Когда создается магнитное поле. Магнитное поле Земли: происхождение, структура и значение

Как образуется магнитное поле Земли. Какова структура магнитного поля нашей планеты. Почему магнитное поле Земли важно для жизни на планете. Как изменяется магнитное поле со временем. Как используется магнитное поле для навигации.

Происхождение магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли образуется в результате сложных процессов, происходящих в ядре нашей планеты. Ключевую роль в этом играет внешнее ядро Земли, состоящее из жидкого железа и никеля. Рассмотрим основные факторы, влияющие на формирование геомагнитного поля:

• Состав внешнего ядра. Жидкий металл (железо и никель) обладает высокой электропроводностью.
• Вращение Земли. Быстрое вращение планеты вызывает течения во внешнем ядре.
• Конвекция. Разница температур между внутренним и внешним ядром создает конвективные потоки.
• Эффект динамо. Движение проводящей жидкости в ядре генерирует электрические токи.

В результате взаимодействия этих факторов во внешнем ядре возникают мощные электрические токи, которые и порождают глобальное магнитное поле Земли. Этот процесс называется геодинамо.

Структура магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли имеет сложную структуру, которую можно представить в виде нескольких основных компонентов:

• Дипольное поле. Составляет около 80% общей напряженности и напоминает поле простого магнита.
• Недипольные компоненты. Локальные аномалии и искажения, вызванные неоднородностями в ядре и мантии.
• Внешние источники. Взаимодействие с солнечным ветром формирует магнитосферу.

Силовые линии магнитного поля выходят из южного магнитного полюса, огибают планету и входят в северный магнитный полюс. Важно отметить, что магнитные полюса не совпадают с географическими и постоянно смещаются.

Значение магнитного поля для жизни на Земле

Магнитное поле Земли играет критически важную роль в поддержании условий, необходимых для существования жизни на нашей планете. Рассмотрим основные защитные функции геомагнитного поля:

• Защита от солнечного ветра. Магнитосфера отклоняет поток заряженных частиц от Солнца.
• Сохранение атмосферы. Без магнитного поля солнечный ветер мог бы постепенно «сдуть» атмосферу планеты.
• Экранирование космического излучения. Магнитное поле отклоняет большую часть вредных космических лучей.
• Стабилизация климата. Защита от солнечного ветра помогает поддерживать стабильный климат на планете.

Таким образом, магнитное поле Земли выступает в роли невидимого щита, защищающего биосферу от негативных воздействий космической среды. Без этой защиты развитие и сохранение жизни на нашей планете было бы крайне затруднительным.

Изменения магнитного поля во времени

Магнитное поле Земли не является статичным — оно постоянно меняется как в пространстве, так и во времени. Выделяют несколько типов изменений геомагнитного поля:

• Вековые вариации. Медленные изменения напряженности и направления поля, происходящие за десятилетия и столетия.
• Джерки. Резкие изменения скорости вековых вариаций, длящиеся несколько лет.
• Экскурсы. Кратковременные значительные отклонения магнитного полюса от своего среднего положения.
• Инверсии. Полное обращение магнитных полюсов, происходящее в среднем раз в 200-300 тысяч лет.

Изучение этих изменений позволяет ученым лучше понять процессы, происходящие в ядре Земли, и прогнозировать будущее поведение магнитного поля планеты.

Использование магнитного поля для навигации

Магнитное поле Земли издавна используется людьми для навигации. Рассмотрим основные способы применения геомагнитного поля в этой области:

• Магнитный компас. Простейший прибор, стрелка которого всегда указывает на магнитный север.
• Магнитное склонение. Учет разницы между магнитным и истинным севером для точной навигации.
• Электронные компасы. Современные устройства, измеряющие компоненты магнитного поля.
• Спутниковая навигация. Учет влияния магнитного поля на распространение радиосигналов.

Несмотря на развитие спутниковых технологий, знание особенностей магнитного поля Земли остается важным для навигации, особенно в экстремальных условиях или при отказе электронных систем.

Исследования магнитного поля Земли

Изучение геомагнитного поля — важная задача современной науки. Основные направления исследований включают:

• Наземные магнитные обсерватории. Непрерывные измерения компонентов поля в фиксированных точках.
• Спутниковые миссии. Глобальный мониторинг магнитного поля с высокой точностью.
• Палеомагнитные исследования. Изучение истории магнитного поля по намагниченности горных пород.
• Компьютерное моделирование. Симуляция процессов в ядре Земли для понимания механизма геодинамо.

Эти исследования позволяют ученым лучше понять природу магнитного поля Земли, его эволюцию и влияние на различные процессы на нашей планете. Получаемые данные используются для создания точных моделей геомагнитного поля и прогнозирования его изменений.

Аномалии магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли не является однородным — на его фоне наблюдаются различные аномалии. Рассмотрим основные типы магнитных аномалий:

• Локальные аномалии. Связаны с геологическими особенностями конкретных регионов.
• Глобальные аномалии. Крупномасштабные отклонения от дипольной модели поля.
• Южно-Атлантическая аномалия. Область пониженной напряженности магнитного поля над южной Атлантикой.
• Полярные каспы. Области у магнитных полюсов, где силовые линии поля почти вертикальны.

Изучение магнитных аномалий важно для понимания структуры земной коры, поиска полезных ископаемых и исследования процессов в ядре планеты. Кроме того, некоторые аномалии, например Южно-Атлантическая, могут представлять опасность для космических аппаратов и влиять на работу электронных систем на Земле.

1.Магнитное поле создается… 1)неподвижными электрическими зарядами; 2)движущимися электрическими зарядами; 3)телами, обладающими массой; 4)движущимися…

обладающими массой; 4)движущимися частицами. 2.Постоянное магнитное поле можно обнаружить по действию на… 1) движущуюся заряженную частицу; 2) неподвижную заряженную частицу; 3) любое металлическое тело; 4) заряженный диэлектрик. 3. Что наблюдалось в опыте Эрстеда? 1) взаимодействие двух параллельных проводников с током. 2) поворот магнитной стрелки вблизи проводника при пропускании через него тока. 3)взаимодействие двух магнитных стрелок 4)возникновение электрического тока в катушке при вдвигании в нее магнита. 4. Как взаимодействуют два параллельных проводника при протекании в них тока в противоположных направлениях? 1)сила взаимодействия равна нулю; 2)проводники притягиваются; 3)проводники отталкиваются; 4)проводники поворачиваются. 5. Как называется единица магнитной индукции? 1)Тесла 2)Генри 3)Вебер 4)Ватт 6. Как называется сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля? 1) Сила Ампера; 2)Центробежная сила; 3)Сила Лоренца; 4)Центростремительная сила 7. Какова траектория протона, влетевшего в однородное магнитное поле параллельно линиям индукции магнитного поля? 1)Прямая 2)Парабола 3)Окружность 4)Винтовая линия 8. Изменится ли, а если изменится, то, как частота обращения заряженной частицы в циклотроне при увеличении ее скорости в 2 раза. Скорость частицы считать намного меньше скорости света 1)Увеличится в 2 раза 2)Увеличится в 4 раза 3)Увеличится в 16 раз. 4)Не изменится 9. Электрон и протон влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции с одинаковыми скоростями. Отношение модулей сил, действующих на них в этот момент времени со стороны магнитного поля, равно 1) 1 2) 0 3) 1/2000 4) 2000 10. Участок проводника длиной 10 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила Ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении действия силы. Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля 1) 0,004 Дж. 2) 0,4 Дж. 3) 0,5 Дж. 4) 0,625 Дж 11.Рамку площадью 0,5 м2 пронизывают линии магнитной индукции магнитного поля с индукцией 4 Тл под углом 300 к плоскости рамки. Чему равен магнитный поток, пронизывающий рамку? 1) 1 Вб 2) 2,3 Вб 3) 1,73 Вб 4) 4 Вб 12.В магнитном поле с индукцией 4 Тл движется электрон со скоростью 107 м/с, направленной перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Чему равен модуль силы, действующий на электрон со стороны магнитного поля? 1) 0,4 пН; 2) 6,4 пН; 3) 0,4 мкН; 4) 6,4 мкН 13.Если величину заряда увеличить в 3 раза, а скорость заряда уменьшить в 3 раза, то сила, действующая на заряд в магнитном поле, 1) не изменится; 2)увеличится в 9 раз; 3)уменьшится в 3раза; 4) увеличится в 3 раза. 14. Заряд движется в магнитном поле. Индукция магнитного поля и скорость заряда увеличиваются в 3 раза. Сила, действующая на заряд 1) увеличится в 3 раза; 2) уменьшится в 3раза; 3) увеличится в 9 раз; 4) уменьшится в 9 раз. 15. Определить индукцию магнитного поля проводника, по которому протекает ток 4 А, если поле действует с силой 0,4 Н на каждые 10 см проводника. 1) 0,5 Тл; 2) 2Тл; 3) 1 Тл; 4) 0,1 Тл. 16. Линии магнитного поля в пространстве вне постоянного магнита 1) начинаются на северном полюсе магнита, заканчиваются на южном; 2) начинаются на южном полюсе магнита, заканчиваются на бесконечности; 3) начинаются на северном полюсе магнита, заканчиваются на бесконечности; 4) начинаются на южном полюсе магнита, заканчиваются на северном. 17. С помощью правила Буравчика можно определить 1) направление силы магнитного поля; 2) направление движения заряженной частицы; 3) направление линий магнитного поля; 4)направление силы электрического поля. 18. Линии однородного магнитного поля 1) искривлены, их густота меняется от точки к точке; 2) параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой; 3) расположены параллельно с разной густотой; 4) расположены хаотично. 19.Разноименные полюсы магнита…, а одноименные полюсы — 1) …отталкиваются, …притягиваются; 2)…притягиваются, …отталкиваются; 3)…отталкиваются; 4)…притягиваются. 20. Частица с электрическим зарядом 8·10-19 Кл движется со скоростью 220 км/ч в магнитном поле с индукцией 5 Тл, под углом 300. Определить значение силы Лоренца. 1) 10-15 Н 2) 2·10-14 Н 3) 2·10-12 Н 4) 1,2·10-16 Н 21. Какая физическая величина измеряется в «генри»? 1) индукция поля 2) магнитный поток 3) ЭДС индукции 4) Индуктивность. 22. Какой из перечисленных процессов объясняется явлением электромагнитной индукции 1) отклонение магнитной стрелки при прохождении по проводу электрического тока; 2) взаимодействие проводников с током; 3) появление тока в замкнутой катушке при опускании в нее постоянного магнита; 4) возникновение силы, действующей на проводник с током. 23. Определить индуктивность катушки, через которую проходит поток величиной 5 Вб при силе тока 100 мА. 1) 0,5 Гн 2) 50 Гн 3) 100 Гн 4) 0,005 Гн Д. 0,1 Гн 24. Какова энергия магнитного поля катушки индуктивностью, равной 2 Гн, при силе тока в ней, равной 200 мА? 1) 400 Дж; 2) 4·104 Дж; 3) 0,4 Дж; 4) 4·10-2 Дж 25. Какова ЭДС индукции, возбуждаемая в проводнике, помещенном в магнитном поле с индукцией 100 мТл, если оно полностью исчезает за 0,1 с? Площадь, ограниченная контуром, равна 1 м2. 1) 100 В; 2) 10 В; 3) 1 В 4) 0,01 В 26. Чем определяется величина ЭДС индукции в контуре? 1) Магнитной индукцией в контуре; 2) Магнитным потоком через контур ; 3) Электрическим сопротивлением контура; 4) Скоростью изменения магнитного потока 27. Определить сопротивление проводника длиной 40 м, помещенного в магнитное поле, если скорость движения 10м/с. Индукция магнитного поля равна 0,01Тл, сила тока 1А. 1) 400 Ом; 2) 0,04Ом; 3) 4Ом 4) 40 Ом 28. Какова ЭДС индукции, возбуждаемая в проводнике, помещенном в магнитное поле с индукцией 200мТл, если оно полностью исчезает за 0,05с? Площадь, ограниченная контуром, равна 1м2. 1) 400В; 2) 40В; 3) 4В; 4) 0,04В 29. Определить индуктивность катушки, если при силе тока в 2А, она имеет энергию 0,2Дж. 1) 200Гн; 2) 2мГн 3) 200мГн 4) 100мГн 30. Определить сопротивление проводника длиной 20 м, помещенного в магнитное поле, если скорость движения 10м/с, индукция поля равна 0,01Тл, сила тока 2А. 1) 100 Ом; 2) 0,01Ом; 3) 0,1Ом; Г. 1 Ом;

Глава 22. Магнитные взаимодействия.

Магнитная индукция. Силы Лоренца и Ампера

Задача 22.1.1. Какими телами создается магнитное поле?

Покоящимися незаряженными телами

Движущимися незаряженными телами

Покоящимися заряженными телами

Движущимися заряженными телами

Задача 22.1.2. Постоянный магнит создает магнитное поле. Какая из нижеперечисленных гипотез относительно причин возникновения этого поля справедлива?

Магнит обязательно заряжен

Внутри магнита обязательно есть некомпенсированные электрические токи

Все электрические токи внутри магнита обязательно компенсируют друг друга

Собственные заряды магнита обязательно поляризованы

Задача 22. 1.3. По прямому проводу течет ток (см. рисунок). Как направлен вектор индукции магнитного поля в точке ?

На нас,	От нас,
Вниз,	Вверх,

Задача 22.1.4. На рисунке изображен проволочный виток, расположенный в плоскости чертежа. По витку течёт электрический ток в направлении, указанном стрелкой. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен

От нас,	К нам,

Задача 22. 1.5. Отрицательный точечный заряд Кл движется в магнитном поле с индукцией 1 Тл. В некоторый момент времени скорость заряда равна 2 м/с и параллельна вектору индукции магнитного поля. Чему равна в этот момент сила, действующая на заряд со стороны магнитного поля?

2 H

0,5 H

1 H

0

Задача 22.1.6. С какой силой однородное магнитное поле с индукцией 1 Тл действует на проводник длиной 1 м, расположенный под углом 30° к вектору индукции при силе тока в проводнике 1 А?

1 H

0,5 H

0,87 H

1,7 H

Задача 22. 1.7. Четыре прямых проводника с током – 1, 2, 3 и 4 – находятся в однородном магнитном поле (см. рисунок; остальные части электрических цепей, в которые входят эти проводники, не показаны; проводник 4 расположен перпендикулярно магнитному полю, ток по нему течет «на нас»). На какой из этих проводников магнитное поле не действует?

На 1

На 2

На 3

На 4

Задача 22.1.8. Положительно заряженная частица влетает в однородное магнитное поле, линии индукции которого и скорость частицы показаны на рисунке (вектор скорости лежит в плоскости чертежа). Как направлена сила, действующая на частицу со стороны магнитного поля?

На нас,	От нас,
Направо,	Налево,

Задача 22. 1.9. В однородном магнитном поле находится прямой проводник с током (см. рисунок; остальная часть электрической цепи, в которую входит этот проводник, не показана). Проводник расположен в плоскости чертежа. Как направлена сила Ампера, действующая на проводник?

Задача 22.1.10. По бесконечному прямому проводу течет ток. На некотором расстоянии от провода, параллельно проводу движется элек-трон (см. рисунок). Как направлена сила, действующая на электрон со стороны магнитного поля провода?

Составление карты магнитного поля Земли · Границы для юных умов

Тезисы

Земля имеет твердое внутреннее ядро ​​и жидкое внешнее ядро, состоящее из железа и никеля. Металл несет электрический ток, который питается от движения жидкости. Электрический ток создает магнитное поле, которое простирается от ядра до поверхности Земли и за ее пределы. Ожидается, что магнитное поле, сформированное ядром Земли, выровняется с осью вращения, но оно немного отклоняется по причинам, которые не совсем понятны. Стрелка компаса обычно указывает не на истинный север (ось вращения Земли), а на северный магнитный полюс. Угол между истинным севером и магнитным севером в любом конкретном положении на Земле называется углом склонения. Карты угла склонения очень сложны, и из-за течения внешнего ядра положение магнитного севера со временем меняется.

Введение

Внешнее ядро ​​Земли

Планету Земля можно разделить на четыре слоя: твердое внутреннее ядро ​​в центре, жидкое внешнее ядро ​​ , каменистая мантия и кора на поверхности, на которой мы живем. Ядро Земли имеет ширину около 6800 км и начинается примерно на полпути к центру планеты (рис. 1b). Он состоит примерно на девять десятых из железа и никеля [1]. Внутреннее ядро ​​размером с Луну. Он очень горячий (> 5000 ° C) и является твердым из-за чрезвычайно высокого давления от веса материала над ним.

• Рисунок 1 — (a) Иллюстрация линий магнитного поля от простого стержневого магнита, аналогичного магнитному полю Земли.
• Как и Земля, южный полюс (обозначенный буквой «S») фактически находится в северном полушарии. (b) Ядро Земли видно в центре планеты. Каменистая мантия и кора на этом снимке прозрачны. Внешнее ядро ​​показано оранжевым цветом, а внутреннее ядро ​​показано более темной сферой в центре. Магнитное поле (синие линии) создается во внешнем ядре. Справа — художественный взгляд на магнитный спутник Swarm, который чувствует изменение направления компаса, когда он пролетает через магнитное поле Земли по своей орбите (серая линия). ^© ESA/ATG Medialab. Рисунок 1а, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth’s_ Magnetic_field_pole.svg

Еще дальше от самого центра Земли находится жидкое внешнее ядро ​​размером примерно с Марс. Металл все еще очень горячий (> 3000 ° C), но, несмотря на высокое давление, внешнее ядро ​​​​на самом деле очень жидкое, поскольку тепло преодолевает воздействие давления. Внешнее ядро ​​течет так же легко, как вода на поверхности Земли. Это означает, что металл постоянно движется и течет, как океаны. Подобно тому, что происходит, когда вы быстро размешиваете чашку чая, быстрое вращение Земли один раз в день заставляет вращаться и жидкость во внешнем ядре.

Ядро пытается охладиться. Однако скалистая мантия между ядром и поверхностью действует как одеяло, не давая ядру слишком быстро остывать. Ядро пытается найти другие способы избавиться от избыточного тепла и энергии. Один из способов сделать это — создать магнитное поле. Магнитное поле может проходить вплоть до поверхности Земли, позволяя ядру высвобождать небольшое количество энергии.

Электричество создает магнитное поле

Магнетизм и электричество физически связаны — обычно вы получаете одно при создании другого, и это также происходит в ядре. Жидкий металл ядра слишком горячий, чтобы быть постоянным магнитом, как магнит на холодильник, но это электропроводный материал , такой как медная проволока. Подобно проводам в вашем доме, жидкое ядро ​​несет очень большой электрический ток, который, в свою очередь, создает сильное магнитное поле.

Электричество вырабатывается из движения жидкого металла, аналогично ветряной турбине, которая вырабатывает электричество из движения лопастей. Электричество течет по экватору планеты по очень большой петле и создает сильное магнитное поле, которое выходит за пределы внешнего ядра. Магнитное поле проходит весь путь до поверхности Земли и уходит в космос.

Создает магнитное поле в форме стержневого магнита (рис. 1а). Магнитное поле распространяется в космос, образуя «пузырь», в котором находится Земля. Этот магнитный пузырь защищает атмосферу планеты от магнитного поля Солнца, которое в противном случае разрушило бы атмосферу Земли за миллиарды лет.

Механизм создания магнитного поля Земли очень сложен и до конца не изучен учеными. Считается, что петля электрического тока в ядре не образует идеальный круг, огибающий экватор, поэтому магнитное поле на самом деле несколько «наклонено» примерно на 11° в сторону от оси вращения Земли. Сила электрического тока также меняется со временем, что приводит к изменению магнитного поля на поверхности Земли. Наконец, поток жидкого металла «увлекает» магнитное поле на запад. Сочетание всех этих различных процессов делает магнитное поле очень сложным, и трудно предсказать, как оно изменится с течением времени. Примерно четыре раза в миллион лет магнитное поле переворачивается, когда полюса «переворачиваются», хотя для этого требуются тысячи лет.

Магнитное поле на поверхности Земли

Хотя общая форма магнитного поля Земли похожа на простой стержневой магнит, если вы посмотрите на магнитное поле в деталях, оно будет намного сложнее. Обычно стрелка компаса указывает примерно на север, но не указывает на истинный север (точку, вокруг которой вращается Земля). Угол между истинным севером и направлением, которое указывает стрелка компаса, называется склонением . Стрелка компаса указывает на место под названием 9.0011 магнитный северный полюс.

Магнитное поле очень полезно для навигации. Китайцы использовали простые компасы еще в 1100-х годах, чтобы найти направление. Первая карта была составлена ​​Эдмундом Галлеем, прославившимся кометой Галлея, для использования кораблями, плывущими по Атлантическому океану, в 1699 году. Он понял, что магнитное поле постоянно меняется, и предположил, что в центре Земли существует слой жидкости. Северный магнитный полюс был открыт Джеймсом Клерком Россом в 1831 году в Канаде. Однако, чтобы еще больше усложнить ситуацию, магнитный северный полюс не остается на одном и том же месте, а вместо этого все время перемещается из-за потока внешнего ядра.

В настоящее время (в 2019 г.) магнитный Северный полюс все еще находится на севере Канады, но он движется со скоростью около 50 км в год и где-то в следующем десятилетии пересечет север России. На Рисунке 2 показано расположение Северного и Южного магнитных полюсов с 1900 по 2020 год. Обратите внимание, как быстро Северный полюс сместился с 2000 года, в то время как Южный полюс по сравнению с ним не сильно сдвинулся.

• Рисунок 2 – Расположение магнитных полюсов показано каждые пять лет (красные точки) с 1900 до 2020, для магнитного Северного полюса (a) и магнитного Южного полюса (b) .
• Обратите внимание, что с 1900 года северный магнитный полюс сместился намного дальше и быстрее, чем южный магнитный полюс.

Составление карты

Теоретически составить карту магнитного поля достаточно просто. Все, что вам нужно, это устройство GPS (например, смартфон), чтобы определить ваше точное местоположение и помочь вам найти направление на истинный север. Вам также понадобится компас. Во-первых, используйте GPS, чтобы определить направление истинного севера. Это можно сделать, вонзив в землю две палки вдоль линии постоянной долготы. Встаньте между палочками и определите угол между стрелкой компаса и линией истинного севера, которую вы провели с помощью двух палочек. Поздравляем, вы измерили склонение! Чтобы составить карту, повторите это измерение в другом месте и еще раз. Сделайте это несколько миллионов раз по всему миру, включая океаны и пустыни, и ваша работа будет завершена… по крайней мере, на несколько лет, пока магнитный Север не сдвинется с места. Очевидно, что это невозможно для человека, но возможно для спутника.

С 1999 года было осуществлено три миссии европейских спутников для проведения очень точных измерений магнитного поля Земли. На рис. 1b показано, как спутник воспринимает магнитное поле, исходящее от внешнего ядра. Текущее трио спутников, называемое Swarm, летает на высоте от 450 до 500 км над поверхностью Земли и движется со скоростью 8 км в секунду. Им требуется около 90 минут, чтобы облететь Землю, и они совершают 15 оборотов в день. Через 4 месяца они делают достаточно измерений по всему миру, чтобы создать карту [2].

Спутниковые измерения собираются на компьютере, где математический процесс, называемый инверсией, используется для создания карты (или снимка) магнитного поля в фиксированный момент времени. На рисунке 3 показана карта угла склонения за январь 2019 года, иллюстрирующая, насколько сложным на самом деле является магнитное поле.

• Рисунок 3. Угол склонения для 2019 года (в градусах) по модели Международного эталонного геомагнитного поля (IGRF-12).
• Цвета показывают угол между магнитным севером и истинным севером. Белые области — это места, где компас указывает почти точно на север. Синие цвета показывают области, где компас указывает на запад от истинного севера, а красные цвета показывают, где компас указывает на восток от истинного севера. Вы можете увидеть очень сложную картину углов склонения по всему миру [3].

Поскольку изменение магнитного поля невозможно предсказать более чем через 10 лет, эти карты магнитного поля регулярно обновляются каждые 5 лет. Некоторые карты создаются бесплатно группой ученых со всего мира и известны как Международное геомагнитное эталонное поле или IGRF [3]. Создание хорошей карты требует больших усилий и требует нескольких месяцев работы. Последняя версия была выпущена в 2015 году, а следующая будет готова к 2020 году.

Магнитная карта на вашем смартфоне

Вероятно, вы больше всего знакомы с использованием магнитного поля Земли для навигации — представьте корабли, плывущие по океану, или люди, идущие по горам. Однако, если вы когда-либо использовали карту на смартфоне, чтобы найти, куда вы хотите отправиться, то вы также использовали карту магнитного поля Земли.

Когда вы открываете приложение карты, ваше местоположение обычно отображается в виде маленькой точки со стрелкой или треугольником, указывающим направление, в котором вы смотрите. Смартфоны используют встроенный цифровой компас для определения направления магнитного севера. Однако, поскольку карты ориентированы на истинный север, программное обеспечение телефона должно скорректировать разницу в склонении. Телефон использует ваше местоположение GPS для определения правильного угла по карте склонения, такой как IGRF. Из рисунка 3 видно, что в некоторых частях мира этот угол может достигать 45°.

Заключение

Составление карт магнитного поля Земли — сложный процесс, который необходимо повторять не реже одного раза в 5 лет, чтобы поддерживать актуальность карт. Карты могут рассказать нам о внешнем ядре Земли, и они также полезны для многих практических приложений, которые вы, вероятно, испытали, например, для навигации по городу с помощью смартфона.

Глоссарий

Внешнее ядро ​​ : ↑ Слой жидкого металла внутри Земли, начинающийся примерно на полпути к центру.

Электропроводящий материал : ↑ Материал, через который легко проходит электричество.

Склонение : ↑ Угол между магнитным севером и истинным севером.

Магнитный север : ↑ Точка на поверхности Земли, где магнитное поле направлено прямо к центру Земли.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

---

Ссылки

[1] ↑ Лоури, В. 2007. Основы геофизики, 2-е изд. . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.

[2] ↑ Олсен, Н., Юло, Г. , Лезур, В., Финлей, К.С., Бегган, К., Чуллиат, А., и др. 2015. Модель начального поля Swarm для геомагнитного поля 2014 года. Геофиз. Рез. Письмо . 42:1092–8. дои: 10.1002/2014GL062659

[3] ↑ Thébault, E., Finlay, C.C., Beggan, C.D., Alken, P., Aubert, J., Barrois, O., et al. 2015. Международное геомагнитное эталонное поле (IGRF): 12-е поколение. Земля Планеты Космос 67:79. doi: 10.1186/s40623-015-0228-9

Что такое магнитные поля и как они формируют Вселенную?

Вы не можете его видеть, но он всегда и везде вокруг вас. Защитить вас от вредного космического излучения и не дать нашей атмосфере унести солнечные ветры — это магнитное поле Земли.

Для большинства из нас это почти никогда не привлекает внимания. В наблюдательной астрономии магнитные полюса Земли имеют гораздо меньшее значение, чем географические полюса, на которые мы полагаемся, чтобы выровнять наши экваториально установленные телескопы.

Подробнее у Люси Грин:

• Понимание нашего Солнца: наука о солнечном цикле
• Что вызывает северное сияние?

Задумайтесь, однако: магнитное поле Земли, вероятно, сделало возможной жизнь на этой планете, в то время как более отдаленные космические магнитные поля являются причиной того, что пульсары действуют как радиомаяки, а огромные облака электропроводящего газа превращаются в странные и необычные формы.

Что касается магнитных полей, то земное — это то, с которым мы больше всего знакомы, и его происхождение связано с электрическими токами, которые текут в расплавленном железе, составляющем внешнее ядро ​​нашей планеты.

Что такое магнитные поля?

Магнитные поля создаются вокруг движущихся заряженных частиц.

Магнетизм — это сила, тесно связанная с электричеством. Всякий раз, когда течет электрический ток, в окружающем пространстве возникает связанное с ним магнитное поле, или, в более общем смысле, движение любой заряженной частицы создает магнитное поле.

Попробуйте включить и выключить чайник и посмотреть, сможет ли приложение компаса на вашем смартфоне обнаружить магнитное поле, возникающее при прохождении тока по кабелю.

Эти поля имеют направление, поэтому у Земли есть северный и южный полюса.

Когда два магнитных поля приближаются друг к другу, они пытаются выровняться, потенциально вызывая физические объекты, заставляющие их двигаться — стрелка компаса имеет магнитное поле, поэтому всегда будет пытаться выровняться с полем Земли и указывать на север .

Больше похоже на это

Точно так же движение заряженной частицы будет изменяться при прохождении через намагниченную область из-за взаимодействия электрического и магнитного полей.

Изменение направления зависит от заряда и массы частицы, силы и направления магнитного поля и скорости движения частицы.

Планетарный магнетизм

Давайте сделаем шаг назад и посмотрим на Землю с поверхности Луны. Отсюда мы можем видеть землю, океаны и атмосферу.

Чего мы, однако, не видим, так это того, как магнитное поле Земли охватывает все это и распространяется в космос.

Большую часть времени Луна находится внутри магнитного поля Земли. Он появляется только на несколько дней во время новолуния.

Когда это происходит, Луна попадает в солнечный ветер — внешнюю атмосферу Солнца, которая расширяется в космос со скоростью миллион миль в час.

Этот ветер не может проникнуть через магнитное поле Земли и вместо этого врезается прямо в него. Хотя это взаимодействие невидимо для человеческого глаза, оно производит нечто впечатляющее: полярное сияние.

Когда солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли, он добавляет к нему энергию, которая ускоряет заряженные частицы в нашей атмосфере. Когда частицы взаимодействуют с атмосферным газом, они передают свою энергию и заставляют газ светиться.

Солнечный ветер не может достичь нашей атмосферы, потому что он тоже содержит магнитное поле.

Мы узнали, что любое магнитное поле, пронизывающее электрически заряженный газ (плазму), связано с этим газом; их нельзя легко разделить или разъединить, как известен этот процесс.

Поэтому, когда порывистый поток намагниченной плазмы достигает магнитного поля Земли, он обтекает его, заставляя его двигаться и рябить, как ветроуказатель на ветру.

Это свойство не позволяет солнечному ветру достигать нашей атмосферы и уносить ее, как это произошло на Марсе. Он также обеспечивает нам защиту от электрически заряженных космических лучей.

Это сохраняющее жизнь свойство планетарных магнитных полей означает, что важно учитывать их, когда дело доходит до изучения экзопланет. Пока что мы не можем напрямую наблюдать магнитное поле экзопланеты.

Но если в будущем будет разработан метод их обнаружения, наличие магнитного поля вокруг экзопланеты, вероятно, повлияет на то, какие из них станут целями для дальнейшего изучения.

Схема, показывающая магнитное поле Сатурна. Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА/JPL NAIF

Магнитное поле Солнца было открыто в 1908 году американским астрономом Джорджем Эллери Хейлом.

Невозможно искать и изучать космические магнитные поля без возможности их обнаружения на расстоянии с помощью электромагнитного излучения.

В 1896 году голландский физик Питер Зееман, проводя эксперименты, обнаружил, что сильное магнитное поле может влиять на свет, излучаемый «светящимся паром».

Спектральные линии, излучаемые паром, были уширены или, в крайнем случае, расщеплены на несколько составляющих.

В статье, опубликованной в 1897 году, Зееман предположил, что его открытие может быть использовано для обнаружения космических магнитных полей.

Действительно, именно этот метод использовал Хейл для обнаружения магнитного поля солнечных пятен.

Эффект Зеемана также поляризует свет определенным образом, что можно использовать для понимания силы и направления удаленного магнитного поля, что позволяет астрономам исследовать отдаленный магнетизм путем изучения электромагнитного излучения.

На самом деле Солнце позволяет нам исследовать космический магнетизм вблизи. Наблюдения за Солнцем обеспечивают фантастический уровень детализации, который действительно показывает нам, насколько динамичными могут быть звездные магнитные поля.

Солнце имеет общее магнитное поле, которое соединяет северный и южный магнитные полюса, которые близки к гелиографическим северному и южному полюсам, как на Земле.

Магнитные жгуты, магнитные поля, изгибающиеся между солнечными пятнами, могут быть обнаружены светящимся заряженным газом, прослеживающим их пути. Авторы и права: NASA/Центр космических полетов имени Годдарда/SDO

Мелкомасштабный магнетизм

Но при ближайшем рассмотрении солнечной атмосферы можно обнаружить арки магнитного поля, соединяющие пары солнечных пятен и скрученные структуры магнитного поля, известные как силовые канаты.

Эти веревки обнаруживаются, потому что светящийся электрически заряженный газ очерчивает их, подобно тому, как железные опилки, разбросанные вокруг стержневого магнита, выравниваются по линиям поля.

Если вы понаблюдаете за Солнцем с течением времени, то увидите, что эти магнитные структуры постоянно меняются и часто извергаются в Солнечную систему.

Динамическая активность Солнца с пространственным разрешением, питаемая магнетизмом, дает нам представление о том, чем занимаются и другие звезды. И не только звезды главной последовательности имеют важные магнитные поля.

Пульсары — это подмножество нейтронных звезд. Образовавшиеся из коллапсирующих ядер массивных звезд, подвергшихся взрыву сверхновой, они вращаются чрезвычайно быстро.

Вращаясь, они излучают импульсы радиоволн, словно космические маяки. Некоторые из них мигают много раз в секунду.

Когда Джоселин Белл-Бернелл открыла пульсары в 1967 году, они рассматривались как любопытные объекты и в шутку назывались LGM для маленьких зеленых человечков.

Но радиовспышки можно понять, если соединить очень быстро вращающуюся звезду с сильным магнитным полем.

Когда умирающая звезда коллапсирует, ее магнитное поле также втягивается в материал самой звезды, усиливая силу поля в триллион раз больше, чем у Земли.

Наличие поля заставляет заряженные частицы вращаться вокруг силовых линий магнитного поля, и когда это происходит, могут создаваться радиоволны. Радиосигнал будет сосредоточен на северном и южном магнитных полюсах нейтронной звезды.

Последним ингредиентом в создании пульсара является смещение между осью вращения звезды и осью, соединяющей магнитные полюса.

Это означает, что при вращении нейтронной звезды радиолуч будет перемещаться по космосу, и наши радиотелескопы смогут его обнаружить.

На самом деле, нейтронные звезды являются рекордсменами по магнетизму: еще одна группа этих звезд обладает сильнейшим магнитным полем во Вселенной, в тысячу раз более сильным, чем у пульсаров.

Эти объекты неудивительно известны как магнетары.

Лучи пульсара проносятся сквозь пространство, потому что ось его магнитных полюсов не совпадает с осью его вращения. Фото: dani3315/iStock/Getty Images

Галактический магнетизм

Магнитное поле Земли и магнитное поле Солнца, благодаря солнечному ветру, — не единственные поля, в которые мы погружены.0005

Наша Галактика, Млечный Путь, тоже имеет магнитное поле, хотя и с силой в десятки тысяч раз меньшей, чем у Земли.

Что общего у галактического поля с Землей, так это то, что вращение лежит в основе его существования.

Магнитные поля в астрофизических объектах создаются динамо-машиной, механизмом, в котором вращение электропроводящей жидкости (например, расплавленного железа в ядре планеты) преобразуется в магнитную энергию.

Таким образом, скорость вращения астрономического объекта является важным аспектом магнитных полей и динамо-машин.

В этом контексте мы можем понять, почему Земля имеет относительно сильное поле, тогда как Марс, который когда-то считался более похожим на Землю, чем сегодня, не имеет.

Внутри Земли вращающаяся расплавленная оболочка означает, что ее динамо все еще действует. Марс, с другой стороны, имел динамо-машину, но она перестала действовать, когда внутренняя часть этой меньшей планеты остыла и затвердела, оставив только остаток ее магнитного поля, запертого в ее скалах.

Когда дело доходит до масштабов времени, звездам и планетам может потребоваться от нескольких часов до нескольких недель, чтобы совершить один оборот.

Но эти тела существуют так долго, что за время их жизни прошло достаточно времени, чтобы поддерживать и даже развивать их магнитные поля.

Например, Солнце совершает один оборот за 27 дней и существует уже 4,5 миллиарда лет. Если предположить, что скорость вращения была постоянной в течение всего этого времени, Солнце могло бы сделать более 60 миллиардов оборотов.

Это не тот случай, когда речь идет о галактиках. Возьмем Млечный Путь: наша Галактика вращается один раз в несколько сотен миллионов лет, а это значит, что у нее было всего несколько сотен оборотов.

Итак, хотя динамо-машина важна для нашей Галактики, существуют и другие дополнительные процессы, которые оказывают влияние и которые еще предстоит понять.

В 2017 году группа ученых из Института радиоастрономии им. Макса Планка опубликовала работу, показывающую, что наблюдения галактик можно использовать для исследования магнитных полей, когда Вселенная была намного моложе.

Их исследование галактики, удаленной от нас почти на пять миллиардов световых лет, позволяет нам заглянуть в раннюю Вселенную, чтобы изучить историю и эволюцию магнитных полей, и пролить свет на вопрос, на который астрономы давно хотели ответить: как долго существуют магнитные поля. поля существовали для?

Магнитные поля великолепны и широко распространены в космосе. От планет и звезд до галактик и не только.

Наряду с гравитацией, магнетизм отвечает за формирование и управление тем, что мы наблюдаем. Итак, в следующий раз, когда вы посмотрите вверх — неважно, на что вы смотрите — вспомните о невидимой силе, которая помогает формировать нашу Вселенную.

На этом снимке со спутника Planck Европейского космического агентства показана структура магнитного поля нашей Галактики. Авторы и права: ESA/Planck Collaboration. Благодарность: М.-А. Miville-Deschênes, CNRS – Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-XI, Orsay, France

История магнитной астрономии

1600 – Уильям Гилберт, первый человек, исследовавший магнетизм с помощью научных методов, публикует свою работу в том под названием De Magnete .

1865 – Профессор физики Джеймс Клерк Максвелл публикует статью, в которой он объединяет области электричества и магнетизма в единую теорию.