Магнитное поле земли

Доклад Магнитное поле земли сообщение

О том, что наша планета есть огромный магнит, учеными доказано давно. Раз земной шар — это магнит, значит он должен создавать мощнейшее магнитное поле. Все мы знаем, что в компасе красная стрелка юг, а синяя это север. А как расположены магнитные полюсы планеты? Магнитные и географические полюса не совпадают, поэтому нужно запомнить, что на северном географическом полюсе находится южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе находится северный магнитный полюс Земли.  Магнитное поле имеет непосредственное отношение к ядру. Так как в составе земного ядра находится жидкое железо, в нем постоянно циркулируют токи, которые и создают магнитное поле.

Магнитное поле все время медленно меняется во времени. Изменение в расположении магнитных полюсов на противоположные происходит через большие интервалы времени и получили название; вековые вариации. Полюса изменяют свое расположение приблизительно каждые 150 тысяч лет. Кардинальное изменение положения полюсов относительно друг друга, было вестником больших катаклизмов на планете.

Но больше всего изменения происходят в магнитной сфере нашей планеты. Магнитосфера Земли — это пространство около поверхности земного шара, распространенное на 80 тыс. км к Солнцу и также в противоположную сторону. Магнитосфера ограждает поверхность планеты от вредных воздействий космоса, и влияет на погодные условия планеты. Большое количество заряженных частиц солнечного ветра попадает в магнитосферу Земли, это электроны и протоны, которые ионизируют верхние слои атмосферы. Происходит свечение, которые мы знаем, как северное сияние.

 Магнитное поле защищает нашу Землю от воздействия солнечного ветра. Существует такое понятие Магнитные бури. Это изменение магнитного поля в течение нескольких часов, с последующим возвращением в прежнее состояние. Магнитные бури обычно начинаются неожиданно, по всей планете, и длятся от 7до 13 часов. За это время бури оказывают негативное влияние на самочувствие людей. На радиосвязь, электросвязь и т.д. От изменений, происходящих на солнце зависит мощность и регулярность магнитных бурь. Наряду с магнитными бурями есть еще магнитные аномалии. Которые в свою очередь зависят от магнитного поля Солнца.  Взрывы и выбросы на Солнце, которые происходят из-за колебания солнечного магнитного поля, влияют на магнитное поле Земли. Возникают магнитные аномалии, которые происходят из-за нахождения железных руд в Земле. Месторождения руд намагничиваются и все предметы вокруг будут испытывать результат этой аномалии, стрелки компаса при этом будут показывать неправильное направление.

Люди давно используют магнитное поле Земли. Еще в 17 веке в судоходстве широко применяется компас.  Не секрет, что магнитное поле Земли помогает существовать и осваиваться на ее территориях различным микроорганизмам. Например, морские бактерии размещаются на дне, в иле под определенным углом к магнитному полю. Это потому, что в них имеются небольшие магнитные частицы.  При расположении, некоторые насекомые ориентируются на магнитное поле. 

Птицы во время перелета также ориентируются на магнитное поле Земли. Не так давно орнитологи установили, что у пернатых в районе глаз имеется что-то, вроде крохотного компаса. Это кристаллики магнетита, которые намагничиваются. Ученные установили, что и на рост растений также оказывает влияние магнитное поле.

В нашей Солнечной системе, кроме Земли магнитное поле имеется у следующих планет; Меркурий, Сатурн, Юпитер, Марс.

6, 8, 9 класс кратко, по физике

Что произойдет, если Земля потеряет свое магнитное поле?

Магнитное поле Земли действует как щит для нашей планеты. Если магнитное поле Земли исчезнет, ​​магнитосферы не будет.

• Без магнитного поля на нашу Землю попадало бы больше космических лучей и солнечной радиации, что могло бы оказать серьезное воздействие на живые существа Земли.
• Произойдет сбой в работе электросетей, что приведет к повреждению системы спутниковой связи.
• Истощение озонового слоя увеличивается и, таким образом, увеличивается активность полярных сияний на Земле.
• Заряженные частицы с земли могут легко проникнуть в землю и, следовательно, столкнуться с верхними слоями атмосферы, что вызывает ионизацию частиц с образованием изотопов углерода-14 и, таким образом, увеличивает уровень заболеваемости раком.
• Потеря магнитного поля приводит к прекращению жизни на Земле.

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​\( q \)​ – заряд частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( \alpha \)​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​\( B_\perp \)​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно. В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​\( m \)​ – масса частицы, ​\( v \)​ – скорость частицы, ​\( B \)​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\( q \)​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы

Если вектор скорости направлен под углом ​\( \alpha \)​ (0° < \( \alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​\( \vec{v}_2 \)​, параллелен вектору \( \vec{B} \), а другой, \( \vec{v}_1 \), – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec{v}_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec{v}_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec{v}_1 \). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​\( T \)​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \( \vec{B} \). Частица движется по винтовой линии с шагом ​\( h=v_2T \)​.

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

• сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
• изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
• определить вид траектории частицы;
• разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
• составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
• выразить силы через величины, от которых они зависят;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Инверсия геомагнитного поля

Аномально высокая скорость движения северного геомагнитного полюса и уменьшение интенсивности геомагнитного поля в последние годы порождают спекуляции на тему скорой инверсии геомагнитного поля. Инверсией геомагнитного поля называют процесс перестановки местами южного и северного геомагнитного полюсов. В нормальном состоянии геомагнитного поля северный геомагнитный полюс находится вблизи северного географического полюса. В обратном состоянии же наблюдается противоположная картина: северный геомагнитный полюс находится вблизи южного географического полюса.

Во времени наступления инверсий не обнаружено никакой периодичности (в отличие от, к примеру, 22-летней периодичности в инверсиях магнитного поля Солнца, которая равна двухкратному периоду солнечной активности).

Типичное время между инверсиями составляет от 0.1 до 1 миллиона лет, сами инверсии длятся между 1 и 10 тысячами лет. Предполагается, что во время инверсий происходит очень сильное ослабление геомагнитного поля, и, следовательно, создаётся нешуточная угроза земной жизни (частицы солнечного ветра в больших количествах проникают в земную атмосферу). В тоже время не отмечено никакой корреляции между массовыми вымираниями земных видов и периодами инверсий геомагнитного поля.

Последняя достоверная инверсия геомагнитного поля случилась 780 тысяч лет назад. Её длительность составила от 1200 до 10000 лет в зависимости от географического положения изученных пород с остаточной намагниченностью. С другой стороны изучается возможность более свежей кратковременной инверсии геомагнитного поля, которая случилась всего 41 тысячу лет назад. Событие получило название Laschamp, так как впервые было обнаружено в 60х годах 20 века в остаточной намагниченности лавового потока с таким названием во Франции. Позже следы этой инверсии были обнаружены и в других местах Земли. Длительность инверсии составила 250-440 лет, во время неё геомагнитное поле было ослаблено на 75%.

Схема движения геомагнитных полюсов во время этой инверсии

В тоже время в спокойные периоды геомагнитные полюсы испытывают лишь хаотичный дрейф вблизи географических полюсов.

Пример вероятного движения северного геомагнитного полюса после 200 года нашей эры

Кроме того можно отметить, что текущее ослабление геомагнитного поля за последние 180 лет на 10% не является уникальным. Изучение остаточной намагниченности пород в Ливане показывает, что 2500 лет назад геомагнитное поле было в 2.5 раза сильнее, чем сейчас, после чего оно ослабло сразу почти на 30% всего за 180 лет.

От первых открытий к регулярным наблюдениям

Первым прибором, реагирующим на магнитное поле, стал компас. Достоверно можно говорить о его использовании с ХI—XIII веков. Во время плавания Колумба (1492 год) впервые было обнаружено явление, называемое магнитным склонением. До этого считалось, что компас показывает направление на север, то есть на Полярную звезду. По мере продвижения кораблей Колумба на запад отмечалось всё большее и большее отклонение компаса от направления на географический север. Поскольку в Средние века именно компас был основным прибором для навигации на море, с того времени началось активное исследование магнитного поля.

Вероятно, впервые временны́е изменения магнитного поля были зафиксированы в 1635 году Генри Геллибрандом, профессором астрономии Грешем-Колледжа в Лондоне, а постоянные регулярные измерения вариаций магнитного поля стали проводить с начала XIX века. В России наблюдения за изменением склонения геомагнитного поля Земли начались в Санкт-Петербурге с 1726 года, а регулярными их сделал Адольф Купфер, организовавший в Казанском университете в 1824 году первую в нашей стране магнитно-метеорологическую обсерваторию. А после его перевода в Санкт-Петербург в 1829 году исследования были организованы и там.

В 1834 году в России был принят закон об учреждении первой в мире постоянно действующей системы магнитных и метеорологических наблюдений и основана магнитно-метеорологическая обсерватория в Санкт-Петербурге. Благодаря этому русская геофизика оказалась лучшей в мире, а основанная тогда система магнитных и метеорологических наблюдений признана образцовой для стран Европы. Примерно за десять лет на территории России было создано семь магнитных обсерваторий. Наибольшего развития сеть магнитных обсерваторий и интенсивность магнитных исследований достигли к началу 1960-х годов. Сейчас, к сожалению, действующая сеть обсерваторий почти вернулась к состоянию XIX века.

Возникновение практической потребности построения карт магнитного склонения и накопление экспериментальных данных о магнитном склонении, которое началось с использования компаса, привело к развитию теорий магнетизма Земли. В 1600 году английский физик и врач Уильям Гильберт опубликовал замечательный труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле» и доказал теорию о том, что Земля — это огромный двухполюсный магнит. Несмотря на то, что Гильберт ошибочно полагал, что магнитные полюса совпадают с географическими, его работа оказала большое влияние на последующее развитие науки.

Внесли свой вклад в развитие науки о магнетизме и российские учёные. В 1759 году М. В. Ломоносов написал труд «Рассуждение о большей точности морского пути», где он высказал гениальную догадку о неоднородности магнитного поля Земли. Значительной была и работа И. М. Симонова «Опыт математической теории земного магнетизма», опубликованная в 1835 году в «Учёных записках» Казанского университета. Окончательно методы описания магнитного поля были изложены в работе Карла Гаусса «Общая теория земного магнетизма» в 1838 году. Предполагая, что источники магнитного поля находятся внутри Земли, Гаусс вывел выражение для магнитного потенциала, которое позволяет описать любое распределение магнитного поля в виде набора коэффициентов разложения поля по так называемым гармоническим функциям Лежандра. Этот метод применяется и сегодня. Гаусс эмпирически определил значения первых 24 постоянных коэффициентов, сейчас обычно используют 196 коэффициентов, а для особо точного представления — более 300 тысяч коэффициентов.

Слайды и текст этой презентации

Слайд 2Мысль о том, что Земля представляет собой гигантский магнит, впервые была

высказана английским учёным Гильбертом. В 1600 году вышла в свет его книга под названием “ Новая физиология о магнитах, магнитных силах и великом магните-Земле”, в которой он привёл факты, доказывающие, что наша планета-магнит.

Магнитное поле земли

Слайд 3Первая причина – это процессы, происходящие в недрах Земли. Ядро Земли

является жидким и состоящим из железа; в нем циркулируют круговые токи, которые и порождают земное магнитное поле: вокруг токов всегда есть магнитное поле.

1958 году при помощи космических аппаратов российские и американские ученые открыли существование вокруг Земли двух “поясов”, которые расположены в экваториальной плоскости. Эти “пояса” (их называют радиационными) состоят из движущихся потоков заряженных частиц – протонов и электронов, которые создают кольцевой ток. Радиационные пояса — вторая причина существования у Земли магнитного поля. 

Слайд 4Магнитное поле Земли – своеобразный щит, оберегающий нас и весь органичный

мир. Не будь у Земли магнитного поля, защищающего её от солнечной радиации, наша планета превратилась бы в выжженную пустыню, а живые существа бы погибли. 

Слайд 5В XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло

представление о магнитном поле. По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Слайд 6Самое сильное магнитное поле Земли находится вблизи полюсов,а по мере удаления

от них ослабевает.

Наша Земля-это гигантский магнит,у которого есть северный и южныймагнитные полюса. Стрелка компаса совпадает с магнитным полем Земли и одним своим концом указывает на север.

В космосе влияние магнитного поляобнаруживается на расстоянии80000 км от Земли.

пространстве, окружающем проводники с током , подобно тому, как в пространстве , окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создаётся электрическими микропотоками, циркулирующими внутри молекул вещества.

Источники магнитного поля

Слайд 8Магнитные поля локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до

сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.

Переменное магнитное поле определяется источниками в виде токовых систем за пределами земной поверхности. Основными источниками таких полей являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Земли и увлекаются по винтовым траекториям вдоль силовых линий. Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения – полярные сияния. 

Полярное сияние

Слайд 11Влияние магнитного поля на живые организмыМагнитное поле Земли служит многим живым

организмам для ориентации в пространстве.
Некоторые морские бактерии располагаются в придонном иле под определенным углом к силовым линиям магнитного поля Земли, что объясняется наличием в них маленьких ферромагнитных частиц.

Мухи и другие насекомые «садятся» предпочтительно в направлении поперек или вдоль магнитных линий магнитного поля Земли. Например,  термиты располагаются на отдых так, что оказываются головами в одном направлении: в одних группах — параллельно, в других — перпендикулярно
линиям магнитного поля.

Слайд 12Ориентиром для перелетных птиц также служит магнитное поле Земли. Недавно ученые

узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный «компас» — крохотное тканевое поле,
в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле.

Ботаники установили восприимчивость растений к магнитным полям.
Оказывается сильное магнитное поле влияет на рост растений.

Структура земного магнитного поля

Каково значение магнитного поля Земли? Магнитное поле играет роль защитной оболочки, которая спасает Землю от негативного солнечного влияния. Опасные частички атакуют озоновый слой, которые укрывает планету от убийственных ультрафиолетовых лучей. Область над ионосферой тянется на несколько десятков тысяч км в пространство – магнитосфера.

Сила магнитного поля планеты равна 25-65 микротестов. Наибольшая интенсивность поля наблюдается возле полюсов, а минимальный показатель – на экваторе. На изодинамической карте земного магнитного поля можно отследить минимальную интенсивность в Южной Америке, а также максимумы в северной Канаде, Сибири и побережье Антарктиды. Магнитное диполе располагается в центре планеты и наклонено на 10° по отношению к оси вращения.

Северное сияние и юг

Они известны как северное или южное сияние соответственно. Они появляются на широтах около полюсов, где магнитное поле почти перпендикулярно поверхности Земли и намного сильнее, чем на экваторе.

Они происходят из большого количества заряженных частиц, которые Солнце постоянно посылает. Те, что захвачены полем, обычно дрейфуют к полюсам из-за более высокой интенсивности. Там они используют это для ионизации атмосферы, и в процессе излучается видимый свет.

Северное сияние видно на Аляске, в Канаде и в Северной Европе из-за близости магнитного полюса. Но из-за миграции этого не исключено, что со временем они станут более заметными к северу России.

На данный момент, похоже, это не так, поскольку полярные сияния точно не следуют за неустойчивым магнитным севером.

Физическое происхождение

Магнитное земное поле создается электрическими токами в жидком внешнем ядре, представленном высокопроводящим расплавленным железом. Оно генерируется контуром обратной связи: токовые петли формируют магнитное поле, а его перемена создает электрическое, и оба влияют на заряды. Все это можно соединить в уравнении:

где u – скорость жидкости, B – магнитное поле, эта – магнитная диффузия.

Если выключить земное динамо, то через несколько десятков тысяч лет исчезнет дипольная часть. Давление в расплавленном внешнем сердечнике железа подпитывается движением, обусловленным плавучестью. Чем ближе к центру, тем выше температурная отметка. Общее планетарное вращение приводит к эффекту Кориолиса, что заставляет потоки сворачиваться в рулоны, выровненные вдоль полярной оси север-юг.

Структура магнитного поля Земли

Индуцированные в ионосфере электрические токи создают магнитные поля. Они всегда генерируются возле того места, где атмосфера ближе всего расположена к Солнцу, вызывая ежедневные перемены, способные сдвинуть поверхностные поля на один градус. Суточные вариации напряженности поля достигают 25 нанотезослоев.

Почему у Земли есть силовые линии магнитного поля?

Наша Земля содержит много полезных ископаемых в своем ядре. Среди них железо и никель наделены силовыми линиями магнитного поля Земли.

Затвердевание жидкого железа и никеля в ядре Земли отвечает за магнитное поле Земли. Когда ядро ​​из железа и никеля охлаждается и кристаллизуется, оно вращается вокруг жидкого ядра, создавая электрический ток, называемый конвекционным током. Этот конвекционный ток генерирует магнитное поле, которое исходит из земного ядра из космоса. Воображаемые силовые линии, возникающие в магнитном поле Земли, называются силовыми линиями магнитного поля Земли.

Интересные факты

• Магнитные полюса меняются местами примерно раз в 2,5 века. Северный переходит на место южного, и наоборот. Никто не знает причин происхождения этого явления, и как такие перемещения влияют на планету, тоже неизвестно.
• Из-за образования внутри земного шара магнитных токов существуют землетрясения. Токи вызывают движение тектонических плит, которые и вызывают землетрясения с высокими баллами.
• Магнитное поле является причиной возникновения северного сияния.
• Люди и животные живут под постоянным влиянием магнитосферы. У людей это обычно выражено реакциями организма на магнитные бури. Животные же под влиянием электромагнитного потока находят правильную дорогу – например, птицы при миграции ориентируются именно по ним. Также черепахи и другие звери чувствуют, где находятся, благодаря этому явлению.
• Некоторые ученые считают, что жизнь на Марсе невозможна именно из-за отсутствия у него магнитного поля. Эта планета вполне пригодна для жизни, но неспособна отталкивать радиацию, которая губит на корню все живое, что могло существовать на ней.
• Магнитные бури, возникающие из-за вспышек на Солнце, влияют на состояние людей и электронику. Сила магнитосферы Земли не настолько велика, чтобы полностью противостоять вспышкам, поэтому 10-20% энергии вспышек ощущаются на нашей планете.
• Несмотря на то что явление перемены магнитных полюсов изучено мало, известно, что в период изменения конфигурации полюсов Земля больше подвержена радиационному облучению. Некоторые ученые считают, что именно в один из таких периодов вымерли динозавры.
• История развития биосферы совпадает с развитием электромагнетизма Земли.

Каждому человеку важно владеть хотя бы основной информацией о геомагнитном поле Земли

А тем, кто практикует магию, тем более стоит уделить внимание этим данным. Возможно, уже скоро практики сумеют познать новые методы использования этих сил в эзотерике, тем самым увеличив свою силу и подарив миру новые важные сведения