Магнитное поле Земли. Зачем нужно магнитное поле планетам
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Магнитное поле Земли. Зачем нужно магнитное поле планетам»
Почти все слышали, что наша планета Земля обладает магнитным полем. Это поле окутывает Землю и околоземное пространство.
Пространство, окутанное магнитным полем, называют магнитосферой. Если бы у Земли не было магнитного поля, то люди не смогли бы сделать компас, о котором мы знаем сегодня. Сразу следует отметить, что географические полюса Земли не совпадают с магнитными, поэтому, стрелка компаса указывает лишь приблизительное направление на север.
Более того, в настоящий момент, южный магнитный полюс находится ближе к северному географическому полюсу, чем к южному. На самом деле, магнитные полюса Земли со временем смещаются. Но обо всем по порядку.
Начнём с того, что магнитное поле нужно Земле (как и другим планетам), чтобы защищать её от нежелательного космического излучения. В космосе существует великое множество источников радиоактивного излучения, и Солнце — один из таких источников.
Оно постоянно испускает потоки электронов, протонов, ионов гелия и многих других частиц. Попадание этих частиц на Землю в таком количестве вредит живым организмам. Магнитное поле Земли отклоняет эти частицы, и те, подчиняясь магнитным линиям, направляются к полюсам. Поскольку, на полюсах, магнитные линии направлены вертикально вверх, весь поток частиц собирается в верхних слоях атмосферы. Именно тогда мы и видим северные и южные сияния.
Но, вторжение такого количества частиц не может пройти бесследно: это вызывает нагрев атмосферы и изменение силы некоторых электромагнитных полей. Такие явления называют магнитными бурями. Как известно, магнитные бури влияют на погоду и на состояние некоторых людей (например, людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями).
Иногда, на Солнце происходят процессы, которые называются солнечной активностью.
В результате некоторых из них, возникают сильные магнитные поля, которые не могут не оказывать влияние на Землю. Одно из таких явлений — это вспышка на Солнце. При вспышках, скорость частиц, испускаемых Солнцем, значительно возрастает, что приводит к возмущениям магнитосферы Земли. То есть, такие мощные потоки частиц способны внести некоторые изменения в магнитное поле Земли. Именно поэтому, в результате многих вспышек на Солнце, магнитные полюса Земли с годами смещаются.
Магнитные бури часто вызывают неполадки в работе электроприборов (например, помехи в радиоэфире). Теоретически при достаточно мощной вспышке на Солнце, может произойти, так называемая, электромагнитная катастрофа.
Магнитное поле Земли примет на себя удар огромной мощности. Из-за этого, повсеместно возникнут очень сильные токи, которые выведут из строя всю аппаратуру. Вспышка подобной мощности уже была в 1859 году. К счастью, тогда применение электричества только развивалось, поэтому, нанесенный урон был несравним с тем уроном, который может принести такая вспышка в наше время.
И ещё один интересный факт: на Земле существуют так называемые, магнитные аномалии. Это области, в которых магнитная стрелка компаса не показывает на магнитный полюс. Несмотря на это, стрелка постоянно отклонена на один и тот же угол, поэтому, такие аномалии всё же объясняются. Мы уже знаем, что проводник с током действует на магнитную стрелку. Поэтому, логично предположить, что в аномальных областях, где-то внутри земной коры протекает электрический ток, который и влияет на магнитную стрелку. Или же, это могут быть токи в атмосфере, которые по той или иной причине сильнее в данной области, чем в среднем. Например, самой известной в России магнитной аномалией является курская магнитная аномалия. Её площадь составляет около 160 км 2 , а напряженность магнитного поля втрое превышает обычную.
В этой зоне компасы вообще не работают. Ученые связывают эту аномалию с огромными залежами железной руды в этой области. Действительно, опыты подтверждают, что большое скопление различных пород, которые могут намагничиваться, способствуют появлению магнитных аномалий. Но, как говориться — нет худа без добра, теперь люди, намеренно ищут магнитные аномалии, чтобы обнаружить новые месторождения полезных руд. Следует заметить, что хоть люди и много знают о магнетизме, нельзя с уверенностью сказать, что мы полностью изучили магнетизм Земли. Тем не менее, мы ознакомились с основными явлениями, связанными с магнитным полем Земли.
Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли
А что такое магнитное поле? Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем.
Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).
Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!
Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем.
У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).
Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий. Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.
Картина магнитного поля
Характеристики магнитного поля
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.
Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.
Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).
Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.
Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.
Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.
Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).
Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.
Магнитное поле Земли
Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете — Курская и Бразильская магнитные аномалии.
Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.
Магнитное поле земли
Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушариисместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов — в среднем скорость растет на 3 километра в год.
Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.
Магнитное поле Земли
За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.
К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.
Магнитное поле. Земля как огромный компас
Огневой, И. А. Магнитное поле. Земля как огромный компас / И. А. Огневой, Э. М. Нам. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2021. — № 8 (49). — С. 41-44. — URL: https://moluch.ru/young/archive/49/2636/ (дата обращения: 26.08.2023).
В данной статье речь пойдет о магнитном поле планеты Земля. В начале статьи мы расскажем о том, что такое магнитное поле. Далее мы скажем о постоянных магнитах и их свойствах. Затем мы перейдем непосредственно к описанию магнитного поля Земли и его свойств.
Ключевые слова: магнитное поле, магнит, географический полюс, магнитный полюс, планета Земля.
Люди издавна знали о некоторых свойствах магнитов, использовали постоянные магниты, например, в компасах. Однако изучение магнитов и магнитных полей началось после того, как ученые связали между собой электрические и магнитные поля. Исследователи выяснили, что магнитное поле также создается электрическим зарядом и что существует такое явление, как электромагнитное поле.
На данный момент существует большое количество математических моделей, описывающих электромагнитные поля, изучены закономерности, в соответствии с которыми они существуют. Их мы свободно используем в своей работе. И уже на их основе можем создавать и придумывать новые.
Изучение магнитных полей позволяет решить многие задачи, которые стоят перед физикой, а также создать большое количество приборов. Магниты используют в различных электроприборах, например, электродвигателях, различных записывающих приборах, электрических измерительных приборах и т. д. Сильные магнитные поля используются и в МРТ, и в Большом адронном коллайдере.
В нашей статье мы подробно разберем свойства постоянных магнитов, так как нас интересуют магнетические свойства Земли.
Начнем с того, почему постоянный магнит вообще можно назвать магнитом. Дело в том, что постоянный магнит состоит из некоторого количества поворачивающихся «элементарных магнитов», которые собираются в один большой. Однако здесь кроется проблема: не все маленькие магниты, которые собираются вместе, представляют собой большой магнит, то есть имеют сильное магнитное поле. Так, например, железо состоит из множества «элементарных» магнитов, но не всякий кусок железа является магнитом. В чем же проблема? Для того, чтобы маленькие магниты собрались в один большой, они должны быть одинаково ориентированы, направлены. Также важно сказать, что маленькие магниты выстраиваются в одном направлении под воздействием окружающей среды. К примеру, кусочек железа может намагнититься, если будет находиться рядом с другими магнитами, и размагнититься, если попадет в среду без магнитов.
Земля является огромным магнитом, потому что она обладает теми свойствами, которые есть у постоянных магнитов. Этими свойствами являются следующие:
- магниты притягивают железные предметы;
- сила притяжения больше на концах магнита.
Можно провести эксперимент с полосовым, или плоским магнитом. «Если подвесить полосовой магнит за его середину, то он повернется так, что один его конец будет направлен в сторону географического северного полюса Земли, этот конец магнита называют его северным полюсом (обозначили букой N — north), а другой, соответственно, южным (обозначили S — south)» [1] (рис. 1).
Рис. 1. Компас в магнитном поле Земли и стороны света
Именно благодаря тому, что Земля взаимодействует с магнитной стрелкой компаса, и удалось обнаружить ее магнитное поле. Как думают исследователи, Земля производит токи в жидком ядре (рис. 2). Токи в ядре земли генерируются из-за того, что планета вращается, а расплавленный металл проходит через конвекцию. На самом деле, магнитное поле Земли нельзя назвать сильным: его недостаточно для того, чтобы железные предметы притягивались к магнитным полюсам, но, в то же время, его вполне хватает для реакции стрелок компаса.
Рис. 2. Магнитное поле Земли
Необходимо отметить один интересный факт. Дело в том, что географические и магнитные полюса Земли не совпадают. Это происходит из-за того, что притягиваются противоположные полюса. Так северный географический полюс находится вблизи магнитного южного и наоборот (рис. 3).
Рис. 3. Магнитные и географические полюса Земли
Еще один интересный факт состоит в том, что магнитные полюса Земли перемещаются.
В начале XX века ученые считали, что магнитные и географические полюса твердо установлены. Однако в 1903 году путешественник Амундсен обнаружил, что северный магнитный полюс переместился с того места, где он был раньше (по данным Росса). Так ученые поняли, что магнитные полюса сдвигаются. Со времени обнаружения магнитные полюса сдвинулись.
В 1905 году ученые пришли к новому открытию. Французский физик Бернар Брюнес исследовал вулканические породы на юге Франции. Этим массивам было около 750 тыс. лет. Вектор магнитного поля вулканических пород был направлен в противоположном направлении, по сравнению с современными ему данными. Брюнес сделал вывод, что 750 тыс. лет назад направление магнитного поля Земли было совершенно другим. Таким образом, впервые была замечена инверсия магнитного поля Земли.
Постепенно ученые начали находить все больше подтверждений тому, что магнитные поля меняются местами. Мотонори Матуяма, японский исследователь, в 1920-е годы после изучения образцов базальта из Манчжурии и Японии пришел к похожим выводам. По его мнению, с 2,58 млн. до 0,78 млн. лет на планете Земля было другое направление магнитного поля. Переворот, который привел магнитосферу к тому состоянию, в котором она находится сейчас, получил название переворота Брюнеса — Матуямы.
Таким образом, можно сделать вывод, что магнитное поле Земли — это сложный феномен, который требует более подробного изучении.
1. Магнитное поле Земли
Согласно современным представлениям, Земля состоит из ядра, мантии и коры. Кора и мантия являются твердыми оболочками Земли. Ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое).
Земля – одна из планет Солнечной системы, обладающих заметным магнитным полем. Эти свойства Земли исстари используются для определения направления с помощью компаса. Северный конец магнитной стрелки компаса указывает приблизительно на географический север, но не точно. Это объясняется тем, что Земля большой магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, но не совпадает с ним, а смещен приблизительно на 1000 км. Вблизи Южного географического полюса находится северный магнитный полюс (его принято называть Южный геомагнитный полюс, так же как и находящийся вблизи Северного географического полюса южный магнитный полюс называют Северным геомагнитным). Южный геомагнитный полюс смещен относительно Южного географического полюса на 800 км и находится вблизи побережья Антарктиды.
На рис. 1 показаны силовые линии магнитного поля: они выходят из Южного геомагнитного полюса и, охватывая Землю, входят в Северный. Это так называемое главное или дипольное геомагнитное поле. Его конфигурация соответствует тому, как если бы внутри Земли располагался прямой магнит, обращенный северным концом на юг, а южным на север. Расчеты показывают, что такой магнит должен иметь весьма внушительные размеры: около 2000 км в длину и 250 км в диаметре. Этот магнит должен быть повернут на 11,5 ° относительно оси вращения Земли. Точки пересечения оси упомянутого магнита с поверхностью Земли и называются геомагнитными полюсами: Северный геомагнитный вблизи Северного географического, но по магнитным свойствам это южный полюс магнита, Южный геомагнитный вблизи Южного географического, но по магнитным свойствам это северный полюс магнита.
При такой конфигурации магнитного поля (рис. 1) вектор индукции В Т (ин-
декс “ Т ” от слова TERRA-ЗЕМЛЯ) в каждой точке имеет свою ориентацию, будучи направленным по касательной к силовой линии. На полюсах он направлен вертикально, на экваторе горизонтально. В промежуточных точках – под углом к поверхности Земли.
Так как магнитное поле r Земли неоднородно, то меняется не только направление, но и модуль вектора В Т . Он принимает значение от 4 10 -5 Тл на экваторе
5,6 10 -5 Тл на полюсах.
Особенностью магнитного поля Земли является его непостоянство во времени. Результаты палеомагнитных исследований дают наглядную картину изменения геомагнитного поля в различные геологические эпохи. Это возможно благодаря тому, что величина и направление магнитного поля фиксируется ферромагнитными минералами горных пород в виде остаточной намагниченности. Оказалось, что у некоторых горных пород остаточная намагниченность направлена в
сторону, противоположную современному полю, что говорит об обратной полярности геомагнитного поля во время образования этой горной породы. В настоящее время считается доказанным существование инверсий геомагнитного поля, т.е. изменение его полярности.
СГП 11,5 Магнитная ось Земли Ось вращения Земли
N В Т 
В Н