ZEMLJINO MAGNETSKO POLJE: PODRIJETLO, KARAKTERISTIKE, FUNKCIJA - FIZIČKA - 2024

U Zemljino magnetsko polje je magnetski efekt koji se vrši na Zemlji i koja se proteže od unutrašnjosti do nekoliko stotina kilometara u prostoru. Vrlo je slična onoj koju proizvodi barnet. Ovu je ideju predložio engleski znanstvenik William Gilbert u 17. stoljeću, koji je također primijetio da nije moguće odvojiti polove magneta.

Na slici 1 prikazane su linije magnetskog polja Zemlje. Uvijek su zatvoreni, prolaze kroz unutrašnjost i nastavljaju s vanjske strane, tvoreći svojevrsnu navlaku.

Slika 1. Zemljino magnetsko polje nalikuje magni bar. Izvor: Wikimedia Commons.

Podrijetlo zemljinog magnetskog polja još uvijek je misterija. Vanjska jezgra zemlje izrađena od lijevanog željeza ne može sama po sebi proizvesti polje, jer je temperatura takva da uništava magnetski red. Temperaturni prag za to poznat je pod nazivom Curie. Stoga je nemoguće da velika masa magnetiziranog materijala nije odgovorna za polje.

Isključivši ovu hipotezu, moramo podrijetlo polja potražiti u drugom fenomenu: rotaciji zemlje. To uzrokuje da se rastaljena jezgra rotira neravnomjerno, stvarajući dinamo efekt, u kojem tekućina spontano stvara magnetsko polje.

Vjeruje se da je dinamov efekt uzrok magnetizma astronomskih objekata, na primjer, Sunca. No do sada nije poznato zašto se fluid može ponašati na taj način i kako proizvedene električne struje uspijevaju ostati.

karakteristike

- Zemljino magnetsko polje rezultat je tri doprinosa: samog unutarnjeg polja, vanjskog magnetskog polja i magnetskog minerala u kore:

1. Unutarnje polje: nalikuje magnetskom dipolu (magnet) smještenom u središtu Zemlje i njegov doprinos je oko 90%. Vremenom varira vrlo sporo.
2. Vanjsko polje: dolazi od solarne aktivnosti u slojevima atmosfere. Ne izgleda poput dipola i ima mnogo varijacija: dnevno, godišnje, magnetske oluje i još mnogo toga.
3. Magnetske stijene u zemljinoj kori, koje također stvaraju vlastito polje.

- Magnetsko polje je polarizirano, predstavljajući sjeverni i južni pol, baš poput magnetskog stuba.

- Kako se suprotni polovi međusobno privlače, igla kompasa, koja je njezin sjeverni pol, uvijek upućuje na blizinu zemljopisnog sjevera, gdje je južni pol Zemljinog magneta.

- Smjer magnetskog polja predstavljen je u obliku zatvorenih linija koje napuštaju magnetski jug (sjeverni pol magneta) i ulaze u magnetski sjever (južni pol magneta).

- Na magnetskom sjeveru i na magnetskom jugu polje je okomito na zemljinu površinu, a na ekvatoru se polje paše. (vidi sliku 1)

- Intenzitet polja je puno veći na polovima nego na ekvatoru.

- os zemaljskog dipola (slika 1) i os rotacije nisu usklađeni. Između njih postoji pomak od 11,2º.

Geomagnetski elementi

Budući da je magnetsko polje vektorsko, kartezijanski koordinatni sustav XYZ s podrijetlom O pomaže uspostaviti svoj položaj.

Slika 2. Geomagnetni elementi. Izvor: F. Zapata.

Ukupni intenzitet magnetskog polja ili indukcije je B, a njegove projekcije ili komponente su: H vodoravno i Z okomito. Povezani su:

-D, kut magnetske deklinacije, formiran između H i geografskog sjevera (osi X), pozitivan prema istoku i negativan prema zapadu.

-I, kut magnetskog nagiba između B i H, pozitivan ako je B ispod horizontale.

Igla kompasa bit će usmjerena u smjeru H, vodoravnoj komponenti polja. Ravnina koja je određena B i H naziva se magnetskim meridijanom, dok je ZX geografski meridijan.

Vektor magnetskog polja u potpunosti je specificiran ako su poznate tri sljedeće količine, koje nazivamo geomagnetskim elementima: B, H, D, I, X, Y, Z.

Funkcija

Ovdje su neke od najvažnijih funkcija Zemljinog magnetskog polja:

-Ljudi su to koristili da se orijentišu kompasom stotinama godina.

-Vježba zaštitnu funkciju planeta, obavijajući ga i odbacujući nabijene čestice koje Sunce neprekidno emitira.

-Iako je Zemljino magnetsko polje (30 - 60 mikro Tesla) slabo u usporedbi s laboratorijskim, ono je dovoljno snažno da ga određene životinje koriste za orijentaciju. Kao i ptice selice, ptice selice, kitovi i neke ribe.

-Magnetometrija ili mjerenje magnetskog polja koristi se za istraživanje mineralnih sirovina.

Sjeverno svjetlo i južno

Poznati su kao sjeverna ili južna svjetlost. Pojavljuju se na geografskim širinama u blizini polova, gdje je magnetsko polje gotovo okomito na Zemljinu površinu i puno je intenzivnije nego na ekvatoru.

Slika 3. Sjeverno svjetlo na Aljasci. Izvor: Wikimedia Commons.

Svoje podrijetlo imaju u velikoj količini nabijenih čestica koje Sunce kontinuirano šalje. Oni koji su zarobljeni poljem uglavnom se kreću prema polovima zbog većeg intenziteta. Tamo ga iskorištavaju za ionizaciju atmosfere te se u tom procesu zrači vidljivo svjetlo.

Sjeverna svjetlost vidljiva je na Aljasci, Kanadi i sjevernoj Europi zbog blizine magnetskog pola. Ali zbog migracije toga, moguće je da s vremenom postanu vidljiviji prema sjeveru Rusije.

Čini se da to zasad nije slučaj, jer aurore ne slijede točno neuredni magnetski sjever.

Magnetska deklinacija i navigacija

Za plovidbu, posebno na vrlo dugim putovanjima, izuzetno je važno poznavati magnetsku deklinaciju, kako bismo napravili potrebnu korekciju i pronašli pravi sjever.

To se postiže mapama koje označavaju linije jednake deklinacije (izogonalne), jer deklinacija uvelike varira u odnosu na zemljopisni položaj. To je zbog činjenice da magnetsko polje kontinuirano doživljava lokalne varijacije.

Veliki brojevi oslikani na pistama su pravci u stupnjevima u odnosu na magnetski sjever, podijeljeni s 10 i zaobljeni.

Momci sa sjevera

Koliko god izgledalo zbunjujuće, postoji nekoliko tipova sjevera, definiranih nekim određenim kriterijima. Dakle, možemo pronaći:

Magnetski sjever je točka na Zemlji u kojoj je magnetsko polje okomito na površinu. Tamo kompas pokazuje, i usput, nije antipodalni (dijametralno suprotno) s magnetskim jugom.

Geomagnetski sjever je mjesto na kojem se os magnetskog dipola diže na površinu (vidi sliku 1). Budući da je Zemljino magnetsko polje malo složenije od dipolnog polja, ta se točka ne podudara baš s magnetskim sjeverom.

Geografski sjever, osi rotacije zemlje prolazi tamo.

Sjeverno od Lamberta ili od mreže, točka je na kojoj se meridijana meridijana prikazuju. Ne podudara se točno s pravim ili zemljopisnim sjeverom, jer je sferna površina Zemlje iskrivljena kad se projicira na ravninu.

Slika 4. Razni sjeverni i njihov položaj. Izvor: Wikimedia Commons. Cavit

Inverzija magnetskog polja

Postoji zagonetna činjenica: magnetski stupovi mogu mijenjati položaj tijekom nekoliko tisuća godina, a to se trenutno događa. Zapravo se zna da se to dogodilo 171 puta prije, u posljednjih 17 milijuna godina.

Dokazi nalaze se u stijenama koje izviru iz pukotina usred Atlantskog oceana. Kako se izlazi, stijena se hladi i učvršćuje, postavljajući za sada smjer magnetizacije Zemlje, koji se čuva.

Ali zasad nema zadovoljavajućeg objašnjenja zašto se to događa, niti postoji izvor energije potreban za invertiranje polja.

Kao što je prethodno raspravljano, magnetski sjever trenutno se brzo kreće prema Sibiru, a jug se također kreće, iako sporije.

Neki stručnjaci vjeruju da je to zbog brzog protoka tekućeg željeza odmah ispod Kanade koji slabi polje. To mogu biti i početci magnetskog preokreta. Posljednje što se dogodilo bilo je prije 700 000 godina.

Može se dogoditi da se dinamo koji uzrokuje magnetizam Zemlje isključuje na neko vrijeme, bilo spontano bilo nekom vanjskom intervencijom, kao što je primjerice pristup komete, iako za to nema dokaza.

Kad se dinamo ponovno pokrene, magnetski stubovi promijenili su mjesta. Ali može se dogoditi i da inverzija nije potpuna, već privremena varijacija osi dipola, koja će se konačno vratiti u prvobitni položaj.

Eksperiment

Izvodi se s Helmholtz zavojnicama: dvije identične i koncentrične kružne zavojnice kroz koje prolazi isti intenzitet struje. Magnetsko polje zavojnica interaktivno je s Zemljinim, stvarajući rezultirajuće magnetsko polje.

Slika 5. Eksperimentirajte za utvrđivanje vrijednosti Zemljinog magnetskog polja. Izvor: F. Zapata.

Unutar zavojnica stvara se približno jednoliko magnetsko polje čija je veličina:

-Ja sam intenzitet struje

-μ _o je magnetska propusnost vakuuma

-R je polumjer zavojnica

Postupak

Šestarom nalazi u aksijalnom osi navojnice, određuje smjer zemaljskog magnetskog polja B _T.

-Oriente osi zavojnice biti okomita na B _T. Tako je polje B _H dobiveni na struja prolazi, biti okomita na B _T. U ovom slučaju:

Slika 6. Rezultirajuće polje je ono što će igla kompasa označiti. Izvor: F. Zapata.

-B _H proporcionalna je struji koja prolazi kroz zavojnice, tako da je B _H = kI, gdje je k konstanta koja ovisi o geometriji navedenih zavojnica: polumjeru i broju okreta. A, dobiva se za mjerenje struje, može imati vrijednost B _H. Tako da:

Tako:

- Različite struje prolaze kroz zavojnice, a parovi (I, tg θ) se bilježe u tablicu.

-Grafikon I vs. tg θ. Budući da je ovisnost linearna, očekujemo da dobijemo pravac čiji je nagib m:

-Finally od ravnog - linija odgovara najmanjih kvadrata ili vizualni podešavanje, polazi se odrediti vrijednost B _T.

Reference

1. Zemljino magnetsko polje. Oporavak s: web.ua.es
2. Magneto-hidrodinamička skupina Sveučilišta u Navarri. Dinamov učinak: povijest. Oporavak od: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6. skraćeno izdanje. Cengage Learning.
4. LONAC. Zemljino magnetsko polje i njegove promjene u vremenu. Oporavak od: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Zemljin magnetski sjeverni pol se kreće. Oporavilo od: ngenespanol.com.
6. Znanstveni američki. Zemlja ima više od jednog sjevernog pola. Oporavak od: scienceamerican.com.
7. Wikipedia. Geomagnetski pol. Oporavilo sa: en.wikipedia.org.