Магнитное поле возникает. Магнитное поле: как оно возникает и что о нем нужно знать

Как возникает магнитное поле. Что такое электромагнитная индукция. Как животные ориентируются по магнитному полю Земли. Может ли человек чувствовать магнитные поля. Какие эксперименты проводились для изучения магниторецепции у людей.

Как возникает магнитное поле и что такое электромагнитная индукция

Магнитное поле возникает вокруг движущихся электрических зарядов или при изменении электрического поля. Важнейшим свойством магнитного поля является его способность индуцировать электрический ток в проводниках, помещенных в это поле. Это явление называется электромагнитной индукцией.

При изменении магнитного поля, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в нем возникает электрический ток. Величина индуцированной ЭДС определяется скоростью изменения магнитного потока через контур:

ε = -dΦ/dt

где ε — ЭДС индукции, Φ — магнитный поток через контур.

Применение электромагнитной индукции в технике

Явление электромагнитной индукции широко используется в технике и лежит в основе работы многих устройств:

• Электрических генераторов и электростанций
• Трансформаторов
• Микрофонов
• Индукционных печей
• Систем радиосвязи

Например, в электрогенераторах механическая энергия преобразуется в электрическую за счет вращения проводника в магнитном поле. В трансформаторах электромагнитная индукция позволяет изменять напряжение переменного тока.

Магниторецепция у животных: как они ориентируются по магнитному полю

Многие виды животных способны воспринимать магнитное поле Земли и использовать его для ориентации в пространстве. Это явление называется магниторецепцией. Оно обнаружено у следующих групп животных:

• Перелетные птицы (голуби, малиновки)
• Морские черепахи
• Лососевые рыбы
• Некоторые млекопитающие (лисы, собаки)

У разных видов магниторецепция реализуется различными способами. Например, у птиц в сетчатке глаза есть специальные светочувствительные белки — криптохромы, которые реагируют на магнитное поле. У некоторых животных обнаружены магнитные частицы в тканях мозга.

Способен ли человек чувствовать магнитные поля

Вопрос о наличии магниторецепции у человека остается дискуссионным в научном сообществе. Некоторые исследования указывают на возможность подсознательного восприятия магнитного поля людьми, однако однозначных доказательств пока не получено.

Интересные эксперименты в этой области проводил британский зоолог Робин Бейкер в 1980-х годах. Он обнаружил, что люди с завязанными глазами могли определять направление на исходную точку после поездки в автомобиле по запутанному маршруту. Однако другим ученым не удалось воспроизвести эти результаты.

Эксперименты по изучению магниторецепции у людей

Для исследования возможной магниторецепции у человека проводились различные эксперименты:

• Определение направления с завязанными глазами после поездки по запутанному маршруту
• Изучение влияния внешних магнитных полей на биоритмы человека
• Анализ активности мозга при воздействии магнитного поля
• Поиск магнитных частиц в тканях мозга человека

Некоторые исследования выявили наличие в мозге человека молекул магнетита и криптохрома в сетчатке глаза, что может теоретически обеспечивать восприятие магнитного поля. Однако убедительных доказательств функциональной магниторецепции у людей пока не получено.

Попытки усилить восприятие магнитных полей человеком

Некоторые энтузиасты экспериментируют с имплантацией небольших магнитов в подушечки пальцев, чтобы научиться ощущать магнитные поля. Например, Куинн Нортон описывает свой опыт:

«Когда я трогаю телефонный шнур или провожу рукой по определенным частям ноутбука, палец начинает покалывать. Иногда потянусь за чем-нибудь, а палец начинает покалывать — значит, рядом телефонный провод.»

Однако такие эксперименты не получили широкого распространения из-за потенциальных рисков для здоровья. Кроме того, они не позволяют ощущать слабые естественные магнитные поля.

Перспективы изучения магниторецепции у человека

Несмотря на отсутствие однозначных доказательств, исследования возможной магниторецепции у человека продолжаются. Ученые надеются, что новые методы нейровизуализации и молекулярной биологии помогут пролить свет на этот вопрос.

Если способность воспринимать магнитное поле у людей все же будет обнаружена, это может иметь интересные практические применения:

• Разработка новых методов навигации
• Создание интерфейсов для взаимодействия с электронными устройствами
• Улучшение пространственной ориентации у людей с нарушениями зрения

Однако пока это остается лишь гипотетической возможностью. Способность ощущать магнитные поля, подобно птицам или черепахам, у человека пока не доказана.

Дистанционный репетитор — онлайн-репетиторы России и зарубежья

КАК ПРОХОДЯТ
ОНЛАЙН-ЗАНЯТИЯ?

Ученик и учитель видят и слышат
друг друга, совместно пишут на
виртуальной доске, не выходя из
дома!

КАК ВЫБРАТЬ репетитора

Выбрать репетитора самостоятельно

ИЛИ

Позвонить и Вам поможет специалист

8 (800) 333 58 91

* Звонок является бесплатным на территории РФ
** Время приема звонков с 10 до 22 по МСК

ПОДАТЬ ЗАЯВКУ

Россия +7Украина +380Австралия +61Белоруссия +375Великобритания +44Израиль +972Канада, США +1Китай +86Швейцария +41

Выбранные репетиторы

Заполните форму, и мы быстро и бесплатно подберем Вам дистанционного репетитора по Вашим пожеланиям.
Менеджер свяжется с Вами в течение 15 минут и порекомендует специалиста.

Отправляя форму, Вы принимаете Условия использования и даёте Согласие на обработку персональных данных

Вы также можете воспользоваться
расширенной формой подачи заявки

Как оплачивать и СКОЛЬКО ЭТО СТОИТ

от
800 до 5000 ₽

за 60 мин.

и зависит

ОТ ОПЫТА и
квалификации
репетитора

ОТ ПОСТАВЛЕННЫХ ЦЕЛЕЙ ОБУЧЕНИЯ
(например, подготовка к олимпиадам, ДВИ стоит дороже, чем подготовка к ЕГЭ)

ОТ ПРЕДМЕТА (например, услуги репетиторовиностранных языков дороже)

Оплата непосредственно репетитору, удобным для Вас способом

Почему я выбираю DisTTutor

БЫСТРЫЙ ПОДБОР
РЕПЕТИТОРА И
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПОДХОД

ОПТИМАЛЬНОЕ
СООТНОШЕНИЕ ЦЕНЫ И
КАЧЕСТВА

ПРОВЕРЕНЫ ДОКУМЕНТЫ ОБ ОБРАЗОВАНИИ У ВСЕХ РЕПЕТИТОРОВ

НАДЕЖНОСТЬ И ОПЫТ.
DisTTutor на рынке с 2008 года.

ПРОВЕДЕНИЕ БЕСПЛАТНОГО, ПРОБНОГО УРОКА

ЗАМЕНА РЕПЕТИТОРА, ЕСЛИ ЭТО НЕОБХОДИМО

375592 УЧЕНИКОВ ИЗ РАЗНЫХ СТРАН МИРА
уже сделали свой выбор

И вот, что УЧЕНИКИ ГОВОРЯТ
о наших репетиторах

Владимир Александрович Кузьмин

«

Тренинг у Кузьмина В. А. проходил в экстремальных условиях. Мой модем совершенно не держал соединение. За время часового тренинга связь прерывалась практически постоянно. Ясно, что в таких условиях чрезвычайно непросто чему-то учить. Однако Владимир Александрович проявил удивительную выдержку и терпение. Неоднократно он перезванивал мне на сотовый телефон, чтобы дать пояснения или комментарии. Ценой больших усилий нам удалось рассмотреть три программы: ConceptDraw MINDMAP Professional Ru, GeoGebra и Ultra Flash Video FLV Converter. Владимир Александрович открыл мне курс на платформе dist-tutor.info и научил подключать и настраивать Виртуальный кабинет, порекомендовав изучать возможности этого ресурса, чтобы постепенно уходить от использования Skype.

В итоге, занятие мне очень понравилось! Спокойное объяснение материала, дружелюбный настрой, подбадривание дистанционного ученика даже в самых непростых ситуациях — вот далеко не полный перечень качеств Владимира Александровича как дистанционного педагога. Мне следует учиться у такого замечательного репетитора!

«

Вячеслав Юрьевич Матыкин

Чулпан Равилевна Насырова

«

Я очень довольна репетитором по химии. Очень хороший подход к ученику,внятно объясняет. У меня появились сдвиги, стала получать хорошие оценки по химии. Очень хороший преподаватель. Всем , кто хочет изучать химию, советую только её !!!

«

Алина Крякина

Надежда Васильевна Токарева

«

Мы занимались с Надеждой Васильевной по математике 5 класса. Занятия проходили в удобное для обоих сторон время. Если необходимо было дополнительно позаниматься во внеурочное время, Надежда Васильевна всегда шла навстречу. Ей можно было позванить, чтобы просто задать вопрос по непонятной задачке из домашнего задания. Моя дочь существенно подняла свой уровень знаний по математике и начала демонстрировать хорошие оценки. Мы очень благодарны Надежде Васильевне за помощь в этом учебном году, надеемся на продолжение отношений осенью.

«

Эльмира Есеноманова

Ольга Александровна Мухаметзянова

«

Подготовку к ЕГЭ по русскому языку мой сын начал с 10 класса. Ольга Александровна грамотный педагог, пунктуальный, ответственный человек. Она всегда старается построить занятие так, чтобы оно прошло максимально плодотворно и интересно. Нас абсолютно все устраивает в работе педагога. Сотрудничество приносит отличные результаты, и мы его продолжаем. Спасибо.

«

Оксана Александровна

Клиентам

• Репетиторы по математике
• Репетиторы по русскому языку
• Репетиторы по химии
• Репетиторы по биологии
• Репетиторы английского языка
• Репетиторы немецкого языка

Репетиторам

• Регистрация
• Публичная оферта
• Библиотека
• Бан-лист репетиторов

Партнеры

• ChemSchool
• PREPY. RU
• Class

Глава 23. Закон электромагнитной индукции

Если в магнитном поле находится замкнутый проводящий контур, не содержащий источников тока, то при изменении магнитного поля в контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Появление тока свидетельствует о возникновении в контуре электрического поля, которое может обеспечить замкнутое движение электрических зарядов или, другими словами, о возникновении ЭДС. Электрическое поле, которое возникает при изменении поля магнитного и работа которого при перемещении зарядов по замкнутому контуру не равна нулю, имеет замкнутые силовые линии и называется вихревым.

Для количественного описания электромагнитной индукции вводится понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции) через замкнутый контур. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (а только такие ситуации и могут встретиться школьникам на едином государственном экзамене), магнитный поток определяется как

(23. 1)

где — индукция поля, — площадь контура, — угол между вектором индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура (см. рисунок; перпендикуляр к плоскости контура показан пунктиром). Единицей магнитного потока в международной системе единиц измерений СИ является Вебер (Вб), который определяется как магнитный поток через контур площади 1 м² однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл, перпендикулярной плоскости контура.

Величина ЭДС индукции , возникающая в контуре при изменении магнитного потока через этот контур, равна скорости изменения магнитного потока

(23.2)

Здесь — изменение магнитного потока через контур за малый интервал времени . Важным свойством закона электромагнитной индукции (23.2) является его универсальность по отношению к причинам изменения магнитного потока: магнитный поток через контур может меняться из-за изменения индукции магнитного поля, изменения площади контура или изменения угла между вектором индукции и нормалью, что происходит при вращении контура в поле. Во всех этих случаях по закону (23.2) в контуре будет возникать ЭДС индукции и индукционный ток.

Знак минус в формуле (23.2) «отвечает» за направление тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (правило Ленца). Однако понять на языке закона (23.2), к какому направлению индукционного тока приведет этот знак при том или ином изменении магнитного потока через контур, не так-то просто. Но достаточно легко запомнить результат: индукционный ток будет направлен таким образом, что созданное им магнитное поле будет «стремиться» компенсировать то изменение внешнего магнитного поля, которое этот ток и породило. Например, при увеличении потока внешнего магнитного поля через контур в нем возникнет индукционный ток, магнитное поле которого будет направлено противоположно внешнему магнитному полю так, чтобы уменьшить внешнее поле и сохранить, таким образом, первоначальную величину магнитного поля. При уменьшении потока поля через контур поле индукционного тока будет направлено так же, как и внешнее магнитное поле.

Если в контуре с током ток в силу каких-то причин изменяется, то изменяется и магнитный поток через контур того магнитного поля, которое создано самим этим током. Тогда по закону (23.2) в контуре должна возникать ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в некоторой электрической цепи в результате изменения тока в самой этой цепи называется самоиндукцией. Для нахождения ЭДС самоиндукции в некоторой электрической цепи необходимо вычислить поток магнитного поля, создаваемого этой цепью через нее саму. Такое вычисление представляет собой сложную проблему из-за неоднородности магнитного поля. Однако одно свойство этого потока является очевидным. Поскольку магнитное поле, создаваемого током в цепи, пропорционально величине тока, то и магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в этой цепи

(23.3)

где — сила тока в цепи, — коэффициент пропорциональности, который характеризует «геометрию» цепи, но не зависит от тока в ней и называется индуктивностью этой цепи. Единицей индуктивности в международной системе единиц СИ является Генри (Гн). 1 Гн определяется как индуктивность такого контура, поток индукции собственного магнитного поля через который равен 1 Вб при силе тока в нем 1 А. С учетом определения индуктивности (23.3) из закона электромагнитной индукции (23.2) получаем для ЭДС самоиндукции

(23.4)

Благодаря явлению самоиндукции ток в любой электрической цепи обладает определенной «инерционностью» и, следовательно, энергией. Действительно, для создания тока в контуре необходимо совершить работу по преодолению ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током и равна этой работе. Необходимо запомнить формулу для энергии контура с током

(23.5)

где — индуктивность контура, — сила тока в нем.

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике. На нем основано создание электрического тока в электрических генераторах и электростанциях. Благодаря закону электромагнитной индукции происходит преобразование механических колебаний в электрические в микрофонах. На основе закона электромагнитной индукции работает, в частности, электрическая цепь, которая называется колебательным контуром (см. следующую главу), и которая является основой любой радиопередающей или радиопринимающей техники.

Рассмотрим теперь задачи.

Из перечисленных в задаче 23.1.1 явлений только одно есть следствие закона электромагнитной индукции — появление тока в кольце при проведении сквозь него постоянного магнита (ответ 3). Все остальное — результат магнитного взаимодействия токов.

Как указывалось во введении к настоящей главе, явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора переменного тока (задача 23.1.2), т.е. прибора, создающего переменный ток, заданной частоты (ответ 2).

Индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается с увеличением расстояния до него. Поэтому при приближении магнита к кольцу (задача 23.1.3) поток индукции магнитного поля магнита через кольцо изменяется, и в кольце возникает индукционный ток. Очевидно, это будет происходить при приближении магнита к кольцу и северным, и южным полюсом. А вот направление индукционного тока в этих случаях будет различным. Это связано с тем, что при приближении магнита к кольцу разными полюсами, поле в плоскости кольца в одном случае будет направлено противоположно полю в другом. Поэтому для компенсации этих изменений внешнего поля магнитное поле индукционного тока должно быть в этих случаях направлено по-разному. Поэтому и направления индукционных токов в кольце будут противоположными (ответ 4).

Для возникновения ЭДС индукции в кольце необходимо, чтобы менялся магнитный поток через кольцо. А поскольку магнитная индукция поля магнита зависит от расстояния до него, то в рассматриваемом в задаче 23.1.4 случае поток через кольцо будет меняться, в кольце возникнет индукционный ток (ответ 1).

При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает. В рамке 2 индукционный ток возникнет: в положении показанном на рисунке, магнитный поток через нее равен нулю, когда рамка повернется на четверть оборота — будет равен , где — индукция, — площадь рамки. Еще через четверть оборота поток снова будет равен нулю и т.д. Поэтому поток магнитной индукции через рамку 2 изменяется в процессе ее вращения, следовательно, в ней возникает индукционный ток (ответ 2).

В задаче 23.1.6 индукционный ток возникает только в случае 2 (ответ 2). Действительно, в случае 1 рамка при движении остается на одном и том же расстоянии от проводника, и, следовательно, магнитное поле, созданное этим проводником в плоскости рамки, не изменяется. При удалении рамки от проводника магнитная индукция поля проводника в области рамки изменяется, меняется магнитный поток через рамку, и возникает индукционный ток

В законе электромагнитной индукции утверждается, что индукционный ток в кольце будет течь в такие моменты времени, когда изменяется магнитный поток через это кольцо. Поэтому пока магнит покоится около кольца (задача 23.1.7) индукционный ток в кольце течь не будет. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

Согласно закону электромагнитной индукции (23.2) ЭДС индукции в рамке определяется скоростью изменения магнитного потока через нее. А поскольку по условию задачи 23.1.8 индукция магнитного поля в области рамки изменяется равномерно, скорость ее изменения постоянна, величина ЭДС индукции не изменяется в процессе проведения опыта (ответ 3).

В задаче 23.1.9 ЭДС индукции, возникающая в рамке во втором случае, вчетверо больше ЭДС индукции, возникающей в первом (ответ 4). Это связано с четырехкратным увеличением площади рамки и, соответственно, магнитного потока через нее во втором случае.

В задаче 23.1.10 во втором случае в два раза увеличивается скорость изменения магнитного потока (индукция поля меняется на ту же величину, но за вдвое меньшее время). Поэтому ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в рамке во втором случае, в два раза больше, чем в первом (ответ 1).

При увеличении тока в замкнутом проводнике в два раза (задача 23.2.1), величина индукции магнитного поля возрастет в каждой точке пространства в два раза, не изменившись по направлению. Поэтому ровно в два раза изменится магнитный поток через любую малую площадку и, соответственно, и весь проводник (ответ 1). А вот отношение магнитного потока через проводник к току в этом проводнике, которое и представляет собой индуктивность проводника , при этом не изменится (задача 23.2.2 — ответ 3).

Используя формулу (23.3) находим в задаче 32.2.3 Гн (ответ 4).

Связь между единицами измерений магнитного потока, магнитной индукции и индуктивности (задача 23.2.4) следует из определения индуктивности (23.3): единица магнитного потока (Вб) равна произведению единицы тока (А) на единицу индуктивности (Гн) — ответ 3.

Согласно формуле (23.5) при двукратном увеличении индуктивности катушки и двукратном уменьшении тока в ней (задача 23. 2.5) энергия магнитного поля катушки уменьшится в 2 раза (ответ 2).

Когда рамка вращается в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку меняется из-за изменения угла между перпендикуляром к плоскости рамки и вектором индукции магнитного поля. А поскольку и в первом и втором случае в задаче 23.2.6 этот угол меняется по одному и тому же закону (по условию частота вращения рамок одинакова), то ЭДС индукции меняются по одному и тому же закону, и, следовательно, отношение амплитудных значений ЭДС индукции в рамках равно единице (ответ 2).

Магнитное поле, создаваемое проводником с током в области рамки (задача 23.2.7), направлено «от нас» (см. решение задач главы 22). Величина индукции поля провода в области рамки при ее удалении от провода будет уменьшаться. Поэтому индукционный ток в рамке должен создать магнитное поле, направленное внутри рамки «от нас». Используя теперь правило буравчика для нахождения направления магнитной индукции, заключаем, что индукционный ток в рамке будет направлен по часовой стрелке (ответ 1).

При увеличении тока в проводе будет возрастать созданное им магнитное поле и в рамке возникнет индукционный ток (задача 23.2.8). В результате возникнет взаимодействие индукционного тока в рамке и тока в проводнике. Чтобы найти направление этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) можно найти направление индукционного тока, а затем по формуле Ампера силу взаимодействия рамки с проводом. Но можно поступить и по-другому, используя правило Ленца. Все индукционные явления должны иметь такое направление, чтобы компенсировать вызывающую их причину. А поскольку причина — увеличение тока в рамке, сила взаимодействия индукционного тока и провода должна стремиться уменьшить магнитный поток поля провода через рамку. А поскольку магнитная индукция поля провода убывает с увеличением расстояния до него, то эта сила будет отталкивать рамку от провода (ответ 2). Если бы ток в проводе убывал, то рамка притягивалась бы к проводу.

Задача 23.2.9 также связана с направлением индукционных явлений и правилом Ленца. При приближении магнита к проводящему кольцу в нем возникнет индукционный ток, причем направление его будет таким, чтобы компенсировать вызывающую его причину. А поскольку эта причина — приближение магнита, кольцо будет отталкиваться от него (ответ 2). Если магнит отодвигать от кольца, то по тем же причинам возникло бы притяжение кольца к магниту.

Задача 23.2.10 — единственная вычислительная задача в этой главе. Для нахождения ЭДС индукции нужно найти изменение магнитного потока через контур . Это можно сделать так. Пусть в некоторый момент времени перемычка находилась в положении, показанном на рисунке, и пусть прошел малый интервал времени . За этот интервал времени перемычка переместится на величину . Это приведет к увеличению площади контура на величину . Поэтому изменение магнитного потока через контур будет равно , а величина ЭДС индукции (ответ 4).

Компас внутри: вы хотели бы чувствовать магнитные поля?

• Джейсон Голдман
• BBC Future

23 мая 2017

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, iStock

Как мы знаем, некоторые животные ориентируются по магнитному полю Земли. А может, мы тоже так умеем, просто об этом не задумываемся? Обозреватель BBC Future рассказывает о скрытых возможностях людей и зверей.

В 2006 году Стив Хэуорт, биохакер из Аризоны, совершил надрез на безымянном пальце Куинн Нортон, поместил туда небольшой магнит из редкоземельных металлов и зашил.

«Когда я трогаю телефонный шнур или провожу рукой по определенным частям ноутбука, палец начинает покалывать», — сказала она в интервью радиоканалу NPR (а перед этим написала о своем эксперименте статью для издания Wired).

«Иногда потянусь за чем-нибудь, а палец начинает покалывать — значит, рядом телефонный провод. В таких проводах не очень высокое напряжение, но и изоляции у них почти нет. Поэтому поле вокруг них ощущается особенно сильно», — рассказывает она.

Автор фото, iStock

Подпись к фото,

Даже низковольтный телефонный провод вызывает у Куинн Нортон покалывание в пальце

Нортон не стремилась стать супергероем — ее вовсе не прельщало перемещать предметы на расстоянии, как Магнето из «Людей Икс», или что-нибудь еще в этом роде.

Она просто хотела попробовать научиться чувствовать магнитные поля.

• Опасно ли будить лунатиков
• Правда ли, что есть на ходу вредно?
• Загадки ушной серы: зачем она нам?
• Феромоны: секрет сексуальной привлекательности или заблуждение?

Как ей помог магнит?

В кончике пальца тысячи рецепторов — нервных окончаний, передающих в мозг информацию о том, к чему вы прикасаетесь.

При попадании в магнитное поле имплантированный в палец крохотный магнит может начать чуть-чуть двигаться или вибрировать — и этого будет достаточно, чтобы активировать нервные окончания.

Конечно, мы круглые сутки находимся в водовороте разных магнитных полей — они есть у Земли, Солнца, у каждого холодильника, лампочки, смартфона и телевизионного пульта.

Электричество и магнетизм неразрывно связаны, поэтому магнитное поле возникает везде, где есть электрический ток, — и наоборот.

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Но биохакерский проект Хэуорта и Нортон и не предусматривал того, чтобы человек начал видеть все эти поля разом.

Как Нортон пояснила в радиоинтервью, ей чаще всего приходилось прикоснуться к предмету, чтобы почувствовать его магнитное поле.

Животным гораздо проще. Еще в конце 1960-х ученые выяснили, что некоторые птицы определяют направление перелета, ориентируясь по магнитному полю Земли. И они обходятся без хирургических операций — за них всё сделала эволюция.

Например, у малиновки (зарянки) в клетках сетчатки есть такое вещество, как криптохром, которое регулирует чувствительность зрительных нервов в зависимости от магнитного поля.

Благодаря этому часть картинки становится темнее, а часть светлее — птичка буквально видит магнитное поле Земли. И она в этом не одинока.

У голубей есть чувствительные к магнитному полю нейроны, а головастые морские черепахи ориентируются по магнитным полям при миграции.

Лисы предположительно используют магнитную чувствительность при охоте. Собаки, справляя нужду, стараются вставать по оси север — юг.

Коровы же поссорили зоологов, которые не могут договориться о том, выстраиваются ли стада коров (и оленей) вдоль линий магнитного поля.

Автор фото, fotoVoyager

Подпись к фото,

Неужели эти коровы чувствуют что-то, что нам недоступно?

Получается, магниторецепция (умение чувствовать магнитные поля) — вовсе не редкость в царстве животных. Напрашивается вопрос: а как же человек?

Если бы магнит от холодильника прилипал к руке, мы бы это, конечно, заметили.

Но не стоит исключать, что магнитные поля влияют на нас менее заметным образом — может быть, даже помимо нашего сознания.

В 1980 году британский зоолог Робин Бейкер опубликовал отчет о серии экспериментов, которые стали известны как манчестерские.

«При перемещении в другое место многие виды животных могут определить, в каком направлении следует двигаться, чтобы вернуться», — писал он в журнале Science.

Аналогичные эксперименты с людьми показали, что у них есть похожая способность.

Бейкер был уверен, что люди находят «дорогу домой» не за счет построения внутренней карты или чего-либо подобного.

Для него вывод был очевиден: homo sapiens умеет чувствовать магнитное поле Земли.

Студентов Манчестерского университета загружали в минифургоны группами от пяти до одиннадцати человек. После этого им завязывали глаза и везли «по извилистой дороге» от шести до 52 километров.

Когда студента выводили из фургона и разрешали снять повязку с глаз, его просили указать направление в сторону университета, назвав сторону света — например, «север» или «юго-восток».

Бейкер повторил этот эксперимент десять раз с десятью группами студентов, и в среднем они действительно чаще указывали в верном направлении (или близком к нему), чем в противоположном.

Затем Бейкер повторил эксперимент еще раз, по просьбе одной из телепередач.

На этот раз у половины участников к затылку был пристегнут магнит. Другой половине дали кусочек меди, не обладающий магнитными свойствами, но для чистоты эксперимента тоже сказали, что это магнит.

Те, у кого к затылку была приложена медь, чаще указывали в нужную сторону, как и участники первого эксперимента.

Те же, кому достались настоящие магниты, путали направление, что позволило сделать вывод, что на выявленную способность ориентироваться в пространстве легко повлиять.

Автор фото, Josh Clark/Flickr/CC BY Sa

Подпись к фото,

Наличие молекул магнетита в мозге человека и криптохрома в тканях сетчатки — доводы в пользу гипотезы о том, что мы тоже чувствуем магнитные поля

Хотя манчестерские эксперименты и не стали однозначным доказательством того, что у человека есть магнеторецепция, они послужили стимулом для дальнейшей работы в этой области.

Ученые по всему миру провели десятки исследований, стремясь воспроизвести полученные Бейкером результаты. Но это оказалось не так просто.

Например, биологи Джеймс Гулд и Кеннет Эйбл восемь раз пытались получить обнаруженный Бейкером эффект, но не смогли.

«Отсутствие результата в каждом из проведенных экспериментов свидетельствует о том, что рассматриваемое явление носит более сложный и непостоянный характер, чем ожидалось», — написали они в журнале Science.

Даже пригласив самого Бейкера в Нью-Джерси, чтобы он помог организовать эксперименты надлежащим образом, авторам не удалось выявить какие-либо признаки магнеторецепции.

Однако в 1987 году Бейкер провел метаанализ, в котором пришел к выводу, что если объединить данные всех неудачных экспериментов, предпринятых в Великобритании, США и Австралии, просматривается именно та закономерность, о которой он писал.

Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, как толковать результаты «манчестерских экспериментов».

Бесспорно одно: у нас в мозге и костях есть минеральное вещество магнетит, а в клетках сетчатки содержится криптохром — следовательно, не исключено, что наш организм тоже реагирует на магнитные поля. Исследователи продолжают искать подтверждение этой гипотезы.

Иными словами, даже если у нас есть хоть какое-то «магнитное чувство», доказать его наличие непросто.

Похоже, что пока самый верный способ продемонстрировать такую сверхспособность — имплантировать в кончики пальцев по магниту. Но мы настоятельно не рекомендуем это делать.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

Магнитное поле Земли: объяснение | Космос

Магнитное поле Земли генерируется глубоко внутри Земли и распространяется в космос. (Изображение предоставлено Elen11 через Getty Images.)

Магнитное поле Земли, также известное как геомагнитное поле, генерируется внутри нашей планеты и распространяется в космос, создавая область, известную как магнитосфера.

Без магнитного поля жизнь на Земле , какой мы ее знаем, была бы невозможна, поскольку она защищает всех нас от постоянной бомбардировки заряженными частицами, испускаемыми из солнце — солнечный ветер. (Чтобы узнать, что происходит с планетой, когда она теряет свое магнитное поле, достаточно взглянуть на Марс.)

Земля имеет два набора полюсов: географический полюс и магнитный полюс. Магнитное поле Земли можно визуализировать, если представить себе большой стержневой магнит внутри нашей планеты, примерно выровненный с земной осью. Каждый конец магнита расположен относительно близко (около 10 градусов) к географическим северному и южному полюсам. Линии невидимого магнитного поля Земли движутся по замкнутому непрерывному контуру и почти вертикальны на каждом магнитном полюсе.

Связанный: Событие Кэррингтона: величайшая солнечная буря в истории

Географические северный и южный полюса находятся там, где линии долготы сходятся согласно ГИС География (открывается в новой вкладке). Географический Северный полюс расположен посреди Северного Ледовитого океана, а географический Южный полюс находится в Антарктиде.

Магнитные полюса расположены там, где магнитные линии притяжения входят в Землю. Северный магнитный полюс, также известный как Северный полюс погружения, в настоящее время находится на острове Элсмир в Северной Канаде. Когда магнитный компас указывает на север, он выравнивается с магнитным полем Земли и указывает на Северный магнитный полюс, а не на Северный географический полюс, который на самом деле находится примерно в 310 милях (500 километров) согласно Географии ГИС!

Линии магнитного поля Земли движутся по непрерывным замкнутым петлям. (Изображение предоставлено VectorMine через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

И чтобы еще больше запутать ситуацию, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом… потерпите меня в этом. Источники магнитного поля диполярны, то есть имеют северный и южный полюса. А когда дело доходит до магнитов, противоположные полюса (N и S) притягиваются, а другие полюса (N и N, S и S) отталкиваются. Поэтому, когда компас указывает на север, он на самом деле притягивается к южному магнитному полюсу, который находится недалеко от географического северного полюса, согласно веб-сайту часто задаваемых вопросов физика Кристофера Бэрда (открывается в новой вкладке) «Удивительные вопросы с неожиданными ответами».

В отличие от географических полюсов, магнитные полюса Земли не являются фиксированными и имеют тенденцию со временем блуждать. Британский полярный исследователь Джеймс Кларк Росс впервые обнаружил магнитный Северный полюс на полуострове Бутис на территории канадского Нунавута в 1831 году, согласно антарктическому туристическому сайту Antarctic Logistics . По данным Королевских музеев Гринвича, с момента своего открытия северный магнитный полюс перемещается примерно на 25 миль (40 километров) в год в северо-западном направлении . Более того, магнитные полюса Земли также «перевернулись», в результате чего север стал югом, а юг — севером. Эти перевороты магнитного поля происходят с нерегулярными интервалами каждые 200 000 лет или около того.

Что вызывает магнитное поле Земли?

Магнитное поле Земли генерируется так называемым процессом геодинамо. Согласно National Geographic , для того чтобы планета генерировала собственное магнитное поле в процессе геодинамо, она должна обладать следующими характеристиками:

• Планета вращается достаточно быстро
• Внутри нее должна быть жидкая среда  
• Внутренняя жидкость должна обладать способностью проводить электричество
• Ядро должно иметь внутренний источник энергии, который приводит в движение конвекционные потоки внутри жидкости.

Генерация магнитного поля Земли происходит глубоко внутри Земли, точнее в слое, известном как внешнее ядро. По данным Геологической службы США , здесь конвективная энергия медленно движущегося расплавленного железа преобразуется в электрическую и магнитную энергию. Затем магнитное поле индуцирует электрические токи, которые, в свою очередь, генерируют собственное магнитное поле, которое индуцирует больше электрических токов в петле положительной обратной связи.

Как магнитное поле защищает Землю?

Магнитосфера Земли помогает защитить Землю от вредной космической погоды. (Изображение предоставлено: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)

Наш защитный магнитный «пузырь», известный как магнитосфера, защищает нас от вредной космической погоды, такой как солнечный ветер. Без магнитосферы солнечный ветер разрушил бы нашу атмосферу, лишив нашу планету живительного воздуха, которым мы дышим.

По данным НАСА , магнитосфера также защищает Землю от большого количества излучения частиц, испускаемого во время событий выброса корональной массы (CME), а также от космических лучей — фрагментов атомов — падающих на Землю дождем из глубокое пространство. Магнитосфера отталкивает вредную энергию от Земли и удерживает ее в зонах, называемых радиационными поясами Ван Аллена. Эти радиационные пояса в форме пончика могут увеличиваться, когда солнечная активность увеличивается.

Но наш защитный щит не совсем непобедим.

Сообщения по теме:

Во время особенно сильных явлений космической погоды, таких как сильный солнечный ветер или крупные корональные выбросы, магнитное поле Земли нарушается, и геомагнитные бури могут проникать в магнитосферу и приводить к широкомасштабным отключениям радио- и энергоснабжения, а также подвергать опасности астронавтов и Землю. орбитальные спутники.

В 1859 году сильная солнечная буря, известная как Кэррингтонское событие, вызвала массовые отказы телеграфной системы, а в 1989, CME сопровождал солнечных вспышек и погрузил всю провинцию Квебек, Канада, в электрическое отключение, которое длилось около 12 часов, согласно заявлению НАСА .

Степень магнитного возмущения от КВМ зависит от магнитного поля КВМ и Земли. Если магнитное поле CME выровнено с полем Земли, направленное с юга на север, CME пройдет мимо с небольшим эффектом. Однако, если CME выровнен в противоположном направлении, это может привести к реорганизации магнитного поля Земли , вызывая сильные геомагнитные бури.

Менее разрушительным и гораздо более красивым побочным эффектом возмущений магнитосферы является полярное сияние над полярными регионами Земли. Это явление известно как северное сияние (Aurora Borealis) в Северном полушарии и Южное сияние (Aurora australis) в Южном полушарии.

Возмущения в магнитном поле Земли направляют ионы вниз к полюсам Земли, где они сталкиваются с атомами кислорода и азота в земной атмосфере , создавая ослепительные световые шоу северного сияния.

КВМ могут вызвать сильные геомагнитные бури, которые приводят к впечатляющим полярным сияниям, подобным этому, изображенному на Аляске. (Изображение предоставлено: Noppawat Tom Charoensinphon через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Инверсия магнитных полюсов

По данным Science Daily (открывается в новой вкладке), только за последние 200 миллионов лет магнитные полюса Земли поменялись местами сотни раз раз в процессе, когда север становится югом, а юг становится севером.

По данным НАСА, магнитные полюса переворачиваются примерно каждые 200 000–300 000 лет , хотя с момента последнего переворота прошло более чем в два раза больше времени. Последнее переворот магнитного поля Земли произошло приблизительно 79 лет назад.0000 лет назад, так что мы скорее запоздали с другим. Но не волнуйтесь, магнитные полюса не поменяются за одну ночь, на смену полюсов могут уйти сотни или даже тысячи лет.

Магнитные поля других планет

Земля — не единственная планета в Солнечной системе, обладающая магнитным полем. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун демонстрируют магнитные поля, намного более сильные, чем у Земли, по данным Университета Юнион , хотя основные механизмы, управляющие этими магнитными полями, еще не полностью поняты.

Не каждой планете повезло иметь защитный магнитный слой. У Марса нет ни достаточного внутреннего тепла, ни жидкой внутренней части, необходимой для создания магнитного поля. Венера, с другой стороны, имеет жидкое ядро, но вращается недостаточно быстро, чтобы создать магнитное поле.

Дополнительные ресурсы

Если вы хотите узнать больше о том, как ученые исследуют внутреннюю часть нашей планеты и близлежащую космическую среду, даже не отрываясь от земли, ознакомьтесь с этими ресурсами (открывается в новой вкладке) Геологической службы США. Узнайте больше о магнитном поле Земли из этого короткого видео от Arbor Scientific (откроется в новой вкладке). Более подробно изучите магнитные и географические полюса в рамках Австралийской антарктической программы (откроется в новой вкладке).

Библиография

Baird, CS (15 ноября 2013 г.). Почему магнитный компас указывает на географический северный полюс? Научные вопросы с неожиданными ответами. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.wtamu.edu/~cbaird/sq/2013/11/15/why-does-a- Magnetic-compass-point-to-the-geographic-north-pole/ (открывается в новом вкладка)

Буис, А. (3 августа 2021 г.). Магнитосфера Земли: защита нашей планеты от вредной космической энергии – изменение климата: жизненно важные признаки планеты. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.climate.nasa.gov/news/3105/earths-magnetosphere-protecting-our-planet-from-harmful-space-energy/ (открывается в новой вкладке)

Есть ли у других планет магнитные поля, как у нашей Земли? Союзный университет. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.uu.edu/dept/physics/scienceguys/2004Sept.cfm (открывается в новой вкладке)

Внутреннее пространство Земли. Национальное географическое общество. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.education.nationalgeographic.org/resource/core (открывается в новой вкладке)

Fox, KC (9 июня 2015 г.). Новый инструмент может отслеживать космическую погоду за 24 часа до достижения Земли. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.nasa.gov/feature/goddard/new-tool-could-track-space-weather-24-hours-before-reaching-earth (открывается в новой вкладке)

Магнитный север против географического (истинного) северного полюса. География ГИС. (27 мая 2022 г.). Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.gisgeography. com/ Magnetic-north-vs-geographic-true-pole/ (открывается в новой вкладке)

НАСА. (30 ноября 2011 г.). 2012: Инверсия магнитного полюса происходит все (геологическое) время. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.nasa.gov/topics/earth/features/2012-poleReversal.html (открывается в новой вкладке)

Odenqald, S. (13 марта 2009 г.). День, когда солнце принесло тьму. НАСА. Получено 4 июля 2022 г. с https://www.nasa.gov/topics/earth/features/sun_darkness.html (открывается в новой вкладке)

РМГ. Экспедиция Джона и Джеймса Кларк Росс по Северо-Западному проходу 1829–1833 гг. Королевские музеи Гринвича. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.rmg.co.uk/stories/topics/john-james-clarke-ross-north-west-passage-expedition-1829-33 (открывается в новой вкладке)

ScienceDaily. (28 декабря 2009 г.). Пока мир вращается: жидкое внешнее ядро ​​Земли медленно «перемешивается» серией волн длиной в десятилетия. ScienceDaily. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.sciencedaily.com/releases/2009/12/091223222743. htm (открывается в новой вкладке)

Сэр Джеймс Кларк Росс. Антарктическая логистика и экспедиции. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.antarctic-logistics.com/2010/08/28/sir-james-clark-ross/ (открывается в новой вкладке)

USGS. Как ядро ​​Земли генерирует магнитное поле? USGS. Получено 4 июля 2022 г. с сайта www.usgs.gov/faqs/how-does-earths-core-generate- Magnetic-field (открывается в новой вкладке)

.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0003

Vital Signs of the Planet

Магнитосфера Земли, как она выглядела бы, если бы у нас были «очки магнитного поля». Форма создается взаимодействием солнечного ветра с собственным магнитным полем Земли. Предоставлено: Калифорнийский университет Риджентс

Алан Буис,
Лаборатория реактивного движения НАСА

Среди четырех скалистых планет в нашей Солнечной системе можно сказать, что «магнитная» индивидуальность Земли вызывает зависть у ее межпланетных соседей.

В отличие от Меркурия, Венеры и Марса, Земля окружена огромным магнитным полем, называемым магнитосферой. Созданная мощными динамическими силами в центре нашего мира, наша магнитосфера защищает нас от эрозии нашей атмосферы солнечным ветром (заряженные частицы, которые наше Солнце постоянно извергает в нас), эрозии и излучения частиц от выбросов корональной массы (массивные облака энергетических намагниченная солнечная плазма и излучение), а также космические лучи из дальнего космоса. Наша магнитосфера играет роль привратника, отталкивая эту нежелательную энергию, вредную для жизни на Земле, удерживая большую ее часть на безопасном расстоянии от поверхности Земли в двойных зонах в форме пончиков, называемых поясами Ван Аллена.

Воздействие космической погоды. 1 кредит

Но магнитосфера Земли не является идеальной защитой. Изменения солнечного ветра могут нарушить его, что приведет к «космической погоде» — геомагнитным бурям, которые могут проникать в нашу атмосферу, угрожая космическим кораблям и астронавтам, нарушая работу навигационных систем и нанося ущерб энергосистемам. С положительной стороны, эти бури также производят эффектное северное сияние на Земле. Солнечный ветер создает временные трещины в щите, позволяя некоторой энергии ежедневно проникать на поверхность Земли. Однако, поскольку эти вторжения кратковременны, они не вызывают серьезных проблем.

Это изображение красочного полярного сияния было получено в Дельта-Джанкшн, Аляска, 10 апреля 2015 года. Все полярные сияния создаются энергичными электронами, которые падают дождем из магнитного пузыря Земли и взаимодействуют с частицами в верхних слоях атмосферы, создавая светящиеся огни, которые тянутся через небо. Предоставлено: Изображение предоставлено Себастьяном Саарлоосом.

Получите новости НАСА об изменении климата: Подпишитесь на информационный бюллетень »

Поскольку силы, создающие магнитное поле Земли, постоянно меняются, само поле также находится в постоянном движении, его сила то растет, то ослабевает со временем. Это приводит к тому, что положение северного и южного магнитных полюсов Земли постепенно смещается и полностью меняется примерно каждые 300 000 лет или около того. Вы можете узнать, почему изменения и сдвиги полярности магнитного поля не влияют на климат во временных масштабах человеческой жизни и не являются причиной недавнего наблюдаемого потепления Земли 9.0135 здесь .

Запущенная в ноябре 2013 года Европейским космическим агентством (ЕКА) группировка из трех спутников Swarm позволяет по-новому взглянуть на работу глобального магнитного поля Земли. Магнитное поле, создаваемое движением расплавленного железа в ядре Земли, защищает нашу планету от космического излучения и заряженных частиц, испускаемых нашим Солнцем. Он также обеспечивает основу для навигации с помощью компаса.

Основанное на данных Swarm, верхнее изображение показывает среднюю напряженность магнитного поля Земли на поверхности (измеряемую в нанотеслах) в период с 1 января по 30 июня 2014 года. Второе изображение показывает изменения этого поля за тот же период. Хотя цвета на втором изображении такие же яркие, как и на первом, обратите внимание, что самые большие изменения были плюс-минус 100 нанотесла в поле, которое достигает 60 000 нанотесла. Предоставлено: Европейское космическое агентство/Технический университет Дании (ESA/DTU Space).

Чтобы понять силы, которые управляют магнитным полем Земли, сначала нужно очистить четыре основных слоя земной «луковицы» (твердой Земли):

1. Кора, в которой мы живем, составляет около 19 миль (31 километров) в среднем на суше и около 3 миль (5 километров) на дне океана.
2. Мантия, горячая вязкая смесь расплавленной породы толщиной около 1800 миль (2900 километров).
3. Внешнее ядро ​​толщиной около 1400 миль (2250 километров), состоящее из расплавленного железа и никеля.
4. Внутреннее ядро, твердая сфера толщиной примерно 759 миль (1221 км) из железа и никеля, примерно такая же горячая, как поверхность Солнца.

Внутренняя структура Земли: плотное твердое металлическое ядро, вязкое металлическое внешнее ядро, мантия и силикатная кора. Кредит: НАСА

Почти все геомагнитное поле Земли создается в жидком внешнем ядре. Подобно кипящей воде в печи, конвективные силы (которые перемещают тепло из одного места в другое, обычно через воздух или воду) постоянно взбивают расплавленные металлы, которые также закручиваются водоворотами, движимыми вращением Земли. Когда эта вращающаяся масса металла движется вокруг, она генерирует электрические токи шириной в сотни миль, которые текут со скоростью тысячи миль в час по мере вращения Земли. Этот механизм, отвечающий за поддержание магнитного поля Земли, известен как геодинамо.

Иллюстрация динамо-механизма, создающего магнитное поле Земли: конвекционные токи жидкого металла во внешнем ядре Земли, приводимые в движение тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в рулоны силой Кориолиса, создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле. Предоставлено: Эндрю З. Колвин, CC BY-SA 4.0, через Викисклад.

На поверхности Земли магнитное поле образует два полюса (диполь). Северный и южный магнитные полюса имеют противоположные положительные и отрицательные полярности, как стержневой магнит. Невидимые линии магнитного поля движутся по замкнутой непрерывной петле, втекая в Землю на северном магнитном полюсе и выходя на южном магнитном полюсе. Солнечный ветер сжимает форму поля на стороне Земли, обращенной к Солнцу, и вытягивает его в длинный хвост на стороне, обращенной к ночи.

Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. Прямые наблюдения магнитного поля ведутся всего несколько столетий назад, поэтому ученые полагаются на косвенные доказательства. Магнитные минералы в древних ненарушенных вулканических и осадочных породах, озерных и морских отложениях, потоках лавы и археологических артефактах могут выявить силу и направления магнитного поля, когда произошла инверсия магнитных полюсов и многое другое. Изучая глобальные свидетельства и данные со спутников и геомагнитных обсерваторий, а также анализируя эволюцию магнитного поля с помощью компьютерных моделей, ученые могут построить историю того, как поле менялось в течение геологического времени.

Простая визуализация магнитосферы Земли во время равноденствия. Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА. Земля окружена системой магнитных полей, называемой магнитосферой. Магнитосфера защищает нашу родную планету от вредного солнечного и космического излучения, но она может менять форму в ответ на поступающую от Солнца космическую погоду. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

срединно-океанических хребтов Земли, где формируются тектонические плиты, предоставляют палеомагнетикам данные примерно на 160 миллионов лет назад. Поскольку лава постоянно извергается из хребтов, она растекается и остывает, а содержащиеся в ней богатые железом минералы выравниваются с геомагнитным полем, указывая на север. Как только лава остывает примерно до 1300 градусов по Фаренгейту (700 градусов по Цельсию), сила и направление магнитного поля в это время «вмораживаются» в скалу. Эта запись магнитного поля может быть обнаружена путем отбора проб и радиометрического датирования породы.

Исследования магнитного поля Земли раскрыли большую часть ее истории.

Магнитные полосы вокруг срединно-океанических хребтов раскрывают историю магнитного поля Земли на протяжении миллионов лет. Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. 1 кредит

Например, мы знаем, что за последние 200 лет магнитное поле ослабло примерно на 9 процентов в среднем по миру. Тем не менее, палеомагнитные исследования показывают, что это поле на самом деле является самым сильным за последние 100 000 лет и в два раза превышает его среднее значение за миллион лет.

Мы также знаем, что в магнитосфере есть известное «слабое место», которое присутствует круглый год. Расположенная над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана, Южно-Атлантическая аномалия (ЮАА) представляет собой область, где солнечный ветер проникает ближе к поверхности Земли. Он создается комбинированным влиянием геодинамо и наклона магнитной оси Земли. Хотя заряженные солнечные частицы и частицы космических лучей внутри САА могут поджарить электронику космического корабля, они не влияют на жизнь на поверхности Земли.

Мы знаем, что положение магнитных полюсов Земли постоянно меняется. С тех пор, как в 1831 году он был впервые точно обнаружен офицером британского Королевского флота и полярным исследователем сэром Джеймсом Кларком Россом, положение северного магнитного полюса постепенно сместилось на северо-северо-запад более чем на 600 миль (1100 километров), а его поступательная скорость увеличилась с примерно от 10 миль (16 километров) в год до примерно 34 миль (55 километров) в год.

Магнитное поле Земли действует как защитный щит вокруг планеты, отталкивая и улавливая заряженные частицы от Солнца. Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана необычно слабое место в поле, называемое Южно-Атлантической аномалией, или ЮАА, позволяет этим частицам опускаться ближе к поверхности, чем обычно. В настоящее время SAA не оказывает видимого влияния на повседневную жизнь на поверхности. Однако недавние наблюдения и прогнозы показывают, что регион расширяется на запад и его интенсивность продолжает ослабевать. Южноатлантическая аномалия также представляет интерес для ученых НАСА, занимающихся изучением Земли, которые следят за изменениями магнитной силы там, как с точки зрения того, как такие изменения влияют на атмосферу Земли, так и как показатель того, что происходит с магнитными полями Земли глубоко внутри земного шара. Предоставлено: Студия научной визуализации НАСА.

Магнитные полюса Земли не совпадают с ее геодезическими полюсами, с которыми большинство людей более знакомы. Расположение геодезических полюсов Земли определяется осью вращения, вокруг которой вращается наша планета. Эта ось не вращается равномерно, как глобус на вашем столе. Вместо этого он слегка качается. Это приводит к тому, что положение истинного северного полюса со временем немного смещается. Этому блужданию способствуют многочисленные процессы на поверхности Земли и в ее недрах, но в первую очередь это связано с движением воды вокруг Земли. С тех пор, как начались наблюдения, положение оси вращения Земли сместилось в сторону Северной Америки примерно на 37 футов (12 метров), но не более чем на 7 дюймов (17 сантиметров) в год. Эти колебания не влияют на нашу повседневную жизнь, но их необходимо учитывать для получения точных результатов от глобальных навигационных спутниковых систем, спутников наблюдения Земли и наземных обсерваторий. Колебания могут рассказать ученым о прошлых климатических условиях, но они являются следствием изменений в континентальных запасах воды и ледяных щитов с течением времени, а не их причиной.

Северные полюса падения, наблюдаемые в период с 1831 по 2007 год, обозначены желтыми квадратами. Смоделированные положения полюсов с 1590 по 2020 год представляют собой круги, меняющиеся от синего до желтого. Наблюдаемые южные полюса падения в период с 1903 по 2000 год отмечены желтыми квадратами. Смоделированные положения полюсов с 1590 по 2020 год представляют собой круги, меняющиеся от синего до желтого. Кредит: NOAA/NCEI

Безусловно, самые драматические изменения, влияющие на магнитосферу Земли, — это инверсия полюсов. Во время инверсии полюсов северный и южный магнитные полюса Земли меняются местами. Хотя это может показаться чем-то большим, на самом деле смена полюсов в геологической истории Земли — обычное дело. Палеомагнитные записи, в том числе те, которые показывают изменения напряженности магнитного поля, говорят нам, что магнитные полюса Земли менялись местами 183 раза за последние 83 миллиона лет и по крайней мере несколько сотен раз за последние 160 миллионов лет. Временные интервалы между обращениями сильно колебались, но в среднем составляют около 300 000 лет, причем последнее произошло около 780 000 лет назад. Ученые не знают, что влияет на частоту инверсий полюсов, но это может быть связано с конвекционными процессами в мантии Земли.

Положения Северного магнитного полюса Земли. Показанные полюса представляют собой наклонные полюса, определяемые как положения, в которых направление магнитного поля является вертикальным. Красными кружками отмечены положения магнитного северного полюса, определенные прямым наблюдением; синими кружками отмечены позиции, смоделированные с использованием модели GUFM (1590–1890 гг.) и модели IGRF-12 (1900–2020 гг.) с шагом в один год. Для 1890–1900 годов была выполнена гладкая интерполяция между двумя моделями. Смоделированные местоположения после 2015 года являются прогнозами. Предоставлено: Cavit, CC BY 4.0, через Викисклад.

При смене полюса магнитное поле ослабевает, но не исчезает полностью. Магнитосфера вместе с атмосферой Земли по-прежнему продолжают защищать нашу планету от космических лучей и заряженных солнечных частиц, хотя небольшое количество твердых частиц может достигать поверхности Земли. Магнитное поле перемешивается, и на неожиданных широтах может появиться несколько магнитных полюсов.

Земля не всегда вращается вокруг оси, проходящей через ее полюса. Вместо этого он неравномерно колеблется с течением времени, дрейфуя в сторону Северной Америки на протяжении большей части 20-го века (зеленая стрелка). Это направление резко изменилось из-за изменения массы воды на Земле. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт. Примерно до 2000 года ось вращения Земли смещалась в сторону Канады (зеленая стрелка, левый глобус). Ученые Лаборатории реактивного движения рассчитали влияние изменений массы воды в разных регионах (в центре глобуса) на смещение направления дрейфа на восток и ускорение скорости (правый глобус). Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт. Взаимосвязь между массой континентальной воды и колебанием оси вращения Земли с востока на запад. Потери воды из Евразии соответствуют колебаниям на восток в общем направлении оси вращения (вверху), а притоки Евразии сдвигают ось вращения на запад (внизу). Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.

Никто точно не знает, когда может произойти следующая инверсия полюсов, но ученые знают, что это не произойдет за одну ночь. Вместо этого они происходят в течение сотен или тысяч лет. У ученых нет оснований полагать, что переворот неизбежен.

Геомагнитная полярность за последние 169 миллионов лет, уходящая в юрскую тихую зону. Темные области обозначают периоды нормальной полярности, светлые области обозначают обратную полярность. Кредит: общественное достояние Суперкомпьютерные модели магнитного поля Земли. Слева — нормальное диполярное магнитное поле, типичное для долгих лет между сменами полярности. Справа — своего рода сложное магнитное поле Земли во время инверсии. Предоставлено: Калифорнийский университет в Санта-Круз/Гэри Глатцмайер.

Наконец, существуют «геомагнитные экскурсии»: кратковременные, но значительные изменения напряженности магнитного поля, длящиеся от нескольких столетий до нескольких десятков тысяч лет. Экскурсии происходят примерно в 10 раз чаще, чем инверсии полюсов. Экскурсия может переориентировать магнитные полюса Земли на целых 45 градусов по сравнению с их предыдущим положением и уменьшить силу поля до 20 процентов. Экскурсионные мероприятия, как правило, носят региональный, а не глобальный характер. За последние 70 000 лет произошло три значительных экспансии: событие Норвежско-Гренландского моря около 64 500 лет назад, событие Лашампа между 42 000 и 41 000 лет назад и событие озера Моно около 34 500 лет назад.

геомагнитное поле | Определение, сила и факты

магнитное поле стержневого магнита

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Стэнли Кейт Ранкорн Эдвард Сабин Иоганн фон Ламонт Бальфур Стюарт Сидней Чепмен

Похожие темы:

магнитосфера полярное странствие геомагнитная буря электроструйный альфа-эффект

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

геомагнитное поле , магнитное поле, связанное с Землей. Он в основном диполярный (т. Е. У него два полюса, геомагнитный северный и южный полюса) на поверхности Земли. Вдали от поверхности диполь искажается.

Понимание геомагнитного поля Земли с помощью принципа динамо-эффекта

Посмотреть все видео к этой статье

В 1830-х годах немецкий математик и астроном Карл Фридрих Гаусс изучал магнитное поле Земли и пришел к выводу, что главная дипольная составляющая возникла внутри Земли, а не снаружи. Он продемонстрировал, что дипольная составляющая представляет собой убывающую функцию, обратно пропорциональную квадрату радиуса Земли, вывод, который заставил ученых размышлять о происхождении магнитного поля Земли с точки зрения ферромагнетизма (как в гигантском стержневом магните), различных теорий вращения, и различные теории динамо. Ферромагнетизм и теории вращения, как правило, дискредитированы: ферромагнетизм, потому что точка Кюри (температура, при которой разрушается ферромагнетизм) достигается всего на 20 или около того километров (около 12 миль) под поверхностью, а теории вращения, потому что, по-видимому, не существует фундаментальной связи между массой в движение и связанное с ним магнитное поле. Большинство геомагнетиков занимаются различными теориями динамо, согласно которым источник энергии в ядре Земли вызывает самоподдерживающееся магнитное поле.

Устойчивое магнитное поле Земли создается многими источниками, как над, так и под поверхностью планеты. От ядра наружу к ним относятся геомагнитное динамо, намагниченность земной коры, ионосферное динамо, кольцевой ток, ток магнитопаузы, хвостовой ток, продольные токи и авроральные, или конвективные, электроджеты. Геомагнитное динамо является наиболее важным источником, потому что без поля, которое оно создает, другие источники не существовали бы. Недалеко от поверхности Земли влияние других источников становится таким же или более сильным, чем влияние геомагнитного динамо. В последующем обсуждении рассматривается каждый из этих источников и объясняются соответствующие причины.

Магнитное поле Земли подвержено изменениям во всех временных масштабах. Каждый из основных источников так называемого устойчивого поля претерпевает изменения, вызывающие переходные вариации или возмущения. Основное поле имеет два основных возмущения: квазипериодические инверсии и вековые вариации. Ионосферное динамо возмущается сезонными изменениями и изменениями солнечного цикла, а также солнечными и лунными приливными эффектами. Кольцевой ток реагирует на солнечный ветер (ионизированную атмосферу Солнца, которая расширяется в космос и несет с собой солнечное магнитное поле), усиливаясь при наличии соответствующих условий солнечного ветра. С ростом кольцевого тока связано второе явление — магнитосферная суббуря, наиболее отчетливо проявляющаяся в северном сиянии. Совершенно другой тип магнитного склонения вызывается магнитогидродинамическими (МГД) волнами. Эти волны представляют собой синусоидальные колебания электрического и магнитного полей, связанные с изменениями плотности частиц. Они являются средством передачи информации об изменениях электрических токов как внутри ядра Земли, так и в окружающей ее среде заряженных частиц. Каждый из этих источников вариации также обсуждается отдельно ниже.

Наблюдения за магнитным полем Земли

Представление поля

Электрические и магнитные поля создаются фундаментальным свойством материи, электрическим зарядом. Электрические поля создаются зарядами, покоящимися относительно наблюдателя, тогда как магнитные поля создаются движущимися зарядами. Эти два поля являются различными аспектами электромагнитного поля, силы, которая вызывает взаимодействие электрических зарядов. Электрическое поле Е в любой точке вокруг распределения заряда определяется как сила, приходящаяся на единицу заряда, когда в эту точку помещается положительный пробный заряд. Для точечных зарядов электрическое поле направлено радиально от положительного заряда к отрицательному заряду.

Магнитное поле создается движущимися зарядами, т. е. электрическим током. Магнитная индукция B может быть определена аналогично E как пропорциональная силе на единицу силы полюса, когда тестовый магнитный полюс приближается к источнику намагничивания. Однако чаще его определяют уравнением силы Лоренца. Это уравнение утверждает, что сила, ощущаемая зарядом q , движущимся со скоростью v, равна F = q (vx B ).

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В этом уравнении жирным шрифтом обозначены векторы (количества, которые имеют как величину, так и направление), а нежирным шрифтом обозначены скалярные величины, такие как B , длина вектора B. X обозначает векторное произведение (т. е. вектор под прямым углом к ​​v и B, с длиной v B sin θ). Тета — это угол между векторами v и B. (B обычно называют магнитным полем, несмотря на то, что это название зарезервировано для величины H, которая также используется в исследованиях магнитных полей.) Для простого линейного тока поле имеет цилиндрическую форму вокруг тока. Направление поля зависит от направления тока, которое определяется как направление движения положительных зарядов. Правило правой руки определяет направление B, утверждая, что оно указывает в направлении пальцев правой руки, когда большой палец указывает в направлении тока.

В Международной системе единиц (СИ) электрическое поле измеряется скоростью изменения потенциала, вольт на метр (В/м). Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). Тесла является большой единицей для геофизических наблюдений, и обычно используется меньшая единица, нанотесла (нТл; один нанотесла равен 10 ^-9 тесла). Нанотесла эквивалентна одной гамме, единице, первоначально определенной как 10 ⁻⁵ гаусс, которая является единицей измерения магнитного поля в системе сантиметр-грамм-секунда. И гаусс, и гамма по-прежнему часто используются в литературе по геомагнетизму, хотя они больше не являются стандартными единицами.

Как электрические, так и магнитные поля описываются векторами, которые могут быть представлены в различных системах координат, таких как декартова, полярная и сферическая. В декартовой системе вектор разлагается на три компоненты, соответствующие проекциям вектора на три взаимно ортогональные оси, которые обычно обозначаются как x , y , z . В полярных координатах вектор обычно описывается длиной вектора в x — y , его азимутальный угол в этой плоскости относительно оси x и третья декартова компонента z . В сферических координатах поле описывается длиной вектора полного поля, полярным углом этого вектора от оси z и азимутальным углом проекции вектора на плоскость x — y . В исследованиях магнитного поля Земли широко используются все три системы.

Номенклатура, используемая при изучении геомагнетизма для различных компонент векторного поля, представлена ​​на рисунке. B — вектор магнитного поля, F — величина или длина B. X , Y и Z — три декартовых компонента поля, обычно измеряемые относительно географической системы координат. X направлено на север, Y на восток, и, завершая правую систему, Z направлено вертикально вниз к центру Земли. Величина поля в проекции на горизонтальную плоскость называется H .