Все о магнитных полях. Что такое магнитное поле Земли? Изменения магнитных свойств материалов

ЗЕМНО́Й МАГНЕТИ́ЗМ

Все о магнитных полях. Что такое магнитное поле Земли? Изменения магнитных свойств материалов

Авторы: А. Е. Левитин

ЗЕМНО́Й МАГНЕТИ́ЗМ (гео­маг­не­тизм), маг­нит­ное по­ле Зем­ли и око­ло­зем­но­го кос­мич. про­стран­ст­ва; раз­дел гео­фи­зи­ки, изу­чаю­щий маг­нит­ное по­ле Зем­ли и свя­зан­ные с ним яв­ле­ния (маг­не­тизм гор­ных по­род, тел­лу­ри­че­ские то­ки, по­ляр­ные сия­ния, то­ки в ио­но­сфе­ре и маг­ни­то­сфе­ре Зем­ли).

О су­ще­ст­во­ва­нии маг­не­тиз­ма бы­ло из­вест­но с глу­бо­кой древ­но­сти. Счи­та­ет­ся, что пер­вый ком­пас поя­вил­ся в Ки­тае (да­та по­яв­ле­ния спор­на). В кон. 15 в. во вре­мя пла­ва­ния Х.

 Ко­лум­ба бы­ло ус­та­нов­ле­но, что скло­не­ние маг­нит­ное раз­лич­но для раз­ных то­чек по­верх­но­сти Зем­ли. Это от­кры­тие по­ло­жи­ло на­ча­ло раз­ви­тию нау­ки о З. м. В 1581 англ. ис­сле­до­ва­тель Р.

 Нор­ман вы­ска­зал пред­по­ло­же­ние о том, что стрел­ку ком­па­са раз­во­ра­чи­ва­ют оп­ре­де­лён­ным об­ра­зом си­лы, ис­точ­ник ко­то­рых на­хо­дит­ся под по­верх­но­стью Зем­ли. Сле­дую­щим зна­ме­на­тель­ным ша­гом ста­ло по­явле­ние в 1600 кни­ги У.

 Гиль­бер­та «О маг­ни­те, маг­нит­ных те­лах и о боль­шом маг­ни­те – Зем­ле», где бы­ло да­но пред­став­ле­ние о при­чи­нах З. м. В 1785 на­ча­лись раз­ра­бот­ки спо­со­ба из­ме­ре­ния на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля, ба­зи­рую­ще­го­ся на ме­то­де вра­щаю­ще­го мо­мен­та, пред­ло­жен­ном Ш.

 Ку­ло­ном. В 1839 К. Гаусс тео­ре­ти­че­ски обос­но­вал ме­тод из­ме­ре­ния го­ри­зон­таль­ной со­став­ляю­щей век­то­ра маг­нит­но­го по­ля пла­не­ты. В нач. 20 в. бы­ла оп­ре­де­ле­на связь ме­ж­ду маг­нит­ным по­лем Зем­ли и её строе­ни­ем.

В ре­зуль­та­те на­блю­де­ний бы­ло ус­та­нов­ле­но, что на­маг­ни­чен­ность зем­но­го ша­ра бо­лее или ме­нее од­но­род­на, а маг­нит­ная ось Зем­ли близ­ка к её оси вра­ще­ния. Не­смот­ря на от­но­си­тель­но боль­шой объ­ём экс­пе­рим. дан­ных и мно­го­числ. тео­ре­тич.

ис­сле­до­ва­ния, во­прос о про­ис­хо­ж­де­нии З. м. окон­ча­тель­но не ре­шён. К нач. 21 в. на­блю­дае­мые свой­ст­ва маг­нит­но­го по­ля Зем­ли ста­ли свя­зы­вать с фи­зич. ме­ха­низ­мом гид­ро­маг­нит­но­го ди­на­мо (см.

Маг­нит­ная гид­ро­ди­на­ми­ка), со­глас­но ко­то­ро­му пер­во­на­чаль­ное маг­нит­ное по­ле, про­ник­шее в яд­ро Зем­ли из меж­пла­нет­но­го про­стран­ст­ва, мо­жет уси­ли­вать­ся и ос­лаб­лять­ся в ре­зуль­та­те дви­же­ния ве­ще­ст­ва в жид­ком яд­ре пла­не­ты.

Для уси­ле­ния по­ля дос­та­точ­но на­ли­чия оп­ре­де­лён­ной асим­мет­рии та­ко­го дви­же­ния.

Про­цесс уси­ле­ния про­дол­жа­ет­ся до тех пор, по­ка рост по­терь на на­грев сре­ды, иду­щий за счёт уве­ли­че­ния си­лы то­ков, не урав­но­ве­сит при­ток энер­гии, по­сту­паю­щей за счёт её гид­ро­ди­на­мич. дви­же­ния. Сход­ный эф­фект на­блю­да­ет­ся при ге­не­ра­ции элек­трич. то­ка и маг­нит­но­го по­ля в ди­на­мо-ма­ши­не с са­мо­воз­бу­ж­де­ни­ем.

Ха­рак­те­ри­сти­кой лю­бо­го маг­нит­но­го по­ля слу­жит век­тор его на­пря­жён­ности $\boldsymbol H$ – ве­ли­чи­на, не за­ви­ся­щая от сре­ды и чис­лен­но рав­ная маг­нит­ной ин­дук­ции в ва­куу­ме. Соб­ст­вен­ное маг­нит­ное по­ле Зем­ли (гео­маг­нит­ное по­ле) яв­ля­ет­ся сум­мой по­лей, соз­дан­ных разл. ис­точ­ни­ка­ми.

При­ня­то счи­тать, что на по­верх­но­сти пла­не­ты маг­нит­ное по­ле $\boldsymbol H_\text{T}$ скла­ды­ва­ет­ся из: по­ля, соз­да­вае­мо­го од­но­род­ной на­маг­ни­чен­но­стью зем­но­го ша­ра (ди­поль­ное по­ле, $\boldsymbol H_\text{0}$); по­ля, свя­зан­но­го с не­од­но­род­но­стью глу­бо­ких сло­ёв зем­но­го ша­ра (по­ле ми­ро­вых ано­ма­лий, $\boldsymbol H_\text{a}$); по­ля, обу­слов­лен­но­го на­маг­ни­чен­но­стью верх­них час­тей зем­ной ко­ры ($\boldsymbol H_\text{к}$); по­ля, вы­зы­вае­мо­го внеш­ни­ми при­чи­на­ми ($\boldsymbol H_\text{в}$); по­ля ва­риа­ций ($δ\boldsymbol H$), так­же свя­зан­ных с ис­точ­ни­ка­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми вне зем­но­го ша­ра: $\boldsymbol H_\text{T} = \boldsymbol H_\text{0} + \boldsymbol H_\text{к} + \boldsymbol H_\text{а} + \boldsymbol H_\text{в} + δ\boldsymbol H$. Сум­ма по­лей $\boldsymbol H_\text{0} + \boldsymbol H_\text{к}$ об­ра­зу­ет глав­ное маг­нит­ное по­ле Зем­ли. Его вклад в по­ле, на­блю­дае­мое на по­верх­но­сти пла­не­ты, со­став­ля­ет бо­лее 95%. Ано­маль­ное по­ле $\boldsymbol H_\text{а}$ (вклад $\boldsymbol H_\text{а}$ в $\boldsymbol H_\text{T}$ ок. 4%) под­раз­де­ля­ет­ся на по­ле ре­гио­наль­но­го ха­рак­те­ра (ре­гио­наль­ная ано­ма­лия), рас­про­стра­няю­щее­ся на боль­шие пло­ща­ди, и по­ле мест­но­го ха­рак­те­ра (ло­каль­ная ано­ма­лия). Сум­му по­лей $\boldsymbol H_\text{0} + \boldsymbol H_\text{к} + \boldsymbol H_\text{в}$ час­то на­зы­ва­ют нор­маль­ным по­лем ($\boldsymbol H_\text{н}$). Т. к. $\boldsymbol H_\text{в}$ ма­ло́ по срав­не­нию с $\boldsymbol H_\text{0}$ и $\boldsymbol H_\text{к}$ (ок. 1% от $\boldsymbol H_\text{T}$), нор­маль­ное по­ле прак­ти­че­ски сов­па­да­ет с гл. маг­нит­ным по­лем. Ре­аль­но на­блю­дае­мое по­ле (за вы­че­том по­ля ва­риа­ций $δ\boldsymbol H$) есть сум­ма нор­маль­но­го и ано­маль­но­го маг­нит­ных по­лей: $\boldsymbol H_\text{T} = \boldsymbol H_\text{н} + \boldsymbol H_\text{а}$. За­да­ча раз­де­ле­ния по­ля на по­верх­но­сти Зем­ли на эти две час­ти яв­ля­ет­ся не­оп­ре­де­лён­ной, т. к. раз­де­ле­ние мож­но про­вес­ти бес­ко­неч­ным чис­лом спо­со­бов. Для од­но­знач­но­сти ре­ше­ния дан­ной за­да­чи не­об­хо­ди­мы све­де­ния об ис­точ­ни­ках ка­ж­дой из со­став­ляю­щих маг­нит­но­го по­ля Зем­ли. К нач. 21 в. ус­та­нов­ле­но, что ис­точ­ни­ка­ми ано­маль­но­го маг­нит­но­го по­ля яв­ля­ют­ся на­маг­ни­чен­ные гор­ные по­ро­ды, за­ле­гаю­щие на глу­би­нах, ма­лых по срав­не­нию с ра­диусом Зем­ли. Ис­точ­ник гл. маг­нит­но­го по­ля на­хо­дит­ся на глу­би­не боль­ше по­ло­ви­ны ра­диу­са Зем­ли. Мно­го­числ. экс­пе­рим. дан­ные по­зво­ля­ют по­стро­ить ма­те­ма­тич. мо­дель маг­нит­но­го по­ля Зем­ли, ос­но­ван­ную на фор­маль­ном изу­че­нии её струк­ту­ры.

Для раз­ло­же­ния век­то­ра $\boldsymbol H_\text{T}$ на со­став­ляю­щие обыч­но ис­поль­зу­ют пря­мо­уголь­ную сис­те­му ко­ор­ди­нат с на­ча­лом в точ­ке из­ме­ре­ния по­ля O (рис.). В этой сис­теме ось Ox ори­ен­ти­ро­ва­на по на­прав­ле­нию гео­гра­фич.

ме­ри­диа­на на се­вер, ось Oy – по на­прав­ле­нию па­рал­ле­ли на вос­ток, ось Oz на­прав­ле­на свер­ху вниз к цен­тру зем­но­го ша­ра.

Про­ек­цию $\boldsymbol H_\text{T}$ на ось Ox на­зы­ва­ют се­вер­ной со­став­ляю­щей по­ля, про­ек­цию на ось Oy – вос­точ­ной со­став­ляю­щей, про­ек­цию на ось Oz – вер­ти­каль­ной со­став­ляю­щей; они обо­зна­ча­ют­ся со­от­вет­ст­вен­но че­рез X, Y, Z.

Про­ек­цию $\boldsymbol H_\text{T}$ на плос­кость xy обо­зна­ча­ют как $\boldsymbol H$ и на­зы­ва­ют го­ри­зон­таль­ной со­став­ляю­щей по­ля. Вер­ти­каль­ная плос­кость, про­хо­дя­щая че­рез век­тор $\boldsymbol H_\text{T}$ и ось Oz, на­зы­ва­ет­ся плос­ко­стью ме­ри­диа­на маг­нит­но­го, а угол ме­ж­ду гео­гра­фич.

и маг­нит­ным ме­ри­диа­на­ми – маг­нит­ным скло­не­ни­ем, обо­зна­чае­мым че­рез D. Ес­ли век­тор $\boldsymbol H$ от­кло­нён от на­прав­ле­ния оси Ox к вос­то­ку, скло­не­ние бу­дет по­ло­жи­тель­ным (вост. скло­не­ние), а ес­ли к за­па­ду – от­ри­ца­тель­ным (зап. скло­не­ние).

Угол ме­ж­ду век­то­ра­ми $\boldsymbol H$ и $\boldsymbol H_\text{T}$ в плос­ко­сти маг­нит­но­го ме­ри­диа­на но­сит на­зва­ние на­кло­не­ния маг­нит­но­го и обо­зна­ча­ет­ся че­рез I. На­кло­не­ние I по­ло­жи­тель­но, ко­гда век­тор $\boldsymbol H_\text{T}$ на­прав­лен вниз от зем­ной по­верх­но­сти, что име­ет ме­сто в Сев.

по­лу­ша­рии Зем­ли, и от­ри­ца­тель­но, ко­гда $\boldsymbol H_\text{T}$ на­прав­лен вверх, т. е. в Юж. по­лу­ша­рии. Скло­не­ние, на­кло­не­ние, го­ри­зон­таль­ная, вер­ти­каль­ная, се­вер­ная, вос­точ­ная со­став­ляю­щие но­сят на­зва­ние эле­мен­тов зем­но­го маг­не­тиз­ма, ко­то­рые мож­но рас­смат­ри­вать как ко­ор­ди­на­ты кон­ца век­то­ра $\boldsymbol H_\text{T}$ в разл. сис­те­мах ко­ор­ди­нат (пря­мо­уголь­ной, ци­лин­д­ри­че­ской и сфе­ри­че­ской).

Ни один из эле­мен­тов З. м. не ос­та­ёт­ся по­сто­ян­ным во вре­ме­ни: их ве­ли­чи­на ме­ня­ет­ся от ча­са к ча­су и от го­да к го­ду. Та­кие из­ме­не­ния по­лу­чи­ли на­зва­ние ва­риа­ций эле­мен­тов З. м. (см. Маг­нит­ные ва­риа­ции). Из­ме­не­ния, про­ис­хо­дя­щие в те­че­ние ко­рот­ко­го про­ме­жут­ка вре­ме­ни (око­ло су­ток), но­сят пе­рио­дич.

ха­рак­тер; их пе­рио­ды, ам­пли­ту­ды и фа­зы чрез­вы­чай­но раз­но­об­раз­ны. Из­ме­не­ния сред­не­го­до­вых зна­че­ний эле­мен­тов но­сят мо­но­тон­ный ха­рак­тер; их пе­рио­дич­ность вы­яв­ля­ет­ся лишь при очень боль­шой дли­тель­но­сти на­блю­де­ний (по­ряд­ка мн. де­сят­ков и со­тен лет).

Мед­лен­ные ва­риа­ции маг­нит­ной ин­дук­ции на­зы­ва­ют­ся ве­ко­вы­ми; их ве­ли­чи­на со­став­ля­ет ок. 10–8 Тл/год. Ве­ко­вые ва­риа­ции эле­мен­тов свя­за­ны с ис­точ­ни­ка­ми по­ля, ле­жа­щи­ми внут­ри зем­но­го ша­ра, и вы­зы­ва­ют­ся те­ми же при­чи­на­ми, что и са­мо маг­нит­ное по­ле Зем­ли. Бы­ст­ро­теч­ные ва­риа­ции пе­рио­дич. ха­рак­те­ра обу­слов­ле­ны элек­трич.

то­ка­ми в око­ло­зем­ной сре­де (см. Ио­но­сфе­ра, Маг­ни­то­сфе­ра) и весь­ма раз­ли­ча­ют­ся по ам­пли­ту­де.

К нач. 21 в. при­ня­то вы­де­лять сле­дую­щие при­чи­ны, вы­зы­ваю­щие З. м. Ис­точ­ник гл. маг­нит­но­го по­ля и его ве­ко­вых ва­риа­ций рас­по­ло­жен в яд­ре пла­не­ты. Ано­маль­ное по­ле обу­слов­ле­но со­во­куп­но­стью ис­точ­ни­ков в тон­ком верх­нем слое, на­зы­вае­мом маг­ни­тоак­тив­ной обо­лоч­кой Зем­ли.

Внеш­нее по­ле свя­за­но с ис­точ­ни­ка­ми в око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве. По­ле внеш­не­го про­ис­хо­ж­де­ния на­зы­ва­ет­ся пе­ре­мен­ным элек­тро­маг­нит­ным по­лем Зем­ли, по­сколь­ку оно яв­ля­ет­ся не толь­ко маг­нит­ным, но и элек­три­че­ским.

Глав­ное и ано­маль­ное по­ля час­то объ­е­ди­ня­ют об­щим ус­лов­ным тер­ми­ном «по­сто­ян­ное гео­маг­нит­ное по­ле».

Осн. ме­тод изу­че­ния гео­маг­нит­но­го по­ля – не­по­сред­ст­вен­ное на­блю­де­ние про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния маг­нит­но­го по­ля и его ва­риа­ций на по­верх­но­сти Зем­ли и в око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве. На­блю­де­ния сво­дят­ся к из­ме­ре­ни­ям эле­мен­тов З. м. в разл.

точ­ках про­стран­ст­ва и но­сят на­зва­ние маг­нит­ных съё­мок. В за­ви­си­мо­сти от мес­та про­ве­де­ния съё­мок их под­раз­де­ля­ют на на­зем­ные, мор­ские (гид­ро­маг­нит­ные), воз­душ­ные (аэро­маг­нит­ные) и спут­ни­ко­вые.

В за­ви­си­мо­сти от раз­ме­ра тер­ри­то­рии, ко­то­рую ох­ва­ты­ва­ют съём­ки, вы­де­ля­ют гло­баль­ные, ре­гио­наль­ные и ло­каль­ные съём­ки.

По из­ме­ряе­мым эле­мен­там съём­ки де­лят­ся на мо­дуль­ные (Т-съём­ки, при ко­то­рых ве­дёт­ся из­ме­ре­ние мо­ду­ля век­то­ра по­ля) и ком­по­нент­ные (из­ме­ря­ет­ся толь­ко од­на или неск. ком­по­нент это­го век­то­ра).

Зем­ное маг­нит­ное по­ле на­хо­дит­ся под воз­дей­ст­ви­ем по­то­ка сол­неч­ной плаз­мы – сол­неч­но­го вет­ра. В ре­зуль­та­те взаи­модей­ст­вия сол­неч­но­го вет­ра с маг­нит­ным по­лем Зем­ли об­ра­зу­ет­ся внеш­няя гра­ни­ца око­ло­зем­но­го маг­нит­но­го по­ля (маг­ни­то­пау­за), ог­ра­ни­чи­ваю­щая зем­ную маг­ни­то­сфе­ру.

Фор­ма маг­ни­то­сфе­ры по­сто­ян­но ме­ня­ет­ся под воз­дей­ст­ви­ем сол­неч­но­го вет­ра, часть энер­гии ко­то­ро­го про­ни­ка­ет внутрь неё и пе­ре­да­ёт­ся то­ко­вым сис­те­мам, су­ще­ст­вую­щим в око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве.

Из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­ля Зем­ли во вре­ме­ни, вы­зван­ные дей­ст­ви­ем этих то­ко­вых сис­тем, на­зы­ва­ют­ся гео­маг­нит­ны­ми ва­риа­ция­ми и раз­ли­ча­ют­ся как по сво­ей дли­тель­но­сти, так и по ло­ка­ли­за­ции. Су­ще­ст­ву­ет мно­же­ст­во разл. ти­пов вре­менны́х ва­риа­ций, ка­ж­дый из ко­то­рых име­ет свою мор­фо­ло­гию.

Под дей­ст­ви­ем сол­неч­но­го вет­ра маг­нит­ное по­ле Зем­ли ис­ка­жа­ет­ся и при­об­ре­та­ет «шлейф» в на­прав­ле­нии от Солн­ца, ко­то­рый про­сти­ра­ет­ся на сот­ни ты­сяч ки­ло­мет­ров, вы­хо­дя за ор­би­ту Лу­ны.

Ди­поль­ный маг­нит­ный мо­мент Зем­ли со­став­ля­ет ок. 8·1022 А·м2 и по­сто­ян­но умень­ша­ет­ся. Ср. ин­дук­ция гео­маг­нит­но­го по­ля на по­верх­но­сти пла­не­ты ок. 5·10–5 Тл. Осн.

маг­нит­ное по­ле Зем­ли (на рас­стоя­нии ме­нее трёх ра­диу­сов Зем­ли от её цен­тра) по фор­ме близ­ко к по­лю эк­ви­ва­лент­но­го маг­нит­но­го ди­по­ля, центр ко­то­ро­го сме­щён от­но­си­тель­но цен­тра Зем­ли при­мер­но на 500 км в на­прав­ле­нии на точ­ку с ко­ор­ди­на­та­ми 18° с. ш. и 147,8° в. д.

Ось это­го ди­по­ля на­кло­не­на к оси вра­ще­ния Зем­ли на 11,5°. На та­кой же угол по­лю­сы гео­маг­нит­ные от­сто­ят от со­от­вет­ст­вую­щих гео­гра­фич. по­лю­сов. При этом юж. гео­маг­нит­ный по­люс на­хо­дит­ся в Сев. по­лу­ша­рии.

Ши­ро­ко­мас­штаб­ные на­блю­де­ния за из­ме­не­ния­ми эле­мен­тов З. м. ве­дут­ся в маг­нит­ных об­сер­ва­то­ри­ях, об­ра­зую­щих ми­ро­вую сеть. Ва­риа­ции гео­маг­нит­но­го по­ля ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся спец. при­бо­ра­ми, дан­ные из­ме­ре­ний об­ра­ба­ты­ва­ют­ся и по­сту­па­ют в ми­ро­вые цен­тры сбо­ра дан­ных.

Для ви­зу­аль­но­го пред­став­ле­ния кар­ти­ны про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния эле­мен­тов З. м. про­во­дит­ся по­строе­ние карт изо­ли­ний, т. е. кри­вых, со­еди­няю­щих на кар­те точ­ки с оди­на­ко­вы­ми зна­че­ния­ми то­го или ино­го эле­мен­та зем­но­го маг­не­тиз­ма (см. кар­ты).

Кри­вые, со­еди­няю­щие точ­ки оди­на­ко­вых магнитных скло­не­ний, на­зы­ва­ют­ся изо­го­на­ми, кри­вые оди­на­ко­вых магнитных на­кло­не­ний – изо­кли­на­ми, оди­на­ко­вых го­ри­зон­таль­ных или вер­ти­каль­ных, се­вер­ных или вос­точ­ных со­став­ляю­щих век­то­ра $\boldsymbol H_\text{T}$ – изо­ди­на­ма­ми со­от­вет­ст­вую­щих со­став­ляю­щих.

Ли­нии рав­ных из­ме­не­ний по­ля при­ня­то на­зы­вать изо­по­ра­ми; ли­нии рав­ных зна­че­ний по­ля (на кар­тах ано­маль­но­го по­ля) – изо­ано­ма­лия­ми.

Ре­зуль­та­ты ис­сле­до­ва­ний З. м. при­ме­ня­ют для изу­че­ния Зем­ли и око­ло­зем­но­го про­ст­ран­ст­ва.

Из­ме­ре­ния ин­тен­сив­но­сти и на­прав­ле­ния на­маг­ни­чен­но­сти гор­ных по­род по­зво­ля­ют су­дить об из­ме­не­нии гео­маг­нит­но­го по­ля во вре­ме­ни, что слу­жит клю­че­вой ин­фор­ма­ци­ей для оп­ре­де­ле­ния их воз­ра­ста и раз­ви­тия тео­рии ли­то­сфер­ных плит.

Дан­ные о гео­маг­нит­ных ва­риа­ци­ях ис­поль­зу­ют­ся при маг­нит­ной раз­вед­ке по­лез­ных ис­ко­пае­мых. В око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве на рас­стоя­нии ты­ся­чи и бо­лее ки­ло­мет­ров от по­верх­но­сти Зем­ли её маг­нит­ное по­ле от­кло­ня­ет кос­ми­че­ские лу­чи, за­щи­щая всё жи­вое на пла­не­те от жё­ст­кой ра­диа­ции.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/2382020

Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли

Все о магнитных полях. Что такое магнитное поле Земли? Изменения магнитных свойств материалов

Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!

Магнитное поле

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

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).
Магнитный поток

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 полушарии сместился 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.

А чтобы Вы могли это делать, существуют наши авторы, которым можно с уверенностью в успехе поручить часть учебных хлопот! Курсовая работа международное и национальное право и другие типы работ вы можете заказать по ссылке.

Источник: https://Zaochnik.ru/blog/teoriya-magnitnogo-polya-i-interesnye-fakty-o-magnitnom-pole-zemli/

Что такое магнитное поле: источники магнитных полей

Все о магнитных полях. Что такое магнитное поле Земли? Изменения магнитных свойств материалов

В данной статье вы узнаете что такое магнитное поле, как его измерить, а так же поговорим про источники магнитных полей и подробно рассмотрим закон Био-Савара-Лапласа.

Определение магнитного поля

Магнитное поле связано с понятием магнитной силы. Знание магнитного поля вокруг объекта (а также внутри него) позволяет нам определить величину силы, действующей на движущийся заряд или магнит, помещенный в его окружение.

Большинство из вас точно знают о магнетизме и знают, что два намагниченных объекта взаимодействуют друг с другом.

 Мы знаем, что когда мы объединяем два магнита, в зависимости от их взаимного расположения, я могу притягивать (когда противоположные полюса находятся близко друг к другу) или отталкивать (когда одинаковые полюса близко друг к другу).

 Зная поле от одного магнита и положение другого, вы можете точно рассчитать эту силу. Магнитное поле чаще всего представлено графически одним из двух способов:

  1. Магнитное поле, с математической точки зрения, является векторным полем . Это означает, что каждой точке пространства назначен вектор, который мы можем проиллюстрировать стрелкой с правильным направлением и длиной. Направление говорит нам, как бы подходила стрелка магнита, расположенная в данной точке, тогда как длина пропорциональна величине силы, которая будет действовать на находящийся там объект. Желая «увидеть» магнитное поле, мы могли бы просто положить множество крошечных компасов вокруг исследуемого магнита и наблюдать за расположением их стрелок. Тем не менее, мы должны помнить, что это не даст нам информацию о значении поля (насколько оно сильное), а только о его направлении.

2. Другой способ проиллюстрировать магнитное поле — это использовать силовые линии . Вместо того, чтобы рисовать много маленьких стрелок, в этом случае мы используем непрерывные линии. Насколько плотно мы их рисуем, зависит от нас.

Линии поля характеризуются следующими свойствами:

  • Магнитные силовые линии никогда не пересекаются.
  • Плотность линий поля больше в областях, где поле сильнее. Таким образом, на основе чертежа вы можете узнать значение поля (насколько оно сильное) в данной точке.
  • Линии поля не заканчиваются и не начинаются в любой точке; они всегда образуют замкнутые петли, которые проходят через материал, являющийся источником поля.
  • Чтобы полностью проиллюстрировать магнитное поле, необходимо указать возврат, в котором вектор поля направлен в данную точку. Обычно это делается путем рисования стрелок на линиях стрелок. Однако есть еще один метод, который использует понятие полюсов. По историческим причинам область, из которой «выходят» силовые линии, называется Северным полюсом (N), а та, в которую они «входят» — Южным полюсом (S). В этом правиле линии всегда направлены с севера на юг. Буквы «N» и «S» обычно располагаются по краям магнита, но это всего лишь вопрос принятия — на самом деле ничто не отличает эти крайние точки.
  • Линии поля на самом деле легко показать. Обычно это делается с помощью железных опилок, разбросанных по поверхности (например, по листу бумаги) вокруг магнита. Каждый кусок металла ведет себя как маленький магнит с северным и южным полюсами (и, следовательно, также как магнитная стрелка). Опилки спонтанно удаляются друг от друга, потому что, будучи намагниченными, они отталкивают друг друга. В конечном итоге они образуют узор, представляющий магнитное поле (конечно, конечный эффект немного отличается, в зависимости от того, как распалась стружка, а также от их формы, массы и магнитных свойств).

Как измерить магнитное поле

В связи с тем, что магнитное поле является векторным полем, для того, чтобы полностью его описать, вам нужны как его интенсивность, так и направление. Направление поля относительно легко определить. Просто используйте компас — его стрелка установится в направлении магнитного поля Земли.

 Магнитные компасы известны и используются в навигации (с использованием магнитного поля Земли) с 11-го века. Измерение значений поля немного сложнее. Первые магнитометры появились только в 19 веке. Большинство из них были основаны на наблюдении за поведением электрона, помещенного в магнитное поле.

Точные измерения слабых магнитных полей стали возможными только в 1988 году с открытием явления гигантского магнитосопротивления, которое наблюдалось в некоторых материалах со слоистой структурой. Это явление быстро нашло применение при конструировании жестких дисков, на которых сохраняются данные с компьютеров.

 Результат был значительным — емкость дисков увеличилась на целые порядки всего за несколько лет с момента появления новой технологии (примерно с 0,01 до 10 GB / см2 ).

Если вы хотите описать магнитное поле количественно (то есть, скажем, насколько оно сильное), мы должны указать, говорим ли мы о магнитной индукции В или о напряженности магнитного поля H. В системе СИ единицей магнитной индукции является тесла (символ T в честь Николы Теслы ).

 Значение магнитной индукции в теслах определяется величиной силы, которая будет влиять на нагрузку, движущуюся в исследуемом поле. Значение индукции магнитного поля, создаваемой средними магнитами на холодильник, составляет ~ 0,001 Т и магнитная индукция земного поля  5 * 10–5  Т.

 Другая, иногда используемая, единица — Гаусс (символ G). Преобразование единицы очень просто: 1 T = 104 G. На практике Гаусс часто используется, потому что поле магнитной индукции, равное 1 тесле, уже очень велико, и мы редко имеем дело с этим порядком величины.

Альтернатива магнитной индукции В величина напряженности магнитного поля H. Оба, как векторы, направлены вдоль силовых линий, принимая другие значения внутри магнитных материалов. В некоторых сложных случаях величина H это полезно, но для наших целей B будет вполне достаточно.

Источники магнитных полей

Перейдем теперь к принципам, описывающим метод формирования магнитного поля в окрестности движущихся электрических зарядов и токов.

 Самая основная зависимость — это закон, описывающий величину и направление магнитного поля, создаваемого движущимся точечным зарядом.

 Этот закон будет использован позже для получения закона Био — Савара — Лапласа, закона Ампера, закона Гаусса для магнитного поля и создает полезную альтернативную формулировку взаимосвязи между магнитными полями и их источниками.

Экспериментально показано, что значение B снова пропорционально q и 1/r2.

 Однако направление вектора B НЕ находится на прямой линии между точечным источником и точкой поля.

 С другой стороны, он перпендикулярен плоскости, определяемой этой прямой и скорости заряда v. Кроме того, значение поля пропорционально синусу угла между этими двумя направлениями

Мы можем записать эту зависимость более компактным способом, используя произведение вектора v на единичный вектор. Мы получаем здесь окончательное выражение в поле B в виде

μ0 — магнитная проницаемость вакуума, которая имеет значение

Когда мы изменяем угол наблюдения поля B на фиксированном расстоянии R от движущегося заряда, тогда изменения могут быть представлены как в анимации:

Поверхности с одинаковым значением и направлением поля B вокруг движущейся нагрузки могут быть представлены в виде системы коаксиальных оболочек

Конечно, не имеет значения, перемещается ли нагрузка относительно наблюдателя или наблюдатель относительно нагрузки. Простое объяснение вышесказанного:

Наэлектризованный кот создает магнитное поле B, когда он проходит мимо вас, а также когда вы проходите мимо спящего кота.

Поверхности с постоянным значением B могут быть представлены более ярко, как показано на анимации ниже

В конце мы можем записать выражение для магнитной силы F, действующей между двумя нагрузками, точка движется относительно наблюдателя от скорости V и V’. Поскольку сила F будет силой Лоренца, в которой поле B исходит от движущегося груза, мы можем написать

Таким образом, искомая сила выражается уравнением

где r — расстояние между двумя движущимися грузами.

Магнитное поле проводника с током

В проводнике с током каждый движущийся электрон создает вокруг себя магнитную «оболочечную» систему. Поскольку эти оболочки расположены близко друг к другу, проводник окружен цилиндрическим полем B. Поверхности с постоянным значением B образуют систему, которая больше не требует оболочек, а только коаксиальных цилиндров.

Направления тока I и вектора B, который генерирует этот ток, соответствуют правилу правой руки: большой палец указывает направление тока, а оставшиеся пальцы показывают, как поле B окружает направляющую

Если проводник с током I делится на бесконечно короткие отрезки длиной d 1 , то в каждом из них заряд dq будет двигаться, а на расстоянии r, магнитное поле этого отрезка тока d, B будет

Источник: https://meanders.ru/istochniki-magnitnyh-polej-dvizhushhijsja-zarjad.shtml

Что такое магнитное поле Земли? Зачем оно нужно и как появляется?

Все о магнитных полях. Что такое магнитное поле Земли? Изменения магнитных свойств материалов

Магнитное поле Земли — это гигантское магнитное силовое поле, окружающее всю Землю, которое защищает планету от космического излучения; это магнитосфера Земли.

Магнитное поле Земли также называют геомагнитным полем.

Магнитное поле Земли, рисунок NASA

Это силовое поле можно представить, будто через ядро Земли проходит длинный намагниченный стержень. Северный полюс магнита расположен около географического Северного полюса (Земли), а южный полюс магнита — около Южного полюса.

Их называют геомагнитными полюсами Земли. Но они не находятся прямо у полюсов. Например, северный магнитный полюс отходит от северного географического полюса на 1400 км.

Это силовое поле простирается дальше, в космос на десятки тысяч километров.

https://www.youtube.com/watch?v=HaHhIexlQEk

На данный момент магнитное поле Земли ослабевает со скоростью в 5% каждые 100 лет.

Значимость магнитного поля

Учёные уверены, что магнитное поле Земли играет важную роль в том, чтобы наша планета была пригодной для жизни. Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена.

Как появляется магнитное поле Земли

До конца ещё неизвестно правда это или нет, но учёные считают, что магнитное поле генерируется глубоко в ядре Земли.

По словам учёных, прямо в центре Земли есть твёрдое внутреннее ядро, которое состоит в основном из железа. Это железо имеет температуру в 5700° С, но сокрушительное давление (вызванное силой тяжести) не даёт ему превратиться в жидкость.

Вокруг него находится внешнее ядро — слой железа, никеля и других металлов. У него более низкое давление, чем у внутреннего ядра, т. е. металл здесь жидкий.

Существуют различия между этими двумя слоями (в температуре, давлении, составе). Таким образом, во внешнем ядре происходят конвекционные токи (перемещение электрических зарядов) в жидком металле. Тёплое и обладающее меньшей плотностью вещество поднимается, и наоборот — более холодное и плотное погружается вниз.

Потом заряженные металлы проходят через созданные поля и продолжают создавать уже собственные электрические токи, и этот бесконечный цикл продолжается. Этот цикл называется геодинамо.

Из чего состоит магнитное поле Земли

Геомагнитное поле состоит из:

  • главного геомагнитного поля (производится во внешнем ядре Земли);
  • аномального геомагнитного поля (производится намагниченными горными породами);
  • внешнего геомагнитного поля (производится взаимодействиями между Солнцем и Землёй).

Виды магнитных полей Земли

Магнитное поле Земли делится на четыре вида:

  • дипольное поле;
  • поле материковых аномалий;
  • поле региональных аномалий;
  • поле локальных аномалий.

Как магнитное поле измеряется?

Измерения магнитного поля Земли наблюдаются в магнитных обсерваториях. Для измерения поля в магнитных обсерваториях используются различные магнитометры.

Магнитометр Fluxgate, созданный в рамках проекта Аполлон — Национальный музей природы и науки в Токио, Япония

Магнитные съёмки можно сделать по-разному: на суше, на воде, по воздуху или спутником.

Магнитное поле Земли в Гауссах

Индукция магнитного поля Земли составляет примерно 0,5 Гаусса (эта величина варьируется от 0,3 до 0,6 Гс).

Магнитное поле Земли в Теслах

Величина магнитного поля Земли колеблется между 0,00003 – 0,00005 тесла (на широте 0° будет приблизительно 0,00003 Тл, а на широте 50° — 0,00005 Тл).

Изменение полярности

По данным NASA, магнитное поле Земли изменило свою полярность уже несколько раз за последние тысячелетия.

Например, если бы мы жили 800 000 лет назад и, с магнитным компасом, направлялись бы на то, что мы сейчас называем севером, стрелка бы указывала на юг. Таким образом, они заявляют, что даже если магнитное поле Земли (опять) изменит свою полярность, никакого конца света от этого не произойдёт.

Они заявляют, что это изменение полярности является даже правилом, а не исключением: за последние три миллиарда лет они менялись сотни раз.

Изменения позиции магнитного полюса

Учёные уже давно выяснили, что магнитный полюс находится в постоянном движении.

В 1831 году британские исследователи Джон Росс и Джеймс Кларк Росс обнаружили координаты Северного магнитного полюса.

Капитан Джон Росс, около 1830 г.

В 1904 году норвежский исследователь Руаль Амундсен снова нашёл полюс и понял, что тот сдвинулся за эти 73 года на 50 км.

И это движение полюса не остановилось: он двигался со средней скоростью 10 км/год. Однако недавно, как заявляют учёные, он начал ускоряться, иногда достигая 40 км/год.

Таким образом, они считают, что уже через несколько десятилетий он оставит Северную Америку и достигнет Сибири.

Ещё меняются и показания компаса. Например, в Африке они отклоняются на 1 градус каждые 10 лет.

Магнитное поле ослабевает

Сравнительно с 19-м веком оно стало слабее на 10%. Однако профессор Калифорнийского университета Гари Глатцмайер уверяет, что это довольно незначительные изменения, в сравнении с тем, что происходило с магнитным полем ранее.

Источник: https://www.uznaychtotakoe.ru/magnitnoe-pole-zemli/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.