POLE MAGNETYCZNE ZIEMI: POCHODZENIE, CHARAKTERYSTYKA, FUNKCJA - FIZYCZNY - 2025

Przez pole magnetyczne Ziemi jest efekt magnetyczny że jaką wywiera Ziemi i który rozciąga się od jego wnętrza do setek kilometrów w przestrzeni. Jest bardzo podobny do tego wytwarzanego przez magnes sztabkowy. Pomysł ten został zasugerowany przez angielskiego naukowca Williama Gilberta w XVII wieku, który również zauważył, że nie jest możliwe oddzielenie biegunów magnesu.

Rysunek 1 przedstawia linie pola magnetycznego Ziemi. Są zawsze zamknięte, przechodzą przez wnętrze i wychodzą na zewnątrz, tworząc rodzaj osłony.

Rysunek 1. Pole magnetyczne Ziemi przypomina magnes sztabkowy. Źródło: Wikimedia Commons.

Pochodzenie pola magnetycznego Ziemi wciąż pozostaje tajemnicą. Zewnętrzne jądro ziemi, wykonane z żeliwa, nie może samo z siebie wytworzyć pola, ponieważ temperatura jest taka, że ​​niszczy porządek magnetyczny. Próg temperatury dla tego jest znany jako temperatura Curie. Dlatego nie jest możliwe, aby duża masa namagnesowanego materiału była odpowiedzialna za pole.

Wykluczając tę ​​hipotezę, musimy poszukać pochodzenia pola w innym zjawisku: rotacji Ziemi. To powoduje, że stopiony rdzeń obraca się nierównomiernie, tworząc efekt dynama, w którym płyn samorzutnie wytwarza pole magnetyczne.

Uważa się, że efekt dynama jest przyczyną magnetyzmu obiektów astronomicznych, na przykład Słońca. Jednak do tej pory nie wiadomo, dlaczego płyn zachowuje się w ten sposób i jak utrzymują się wytwarzane prądy elektryczne.

cechy

- Ziemskie pole magnetyczne jest wynikiem trzech elementów: samego pola wewnętrznego, zewnętrznego pola magnetycznego i minerałów magnetycznych w skorupie:

1. Pole wewnętrzne: przypomina dipol magnetyczny (magnes) znajdujący się w centrum Ziemi i jego udział wynosi około 90%. Zmienia się bardzo powoli w czasie.
2. Pole zewnętrzne: pochodzi z aktywności słonecznej w warstwach atmosfery. Nie wygląda jak dipol i ma wiele odmian: codzienne, roczne, burze magnetyczne i inne.
3. Skały magnetyczne w skorupie ziemskiej, które również tworzą własne pole.

- Pole magnetyczne jest spolaryzowane, przedstawiając bieguny północne i południowe, podobnie jak magnes sztabkowy.

- Ponieważ przeciwległe bieguny przyciągają się, igła kompasu, będąca jego biegunem północnym, zawsze wskazuje w pobliżu geograficznej północy, gdzie znajduje się południowy biegun magnesu Ziemi.

- Kierunek pola magnetycznego jest przedstawiony w postaci zamkniętych linii, które wychodzą z magnetycznego południa (biegun północny magnesu) i wchodzą w magnetyczną północ (biegun południowy magnesu).

- Na północy magnetycznej - a także na południu magnetycznym - pole jest prostopadłe do powierzchni ziemi, podczas gdy na równiku pole to wypasane. (patrz rysunek 1)

- Natężenie pola jest znacznie większe na biegunach niż na równiku.

- Oś ziemskiego dipola (rysunek 1) i oś obrotu nie są wyrównane. Między nimi występuje przemieszczenie 11,2º.

Elementy geomagnetyczne

Ponieważ pole magnetyczne jest wektorem, kartezjański układ współrzędnych XYZ z początkiem O pomaga ustalić jego położenie.

Rysunek 2. Elementy geomagnetyczne. Źródło: F. Zapata.

Całkowite natężenie pola magnetycznego lub indukcji wynosi B, a jego rzuty lub składowe to: H w poziomie i Z w pionie. Są ze sobą powiązane:

-D, kąt deklinacji magnetycznej, utworzony między H i geograficzną północą (oś X), dodatni na wschodzie i ujemny na zachodzie.

-I, kąt nachylenia magnetycznego między B i H, dodatni, jeśli B jest poniżej poziomu.

Igła kompasu zostanie zorientowana w kierunku H, poziomej składowej pola. Płaszczyzna określona przez B i H nazywana jest południkiem magnetycznym, natomiast ZX jest południkiem geograficznym.

Wektor pola magnetycznego jest w pełni określony, jeśli znane są trzy z następujących wielkości, które nazywane są elementami geomagnetycznymi: B , H, D, I, X, Y, Z.

Funkcjonować

Oto niektóre z najważniejszych funkcji pola magnetycznego Ziemi:

-Ludzie używali go do orientowania się za pomocą kompasu od setek lat.

-Pełnia funkcję ochronną planety, otaczając ją i odbijając naładowane cząstki, które nieustannie emituje Słońce.

-Chociaż ziemskie pole magnetyczne (30 - 60 mikro Tesli) jest słabe w porównaniu z polami w laboratorium, jest na tyle silne, że niektóre zwierzęta używają go do orientacji. Tak samo jak ptaki wędrowne, gołębie pocztowe, wieloryby i niektóre ławice ryb.

-Magnetometria czyli pomiar pola magnetycznego służy do poszukiwania surowców mineralnych.

Zorza polarna i południe

Znane są odpowiednio jako północne lub południowe światła. Pojawiają się na szerokościach geograficznych w pobliżu biegunów, gdzie pole magnetyczne jest prawie prostopadłe do powierzchni Ziemi i znacznie silniejsze niż na równiku.

Rysunek 3. Zorza polarna na Alasce. Źródło: Wikimedia Commons.

Wywodzą się z dużej ilości naładowanych cząstek, które Słońce wysyła w sposób ciągły. Te, które są uwięzione przez pole, zwykle dryfują w kierunku biegunów z powodu większej intensywności. Tam wykorzystują to do jonizacji atmosfery, w wyniku czego emitowane jest światło widzialne.

Zorza polarna jest widoczna na Alasce, w Kanadzie i północnej Europie ze względu na bliskość bieguna magnetycznego. Ale z powodu ich migracji możliwe jest, że z czasem staną się bardziej widoczne na północy Rosji.

Jednak na razie nie wydaje się, aby tak było, ponieważ zorze nie podążają dokładnie za błędną północą magnetyczną.

Deklinacja magnetyczna i nawigacja

W nawigacji, zwłaszcza podczas bardzo długich podróży, niezwykle ważna jest znajomość deklinacji magnetycznej, aby dokonać niezbędnej korekty i znaleźć prawdziwą północ.

Osiąga się to za pomocą map, które wskazują linie równej deklinacji (izogonalnej), ponieważ deklinacja różni się znacznie w zależności od położenia geograficznego. Wynika to z faktu, że pole magnetyczne nieustannie doświadcza lokalnych zmian.

Wielkie liczby namalowane na pasach startowych to kierunki w stopniach względem północy magnetycznej, podzielone przez 10 i zaokrąglone.

Faceci z północy

Choć może się to wydawać zagmatwane, istnieje kilka typów północy, określonych przez określone kryteria. W ten sposób możemy znaleźć:

Północ magnetyczna to punkt na Ziemi, w którym pole magnetyczne jest prostopadłe do powierzchni. Tam wskazuje kompas, a przy okazji, nie jest on antypodalny (diametralnie przeciwny) względem magnetycznego południa.

Północ geomagnetyczna to miejsce, w którym oś dipola magnetycznego wznosi się na powierzchnię (patrz rysunek 1). Ponieważ pole magnetyczne Ziemi jest nieco bardziej złożone niż pole dipolowe, punkt ten nie pokrywa się dokładnie z północą magnetyczną.

Geograficzna północ przechodzi przez nią oś obrotu ziemi.

Na północ od Lamberta lub siatki znajduje się punkt, w którym zbiegają się południki map. Nie pokrywa się dokładnie z rzeczywistą lub geograficzną północą, ponieważ sferyczna powierzchnia Ziemi jest zniekształcona podczas rzutowania na płaszczyznę.

Rysunek 4. Różne północy i ich lokalizacja. Źródło: Wikimedia Commons. Cavit

Odwrócenie pola magnetycznego

Jest zagadkowy fakt: bieguny magnetyczne mogą zmieniać położenie w ciągu kilku tysięcy lat i to się obecnie dzieje. W rzeczywistości wiadomo, że wydarzyło się to 171 razy wcześniej, w ciągu ostatnich 17 milionów lat.

Dowody znajdują się w skałach wychodzących ze szczeliny na środku Oceanu Atlantyckiego. Jak się okazuje, skała stygnie i krzepnie, wyznaczając na chwilę kierunek namagnesowania Ziemi, co zostaje zachowane.

Ale jak dotąd nie ma zadowalającego wyjaśnienia, dlaczego tak się dzieje, ani źródła energii potrzebnej do odwrócenia pola.

Jak wspomniano wcześniej, północ magnetyczna zmierza obecnie szybko w kierunku Syberii, a południe również, choć wolniej, porusza się.

Niektórzy eksperci uważają, że jest to spowodowane przepływem ciekłego żelaza z dużą prędkością tuż pod Kanadą, który osłabia pole. Może to być również początek magnetycznego odwrócenia. Ostatni, który miał miejsce, miał miejsce 700 000 lat temu.

Może się zdarzyć, że dynamo, które wywołuje ziemski magnetyzm, wyłącza się na jakiś czas, spontanicznie lub w wyniku jakiejś zewnętrznej interwencji, takiej jak na przykład zbliżająca się kometa, chociaż nie ma na to dowodów.

Kiedy dynamo uruchamia się ponownie, bieguny magnetyczne zamieniają się miejscami. Ale może się również zdarzyć, że inwersja nie jest całkowita, a tymczasowe odchylenie osi dipola, które ostatecznie powróci do pierwotnego położenia.

Eksperyment

Odbywa się to za pomocą cewek Helmholtza: dwóch identycznych i koncentrycznych cewek kołowych, przez które przepływa to samo natężenie prądu. Pole magnetyczne cewek oddziałuje z polem Ziemi, powodując powstanie pola magnetycznego.

Rysunek 5. Eksperyment w celu określenia wartości pola magnetycznego Ziemi. Źródło: F. Zapata.

Wewnątrz cewek wytwarzane jest w przybliżeniu jednolite pole magnetyczne, którego wielkość wynosi:

-Jest natężenie prądu

-μ _o to przenikalność magnetyczna próżni

-R jest promieniem cewek

Proces

W kompas umieszczony w osiowym osi cewki, określają kierunek ziemskiego pola magnetycznego B _T .

-Oriente oś cewki jest prostopadła do B _{, T} . Zatem pole B _H generowany prąd przepływa będą prostopadłe do B _{, T} . W tym przypadku:

Rysunek 6. Wynikowe pole jest tym, co zaznaczy igła kompasu. Źródło: F. Zapata.

-B _H jest proporcjonalne do prądu przepływającego przez cewki, tak że B _H = kI, gdzie k jest stałą zależną od geometrii wspomnianych cewek: promienia i liczby zwojów. Prąd pomiarowy, może mieć wartość B _H . Po to aby:

A zatem:

-Różne prądy są przepuszczane przez cewki, a pary (I, tg θ) są zapisywane w tabeli.

-Wykres I vs. tg θ. Ponieważ zależność jest liniowa, oczekujemy uzyskania prostej, której nachylenie m wynosi:

-Wreszcie od prostej - linia dopasowania najmniejszych kwadratów lub korektę widzenia, to przechodzi do określenia wartości B, _T .

Bibliografia

1. Pole magnetyczne Ziemi. Odzyskany z: web.ua.es
2. Grupa Magneto-hydrodynamiki Uniwersytetu Navarra. Efekt dynama: historia. Odzyskany z: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning.
4. GARNEK. Ziemskie pole magnetyczne i jego zmiany w czasie. Odzyskany z: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Północny biegun magnetyczny Ziemi się porusza. Odzyskany z: ngenespanol.com.
6. Amerykański naukowiec. Ziemia ma więcej niż jeden biegun północny. Odzyskany z: Scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Biegun geomagnetyczny. Odzyskane z: en.wikipedia.org.