«Магниты. Магнитное поле и его свойства. Магнитное поле Земли»
Методическая разработка урока физики
преподавателя Уразовой Г.К.
Дисциплина « Физика».
Тема: «Магниты. Магнитное поле и его свойства.
Магнитное поле Земли».
Цели урока:
Образовательные
формирование понятия о магнитах и магнитном поле, их свойствах и характеристиках, а также о магнитном поле Земли; выяснить причины его изменения, показать применение магнитов в быту и технике, провести сравнение магнитного поля с электрическим, применение полученных знаний при решении задач.
Развивающие
формирование научного мировоззрения, целостной картины мира, акцентируя внимание о материальности магнитного поля на основе рассмотрения действия магнитного поля на заряды и токи; формирование навыков самостоятельной работы, умения сравнивать, анализировать.
Воспитательные
формирование познавательного интереса к предмету, воспитание сознательной трудовой дисциплины, коммуникативных умений.
Методическая цель урока: показать нетрадиционный урок физики с помощью мультимедийных технологий.
Тип урока: комбинированный.
Методы и формы обучения.
Показательно – иллюстративные с применением мультимедийных технологий:
словесный — беседа;
наглядный — видеоурок, видеодемонстрация.
контролирующий — решение задач.
Междисциплинарные связи: биология, литература, математика.
Оборудование и технические средства обучения:
1. мультимедийный проектор;
2. ноутбук;
3. экран;
4. колонки;
5. презентации к уроку «Постоянные магниты. Магнитное поле, его свойства. Магнитное поле Земли».
6. раздаточный материал: тестовые задания.
Продолжительность урока: 90 мин.
План урока:
Организационный момент (2 мин.).
Актуализация знаний (15мин.)
Изучение нового материала (40 мин.).
Закрепление, отработка умений (28 мин.).
Подведение итогов урока (3 мин.).
Домашнее задание (2 мин).
Ход урока:
1. Организационный момент.
Приветствие. Контроль посещения урока. Информация об особенностях урока.
2. Актуализация знаний.
1) Фронтальный опрос по теме: « Электрическое поле».
Что называется электрическим током?( ответ: эл. ток – упорядоченное движение заряженных частиц.)
Что может заставить заряженные частицы упорядоченно двигаться? (ответ: электрическое поле.)
Что называют электрическим полем? ( ответ: эл. поле – это особый вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов.
)
Назовите свойства электрического поля?
( ответ: а) порождается эл. зарядами; б) обнаруживается по действию на заряд; в) действует на заряд с некоторой силой.)
Вокруг каких тел возникает электрическое поле?( ответ: эл. поле возникает вокруг любого покоящегося заряда.)
2) Тестирование по вариантам.
У каждого студента на столе лежит лист с тестовыми заданиями по вариантам. На выполнение 5 мин. После выполнения меняются с соседом по парте для взаимопроверки.
Тесты оцениваются по следующим критериям:
«5» — за 6 правильных ответов, «4» — за 5 правильных ответов, «3» — за 3 — 4 правильных ответов, «2» — менее 3 правильных ответов.
/data/files/a1478032143.ppt (урок физики «Магниты. Магнитное поле»)ТЕСТ. Электрическое поле
Вариант 1
1.В вакууме заряженные тела
а) не взаимодействуют
б) взаимодействуют, если заряды велики
в) всегда взаимодействуют
2.Кто ввел в науку термин “электрическое поле”?
а) Архимед б) И.
Ньютон в) М. Фарадей
3.Электрическое поле создается
а) любыми телами
б) любыми заряженными телами
в) вакуумом
4.Как называется сила, с которой электрическое поле действует на заряженное тело?
а) магнитная
б) выталкивающая
в) электрическая
5.Электрическое поле создается заряженным шаром. Одинаковые заряды помещают в точки 1, 2, 3. В каких точках модули электрических сил равны?
а) 1 и 2 б) 1 и 3 в) 2 и 3
6.Основным свойством электрического поля является действие на
а) любые тела
б) организм человека
в) заряженные тела
ТЕСТ. Электрическое поле
Вариант 2
Как зависит сила взаимодействия между зарядами от расстояния между ними?
а) такой зависимости нет
б) чем больше расстояние, тем меньше сила
в) чем больше расстояние, тем больше сила
Заряды взаимодействуют посредством
а) воздуха
б) электрического поля
в) электромагнитных волн
Электрическое поле можно обнаружить по его действию на
а) органы чувств (например, по запаху)
б) незаряженные тела
в) заряды
Какая сила называется электрической силой?
а) любая сила, действующая на заряженное тело
б) любая сила, действующая на заряженное тело, находящееся в электрическом поле
в) сила, с которой электрическое поле действует на заряженное тело
Модули электрических сил, действующих на одинаковые заряды, которые помещены в точки 1 и 2, равны.
Где может находиться заряженное тело, создающее это поле?
а) в точке А
б) в точке В
в) в точке С
6. Что представляет собой электрическое поле?
а) вещество
б) особый вид материи
в) физическое тело
Ответы к тестам
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
Вар№1 | в | в | б | в | а | в |
Вар№2 | б | б | в | в | в | б |
3.
Формирование новых знаний.
Постановка учебной проблемы.
Просмотр фрагмента мультфильма Смешарики, серия « Магнетизм».
Учитель: о чем мы будем говорить на уроке?( о магнитах, их свойствах, о магнитном поле).
Сообщение темы и целей урока. Записывают в тетрадь.
Мотивация изучения темы урока.
Слово «магнит» не является для вас новым. Магниты являются существенными компонентами таких устройств, как электрические двигатели, динамики, компьютеры, проигрыватели компакт-дисков, микроволновые печи. Магниты используются в датчиках, приборах, производственном оборудовании, научных исследованиях. Когда человек научился создавать искусственные магниты, он сумел воплотить в жизнь свои давние и заветные мечты. Человек создал телефон, телеграф, радио, телевидение, компьютер, мобильный телефон, без которых мы не представляем сейчас нашу жизнь.
Но что же представляют собой магниты?
Основная часть.
План изложения основной части.
Историческая справка. Постоянные и искусственные магниты.
Применение магнитов.
Магнитное поле, его свойства и характеристики.
Сравнение свойств электрического и магнитного полей.
Магнитное поле Земли.
Аномалии и магнитные бури.
Северное сияние.
Магнитные явления известны людям из глубокой древности. Еще древние греки знали, что существует особый минерал, способный притягивать железные предметы. Это был один из минералов железной руды, который сейчас известен как магнетит. Его залежи находились возле города Магнессии на севере Турции. Слово « магнит» в переводе с греческого, означает камень из Магнессии. Впервые свойства магнитных материалов использовались в Китае, именно там в III веке до н.э. был сконструирован первый компас, и только кXIIв. он стал известным в Европе. А первой крупной работой, посвященной исследованию магнитных явлений является книга У.
Гильберта
« О магните», вышедшей в 1600 г.
Магниты – тела, сохраняющие намагниченность в течение длительного времени.
Полюс- место магнита, где обнаруживается наиболее сильное действие. Различают северный(синяя часть магнитаN)полюс и южный( красная часть магнитаS). Чаще всего встречаются магниты следующей формы: дугообразный(подковообразный) магнит, полосовой магнит. Существуют искусственные и естественные магниты. Искусственные магниты- сталь, никель, кобальт. Естественные магниты- магнитный железняк. Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, на Украине, в Карелии, Курской области. Природные магниты в разных странах назывались по – разному: китайцы называли их чу-ши; греки- адамас и каламита.
Свойства постоянных магнитов.
Одноименные полюса магнитов отталкиваются, разноименные полюса — притягиваются.
Применение магнитов. Рассказ студента с демонстрацией презентации.
Магниты создают вокруг себя магнитное поле.
Просмотр видеоурока « Магнитное поле, его свойства».
Содержание видеоурока.
Сегодня на уроке мы с вами поговорим о магнитном поле и его свойствах. В качестве эпиграфа к нашему уроку, возьмем слова Джеймса Клерка Максвелла «Исследования Ампера… принадлежат к числу самых блестящих работ, которые проведены когда-либо в науке».
Мы с вами уже знаем, что между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд.
Однако долгое время оставался неразрешимым вопрос о том, могут ли между электрическими зарядами существовать силы иной природы? Для ответа на этот вопрос давайте рассмотрим опыт, проведенный французским физиком Андре-Мари Ампером в 1820 году.
Ампер взял два гибких провода и укрепил их вертикально, а затем присоединил нижние концы проводов к полюсам источника тока.
При таком подключении с проводниками не обнаруживалось никаких изменений. Проводники заряжались от источника тока, но заряды проводников при разности потенциалов между ними в несколько вольт ничтожно малы. Поэтому кулоновские силы никак не проявляются.
Затем Ампер замкнул другие концы проводников небольшой проволочкой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления. Оказалось, что при таком подключении проводники начинают отталкиваться друг от друга. Если же поменять направление токов так, чтобы они текли в одном направлении, то проводники начинали притягиваться друг к другу.
Это взаимодействие не может быть вызвано электростатическим полем по следующим причинам. Во-первых, при размыкании цепи взаимодействие проводников прекращается, хотя заряды на проводниках и их электростатические поля остаются. Во-вторых, одноименные заряды (электроны в проводнике) всегда только отталкиваются.
В том же 1820 году ХансКристиан Эрстед провел свою серии опытов.
Он располагал проводник над магнитной (или под ней) параллельно ее оси.
При пропускании тока по проводнику, стрелка начинала отклоняться от своего первоначального положения. При размыкании цепи — стрелка возвращалась в своё первоначальное положение. Этот опыт наглядно показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие поворот магнитной стрелки, то есть силы, подобные тем, которые действуют на нее вблизи постоянных магнитов.
Поэтому взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между направленно движущимися электрическими зарядами, называют магнитными.
Силы же, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.
Действие магнитных сил было обнаружено в пространстве и вокруг отдельно движущихся заряженных частиц.
Так, русский и советский физик Абрам Фёдорович Иоффе в 1911 году наблюдал отклонение магнитных стрелок, расположенных вблизи пучка движущихся электронов. Схема его опыта довольно проста. Над и под трубкой, через которую пропускался поток электронов, находились две одинаковые, но противоположно направленные магнитные стрелки, укрепленные на общем кольце, подвешенном на упругой нити.
При прохождении в трубке потока электронов магнитные стрелки поворачивались.
Таким образом, многочисленные опыты привели ученых к выводу, что вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле.
Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Магнитное поле можно обнаружить и исследовать с помощью железных опилок, магнитной стрелки, а также небольшого контура или рамки с током, причем собственное магнитное поле контура должно быть слабым по сравнению с исследуемым.Проводники, подводящие ток к контуру, должны быть расположены вблизи друг друга или сплетены между собой, тогда их магнитные поля взаимно компенсируются.
Главные выводы студенты записывают в тетрадь.
«Увидеть» магнитное поле можно с помощью железных опилок.
Видео — демонстрация линий магнитного поля.
Магнитная линия – воображаемая линия, вдоль которой выстраивались бы оси магнитных стрелок.
Рис. Схематическое изображение магнитной линии
Теперь поговорим о свойствах магнитных линий. Во-первых, у магнитных линий нет ни начала, ни конца. Это линии замкнутые. Раз магнитные линии замкнуты, то не существует магнитных зарядов, и магнитное поле является вихревым.
Второе: это линии, которые не пересекаются, не прерываются, не свиваются каким-либо образом. При помощи магнитных линий мы можем характеризовать магнитное поле, представить себе не только его форму, но и говорить о силовом воздействии. Если изображать большую густоту таких линий, то в этом месте, в этой точке пространства, у нас силовое действие будет больше.
Если линии располагаются параллельно друг другу, их густота одинакова, то в этом случае говорят, что магнитное поле однородно. Если, наоборот, этого не выполняется, т.е. густота разная, линии искривлены, то такое поле будет называться неоднородным.
Заполнение таблицы « Сравнение свойств электрического и магнитного поля».
Для магнитного поля студенты заполняют самостоятельно.
Электрическое поле | Магнитное поле |
Материально. | |
Создается неподвижными электрическими зарядами. | |
Обнаруживается по действию на электрический заряд. |
Электрическое поле | Магнитное поле |
Материально. | Материально. |
Создается неподвижными электрическими зарядами. | Создается электрическим током или движущимися зарядами, магнитами. |
Обнаруживается по действию на электрический заряд. | Обнаруживается по действию на электрический ток, постоянные магниты. |
Мы уже говорили о магнитных линиях, о действиях магнитного поля, о его свойствах. Пришла пора поговорить о его количественных характеристиках.
Индукция магнитного поля – одна из важнейших количественных характеристик магнитного поля.
B=
Магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля. Единица измерения магнитной индукции названа в честь сербского ученого Николы Тесла, т.е. индукция измеряется в теслах (Тл).
Магнитное поле Земли. Рассказ студента.
Наш земной шар – это огромный космический магнит. Впервые эту мысль высказал английский физик Уильям Гильберт. Он изготовил шарообразный магнит и исследовал его с помощью маленькой магнитной стрелки. Внешние, расплавленные, слои ядра Земли находятся в постоянном движении. В результате этого в нем возникают магнитные поля, формирующие в конечном итоге магнитное поле Земли. Магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси, всегда устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении, то есть вдоль его магнитных линий. На этом и основано применение компаса. Как и обычный магнит, земной шар имеет два магнитных полюса: северный и южный. Так как разноименные полюсы магнитов притягиваются, то северный полюс магнитной стрелки указывает направление на Южный магнитный полюс Земли. Этот полюс удален от Северного географического полюса примерно на 2100 км. Северный магнитный полюс находится вблизи Южного географического полюса. Таким образом, магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Это приводит к тому, что направление стрелки компаса не совпадает с направлением географического меридиана, и она лишь приблизительно показывает направление на север. Магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами.За последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад. Перелетные птицы обладают способностью видеть магнитное поле Земли. Они ориентируются в любой местности и находят дорогу домой по линиям магнитного поля.
Рассказ учителя.
Аномалии и магнитные бури
На поверхности Земли имеются территории, где ее собственное магнитное поле сильно искажено магнитным полем железных руд, залегающих на небольшой глубине. Такие области называются областями магнитной аномалии. Одна из таких территорий – Курская магнитная аномалия.
Иногда на Земле возникает кратковременное изменение магнитного поля Земли, так называемые магнитные бури. Наблюдения показывают, что они связаны с солнечной активностью. С поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки частиц: электронов и протонов. Они летят во всех направлениях, в том числе и к Земле. Магнитное поле, создаваемое этими частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю.
Магнитные бури оказывают сильное влияние на все живое на Земле. Изучением влияния различных факторов погодных условий на организм здорового и больного человека занимается специальная дисциплина — биометрология. Магнитные бури вносят разлад в работу сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной системы, а также изменяют вязкость крови.
Полярное (северное) сияние
При взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем Земли наблюдается их отклонение от первоначального направления в районы магнитных полюсов. В этих регионах Земли частицы влетают в верхние слои атмосферы, вызывая их ионизацию. Это приводит к возникновению красивейших явлений природы – полярных сияний.
Вопрос: как вы думаете, зачем Земле магнитное поле?
Земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно. Не будь у Земли магнитного поля, защищающего ее от солнечной радиации, наша планета превратилась бы в выжженную пустыню, а живые существа погибли бы.
4. Закрепление изученного материала.
Решение качественных задач.
В известном романе Жюля Верна “Пятнадцатилетний капитан” на судне злоумышленник Негоро, желая сбить корабль с правильного курса, незаметно подложил под судовой компас железный брусок. Злой умысел удался: корабль пошел по неверному пути. Почему? (железный брусок притягивал к себе магнитную стрелку компаса, который при этом давал неверные показания.)
Почему удобно пользоваться намагниченной отверткой? (она лучше удерживает железные шурупы)
Укажите полюсы магнитов, учитывая, что магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный его полюс.
Магнитное поле, силовые линии, вектор магнитной индукции, принцип суперпозиции. Курсы по физике
Тестирование онлайн
Магнитное поле. Основные понятия
Магнитное поле. Вектор магнитной индукции
Магнитное поле
Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать железные предметы. Куски таких руд были найдены возле города Магнесии в Малой Азии, поэтому они получили название магнитов.
Посредством чего взаимодействуют магнит и железные предметы? Вспомним, почему притягиваются наэлектризованные тела? Потому что около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем.
Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Для силовой характеристики магнитного поля используют
Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок.
Магнитное поле проводника с током
А теперь о том, что обнаружили Ханс Кристиан Эрстед и Андре Мари Ампер в 1820 г. Оказывается, магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Любой провод, например, шнур от лампы, по которому протекает электрический ток, является магнитом! Провод с током взаимодействует с магнитом (попробуйте поднести к нему компас), два провода с током взаимодействуют друг с другом.
Силовые линии магнитного поля прямого тока — это окружности вокруг проводника.
Направление вектора магнитной индукции
Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенного в эту точку.
Направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.
Определяется направление вектора индукции по правилу буравчика или правилу правой руки.
Вектор магнитной индукции
Это векторная величина, характеризующая силовое действие поля.
Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током на расстоянии r от него:
Индукция магнитного поля в центре тонкого кругового витка радиуса r:
Индукция магнитного поля соленоида (катушка, витки которой последовательно обходятся током в одном направлении):
Принцип суперпозиции
Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности
Земля является не только большим отрицательным зарядом и источником электрического поля, но в то же время магнитное поле нашей планеты подобно полю прямого магнита гигантских размеров.
Географический юг находится недалеко от магнитного севера, а географический север приближен к магнитному югу. Если компас разместить в магнитном поле Земли, то его северная стрелка ориентируется вдоль линий магнитной индукции в направлении южного магнитного полюса, то есть укажет нам, где располагается географический север.
Характерные элементы земного магнетизма весьма медленно изменяются с течением времени — вековые изменения. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к прежним значениям. Такое резкое изменение влияет на самочувствие людей.
Магнитное поле Земли является «щитом», прикрывающего нашу планету от частиц, проникающих из космоса («солнечного ветра»). Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.
Частицы диоксида железа на магнитной пленке хорошо намагничиваются в процессе записи.
Поезда на магнитной подушке скользят над поверхностью совершенно без трения. Поезд способен развивать скорость до 650 км/ч.
Работа головного мозга, пульсация сердца сопровождается электрическими импульсами. При этом в органах возникает слабое магнитное поле.
Земля как магнит: Геомагнитное поле
Алексей Левин
«Популярная механика» №9, 2010
В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.
В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.
Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда — не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.
Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку — действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.
Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два — в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает — и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.
Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.
Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса — в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.
Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м — 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.
Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.
Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.
Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры — точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.
Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия — в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.
Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.
Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.
«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, — говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. — Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».
Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним — как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.
По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».
15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат — уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».
«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. — Инверсии земного магнетизма — это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее — во всяком случае мы этого не умеем».
Магнитное поле Земли и блуждающие полюса
Представьте себе стержневой магнит внутри Земли, более или менее выровненный с осью, где концы этого магнита лежат близко к географическим Северному и Южному полюсам планеты. Линии магнитного поля движутся от северного полюса магнита, возвращаясь назад к южному полюсу. На каждом полюсе силовые линии магнитного поля почти вертикальны.
Хотя внутри Земли определенно нет магнитного стержня, то же самое явление происходит вокруг Земли, создавая защитную зону вокруг всей планеты, называемую магнитосферой, согласно НАСА.Магнитосфера Земли защищает нас от вредного космического излучения и солнечного ветра и отвечает за прекрасные полярные сияния, наблюдаемые в высоких широтах Северного и Южного полушарий.
Магнитный и географический полюса Земли расположены друг напротив друга. Другими словами, южный магнитный полюс Земли на самом деле находится около географического Северного полюса. Поэтому, когда мы используем компас для определения нашего местоположения, стрелка компаса на самом деле указывает на южный магнитный полюс в Северном полушарии и на северный магнитный полюс в Южном полушарии.
Магнитные полюса не являются фиксированными и немного блуждают по поверхности планеты относительно географических полюсов. Около 75 процентов напряженности магнитного поля Земли представлено «магнитной полосой». Остальные 25 процентов напряженности магнитного поля Земли, которые можно представить как движущиеся стержневые магниты меньшего размера, исходят от меньших частей движущейся магмы и могут быть тем, что позволяет полюсам двигаться.
Согласно данным, опубликованным Национальными центрами экологической информации в феврале 2019 года, северный магнитный полюс расположен в точке 86.54 N 170,88 E, в Северном Ледовитом океане и направляясь из Канады в Сибирь. Южный магнитный полюс расположен на точке 64,13 ю.ш., 136,02 в.д., недалеко от побережья Антарктиды в направлении Австралии.
Откуда поле?
Хотя это все еще остается загадкой, ученые в целом согласны с тем, что магнитное поле Земли начинается глубоко в ядре планеты. Внешнее ядро планеты состоит из расплавленных металлов, в первую очередь железа, которое является проводником.
«Взбивание расплавленного металла во внешнем ядре создает [магнитное] поле под действием так называемого динамо-действия, — сказал Алексей Смирнов, профессор геофизики в Мичиганском технологическом университете.
Действие динамо, или теория динамо, описывает способ, которым планета может выдерживать магнитное поле. Динамо-машина, или источник магнитного поля, создается вращающимся, конвектирующим и электропроводящим материалом, таким как расплавленное железо внутри Земли.
«Есть много ионизированных атомов и свободных электронов, блуждающих вокруг, плюс есть сложная форма конвекции, происходящая внутри, в сочетании с естественным вращением Земли — есть много движущихся зарядов», — сказал Дуг Инграм, профессор физики и астрономии Техасского христианского университета.
Ученые полагают, что заряды, создаваемые движущимся металлическим материалом, перемещаются вокруг экваториальной области Земли по кругу, что создает северный и южный магнитные полюса на поверхности, сказал Ингрэм.
Иллюстрация того, как магнитное поле Земли защищает планету от солнечной радиации. (Изображение предоставлено Майклом Осадцивом / Университет Рочестера)Почему движутся полюса?
Динамо-машина Земли устойчива, но нестабильна. Прямо сейчас магнитное поле быстро меняется, и северный магнитный полюс внезапно подскакивает в сторону Сибири.Согласно исследованию 2019 года, опубликованному в журнале Nature, с 1990-х годов северный магнитный полюс сдвигался в среднем примерно на 35 миль (55 км) в год.
По словам Смирнова, возмущения в текущей металлической магме могут быть причиной нестабильности магнитного поля, которое может привести к такому сдвигу полюсов. Движение жидкого железа глубоко под Канадой может немного ослабить магнитное поле в этом месте, что и позволяет северному магнитному полюсу перемещаться в сторону Сибири, говорится в статье Nature.
Другие электромагнитные аномалии можно увидеть по всему миру, например, на юге Африки, где возмущение магнитного поля, подобное водовороту в потоке, может быть вызвано более плотной частью мантии вблизи границы с жидкой внешней средой планеты. ядро.
История сдвига и разворота полюсов
По данным НАСА, хотя полюса постоянно меняются, они также полностью менялись местами, по крайней мере, несколько сотен раз за последние 3 миллиарда лет. Во время этого процесса, который обычно происходит каждые 200000–300000 лет в течение от 100 до нескольких тысяч лет за раз, магнитное поле сжимается и притягивается множеством полюсов, беспорядочно вырастающих над поверхностью Земли.Последний полный поворот произошел около 780 000 лет назад.
История магнитного поля, включая сдвиги и инверсии, подтверждается геологической летописью. Металлы, обнаруженные в горных породах, включая железо, выравниваются с магнитным полем до того, как расплавленные породы затвердевают, или в виде фрагментов, содержащих магнитные металлы, выровненных с магнитным полем и оседающих в слоях осадочных пород.
«Поскольку Земля является динамичным и постоянно меняющимся местом, новые горные породы и их магнитные записи генерируются постоянно в течение геологического времени», — сказал Смирнов, добавив, что эти записи могут сохраняться в течение миллионов или миллиардов лет.
Подобные записи обнаружены на дне Атлантического океана, где постоянно создается новое морское дно в средней части Атлантического хребта.
«По мере того, как лава поднимается на поверхность [через длинную трещину, которая составляет гребень], она расплавляется, и частицы железа, взвешенные в лаве, ориентируются в направлении преобладающего магнитного поля Земли», — сказал Инграм. По мере того как лава затвердевает, она фиксирует металлические отложения на месте и, таким образом, создает историческую запись сдвигов и разворотов магнитного поля Земли.
Что означают эти блуждающие и переворачивающиеся полюса для жизни на нашей планете? По данным НАСА, в летописи окаменелостей растений или животных во время как сдвигов, так и инверсий нет резких изменений, что предполагает минимальное влияние инверсии полюсов на жизнь. Хотя среди ученых есть некоторые предположения, что в периоды снижения напряженности магнитного поля большее количество космической радиации могло достигнуть поверхности Земли и вызвать повышенную скорость генетических мутаций и, следовательно, дать импульс эволюции, сказал Смирнов.
Дополнительные ресурсы:
% PDF-1.4 % 1214 0 объект > endobj xref 1214 85 0000000016 00000 н. 0000006662 00000 н. 0000006787 00000 н. 0000007691 00000 п. 0000007840 00000 п. 0000007939 00000 п. 0000008286 00000 п. 0000008641 00000 п. 0000009370 00000 п. 0000009513 00000 н. 0000010110 00000 п. 0000010615 00000 п. 0000010700 00000 п. 0000011354 00000 п. 0000011440 00000 п. 0000012018 00000 п. 0000012515 00000 п. 0000012977 00000 п. 0000013328 00000 п. 0000013418 00000 п. 0000013533 00000 п. 0000013646 00000 п. 0000014194 00000 п. 0000014403 00000 п. 0000015031 00000 п. 0000015619 00000 п. 0000016039 00000 п. 0000016114 00000 п. 0000018052 00000 п. 0000018373 00000 п. 0000018545 00000 п. 0000018829 00000 п. 0000019087 00000 п. 0000019253 00000 п. 0000019421 00000 п. 0000019778 00000 п. 0000020359 00000 п. 0000021917 00000 п. 0000023382 00000 п. 0000023497 00000 п. 0000024771 00000 п. 0000026689 00000 п. 0000026946 00000 п. 0000027323 00000 н. 0000029515 00000 п. 0000031538 00000 п. 0000033191 00000 п. 0000033317 00000 п. 0000036882 00000 п. 0000036939 00000 п. 0000037044 00000 п. 0000037128 00000 п. 0000037829 00000 п. 0000045117 00000 п. 0000050372 00000 п. 0000050616 00000 п. 0000051008 00000 п. 0000055176 00000 п. 0000060454 00000 п. 0000086638 00000 п. 0000086763 00000 п. 0000086799 00000 н. 0000086878 00000 п. 0000120493 00000 н. 0000120822 00000 н. 0000120891 00000 н. 0000121009 00000 н. 0000154941 00000 н. 0000221361 00000 н. 0000284422 00000 н. 0000320687 00000 н. 0000376822 00000 н. 0000376901 00000 н. 0000377541 00000 н. 0000377838 00000 н. 0000378149 00000 н. 0000378342 00000 н.
Генерация магнитного поля Земли
Генерация магнитного поля ЗемлиХотя магнитное поле Земли похоже на магнитное поле стержневого магнита, мы должны найти другое объяснение происхождения поля.Постоянные магниты не могут существовать при температурах ядра Земли. Мы также знаем, что у Земли было магнитное поле в течение сотен миллионов лет. Однако мы не можем просто приписать существование нынешнего геомагнитного поля какому-либо событию в далеком прошлом. Магнитные поля распадаются, и мы можем показать, что существующее геомагнитное поле исчезло бы примерно через 15 000 лет, если бы не было механизма его постоянной регенерации.
Было предложено множество механизмов, объясняющих, как генерируется магнитное поле, но единственный механизм, который сейчас считается правдоподобным, аналогичен динамо-машине или генератору — устройству для преобразования механической энергии в электрическую.Чтобы понять, как динамо-машина будет работать в контексте Земли, нам нужно понять физические условия внутри Земли.
Земля состоит из слоев: тонкой внешней коры, силикатной мантии, внешнего ядра и внутреннего ядра. И температура, и давление увеличиваются с глубиной внутри Земли. Температура на границе ядра и мантии составляет примерно 4800 ° C, что достаточно для того, чтобы внешнее ядро могло существовать в жидком состоянии. Однако внутреннее ядро прочное из-за повышенного давления.Ядро состоит в основном из железа с небольшим процентом более легких элементов. Внешнее ядро находится в постоянном движении из-за вращения Земли и конвекции. Конвекция вызывается восходящим движением легких элементов, когда более тяжелые элементы налипают на внутреннее ядро.
Земля изнутри
Фактический процесс создания магнитного поля в этой среде чрезвычайно сложен, и многие параметры, необходимые для полного решения математических уравнений, описывающих проблему, плохо известны.Однако основные понятия несложны. Для возникновения магнитного поля необходимо выполнение нескольких условий:
- должна быть токопроводящая жидкость;
- должно быть достаточно энергии, чтобы заставить жидкость двигаться с достаточной скоростью и с соответствующей структурой потока;
- должно быть «затравочное» магнитное поле.
