С древних времен известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг своей вертикальной оси, всегда позиционируется в определенном направлении в данном месте Земли (если поблизости нет магнитов, проводников электричества или железных предметов). Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле, и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом основан компас, который представляет собой магнитную стрелку, свободно вращающуюся на оси.
Узнайте, что такое магнитное поле Земли, как оно создается и многое другое в этой статье.
Магнитное поле Земли: простое объяснение
Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.
Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.
Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.
Магнитное поле Земли: простое объяснение
Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.
Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.
Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.
Как создается магнитное поле Земли?
Основная часть магнитного поля возникает внутри Земли. Поэтому в этом разделе мы сначала покажем вам, как устроено ядро Земли, а затем кратко остановимся на так называемой «теории динамо».
С точки зрения науки «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ» National Geographic
Структура ядра Земли
Вы можете представить себе Землю, разделенную на четыре сферические оболочки и одну сферу (смотрите рисунок 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разных материалов и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В следующем списке показана структура Земли, начиная с поверхности Земли и заканчивая ее центром.
- Сферическая оболочка 1 — земная кора: толщина 5 — 70 км.
- Сферическая оболочка 2 — верхняя мантия: глубина около 660 км.
- Сферическая оболочка 3 — нижняя мантия: глубина 660 — 2900 км.
- Сферическая оболочка 4 — внешнее ядро: глубина 2900 — 5150 км.
- Сфера — внутреннее ядро Земли: глубина от 5150 до 6371 км.
Теория динамо
Внешнее ядро состоит в основном из жидкого, электропроводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее внутреннего ядра Земли. Эта разница температур приводит к возникновению конвекционных течений. Это означает, что жидкое железо во внешнем ядре сильно перемещается вперед и назад. К этому движению добавляется ещё и вращение земли.
Следующее наблюдение стало решающим для магнитного поля Земли, а именно, магнитное поле «задерживается» в проводнике. Если проводник движется, магнитное поле должно следовать за ним. Именно это и происходит во внешнем ядре Земли. Внешнее магнитное поле попадает в земное ядро и задерживается жидким железом. Затем это внешнее магнитное поле следует за движениями жидкого железа.
Во внешнем ядре Земли существует градиент вращения: чем ближе вы находитесь к внутреннему ядру, тем быстрее вы вращаетесь вокруг оси вращения Земли. Этот градиент вращения заставляет жидкое железо испытывать силу Кориолиса и, таким образом, отклоняться в спиралевидные траектории. Внешнее магнитное поле следует за этим спиральным движением, образуя искаженные кольца. Такое «магнитное кольцо» соответствует электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает внешнее магнитное поле. Как итог, создается магнитное поле Земли.
Таким образом, составляющие магнитного поля Земли следующие: конвекционные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость в ядре Земли.
Примечание! Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в ядре Земли приводит к электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.
Теперь вам может быть интересно, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, малейшего теплового движения во внешнем ядре Земли достаточно для возникновения случайного электрического тока. Затем этот электрический ток создает внешнее магнитное поле, которое усиливается динамо-эффектом и формирует магнитное поле Земли.
Основные характеристики магнитного поля
Перечислим основные свойства магнитного поля — это его напряженность и магнитная индукция.
Напряженность магнитного поля H показывает концентрацию силовых линий в данной точке. Она не зависит от свойств вещества, в котором находится это поле.
Магнитная индукция B характеризует действие магнитного поля на находящиеся в нем вещества. Эта величина зависит от магнитной проницаемости среды μ:
В вакууме μ = 1, поэтому там B = H. А в ферромагнитных веществах, таких как железо, μ >> 1, соответственно, и индукция B там гораздо больше H.
Единицы измерения напряженности и индукции магнитного поля:
- H измеряется в амперах на метр (А/м)
- B измеряется в теслах (Тл)
Также для измерения B иногда используют внесистемную единицу — гаусс (Гс):
1 Тл = 10 000 Гс
Как изобразить и измерить магнитное поле
Для наглядного представления магнитных полей используют графическое изображение силовых линий. Это замкнутые кривые, касательные к которым показывают направление действия магнитного поля в данной точке.
Силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, образуя замкнутые петли. Их густота характеризует напряженность поля H.
Для определения направления линий магнитной индукции используются:
- Магнитные стрелки компаса
- Правило буравчика для прямого проводника с током
- Правило правой руки для катушки с током
Для измерения величины магнитной индукции B применяются специальные приборы — магнитометры. Они основаны на различных физических принципах:
- Эффект Холла
- Эффект магнитострикции
- Явление магнитного резонанса
Современные магнитометры способны измерять магнитные поля с точностью до миллиардных долей тесла.
Наглядно визуализировать магнитные поля различных объектов можно с помощью магнитных порошков или опилок. Под действием поля частички выстраиваются вдоль силовых линий, образуя характерный узор.
Откуда берётся магнитное поле и чем обусловлено его существование?
Магнитное поле образуется вокруг проводников, через которые проходит электрический ток и возле материалов с магнитным моментом: естественных или искусственных. Является составляющей электромагнитного поля. Изначально предполагалось, что поле генерируют магнитные заряды, однако причина его существования кроется в ином. Рассмотрим, чем порождается магнитное поле, условия его появления.
Пространство вокруг постоянного магнита или проводника с электрическим током находится в состоянии, которое называют магнитным полем, оказывающим влияние на окружающую материю. Проявляется в прикладывании механической силы, изменении проводимости и даже габаритов. В последнем случае наблюдается явление магнитострикции – изменение размеров тела вследствие изменения его намагниченности. Например, жужжание трансформаторов порождается деформацией их сердечников.
Явление начали изучать в 1820 году. Французский физик Ампер заметил притягивание и отталкивание расположенных параллельно проводников, по которым протекают разно и одинаково направленные токи соответственно. Его датский коллега Эрстед установил изменение направления стрелки компаса, расположенной возле проводника с током.
После удаления источника магнитного поля от железного предмета его магнитные свойства резко ослабевают, но часть намагниченности остаётся – железо превращается в слабый естественный магнит. Почему? По какой причине сталь притягивается магнитом, а алюминий – нет?
Перемещающиеся заряды образуют так называемый тоннель вокруг себя, слабеющий при отдалении от источника. Этот тоннель напоминает по форме тор, он наблюдается, если проводник свернуть в бублик.
У перемещающегося заряда он направляется вдоль оси вращения. Представлено вихревой деформацией пространства, поэтому всегда имеет два полюса, даже если образовывается вокруг единой частицы.
Чем же обусловлено существование магнитного поля? Почему одни материалы (железо) магнитятся хорошо, а другие (алюминий) – нет. Причина – расположение магнитных доменов в веществе. Домен – группа атомов с однородной однонаправленной намагниченностью. У железа эти домены под действием магнитных сил поворачиваются в одну сторону (б), на алюминий они не оказывают влияния (а).
В зависимости от свойств материалы в природе разделяют на:
- Ферромагнетики – обладают магнитными свойствами вне поля.
- Парамагнетики – магнитятся в направлении поля.
- Диамагнетики – магнитятся против направления поля.
- Антиферромагнетики – вещества с равными противоположно направленными магнитными моментами.
- Ферримагнетики – антиферромагнетики с разными по величине магнитными моментами.
Сверхпроводники и плазма взаимодействуют с рассматриваемой субстанцией особым образом.
Источник энергии этого магнитного поля
Планета Земля имеет твердую кору (почва, каменистая), но металлическое сердце, состоящее из железа и никеля, частично жидкого, расплавленного из-за жары. Железо и никель, очень плотные, оказались там под действием силы тяжести при образовании Земли.
Важно то, что ядро Земли является частично жидким: это означает, что внутри нашей планеты происходят движения тепловой конвекции. Тот факт, что ядро металлическое, также имеет решающее значение, потому что это означает, что ядро Земли является проводником электричества и магнитных полей.
В дополнение к этой информации о внутренней структуре Земли, мы должны добавить тот факт, что планета вращается вокруг оси. Это тривиально, но важно по двум основным причинам.
Во-первых, вращение Земли (как и ее внутреннее тепло) — это запас энергии. Если у вас есть огромная вращающаяся масса, вы можете прикрепить к ней шестерню с резиновыми лентами и использовать ее для подъема предметов для питания динамо-машины и выработки электроэнергии, по крайней мере, до тех пор, пока вращающаяся масса не исчерпает свое вращение и не перестанет вращаться. В йо-йо, например, именно вращение йо-йо позволяет ему подняться.
Во-вторых, подобно тому, как вращение Земли является причиной появления циклонов в атмосфере, так и появление вращающихся столбов лавы в жидкой части земного ядра.
Подводя итог: Земля вращается, и это создает вращающиеся массы жидкого и проводящего железа в ядре. Если вы видите механизм формирования магнитного поля с этим, это нормально! Но пока еще не все.
Динамо-эффект
На данный момент мы имеем вращающуюся жидкую проводящую массу. Однако этого недостаточно для создания и поддержания магнитного поля. Потребовалось бы, например, внешнее магнитное поле, омывающее Землю: последнее вызывало бы ток в металлическом ядре, который производил бы магнитное поле Земли.
Проблема в том, что Земля не купается во внешнем магнитном поле. Не достаточно мощное поле во всяком случае.
Таким образом, если бы был точечный магнитный импульс, электрический ток появится в ядре Земли, но он будет рассеиваться очень быстро, и магнитное поле Земли также будет быстро исчезать.
Очевидно, что Земля обладает очень реальным магнитным полем. Современное объяснение магнитного поля Земли — эффект динамо.
Он еще не объясняет происхождение магнитного поля, но он объясняет, как это поле — настоящее — удается поддерживать, не исчезая.
Итак, давайте возьмем планету Земля, как это описано выше: с жидким, вращающимся металлическим сердечником.
Предположим, что Земля была в прошлом в ранее существовавшем внешнем магнитном поле. Как было сказано выше, это поле вызовет ток в жидких частях ядра, и этот ток создаст магнитное поле Земли, противоположное внешнему полю.
Теперь мы должны учитывать конвекционные явления, связанные с внутренним теплом Земли, и явления вращения жидких масс, связанные с вращением Земли. Это два первичных источника энергии, которые будут постепенно преобразовываться в электромагнитную энергию и излучать магнитное поле.
Эти металлические «циклоны», расплавленные во внешнем ядре, принимают форму вращающихся цилиндров, которые будут выравниваться с осью вращения Земли (таким образом, по оси Север-Юг). Делая это, линии электрического тока, индуцированные магнитным полем, будут как бы наматываться на себя, образуя катушку, и растягиваться в длину конвекцией. Линии электрического тока удлиняются : это если индуктивная катушка становится больше, а магнитное поле сильнее.
Таким образом, возникает эффект, когда катушка растягивается и позволяет увеличить количество магнитной энергии от тепловой конвекции и эффекта Кориолиса за счет вращения Земли.
В результате магнитное поле Земли, в противоположность рассеиванию, умудряется поддерживать себя: вращение и конвекция Земли в ядре постоянно накачивают энергию в электромагнитную систему, чтобы компенсировать потери.
Теперь, когда производится магнитная энергия, первоначальное магнитное поле, в котором, как говорят, купалась Земля, может исчезнуть: в этом больше нет необходимости.
Создаваемое магнитное поле поддерживается слоями расплавленного жидкого металла, которые поднимаются на поверхность.
Когда эти слои достигают внешнего предела ядра, конвекции (в этом слое) больше нет, и поле исчезает. Тем не менее это поле будет иметь наведенные электрические токи в нижних слоях, которые также будут производить свое магнитное поле, и увековечить производство магнитного поля.
Таким образом, пока существует конвекция в ядре и вращение нашей планеты, производящее силы Кориолиса, магнитное поле будет существовать.
Конвекционные движения сложны, имеют хаотические составляющие и иногда могут менять направление. Поэтому возможно, что магнитное поле Земли изменится и магнитные полюса будут двигаться и могут даже повернуть вспять. В истории нашей планеты эти инверсии происходили 300 раз за последние 200 миллионов лет, примерно каждые 660 000 лет; последняя произошла около 780 000 лет назад.
Причины возникновения магнитных полей
Электрический ток, который является направленным движением ионов в электролитах и электронов в металлах, порождает магнитное поле.
Обрати внимание!
Существование магнитного поля связано с движением электрических отрицательных и положительных зарядов.
Рис. (1). Кольцевые токи внутри вещества
Согласно планетарной модели в центре атома расположено ядро, вокруг которого вращаются электроны, образуя элементарные кольцевые токи внутри вещества. Если токи направлены одинаково, то магнитные поля, которые они создают, также совпадают по направлению, усиливая друг друга.
Тела, внутри и вокруг которых длительное время сохраняется магнитное поле, называются постоянными магнитами .
Обрати внимание!
Вещества, которые могут сильно притягиваться магнитами, называются ферромагнетиками . К ним относятся железо, никель, кобальт. Вещества, которые слабо притягиваются магнитами, — парамагнетики (алюминий, литий, магний, натрий, цезий, вольфрам). Д иамагнетики не могут притягиваться магнитом (цинк, медь, эбонит, золото, серебро, свинец, кремний, германий).
Действие магнитного поля на другие тела (магнитные стрелки, железные опилки) подтверждает его существование.
Дело не в ядре: раскрыта тайна магнитного поля Земли
Учёные заглянули в самое начало эволюции планеты и обнаружили, что её знаменитый антирадиационный щит на самом деле возник не так, как мы привыкли думать.
Как устроена магнитосфера Земли
Планета находится в гигантском облаке смертоносных частиц, идущих от Солнца и от всей Галактики в целом. И мы живём на этой планете потому, что данные частицы на нас не обрушиваются: сильное магнитное поле Земли заставляет их огибать её и следовать дальше в космос. Притом мощный солнечный ветер как бы сплющивает магнитосферу с той стороны, которая смотрит на светило. Но даже при этом она простирается на 70 тысяч километров — это добрый десяток радиусов Земли. А с другой стороны магнитное поле образует и вовсе исполинский шлейф на пару сотен земных радиусов.
Что создаёт магнитное поле Земли
В 1905 году Альберт Эйнштейн назвал этот вопрос одной из главных загадок физики XX века. Надо признать, спустя сто лет нельзя сказать, что она разгадана окончательно. Мы знаем, что магнитное поле возникает там, где есть электрический ток. Значит, планета Земля представляет собой гигантский электрогенератор. Спрашивается, как в недрах возникает это электричество? Самой убедительной считают теорию динамо: сначала от трения потоков расплавленное вещество электризуется, возникает ток — и вместе с ним магнитное поле, а потом эти же потоки проходят сквозь поле — и из-за этого опять возникает ток. И так далее бесконечно. А трение возникает, например, потому, что в жидких (или, скорее, вязких) слоях планеты идёт конвекция: более горячее вещество поднимается кверху, менее горячее опускается вниз. К тому же планета вращается вокруг своей оси, а это неизбежно означает какие-то движения в её разнородных недрах.
Сибирская сила. Что на самом деле сдвигает «северный» магнитный полюс
Где рождается земной магнетизм
До сих пор мы были уверены, что, разумеется, в ядре. Оно состоит из двух частей: внешней жидкой оболочки из расплавленного железа и сердцевины — она тоже железная, но из-за неимоверного давления твёрдая. И вот при взаимодействии твёрдой и жидкой частей возникает теплообмен, конвективные потоки и, как следствие, электричество. Как известно, железо прекрасно проводит ток, так что всё сходится.
Впрочем, как выясняется, всё, да не всё. Дело в том, что сердцевина стала твёрдой сравнительно недавно — полтора миллиарда лет назад. Но учёные убеждены, что магнитное поле Земли возникло никак не позже 4,2 миллиарда лет назад. По сути, оно родилось вскоре после самой планеты — ей как раз примерно четыре с половиной миллиарда лет. Возник вопрос, что создавало магнетизм на ранних этапах эволюции Земли.
Зацепка появилась в 2007 году. Тогда французские учёные заявили, что нижний слой земной мантии оставался жидким примерно пару миллиардов лет. Сейчас, надо сказать, мантия почти вся твёрдая, опять же из-за давления. Лишь в самой верхней части остаётся вязкая магма, которая иногда вырывается на поверхность из жерл вулканов.
Проблема в том, что даже в виде пластичной жижи мантийное вещество всегда считали очень плохим проводником электричества. Но дело в том, что тестировать его где-то в лаборатории — это совсем не то, что понаблюдать за ним в недрах Земли. Поэтому учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего решили всё выяснить самым, вероятно, продвинутым на сегодняшний день способом — путём вычислений, основанных на принципах квантовой механики. Это позволило смоделировать поведение вещества не здесь, на поверхности, а именно у самого земного ядра. Так вот, выяснилось, что на такой глубине мантия вполне себе электропроводна — во всяком случае, динамо поддерживать может.
Значит, именно мантия изначально защищала Землю своим покрывалом. И без неё жизни на планете могло и не быть.
Самое интересное из мира науки и технологий — в телеграм-канале автора.
Магнитная защита
Магнитное поле Земли (магнитосфера) защищает нашу планету от потока космических частиц (солнечной радиации). Заряженные частицы, попадая в силовое поле либо огибают его, либо попадают в “магнитную ловушку” и не достигают поверхности Земли. Если бы Земля не имела такого магнитного щита, то вся флора и фауна планеты были бы выжжены.
Северное сияние
Северное или полярное сияние (свечение) возникает из-за взаимодействия атомов атмосферы (кислорода и азота) с заряженными космическими частицами, захваченными магнитным полем Земли, силовые линии которого на полярных широтах почти перпендикулярны поверхности.
Это явление возникает только вблизи полюсов, поскольку там сила магнитного поля Земли достигает значений, позволяющих космическим лучам попадать в верхние слои атмосферы.
