MAGNETICKÉ POLE ZEME: PÔVOD, VLASTNOSTI, FUNKCIA - FYZICKÝ - 2024

Na Zemské magnetické pole je magnetický účinok, že pôsobí Zem a ktorá vyčnieva z jej vnútra až stovky kilometrov vo vesmíre. Je veľmi podobný tomu, ktorý vytvára tyčový magnet. Túto myšlienku navrhol anglický vedec William Gilbert v 17. storočí, ktorý tiež poznamenal, že nie je možné oddeliť póly magnetu.

Obrázok 1 ukazuje zemské magnetické siločiary. Sú vždy zatvorené, prechádzajú interiérom a pokračujú zvonka a vytvárajú druh krytu.

Obrázok 1. Magnetické pole Zeme sa podobá magnetickému poľu. Zdroj: Wikimedia Commons.

Pôvod magnetického poľa Zeme je stále záhadou. Vonkajšie jadro Zeme, vyrobené z liatiny, nemôže samo osebe produkovať pole, pretože teplota je taká, že ničí magnetický poriadok. Prahová hodnota teploty sa nazýva Curieova teplota. Preto nie je možné, aby za pole bolo zodpovedné veľké množstvo magnetizovaného materiálu.

Po vylúčení tejto hypotézy musíme hľadať pôvod poľa v inom fenoméne: rotácii Zeme. To spôsobuje nerovnomerné rotovanie roztaveného jadra, čím sa vytvára dynamo efekt, pri ktorom tekutina spontánne vytvára magnetické pole.

Predpokladá sa, že dynamo efekt je príčinou magnetizmu astronomických objektov, napríklad slnečného žiarenia. Až doteraz však nie je známe, prečo sa tekutina dokáže týmto spôsobom správať a ako zostávajú vyrobené elektrické prúdy.

vlastnosti

- Zemské magnetické pole je výsledkom troch príspevkov: vnútorné pole samotné, vonkajšie magnetické pole a magnetické minerály v kôre:

1. Vnútorné pole: pripomína magnetický dipól (magnet) umiestnený v strede Zeme a jeho príspevok je asi 90%. Čas sa mení veľmi pomaly.
2. Vonkajšie pole: pochádza zo slnečnej aktivity vo vrstvách atmosféry. Nevyzerá to ako dipól a má mnoho variácií: denné, ročné, magnetické búrky a ďalšie.
3. Magnetické horniny v zemskej kôre, ktoré tiež vytvárajú svoje vlastné pole.

- Magnetické pole je polarizované a predstavuje severný a južný pól, presne ako tyčový magnet.

- Keďže protiľahlé póly sa navzájom priťahujú, ihla kompasu, ktorá je jej severným pólom, vždy ukazuje na blízkosť geografického severu, kde je južný pól zemského magnetu.

- Smer magnetického poľa je znázornený vo forme uzavretých čiar, ktoré opúšťajú magnetický juh (severný pól magnetu) a vstupujú na magnetický sever (južný pól magnetu).

- Na magnetickom severe - aj na magnetickom juhu - je pole kolmé na zemský povrch, zatiaľ čo na rovníku je pole pasúce sa. (pozri obrázok 1)

- Intenzita poľa je oveľa väčšia v póloch ako v rovníku.

- Os pozemského dipólu (obrázok 1) a os rotácie nie sú zarovnané. Medzi nimi je výtlak 11,2 °.

Geomagnetické prvky

Pretože magnetické pole je vektorom, karteziánsky súradnicový systém XYZ so začiatkom O pomáha pri určovaní jeho polohy.

Obrázok 2. Geomagnetické prvky. Zdroj: F. Zapata.

Celková intenzita magnetického poľa alebo indukcie je B a jej projekcie alebo komponenty sú: H horizontálne a Z vertikálne. Súvisí s nimi:

- D, uhol magnetického sklonu, tvorený medzi H a geografickým severom (os X), kladný smerom na východ a záporný smerom na západ.

--I, magnetický uhol sklonu medzi B a H, kladný, ak je B pod horizontálou.

Kompasová ihla bude orientovaná v smere H, horizontálnej súčasti poľa. Rovina určená B a H ​​sa nazýva magnetický poludník, zatiaľ čo ZX je geografický poludník.

Vektor magnetického poľa je úplne špecifikovaný, ak sú známe tri z nasledujúcich veličín, ktoré sa nazývajú geomagnetické prvky: B , H, D, I, X, Y, Z.

funkcie

Tu sú niektoré z najdôležitejších funkcií magnetického poľa Zeme:

- Ľudia ho používajú na orientáciu kompasom už stovky rokov.

- Vykonáva ochrannú funkciu planéty tak, že ju obalí a vychýli nabité častice, ktoré Slnko nepretržite vyžaruje.

- Hoci magnetické pole Zeme (30 - 60 mikro Tesla) je v porovnaní s tými v laboratóriu slabé, je dosť silné, že ho niektoré zvieratá používajú na orientáciu. Rovnako aj sťahovavé vtáky, holuby, veľryby a niektoré húfy rýb.

-Magnetometria alebo meranie magnetického poľa sa používa na prieskum nerastných surovín.

Polárne a južné svetlá

Sú známe ako polárne alebo južné svetlá. Vyskytujú sa v zemepisných šírkach blízko pólov, kde magnetické pole je takmer kolmé na zemský povrch a je oveľa intenzívnejšie ako na rovníku.

Obrázok 3. Polárne svetlá na Aljaške. Zdroj: Wikimedia Commons.

Majú svoj pôvod vo veľkom množstve nabitých častíc, ktoré Slnko neustále vysiela. Tie, ktoré sú zachytené poľom, sa obvykle kvôli vyššej intenzite posunú smerom k pólom. Využívajú ju na ionizáciu atmosféry a pri tom sa vyžaruje viditeľné svetlo.

Severné svetlá sú viditeľné na Aljaške, v Kanade a severnej Európe, kvôli blízkosti magnetického pólu. Avšak v dôsledku migrácie je možné, že sa časom stanú viditeľnejšie smerom na sever Ruska.

Zdá sa však, že zatiaľ tomu tak nie je, pretože polárne žiary presne nenasledujú nevyrovnaný magnetický sever.

Magnetická deklinácia a navigácia

Pre navigáciu, najmä na veľmi dlhých cestách, je mimoriadne dôležité poznať magnetickú deklináciu, aby sa vykonala potrebná korekcia a aby sa našiel skutočný sever.

Toto sa dosiahne pomocou máp, ktoré naznačujú čiary rovnomernej deklinácie (izogonálne), pretože deklinácia sa veľmi líši v závislosti od geografickej polohy. Je to spôsobené skutočnosťou, že magnetické pole neustále prežíva lokálne variácie.

Veľké čísla vyfarbené na dráhach sú smery v stupňoch vzhľadom na magnetický sever, delené 10 a zaoblené.

Severný chlapci

Ako sa môže zdať mätúce, existuje niekoľko typov severu, ktoré sú definované určitými konkrétnymi kritériami. Môžeme teda nájsť:

Magnetický sever je bod na Zemi, kde je magnetické pole kolmé na povrch. Tam kompas ukazuje a mimochodom, nie je antipodálny (diametrálne protiľahlý) s magnetickým juhom.

Geomagnetický sever je miesto, kde os magnetického dipólu stúpa k povrchu (pozri obrázok 1). Pretože magnetické pole Zeme je o niečo zložitejšie ako dipólové pole, tento bod sa presne nezhoduje s magnetickým severom.

Zemepisným severom prechádza os rotácie Zeme.

Severne od Lambert alebo od mriežky je bod, v ktorom sa poludníky polôh zbiehajú. To sa presne nezhoduje so skutočným alebo geografickým severom, pretože sférická plocha Zeme je pri premietnutí do roviny zdeformovaná.

Obrázok 4. Rôzne severy a ich umiestnenie. Zdroj: Wikimedia Commons. Cavit

Inverzia magnetického poľa

Je tu zarážajúca skutočnosť: magnetické póly môžu zmeniť pozíciu v priebehu niekoľkých tisíc rokov a v súčasnosti sa to deje. Je známe, že sa to stalo 171 krát skôr, za posledných 17 miliónov rokov.

Dôkaz sa vyskytuje v horninách, ktoré sa objavujú pri prasknutí v strede Atlantického oceánu. Ako to vyjde, hornina sa ochladzuje a spevňuje, nastavuje smer zemskej magnetizácie na okamih, ktorý je zachovaný.

Doteraz však neexistuje uspokojivé vysvetlenie, prečo sa to deje, ani zdroj energie potrebný na prevrátenie poľa.

Ako už bolo uvedené, magnetický sever sa v súčasnosti rýchlo pohybuje smerom k Sibíri a juh sa pohybuje, aj keď pomalšie.

Niektorí odborníci sa domnievajú, že je to kvôli vysokorýchlostnému toku tekutého železa tesne pod Kanadou, čo oslabuje pole. Môže to byť tiež začiatkom magnetického zvratu. Posledná, ktorá sa stala, bola pred 700 000 rokmi.

Môže sa stať, že dynamo, ktoré vedie k zemskému magnetizmu, sa na nejaký čas vypne, a to buď spontánne, alebo v dôsledku nejakého vonkajšieho zásahu, ako je napríklad prístup kométy, aj keď o nej nie je žiadny dôkaz.

Keď sa dynamo reštartuje, magnetické póly zmenili miesto. Môže sa tiež stať, že inverzia nie je úplná, ale dočasná zmena osi dipólu, ktorá sa nakoniec vráti do pôvodnej polohy.

experiment

Vykonáva sa s Helmholtzovými cievkami: dve identické a koncentrické kruhové cievky, ktorými prechádza rovnaká intenzita prúdu. Magnetické pole cievok interaguje s magnetickým poľom Zeme, čo vedie k výslednému magnetickému poľu.

Obrázok 5. Experiment na určenie hodnoty zemského magnetického poľa. Zdroj: F. Zapata.

Vo vnútri cievok sa vytvára približne rovnomerné magnetické pole, ktorého veľkosť je:

-I je intenzita prúdu

-μ _o je magnetická priepustnosť vákua

-R je polomer cievok

proces

S kompasom umiestnené v axiálnej osi cievky, určujú smer zemského magnetického poľa B _T .

-Oriente osi cievok kolmo k B _T . Tak pole B _H generovaný prúd prechádza, bude kolmá na B _T . V tomto prípade:

Obrázok 6. Výsledné pole je to, čo bude kompasová ihla označiť. Zdroj: F. Zapata.

-B _H je úmerný prúdu prechádza cievkami, takže B _H = ki, kde k je konštanta, ktorá závisí na geometrii uvedených cievok: polomeru a počtom závitov. A merací prúd môže mať hodnotu _BH . Takže:

teda:

- Cievkami prechádzajú rôzne prúdy a páry (I, tg θ) sa zaznamenávajú do tabuľky.

- Graf I vs. tg θ. Pretože závislosť je lineárna, očakávame získanie priamky, ktorej sklon m je:

-Finally, z priamej - línie fit najmenších štvorcov alebo vizuálne nastavenie, pokračuje na stanovenie hodnoty B _T .

Referencie

1. Magnetické pole Zeme. Obnovené z: web.ua.es
2. Skupina magnetohydrodynamiky University of Navarra. Dynamo efekt: história. Získané z: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohľad na svet. 6. skrátené vydanie. Cengage Learning.
4. POT. Magnetické pole Zeme a jeho zmeny v čase. Obnovené z: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Magnetický severný pól Zeme sa pohybuje. Obnovené z: ngenespanol.com.
6. Scientific American. Krajina má viac ako jeden severný pól. Získané z: scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Geomagnetický pól. Obnovené z: en.wikipedia.org.