ZEMES MAGNĒTISKAIS LAUKS: IZCELSME, RAKSTURLIELUMI, FUNKCIJA - FIZISKĀ - 2025

Par Zemes magnētiskais lauks ir magnētiskā iedarbība, ka Zemes acīs, un kas stiepjas no tās interjeru simtiem kilometru kosmosā. Tas ir ļoti līdzīgs tam, ko rada stieņa magnēts. Šo ideju 17. gadsimtā ieteica angļu zinātnieks Viljams Gilberts, kurš arī novēroja, ka magnēta polus nav iespējams atdalīt.

1. attēlā parādītas Zemes magnētiskā lauka līnijas. Tie vienmēr ir aizvērti, iet cauri interjeram un turpina ārpusi, veidojot sava veida segumu.

Zemes magnētiskais lauks atgādina stieņa magnētu. Avots: Wikimedia Commons.

Zemes magnētiskā lauka izcelsme joprojām ir noslēpums. Zemes ārējais kodols, kas izgatavots no čuguna, pats par sevi nevar radīt lauku, jo temperatūra ir tāda, ka tā iznīcina magnētisko kārtību. Temperatūras slieksnis ir pazīstams kā Curie temperatūra. Tāpēc liela daļa magnetizēta materiāla nevar būt atbildīgs par lauku.

Izslēdzot šo hipotēzi, mums jāmeklē lauka izcelsme citā parādībā: zemes rotācijā. Tas izraisa izkusušā serdeņa griešanos nevienmērīgi, radot dinamo efektu, kurā šķidrums spontāni rada magnētisko lauku.

Tiek uzskatīts, ka dinamo efekts izraisa astronomisko objektu, piemēram, Saules, magnētismu. Bet līdz šim nav zināms, kāpēc šķidrums spēj izturēties šādā veidā un kā radītajām elektriskajām strāvām izdodas noturēties.

raksturojums

- Zemes magnētiskais lauks ir trīs ieguldījumu rezultāts: pats iekšējais lauks, ārējais magnētiskais lauks un garozā esošo magnētisko minerālu laukums:

1. Iekšējais lauks: tas atgādina magnētiskā dipola (magnēta), kas atrodas Zemes centrā, un tā ieguldījums ir aptuveni 90%. Laika gaitā tas mainās ļoti lēni.
2. Ārējais lauks: rodas no saules aktivitātes atmosfēras slāņos. Tas neizskatās pēc dipola, un tam ir daudz variāciju: katru dienu, gadu, magnētiskās vētras un daudz ko citu.
3. Zemes garozā esošie magnētiskie ieži, kas arī rada savu lauku.

- Magnētiskais lauks ir polarizēts, parādot ziemeļu un dienvidu polus, tāpat kā stieņa magnēts.

- Tā kā pretējie stabi piesaista viens otru, kompasa adata, kas ir tā ziemeļpols, vienmēr norāda uz ģeogrāfiskā ziemeļu apkārtni, kur atrodas Zemes magnēta dienvidu pole.

- Magnētiskā lauka virzienu attēlo slēgtu līniju veidā, kas iziet no magnētiskās dienvidu puses (magnēta ziemeļpola) un nonāk magnētiskā ziemeļa virzienā (magnēta dienvidu pole).

- Magnētiskajos ziemeļos un arī magnētiskajos dienvidos lauks ir perpendikulārs zemes virsmai, savukārt pie ekvatora lauks ganās. (skatīt 1. attēlu)

- Lauka intensitāte ir daudz lielāka pie poliem nekā pie ekvatora.

- Zemes dipola ass (1. attēls) un rotācijas ass nav izlīdzinātas. Starp tiem ir 11,2º pārvietojums.

Ģeomagnētiskie elementi

Tā kā magnētiskais lauks ir vektors, tā stāvokli nosaka Dekarta koordinātu sistēma XYZ ar sākumu O.

2. attēls. Ģeomagnētiskie elementi. Avots: F. Zapata.

Kopējā magnētiskā lauka vai indukcijas intensitāte ir B, un tā projekcijas vai komponenti ir: H horizontāli un Z vertikāli. Tos saista:

-D, magnētiskās deklinācijas leņķis, kas izveidots starp H un ģeogrāfiskajiem ziemeļiem (X asi), pozitīvi austrumu virzienā un negatīvi rietumu virzienā.

-I, magnētiskā slīpuma leņķis starp B un H, pozitīvs, ja B atrodas zem horizontāles.

Kompasa adata būs vērsta lauka H horizontālā komponenta virzienā. Plakni, ko nosaka B un H, sauc par magnētisko meridiānu, bet ZX - par ģeogrāfisko meridiānu.

Magnētiskā lauka vektors ir pilnībā noteikts, ja ir zināmi trīs no šiem lielumiem, kurus sauc par ģeomagnētiskajiem elementiem: B , H, D, I, X, Y, Z.

Funkcija

Šeit ir dažas no svarīgākajām Zemes magnētiskā lauka funkcijām:

-Cilvēki to izmanto simtiem gadu, lai orientētos pēc kompasa.

-Izpilda planētas aizsargfunkciju, apņemot to un novirzot lādētās daļiņas, kuras nepārtraukti izstaro Saule.

-Lai gan Zemes magnētiskais lauks (30 - 60 mikro Tesla) ir vājš, salīdzinot ar laboratorijā esošajiem, tas ir pietiekami stiprs, ka daži dzīvnieki to izmanto, lai orientētos. Tā dara arī gājputni, tuvojošie baloži, vaļi un dažas zivju skolas.

- Derīgo izrakteņu meklēšanai tiek izmantota magnētiskā vai magnētiskā lauka mērīšana.

Ziemeļblāzma un dienvidu

Tie ir attiecīgi zināmi kā ziemeļblāzma vai dienvidu gaisma. Tie parādās platuma grādos pie poliem, kur magnētiskais lauks ir gandrīz perpendikulārs Zemes virsmai un daudz intensīvāks nekā pie ekvatora.

3. attēls. Ziemeļblāzma Aļaskā. Avots: Wikimedia Commons.

Viņu izcelsme ir lielais lādēto daļiņu daudzums, ko Saule nepārtraukti sūta. Tie, kurus ieslodzījis lauks, lielākas intensitātes dēļ parasti dreifē pret poliem. Tur viņi to izmanto, lai jonizētu atmosfēru, un procesa laikā tiek izstarota redzama gaisma.

Ziemeļblāzmas magnētiskā pola tuvuma dēļ ir redzamas Aļaskā, Kanādā un Ziemeļeiropā. Bet šīs migrācijas dēļ ir iespējams, ka laika gaitā tie kļūst redzamāki Krievijas ziemeļu virzienā.

Šķiet, ka šobrīd tas tā nav, jo auroras precīzi neseko neparastiem magnētiskiem ziemeļiem.

Magnētiskā deklinācija un navigācija

Navigācijai, īpaši ļoti tālos ceļojumos, ir ārkārtīgi svarīgi zināt magnētisko deklināciju, lai veiktu nepieciešamo korekciju un atrastu īsto ziemeļu daļu.

To panāk, izmantojot kartes, kas norāda vienādās (izogonālās) deklinācijas līnijas, jo deklinācija ievērojami atšķiras atkarībā no ģeogrāfiskā atrašanās vietas. Tas ir saistīts ar faktu, ka magnētiskais lauks nepārtraukti piedzīvo lokālas variācijas.

Lielais skaits, kas krāsots uz skrejceļiem, ir virzieni grādos attiecībā pret magnētisko ziemeļu daļu, dalīti ar 10 un noapaļoti.

Ziemeļu puiši

Lai cik mulsinoši varētu šķist, ir vairāki ziemeļu veidi, kurus nosaka daži īpaši kritēriji. Tādējādi mēs varam atrast:

Magnētiskais ziemeļdaļa ir punkts uz Zemes, kur magnētiskais lauks ir perpendikulārs virsmai. Tur kompass norāda, un, starp citu, tas nav antipodāls (diametrāli pretējs) ar magnētiskajiem dienvidiem.

Ģeomagnētiskais ziemeļdaļa ir vieta, kur magnētiskā dipola ass paceļas pret virsmu (sk. 1. attēlu). Tā kā Zemes magnētiskais lauks ir nedaudz sarežģītāks nekā dipola lauks, šis punkts precīzi nesakrīt ar magnētisko ziemeļu pusi.

Ģeogrāfiski uz ziemeļiem zemes rotācijas ass iet caur to.

Uz ziemeļiem no Lamberta vai režģa ir punkts, kurā karšu meridiāni saplūst. Tas precīzi nesakrīt ar patieso vai ģeogrāfisko ziemeļu daļu, jo, projicējot uz plaknes, Zemes sfēriskā virsma tiek izkropļota.

4. attēls. Dažādie ziemeļi un to atrašanās vieta. Avots: Wikimedia Commons. Kavīts

Magnētiskā lauka inversija

Pastāv mulsinošs fakts: magnētiskie stabi var mainīt pozīciju dažu tūkstošu gadu laikā, un tas šobrīd notiek. Faktiski ir zināms, ka tas ir noticis 171 reizes iepriekš, pēdējo 17 miljonu gadu laikā.

Pierādījumi ir atrodami klintīs, kas rodas no plaisa Atlantijas okeāna vidū. Iznākot, klints atdziest un sacietē, uz brīdi nosakot Zemes magnetizācijas virzienu, kas tiek saglabāts.

Bet līdz šim nav pietiekama paskaidrojuma, kāpēc tas notiek, kā arī nav enerģijas avota, kas nepieciešams lauka apgriezšanai.

Kā iepriekš tika apspriests, magnētiskais ziemeļu virziens šobrīd strauji virzās uz Sibīriju, un arī dienvidi virzās, kaut arī lēnāk.

Daži eksperti uzskata, ka tas ir saistīts ar liela ātruma šķidrā dzelzs plūsmu tieši zem Kanādas, kas vājina lauku. Tas var būt arī magnētiskās atpakaļgaitas sākums. Pēdējais, kas notika pirms 700 000 gadiem.

Var būt, ka dinamika, kas izraisa Zemes magnētismu, uz laiku izslēdzas vai nu spontāni, vai ar kādas ārējas iejaukšanās palīdzību, piemēram, tuvojoties komētai, kaut arī par pēdējo nav pierādījumu.

Kad dinamo restartējas, magnētiskie stabi ir mainījušies. Bet var arī gadīties, ka inversija nav pilnīga, bet gan īslaicīga dipola ass variācija, kas beidzot atgriezīsies sākotnējā stāvoklī.

Eksperiments

To veic ar Helmholtz spirālēm: divām identiskām un koncentriskām apaļām spirālēm, caur kurām iziet tāda pati strāvas intensitāte. Spoļu magnētiskais lauks mijiedarbojas ar Zemes, radot iegūto magnētisko lauku.

5. attēls. Eksperiments Zemes magnētiskā lauka vērtības noteikšanai. Avots: F. Zapata.

Spoļu iekšpusē tiek izveidots aptuveni vienmērīgs magnētiskais lauks, kura stiprums ir:

-I ir strāvas intensitāte

-μ _o ir vakuuma magnētiskā caurlaidība

-R ir spoļu rādiuss

Process

Ar kompasu, kas novietots uz spoles ass, nosakiet zemes magnētiskā lauka B _T virzienu .

-Oriente asi ruļļos perpendikulāra B _T . Tādējādi lauks B _H radīts kā strāva tiek nodots, būs perpendikulāra B _T . Šajā gadījumā:

6. attēls. Iegūtais lauks ir tas, ko iezīmēs kompasa adata. Avots: F. Zapata.

-B _H ir proporcionāls strāvai, kas iziet cauri spolēm, tā, ka B _H = kI, kur k ir konstante, kas ir atkarīga no minēto spoļu ģeometrijas: rādiusa un pagriezienu skaita. A mērīšanas strāvai var būt B _H vērtība . Tātad:

Tādējādi:

- Caur spirālēm tiek izvadītas dažādas strāvas, un pārus (I, tg θ) reģistrē tabulā.

-Grafs I vs. tg θ. Tā kā atkarība ir lineāra, mēs domājam iegūt līniju, kuras slīpums m ir:

-Finally, no taisni - līnija atbilstu mazāko kvadrātu vai vizuālo korekciju, tā ieņēmumi, lai noteiktu vērtību B _T .

Atsauces

1. Zemes magnētiskais lauks. Atgūts no: web.ua.es
2. Navarras Universitātes Magnetohidrodinamikas grupa. Dinamo efekts: vēsture. Atgūts no: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6. saīsināts izdevums. Cengage mācīšanās.
4. POT. Zemes magnētiskais lauks un tā izmaiņas laikā. Atgūts no: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Zemes magnētiskais ziemeļpols pārvietojas. Atgūts no: ngenespanol.com.
6. Zinātniskais amerikānis. Zemei ir vairāk nekā viens ziemeļpols. Atgūts no: Scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Ģeomagnētiskais pols. Atgūts no: en.wikipedia.org.