни полюси на Земята. - Москва: Издателство на Московския център за непрекъснато математическо образование, 2003. - 48 с. - ISBN 5-94057-080-1.
5. А. В. Викулин. VII. Геомагнитно поле и електромагнетизъм на Земята// Въведение във физиката на Земята. Урокза геофизични специалности на университетите.. - Издателство на Държавата Камчатка Педагогически университет, 2004. - 240 с. - ISBN 5-7968-0166-X.

Структурата и характеристиките на магнитното поле на Земята

На малко разстояние от повърхността на Земята, около три от нейните радиуси, линиите на магнитното поле имат диполно разположение. Тази област се нарича плазмосфераЗемята.

Докато се отдалечавате от земната повърхност, ефектът на слънчевия вятър се увеличава: от страната на Слънцето геомагнитното поле се компресира, а от противоположната, нощна страна, то се изтегля в дълга "опашка".

плазмосфера

Забележимо влияние върху магнитното поле на земната повърхност оказват теченията в йоносферата. Това е област от горната атмосфера, която се простира от надморска височина от около 100 km и повече. Съдържа голям брой йони. Плазмата се задържа от магнитното поле на Земята, но нейното състояние се определя от взаимодействието на магнитното поле на Земята със слънчевия вятър, което обяснява връзката на магнитните бури на Земята със слънчевите изригвания.

Опции на полето

Точките на Земята, в които напрегнатостта на магнитното поле има вертикална посока, се наричат ​​магнитни полюси. На Земята има две такива точки: северният магнитен полюс и южният магнитен полюс.

Правата, минаваща през магнитните полюси, се нарича земна магнитна ос. Обиколката на голям кръг в равнина, която е перпендикулярна на магнитната ос, се нарича магнитен екватор. Векторът на магнитното поле в точките на магнитния екватор има приблизително хоризонтална посока.

Магнитното поле на Земята се характеризира със смущения, наречени геомагнитни пулсации, дължащи се на възбуждането на хидромагнитни вълни в магнитосферата на Земята; честотният диапазон на вълните се простира от милихерца до един килохерц.

магнитен меридиан

Магнитните меридиани са проекциите на силовите линии на магнитното поле на Земята върху нейната повърхност; сложни криви, събиращи се в северния и южния магнитен полюс на Земята.

Хипотези за природата на магнитното поле на Земята

AT последно времеРазработена е хипотеза, свързваща възникването на магнитното поле на Земята с протичането на токове в течно метално ядро. Смята се, че зоната, в която работи механизмът "магнитно динамо", се намира на разстояние 0,25-0,3 от радиуса на Земята. Подобен механизъм на генериране на поле може да има и на други планети, по-специално в ядрата на Юпитер и Сатурн (според някои предположения те се състоят от течен метален водород).

Промени в магнитното поле на Земята

Това се потвърждава и от сегашното увеличение на ъгъла на отваряне на куспидите (полярни процепи в магнитосферата на север и юг), който достигна 45° до средата на 90-те години. Радиационният материал на слънчевия вятър, междупланетното пространство и космическите лъчи се втурнаха в разширените пролуки, в резултат на което по-голямо количество материя и енергия навлиза в полярните региони, което може да доведе до допълнително нагряване на полярните шапки.

Геомагнитни координати (координати МакИлуейн)

Във физиката на космическите лъчи широко се използват специфични координати в геомагнитното поле, кръстени на учения Карл МакИлуейн ( Карл МакИлуейн), който пръв предложи тяхното използване, тъй като те се основават на инвариантите на движението на частиците в магнитно поле. Точка в диполно поле се характеризира с две координати (L, B), където L е така наречената магнитна обвивка или параметър на McIlwain (англ. L-обвивка, L-стойност, L-параметър на McIlwain ), B е индукцията на магнитното поле (обикновено в G). Стойността L обикновено се приема като параметър на магнитната обвивка, равна на отношението на средното разстояние на истинската магнитна обвивка от центъра на Земята в равнината на геомагнитния екватор към радиуса на Земята. .

История на изследванията

Способността на магнетизираните обекти да се намират в определена посока е била известна на китайците преди няколко хилядолетия.

През 1544 г. немският учен Георг Хартман открива магнитното наклонение. Магнитният наклон е ъгълът, под който стрелката под въздействието на магнитното поле на Земята се отклонява от хоризонталната равнина нагоре или надолу. В полукълбото на север от магнитния екватор (който не съвпада с географския екватор) северният край на стрелката се отклонява надолу, в южната - обратно. На самия магнитен екватор линиите на магнитното поле са успоредни на земната повърхност.

За първи път предположението за наличието на магнитно поле на Земята, което предизвиква подобно поведение на намагнитизираните обекти, е изразено от английски лекари натурфилософът Уилям Гилбърт. Уилям Гилбърт) през 1600 г. в книгата си „За магнита“ („De Magnete“), в която описва експеримент с топка от магнитна руда и малка желязна стрела. Гилбърт стигна до извода, че Земята е голям магнит. Наблюденията на английския астроном Хенри Гелибранд Хенри Гелибранд) показа, че геомагнитното поле не е постоянно, а се променя бавно.

Нарича се ъгълът, под който магнитната стрелка се отклонява от посоката север-юг магнитна деклинация. Христофор Колумб открива, че магнитната деклинация не остава постоянна, а се променя с промяната. географски координати. Откриването на Колумб послужи като тласък за ново изследване на магнитното поле на Земята: моряците се нуждаеха от информация за него. Руският учен М. В. Ломоносов през 1759 г. в доклада „Беседа за висока точност морски път” даде ценни съвети как да увеличим точността на показанията на компаса. За изучаване на земния магнетизъм М. В. Ломоносов препоръчва да се организира мрежа от постоянни пунктове (обсерватории), в които да се правят систематични магнитни наблюдения; такива наблюдения трябва да се извършват широко и в морето. Идеята на Ломоносов за организиране на магнитни обсерватории е реализирана едва 60 години по-късно в Русия.

През 1831 г. английският полярен изследовател Джон Рос открива магнитния полюс в Канадския архипелаг - зоната, където магнитната игла заема вертикално положение, тоест наклонът е 90 °. През 1841 г. Джеймс Рос (племенник на Джон Рос) достига другия магнитен полюс на Земята, разположен в Антарктида.

Карл Гаус (немски) Карл Фридрих Гаус) излага теория за произхода на магнитното поле на Земята и през 1839 г. доказва, че основната му част излиза от Земята и причината за малките, кратки отклонения в стойностите му трябва да се търси във външната среда.

Вижте също

• Интермагнит ( Английски)

Бележки

Литература

• Сивухин Д.В.Общ курс по физика. - Ед. 4-то, стереотипно. - М .: Физматлит; Издателство на МФТИ, 2004. - Т. III. Електричество. - 656 стр. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.
• Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г.Справочник елементарна физика. - М .: Наука, 1976.
• Н. В. КороновскиМагнитното поле на геоложкото минало на Земята. Soros Educational Journal, N5, 1996, p. 56-63

Връзки

Карти на изместването на магнитните полюси на Земята за периода от 1600 г. до 1995 г.

Друга свързана информация

• Обръщанията на магнитното поле в геоложката история на Земята
• Влияние на обръщането на магнитното поле върху климата и еволюцията на живота на Земята

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е "магнитното поле на Земята" в други речници:

На разстояние? 3R= (R= радиус на Земята) съответства приблизително на полето на равномерно магнетизирана топка с напрегнатост на полето? 55 7 A/m (0,70 Oe) при магнитните полюси на Земята и 33,4 A/m (0,42 Oe) при магнитния екватор. На разстояния от 3R, магнитното поле ... ... Голям енциклопедичен речник

пространство наоколо Глобусът, в който се разкрива силата на земния магнетизъм. Магнитното поле на Земята се характеризира с вектор на сила, магнитен наклон и магнитна деклинация. Едуарт. Обяснителен военноморски речник, 2010 ... Морски речник

Според съвременните концепции тя се е формирала преди около 4,5 милиарда години и от този момент нашата планета е заобиколена от магнитно поле. Всичко на Земята, включително хора, животни и растения, е засегнато от него.

Магнитното поле се простира до височина от около 100 000 km (фиг. 1). Той отклонява или улавя частици от слънчевия вятър, които са вредни за всички живи организми. Тези заредени частици се образуват радиационен поясЗемята, а цялата област от околоземното пространство, в която се намират, се нарича магнитосфера(фиг. 2). От страната на Земята, осветена от Слънцето, магнитосферата е ограничена от сферична повърхност с радиус около 10-15 земни радиуса, а от другата страна е издължена като кометна опашка на разстояние до няколко хиляди Земни радиуси, образуващи геомагнитна опашка. Магнитосферата е отделена от междупланетното поле с преходна област.

Магнитните полюси на Земята

Оста на земния магнит е наклонена спрямо оста на въртене на земята с 12°. Намира се на около 400 км от центъра на Земята. Точките, в които тази ос пресича повърхността на планетата, са магнитни полюси.Магнитните полюси на Земята не съвпадат с истинските географски полюси. В момента координатите на магнитните полюси са както следва: север - 77 ° с.ш. и 102° W; южен - (65 ° S и 139 ° E).

Ориз. 1. Структурата на магнитното поле на Земята

Ориз. 2. Структура на магнитосферата

Силовите линии, които преминават от единия магнитен полюс към другия, се наричат магнитни меридиани. Между магнитния и географския меридиан се образува ъгъл, наречен магнитна деклинация. Всяко място на Земята има свой собствен ъгъл на деклинация. В района на Москва ъгълът на деклинация е 7 ° на изток, а в Якутск - около 17 ° на запад. Това означава, че северният край на компаса в Москва се отклонява с T вдясно от географския меридиан, минаващ през Москва, а в Якутск - с 17 ° вляво от съответния меридиан.

Свободно окачена магнитна игла е разположена хоризонтално само на линията на магнитния екватор, който не съвпада с географския. Ако се движите на север от магнитния екватор, тогава северният край на стрелката постепенно ще падне. Ъгълът, образуван от магнитната стрелка и хоризонтална равнина, Наречен магнитен наклон. На северния и южния магнитен полюс магнитното наклонение е най-голямо. Той е равен на 90°. На Северния магнитен полюс свободно окачена магнитна игла ще бъде монтирана вертикално със северния край надолу, а на Южния магнитен полюс южният й край ще се спусне надолу. Така магнитната стрелка показва посоката на линиите на магнитното поле над земната повърхност.

С течение на времето положението на магнитните полюси спрямо земната повърхност се променя.

Магнитният полюс е открит от изследователя Джеймс С. Рос през 1831 г., на стотици километри от сегашното му местоположение. Средно се движи по 15 км годишно. AT последните годинискоростта на движение на магнитните полюси се е увеличила драстично. Например Северният магнитен полюс в момента се движи със скорост около 40 км годишно.

Обръщането на магнитните полюси на Земята се нарича инверсия на магнитното поле.

През цялата геоложка история на нашата планета земното магнитно поле е сменяло полярността си повече от 100 пъти.

Магнитното поле се характеризира с интензитет. На някои места на Земята линиите на магнитното поле се отклоняват от нормалното поле, образувайки аномалии. Например в района на Курската магнитна аномалия (KMA) напрегнатостта на полето е четири пъти по-висока от нормалната.

В магнитното поле на Земята има денонощни промени. Причината за тези промени в магнитното поле на Земята са електрическите токове, протичащи в атмосферата голяма надморска височина. Те се наричат слънчева радиация. Под действието на слънчевия вятър магнитното поле на Земята се изкривява и придобива "опашка" в посока от Слънцето, която се простира на стотици хиляди километри. Основната причина за появата на слънчевия вятър, както вече знаем, са грандиозните изхвърляния на материя от короната на Слънцето. Когато се придвижват към Земята, те се превръщат в магнитни облаци и водят до силни, понякога екстремни смущения на Земята. Особено силни смущения на магнитното поле на Земята - магнитни бури. Някои магнитни бури започват неочаквано и почти едновременно по цялата земя, докато други се развиват постепенно. Те могат да продължат часове или дори дни. Често магнитните бури възникват 1-2 дни след слънчево изригване поради преминаването на Земята през поток от частици, изхвърлени от Слънцето. Въз основа на времето на забавяне скоростта на такъв корпускуларен поток се оценява на няколко милиона km/h.

При силни магнитни бури се нарушава нормалната работа на телеграфа, телефона и радиото.

Магнитните бури често се наблюдават на ширина 66-67° (в зоната на полярното сияние) и възникват едновременно с полярните сияния.

Структурата на магнитното поле на Земята варира в зависимост от географската ширина на района. Пропускливостта на магнитното поле се увеличава към полюсите. Над полярните региони линиите на магнитното поле са повече или по-малко перпендикулярни на земната повърхност и имат фуниевидна конфигурация. Чрез тях част от слънчевия вятър от дневната страна прониква в магнитосферата, а след това в горните слоеве на атмосферата. Частици от опашката на магнитосферата се втурват тук по време на магнитни бури, достигайки границите на горната атмосфера на високи географски ширини на Северна и южните полукълба. Именно тези заредени частици причиняват полярните сияния тук.

И така, магнитните бури и ежедневните промени в магнитното поле се обясняват, както вече разбрахме, със слънчевата радиация. Но коя е основната причина, която създава постоянния магнетизъм на Земята? Теоретично беше възможно да се докаже, че 99% от магнитното поле на Земята се причинява от източници, скрити вътре в планетата. Основното магнитно поле се дължи на източници, разположени в дълбините на Земята. Те могат грубо да се разделят на две групи. Повечето от тях са свързани с процеси в земното ядро, където поради непрекъснатите и закономерни движения на електропроводимото вещество се създава система електрически токове. Другото е свързано с това, че скалите земната кора, като се магнетизират от главната електрическо поле(полето на ядрото), създават собствено магнитно поле, което се добавя към магнитното поле на ядрото.

Освен магнитното поле около Земята съществуват и други полета: а) гравитационно; б) електрически; в) топлинна.

Гравитационно полеЗемята се нарича гравитационно поле. Тя е насочена по отвес, перпендикулярен на повърхността на геоида. Ако Земята имаше елипсоид на въртене и масите бяха равномерно разпределени в него, тогава тя щеше да има нормално гравитационно поле. Разликата между интензитета на реалното гравитационно поле и теоретичното е аномалията на гравитацията. Различно материален състав, плътността на скалите причинява тези аномалии. Но са възможни и други причини. Те могат да се обяснят със следния процес - равновесие на твърдата и относително лека земна кора върху по-тежката горна мантия, където се изравнява налягането на надлежащите слоеве. Тези течения причиняват тектонични деформации, движението на литосферните плочи и по този начин създават макрорелефа на Земята. Гравитацията поддържа атмосферата, хидросферата, хората, животните на Земята. Силата на гравитацията трябва да се вземе предвид при изучаване на процесите в географска обвивка. Терминът " геотропизъм”наричат ​​растежните движения на растителните органи, които под въздействието на силата на гравитацията винаги осигуряват вертикална посока на растеж на първичния корен, перпендикулярна на повърхността на Земята. Гравитационната биология използва растенията като експериментални обекти.

Ако не се вземе предвид гравитацията, е невъзможно да се изчислят първоначалните данни за изстрелване на ракети и Космически кораби, правят гравиметрични изследвания на рудни полезни изкопаеми и накрая е невъзможно по-нататъчно развитиеастрономия, физика и други науки.