JORDENS MAGNETFELT: OPRINDELSE, EGENSKABER, FUNKTION - FYSISK - 2024

Den Jordens magnetfelt er den magnetiske effekt, at Jorden, udøver, og som strækker sig fra dens indre til hundreder af kilometer i rummet. Det ligner meget det, der produceres af en stangmagnet. Denne idé blev foreslået af den engelske forsker William Gilbert i det 17. århundrede, som også observerede, at det ikke er muligt at adskille magnetens poler.

Figur 1 viser jordens magnetfeltlinjer. De er altid lukkede, går gennem det indre og fortsætter på ydersiden og danner en slags dækning.

Figur 1. Jordens magnetiske felt ligner en stangmagnet. Kilde: Wikimedia Commons.

Oprindelsen af ​​Jordens magnetfelt er stadig et mysterium. Jordens ydre kerne, lavet af støbejern, kan ikke i sig selv producere feltet, da temperaturen er sådan, at den ødelægger den magnetiske orden. Temperaturtærsklen for dette er kendt som Curie-temperaturen. Derfor er det umuligt for en stor masse magnetiseret materiale at være ansvarlig for marken.

Når vi har udelukket denne hypotese, må vi kigge efter feltets oprindelse i et andet fænomen: Jordens rotation. Dette får den smeltede kerne til at rotere uensartet og skaber dynamoeffekten, hvor en fluid spontant genererer et magnetfelt.

Det antages, at dynamoeffekten er årsagen til magnetismen hos astronomiske objekter, for eksempel solen. Men indtil nu er det ukendt, hvorfor en væske er i stand til at opføre sig på denne måde, og hvordan de producerede elektriske strømme formår at holde sig.

egenskaber

- Jordens magnetfelt er resultatet af tre bidrag: selve det indre felt, det ydre magnetfelt og magnetiske mineraler i skorpen:

1. Internt felt: det ligner det af en magnetisk dipol (magnet) placeret i Jordens centrum og dens bidrag er omkring 90%. Det varierer meget langsomt i tiden.
2. Eksternt felt: stammer fra solaktivitet i lagene i atmosfæren. Det ligner ikke dipolen og har mange variationer: daglige, årlige, magnetiske storme og mere.
3. De magnetiske klipper i jordskorpen, som også skaber deres eget felt.

- Magnetfeltet er polariseret og præsenterer nord- og sydpoler, ligesom en stangmagnet.

- Da de modsatte poler tiltrækker hinanden, peger kompasnålen, som er dens nordpol, altid på nærheden af ​​det geografiske nord, hvor den sydlige pol af jordens magnet er.

- Magnetfeltets retning er repræsenteret i form af lukkede linjer, der forlader den magnetiske syd (magnetpolens nordpol) og kommer ind i magnetens nord (magnetpostens sydpol).

- Også i det magnetiske nord og i det magnetiske syd- er feltet vinkelret på jordoverfladen, mens marken græs ved ekvator. (se figur 1)

- Markens intensitet er meget større ved polerne end ved ækvator.

- Den jordlige dipols akse (figur 1) og rotationsaksen er ikke på linje. Der er en forskydning på 11,2º mellem dem.

Geomagnetiske elementer

Da magnetfeltet er vektor, hjælper et kartesisk koordinatsystem XYZ med en oprindelses-O til at fastlægge sin position.

Figur 2. Geomagnetiske elementer. Kilde: F. Zapata.

Den totale intensitet af magnetfeltet eller induktionen er B, og dets fremspring eller komponenter er: H vandret og Z lodret. De er beslægtet med:

-D, vinklen på magnetisk deklination, dannet mellem H og geografisk nord (X-akse), positiv mod øst og negativ mod vest.

-Jeg, den magnetiske hældningsvinkel mellem B og H, positiv, hvis B er under vandret.

Kompasnålen vil være orienteret i retning af H, den vandrette komponent af marken. Det plan, der bestemmes af B og H, kaldes den magnetiske meridian, mens ZX er den geografiske meridian.

Magnetfeltvektoren er fuldt specificeret, hvis der kendes tre af følgende mængder, der kaldes geomagnetiske elementer: B, H, D, I, X, Y, Z.

Fungere

Her er nogle af de vigtigste funktioner i jordens magnetfelt:

-Mennesker har brugt det til at orientere sig efter kompas i hundreder af år.

-Udtrykker en beskyttende funktion af planeten ved at omslutte den og aflede de ladede partikler, som Solen kontinuerligt udsender.

Selvom Jordens magnetfelt (30 - 60 mikro Tesla) er svagt sammenlignet med dem på laboratoriet, er det stærk nok, at visse dyr bruger det til at orientere sig. Det gør også trækfugle, homeduer, hvaler og nogle fiskeskoler.

-Magnetometri eller måling af magnetfeltet bruges til efterforskning af mineralressourcer.

Nordlys og sydlige

De er kendt som henholdsvis nord- eller sydlys. De vises på breddegrader nær polerne, hvor magnetfeltet næsten er vinkelret på jordoverfladen og meget mere intens end ved ækvator.

Figur 3. Nordlys i Alaska. Kilde: Wikimedia Commons.

De har deres oprindelse i den store mængde ladede partikler, som Solen sender kontinuerligt. De, der er fanget af marken, kører generelt mod polerne på grund af den højere intensitet. Der drager de fordel af det til at ionisere atmosfæren og i processen udsendes synligt lys.

Nordlys er synlige i Alaska, Canada og Nordeuropa på grund af den magnetiske pols nærhed. Men på grund af migrationen af ​​dette er det muligt, at de med tiden bliver mere synlige mod det nordlige Rusland.

Dette ser ikke ud til at være tilfældet i øjeblikket, da aurorerne ikke nøjagtigt følger det uberegnelige magnetiske nord.

Magnetisk deklination og navigation

Når det gælder navigation, især på meget lange ture, er det ekstremt vigtigt at kende den magnetiske deklination for at foretage den nødvendige korrektion og finde det rigtige nord.

Dette opnås ved hjælp af kort, der angiver linierne med lige deklination (isogonal), da deklinationen varierer meget afhængigt af den geografiske placering. Dette skyldes det faktum, at magnetfeltet kontinuerligt oplever lokale variationer.

Det store antal malet på landingsbanerne er retningerne i grader i forhold til magnetisk nord, divideret med 10 og afrundet.

De nordlige fyre

Så forvirrende som det kan se ud, er der flere typer nord, defineret af nogle særlige kriterier. Således kan vi finde:

Magnetisk nord er det punkt på Jorden, hvor magnetfeltet er vinkelret på overfladen. Der peger kompasset, og forresten er det ikke antipodalt (diametralt modsat) med det magnetiske syd.

Geomagnetisk nord er det sted, hvor den magnetiske dipols akse stiger til overfladen (se figur 1). Da Jordens magnetfelt er lidt mere komplekst end dipolfeltet, falder dette punkt ikke nøjagtigt med magnetisk nord.

Geografisk nord passerer jordens rotationsakse derfra.

Nord for Lambert eller for gitteret er det punkt, hvor kortets meridianer konvergerer. Det falder ikke nøjagtigt sammen med ægte eller geografiske nord, da den sfæriske overflade af Jorden er forvrænget, når den projiceres på et plan.

Figur 4. Forskellige nordområder og deres placering. Kilde: Wikimedia Commons. Cavit

Invertering af magnetfeltet

Der er en forundrende kendsgerning: magnetpoler kan ændre position i løbet af et par tusind år, og det sker i øjeblikket. Det vides faktisk at have sket 171 gange før i de sidste 17 millioner år.

Beviserne findes i klipper, der stammer fra en kløft midt i Atlanterhavet. Når den kommer ud, afkøles og størkner klippen og sætter i øjeblikket retningen for Jordens magnetisering, som er bevaret.

Men indtil videre er der ingen tilfredsstillende forklaring på, hvorfor dette sker, og der er heller ikke kilden til den energi, der er nødvendig for at invertere marken.

Som tidligere omtalt bevæger magnetisk nord i øjeblikket sig hurtigt mod Sibirien, og syd bevæger sig også, omend langsommere.

Nogle eksperter mener, at det skyldes en højhastighedsstrøm af flydende jern lige under Canada, der svækker marken. Det kan også være begyndelsen på en magnetisk vending. Den sidste, der skete, var 700.000 år siden.

Det kan være, at dynamoen, der giver anledning til Jordens magnetisme, slukker for et stykke tid, enten spontant eller ved en eller anden ydre indgriben, som f.eks. En komet tilgang, selvom der ikke er bevis for sidstnævnte.

Når dynamoen genstarter, har magnetpolerne skiftet plads. Men det kan også ske, at inversionen ikke er fuldstændig, men en midlertidig variation af dipolaksen, som endelig vil vende tilbage til sin oprindelige position.

Eksperiment

Det udføres med Helmholtz-spoler: to identiske og koncentriske cirkulære spoler, gennem hvilke den samme strømstyrke passerer. Spolens magnetfelt interagerer med jordens, hvilket giver anledning til et resulterende magnetfelt.

Figur 5. Eksperiment for at bestemme værdien af ​​Jordens magnetfelt. Kilde: F. Zapata.

Der oprettes et tilnærmelsesvis ensartet magnetfelt inde i spolerne, hvis størrelse er:

-Jeg er strømstyrken

-μ _o er vakuumets magnetiske permeabilitet

-R er spolernes radius

Behandle

Med et kompas anbragt i den aksiale akse af spolen, bestemme retningen af det jordbaserede magnetfelt B _T.

-Oriente aksen af spolerne at være vinkelret på B _T. Således feltet B _H genereret som strøm ledes, være vinkelret på B _T. I dette tilfælde:

Figur 6. Det resulterende felt er, hvad kompasnålen markerer. Kilde: F. Zapata.

-B _H er proportional med strømmen ledes gennem spolerne, således at B _H = kI, hvor k er en konstant, der afhænger af geometrien af nævnte spoler: radius og antallet af vindinger. A målestrømmen kan have værdien _BH. Så det:

Dermed:

-Maglige strømme ledes gennem spolerne, og parene (I, tg θ) registreres i en tabel.

-Grafen I vs. tg θ. Da afhængigheden er lineær, forventer vi at opnå en linje, hvis hældning m er:

-Endelig fra den lige - linje passe mindste kvadraters eller visuel tilpasning, fortsætter den at bestemme værdien af B _T.

Referencer

1. Jordmagnetisk felt. Gendannes fra: web.ua.es
2. Magneto-hydrodynamikgruppe fra University of Navarra. Dynamo-effekt: historie. Gendannes fra: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6. forkortede udgave. Cengage Learning.
4. GRYDE. Jordens magnetfelt og dets ændringer i tid. Gendannet fra: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Jordens magnetiske nordpol bevæger sig. Gendannes fra: ngenespanol.com.
6. Videnskabelig amerikansk. Jorden har mere end en nordpol. Gendannes fra: scientamerican.com.
7. Wikipedia. Geomagnetisk pol. Gendannet fra: en.wikipedia.org.