În ultimul secol, diverși oameni de știință au prezentat mai multe presupuneri despre câmpul magnetic al Pământului. Potrivit unuia dintre ei, câmpul apare ca urmare a rotației planetei în jurul axei sale.

Se bazează pe curiosul efect Barnett-Einstein, care este că atunci când orice corp se rotește, apare un câmp magnetic. Atomii în acest efect au propriul lor moment magnetic, pe măsură ce se rotesc în jurul axei lor. Așa apare câmpul magnetic al Pământului. Cu toate acestea, această ipoteză nu a rezistat testelor experimentale. S-a dovedit că câmpul magnetic obținut într-un mod atât de netrivial este de câteva milioane de ori mai slab decât cel real.

O altă ipoteză se bazează pe apariția unui câmp magnetic datorită mișcării circulare a particulelor încărcate (electroni) de pe suprafața planetei. De asemenea, s-a dovedit a fi insuportabil. Mișcarea electronilor poate determina apariția unui câmp foarte slab, în ​​plus, această ipoteză nu explică inversarea câmpului magnetic al Pământului. Se știe că polul nord magnetic nu coincide cu nordul geografic.

Vântul solar și curenții de manta

Mecanismul formării câmpului magnetic al Pământului și al altor planete ale sistemului solar nu este pe deplin înțeles și până acum rămâne un mister pentru oamenii de știință. Cu toate acestea, o ipoteză propusă explică destul de bine inversiunea și mărimea inducției câmpului real. Se bazează pe munca curenților interni ai Pământului și a vântului solar.

Curenții interni ai Pământului curg în mantaua, care constă din substanțe cu o conductivitate foarte bună. Nucleul este sursa curentă. Energia este transferată de la miez la suprafața pământului prin convecție. Astfel, în manta se observă o mișcare constantă a materiei, care formează un câmp magnetic după binecunoscuta lege a mișcării particulelor încărcate. Dacă asociem aspectul său doar cu curenții interni, rezultă că toate planetele a căror direcție de rotație coincide cu direcția de rotație a Pământului trebuie să aibă un câmp magnetic identic. Cu toate acestea, nu este. Polul nord geografic al lui Jupiter coincide cu polul nord magnetic.

Nu numai curenții interni sunt implicați în formarea câmpului magnetic al Pământului. Se știe de multă vreme că reacționează la vântul solar, un flux de particule de înaltă energie care emană de la Soare ca urmare a reacțiilor care au loc pe suprafața sa.

Vântul solar este prin natura sa un curent electric (mișcarea particulelor încărcate). Fiind purtat de rotația Pământului, creează un curent circular, care duce la apariția câmpului magnetic al Pământului.

Încă ne amintim despre câmpul magnetic de la școală, tocmai asta este, „apare” în amintirile nu tuturor. Să reîmprospătăm ceea ce am trecut și, poate, să vă spunem ceva nou, util și interesant.

Determinarea câmpului magnetic

Un câmp magnetic este un câmp de forță care acționează asupra sarcinilor electrice în mișcare (particule). Datorită acestui câmp de forță, obiectele sunt atrase unele de altele. Există două tipuri de câmpuri magnetice:

  1. Gravitațional - se formează exclusiv în apropierea particulelor elementare și variază în puterea sa în funcție de caracteristicile și structura acestor particule.
  2. Dinamic, generat în obiecte cu sarcini electrice în mișcare (transmițătoare de curent, substanțe magnetizate).

Pentru prima dată, denumirea câmpului magnetic a fost introdusă de M. Faraday în 1845, deși semnificația sa era puțin eronată, deoarece se credea că atât efectele și interacțiunile electrice, cât și magnetice sunt efectuate pornind din același câmp material. Mai târziu, în 1873, D. Maxwell a „prezentat” teoria cuantică, în care aceste concepte au început să fie separate, iar câmpul de forță derivat anterior a fost numit câmp electromagnetic.

Cum apare un câmp magnetic?

Câmpurile magnetice ale diferitelor obiecte nu sunt percepute de ochiul uman și doar senzorii speciali le pot înregistra. Sursa apariției unui câmp de forță magnetic la scară microscopică este mișcarea microparticulelor magnetizate (încărcate), care sunt:

  • ioni;
  • electroni;
  • protoni.

Mișcarea lor are loc datorită momentului magnetic de spin, care este prezent în fiecare microparticulă.


Câmp magnetic, unde îl puteți găsi?

Oricât de ciudat ar suna, aproape toate obiectele din jurul nostru au propriul lor câmp magnetic. Deși în conceptul multora, doar o pietricică numită magnet are un câmp magnetic, care atrage obiectele de fier spre sine. De fapt, forța de atracție este în toate obiectele, doar că se manifestă într-o valență mai mică.

De asemenea, trebuie clarificat faptul că un câmp de forță, numit magnetic, apare doar cu condiția ca sarcinile electrice sau corpurile să se miște.


Sarcinile imobile au un câmp de forță electric (poate fi prezent și în sarcinile în mișcare). Rezultă că sursele câmpului magnetic sunt:

  • magneți permanenți;
  • taxe mobile.

Conform conceptelor moderne, s-a format acum aproximativ 4,5 miliarde de ani, iar din acel moment planeta noastră este înconjurată de un câmp magnetic. Tot ce este pe Pământ, inclusiv oamenii, animalele și plantele, este afectat de acesta.

Câmpul magnetic se extinde până la o altitudine de aproximativ 100.000 km (Fig. 1). Devia sau captează particulele vântului solar, care sunt distructive pentru toate organismele vii. Aceste particule încărcate formează centura de radiații a Pământului și întreaga zonă a spațiului apropiat al Pământului în care se află se numește magnetosferă(fig. 2). Pe partea Pământului iluminată de Soare, magnetosfera este delimitată de o suprafață sferică cu o rază de aproximativ 10-15 raze Pământului, iar pe partea opusă, este alungită ca o coadă cometă până la o distanță de până la câteva. mii de raze Pământului, formând o coadă geomagnetică. Magnetosfera este separată de câmpul interplanetar printr-o regiune de tranziție.

Polii magnetici ai Pământului

Axa magnetului pământului este înclinată cu 12 ° față de axa de rotație a pământului. Este situat la aproximativ 400 km de centrul Pământului. Punctele în care această axă traversează suprafața planetei sunt: poli magnetici. Polii magnetici ai Pământului nu se aliniază cu polii geografici adevărați. În prezent, coordonatele polilor magnetici sunt următoarele: nord - 77 ° N. și 102 ° V; sudic - (65 ° S și 139 ° E).

Orez. 1. Structura câmpului magnetic al Pământului

Orez. 2. Structura magnetosferei

Se numesc linii de forță care circulă de la un pol magnetic la altul meridiane magnetice... Între meridianul magnetic și geografic se formează un unghi, numit declinație magnetică... Fiecare loc de pe Pământ are propriul unghi de declinare. În regiunea Moscovei, unghiul de declinare este de 7 ° la est, iar în Yakutsk - aproximativ 17 ° la vest. Aceasta înseamnă că capătul nordic al acului busolei la Moscova deviază cu T la dreapta meridianului geografic care trece prin Moscova, iar în Yakutsk - 17 ° la stânga meridianului corespunzător.

Un ac magnetic suspendat liber este situat orizontal doar pe linia ecuatorului magnetic, care nu coincide cu cea geografică. Deplasându-se la nord de ecuatorul magnetic, capătul nordic al săgeții va coborî treptat. Se numește unghiul format de acul magnetic și planul orizontal înclinare magnetică... La polii magnetici nord și sud, înclinația magnetică este cea mai mare. Este egal cu 90 °. La Polul Nord magnetic, acul magnetic suspendat liber va fi instalat vertical cu capătul nord în jos, iar la Polul Sud magnetic, capătul său sud se va coborî. Astfel, săgeata magnetică arată direcția liniilor câmpului magnetic deasupra suprafeței pământului.

În timp, poziția polilor magnetici în raport cu suprafața pământului se modifică.

Polul magnetic a fost descoperit de exploratorul James K. Ross în 1831, la sute de kilometri de locația sa actuală. În medie, se deplasează 15 km într-un an. În ultimii ani, viteza de mișcare a polilor magnetici a crescut dramatic. De exemplu, Polul Nord Magnetic se deplasează acum cu o viteză de aproximativ 40 km pe an.

Schimbarea polilor magnetici ai Pământului se numește inversarea câmpului magnetic.

De-a lungul istoriei geologice a planetei noastre, câmpul magnetic al pământului și-a schimbat polaritatea de peste 100 de ori.

Câmpul magnetic se caracterizează prin puterea sa. În unele locuri de pe Pământ, liniile magnetice de forță se abat de la câmpul normal, formând anomalii. De exemplu, în regiunea Anomaliei Magnetice Kursk (KMA), intensitatea câmpului este de patru ori mai mare decât în ​​mod normal.

Există schimbări zilnice în câmpul magnetic al Pământului. Motivul acestor modificări în câmpul magnetic al Pământului este curenții electrici care curg în atmosferă la altitudini mari. Sunt cauzate de radiația solară. Prin acțiunea vântului solar, câmpul magnetic al Pământului este distorsionat și capătă o „dâră” în direcția de la Soare, care se întinde pe sute de mii de kilometri. Principalul motiv pentru apariția vântului solar, așa cum știm deja, este ejecțiile grandioase de materie din coroana solară. Când se îndreaptă spre Pământ, aceștia se transformă în nori magnetici și duc la perturbări puternice, uneori extreme, pe Pământ. Perturbații deosebit de puternice ale câmpului magnetic al Pământului - furtuni magnetice. Unele furtuni magnetice încep în mod neașteptat și aproape simultan pe tot Pământul, în timp ce altele se dezvoltă treptat. Ele pot dura câteva ore sau chiar zile. Adesea, furtunile magnetice apar la 1-2 zile după o erupție solară din cauza trecerii Pământului printr-un flux de particule ejectate de Soare. Pe baza timpului de întârziere, viteza unui astfel de flux corpuscular este estimată la câteva milioane de km/h.

În timpul furtunilor magnetice puternice, funcționarea normală a telegrafului, telefonului și radioului este perturbată.

Furtunile magnetice sunt adesea observate la latitudini 66-67 ° (în zona aurorelor) și apar concomitent cu aurorele.

Structura câmpului magnetic al Pământului se modifică în funcție de latitudinea zonei. Permeabilitatea câmpului magnetic crește spre poli. Deasupra regiunilor polare, liniile de forță ale câmpului magnetic sunt mai mult sau mai puțin perpendiculare pe suprafața pământului și au o configurație în formă de pâlnie. Prin ele, o parte din vântul solar din partea zilei pătrunde în magnetosferă, iar apoi în atmosfera superioară. Particulele din coada magnetosferei se năpustesc aici în perioada furtunilor magnetice, ajungând la limitele atmosferei superioare la latitudinile înalte ale emisferelor nordice și sudice. Aceste particule încărcate sunt cele care provoacă aurorele aici.

Așadar, furtunile magnetice și schimbările zilnice ale câmpului magnetic sunt explicate, așa cum am aflat deja, prin radiația solară. Dar care este motivul principal pentru magnetismul permanent al Pământului? Teoretic, s-a putut demonstra că 99% din câmpul magnetic al Pământului este cauzat de surse ascunse în interiorul planetei. Câmpul magnetic principal se datorează surselor situate în adâncurile Pământului. Ele pot fi împărțite aproximativ în două grupuri. Cele mai multe dintre ele sunt asociate cu procese din miezul pământului, unde, datorită mișcărilor continue și regulate ale unei substanțe conductoare de electricitate, se creează un sistem de curenți electrici. Celălalt este legat de faptul că rocile scoarței terestre, fiind magnetizate de câmpul electric principal (câmpul nucleului), își creează propriul câmp magnetic, care se adaugă câmpului magnetic al nucleului.

Pe lângă câmpul magnetic, în jurul Pământului există și alte câmpuri: a) gravitaționale; b) electrice; c) termică.

Câmp gravitațional Pământul se numește câmp gravitațional. Este îndreptată de-a lungul unui plumb perpendicular pe suprafața geoidă. Dacă Pământul ar avea forma unui elipsoid de revoluție și masele ar fi distribuite uniform în el, atunci ar avea un câmp gravitațional normal. Diferența dintre puterea câmpului gravitațional real și cea teoretică este anomalia gravitațională. Compoziția materialului și densitatea diferită a rocilor provoacă aceste anomalii. Dar sunt posibile și alte motive. Ele pot fi explicate prin următorul proces - echilibrarea crustei dure și relativ ușoare de pe mantaua superioară mai grea, unde presiunea straturilor de deasupra este egalizată. Acești curenți provoacă deformații tectonice, mișcarea plăcilor litosferice și astfel creează macrorelieful Pământului. Gravitația deține atmosfera, hidrosfera, oamenii, animalele de pe Pământ. Forța gravitației trebuie luată în considerare la studierea proceselor din anvelopa geografică. Termenul " geotropism”Se referă la mișcările de creștere ale organelor plantelor, care, sub influența forței gravitaționale, asigură întotdeauna direcția verticală de creștere a rădăcinii primare perpendiculară pe suprafața Pământului. Biologia gravitațională folosește plantele ca obiecte experimentale.

Dacă nu țineți cont de forța gravitației, este imposibil să calculați datele inițiale pentru lansarea rachetelor și a navelor spațiale, pentru a face explorarea gravimetrică a mineralelor și, în cele din urmă, dezvoltarea ulterioară a astronomiei, fizicii și a altor științe este imposibilă. .

Camp magnetic se numește un tip special de materie, diferit de o substanță, prin care se transmite efectul unui magnet asupra altor corpuri.

Un câmp magnetic apare în spațiul care înconjoară sarcinile electrice în mișcare și magneții permanenți. Afectează doar taxele de mișcare. Sub influența forțelor electromagnetice, particulele încărcate în mișcare sunt deviate

Din traseul său original într-o direcție perpendiculară pe câmp.

Câmpurile magnetice și electrice sunt inseparabile și formează împreună un singur câmp electromagnetic. Fiecare schimbare câmp electric duce la apariția unui câmp magnetic și, invers, orice modificare a câmpului magnetic este însoțită de apariția unui câmp electric. Câmpul electromagnetic se propagă cu viteza luminii, adică 300.000 km/s.

Acțiunea magneților permanenți și electromagneților asupra corpurilor feromagnetice, existența și unitatea indisolubilă a polilor magneților și interacțiunea acestora este binecunoscută (spre deosebire de polii se atrag, ca și polii resping). În mod similar

cu polii magnetici ai pământului se numesc polii magneților Nord si Sud.

Câmpul magnetic este reprezentat grafic prin linii de forță magnetice, care stabilesc direcția câmpului magnetic în spațiu (Fig. 1). Aceste rânduri nu au început sau sfârșit, adică. sunt inchise.

Liniile de forță ale câmpului magnetic al unui conductor drept sunt cercuri concentrice care înconjoară firul. Cu cât curentul este mai puternic, cu atât câmpul magnetic din jurul firului este mai puternic. Odată cu distanța față de firul cu curent, câmpul magnetic slăbește.

În spațiul din jurul unui magnet sau electromagnet, direcția de la polul nord spre sud. Cu cât câmpul magnetic este mai intens, cu atât densitatea liniilor de forță este mai mare.

Se determină direcția liniilor câmpului magnetic regula gimlet:.

Orez. 1. Câmp magnetic al magneților:

a - direct; b - potcoava

Orez. 2. Câmp magnetic:

a - fir drept; b - bobină inductivă

Dacă șurubul este înșurubat în direcția curentului, liniile de forță magnetice magnetice vor fi direcționate de-a lungul cursului șurubului (Fig. 2 a)

Pentru a obține un câmp magnetic mai puternic, se folosesc bobine inductive cu înfășurare de sârmă. În acest caz, câmpurile magnetice ale spirelor individuale ale bobinei inductive sunt adăugate și liniile lor de forță se contopesc într-un flux magnetic comun.

Din bobina inductivă ies linii de forță magnetice

la capătul unde curentul este direcționat în sens invers acelor de ceasornic, adică acest capăt este polul nord magnetic (Fig. 2, b).

Când direcția curentului în bobina inductivă se schimbă, se va schimba și direcția câmpului magnetic.

Câmpul magnetic și caracteristicile acestuia. Când un curent electric trece printr-un conductor, a un câmp magnetic. Un câmp magnetic reprezintă unul dintre tipurile de materie. Posedă energie, care se manifestă sub formă de forțe electromagnetice care acționează asupra sarcinilor electrice individuale în mișcare (electroni și ioni) și asupra fluxurilor acestora, adică curentul electric. Sub influența forțelor electromagnetice, particulele încărcate în mișcare deviază de la calea lor inițială într-o direcție perpendiculară pe câmp (Fig. 34). Se formează câmpul magnetic numai în jurul sarcinilor electrice în mișcare, iar acțiunea sa se extinde și la sarcinile în mișcare. Câmpuri magnetice și electrice inseparabile și împreună formează un singur câmp electromagnetic... Fiecare schimbare câmp electric duce la apariția unui câmp magnetic și, invers, orice modificare a câmpului magnetic este însoțită de apariția unui câmp electric. Câmp electromagnetic se propagă cu viteza luminii, adică 300.000 km/s.

Reprezentarea grafică a câmpului magnetic. Grafic, câmpul magnetic este reprezentat prin linii de forță magnetice, care sunt desenate astfel încât direcția liniei de forță în fiecare punct al câmpului să coincidă cu direcția forțelor câmpului; liniile magnetice de forță sunt întotdeauna continue și închise. Direcția câmpului magnetic în fiecare punct poate fi determinată folosind săgeata magnetică. Polul nord al săgeții este întotdeauna setat în direcția forțelor de câmp. Capătul magnetului permanent, din care ies liniile de forță (Fig. 35, a), este considerat a fi polul nord, iar capătul opus, în care intră liniile de forță, este polul sud ( liniile de forță care trec prin magnet nu sunt prezentate). Distribuția liniilor de forță între polii unui magnet plat poate fi detectată folosind pilitura de oțel turnată pe o foaie de hârtie așezată pe stâlpi (Fig. 35, b). Câmpul magnetic din spațiul de aer dintre doi poli opuși paraleli ai unui magnet permanent este caracterizat de o distribuție uniformă a liniilor de forță magnetice (Fig. 36) (liniile de forță care trec în interiorul magnetului nu sunt prezentate).

Orez. 37. Fluxul magnetic care pătrunde în bobină în poziții perpendiculare (a) și oblice (b) față de direcția liniilor câmpului magnetic.

Pentru o reprezentare mai vizuală a câmpului magnetic, liniile de forță sunt plasate mai rar sau mai dense. În acele locuri în care rolul magnetic este mai puternic, liniile de forță sunt plasate mai aproape una de cealaltă, în aceleași locuri în care este mai slab - mai departe unele de altele. Liniile de forță nu se intersectează nicăieri.

În multe cazuri, este convenabil să se considere liniile magnetice de forță ca niște filamente elastice întinse care au tendința de a se contracta și, de asemenea, se resping reciproc (au o forță laterală reciprocă). O astfel de reprezentare mecanică a liniilor de forță vă permite să explicați vizual apariția forțelor electromagnetice în timpul interacțiunii unui câmp magnetic și a unui conductor cu curent, precum și a două câmpuri magnetice.

Principalele caracteristici ale unui câmp magnetic sunt inducția magnetică, fluxul magnetic, permeabilitatea și puterea câmpului magnetic.

Inductie magnetica si flux magnetic. Intensitatea câmpului magnetic, adică capacitatea sa de a efectua lucru, este determinată de o cantitate numită inducție magnetică. Cu cât câmpul magnetic creat de un magnet permanent sau electromagnet este mai puternic, cu atât are mai multă inducție. Inducția magnetică B poate fi caracterizată prin densitatea liniilor magnetice de forță, adică numărul de linii de forță care trec printr-o zonă de 1 m 2 sau 1 cm 2, situată perpendicular pe câmpul magnetic. Distingeți câmpurile magnetice omogene și neuniforme. Într-un câmp magnetic uniform, inducția magnetică în fiecare punct al câmpului are aceeași valoare și direcție. Un câmp într-un spațiu de aer între polii opuși ai unui magnet sau electromagnet (vezi Figura 36) la o anumită distanță de marginile acestuia poate fi considerat uniform. Fluxul magnetic Ф care trece prin orice suprafață este determinat de numărul total de linii de forță magnetice care pătrund în această suprafață, de exemplu, bobina 1 (Fig. 37, a), prin urmare, într-un câmp magnetic uniform.

Ф = BS (40)

unde S este aria secțiunii transversale a suprafeței prin care trec liniile magnetice de forță. Rezultă că într-un astfel de câmp, inducția magnetică este egală cu fluxul împărțit la aria secțiunii transversale S:

B = F/ S (41)

Dacă orice suprafață este situată oblic față de direcția liniilor câmpului magnetic (Fig. 37, b), atunci fluxul care o pătrunde va fi mai mic decât atunci când este perpendiculară pe ea, adică Ф 2 va fi mai mic decât Ф 1.

În sistemul SI de unități, fluxul magnetic este măsurat în Weber (Vb), această unitate are dimensiunea V * s (volt-secundă). Inducția magnetică în unități SI se măsoară în tesla (T); 1 T = 1 Wb/m 2.

Permeabilitatea magnetică. Inducția magnetică depinde nu numai de puterea curentului care trece printr-un conductor drept sau bobină, ci și de proprietățile mediului în care este creat câmpul magnetic. Mărimea care caracterizează proprietățile magnetice ale mediului este permeabilitatea magnetică absolută? A. Unitatea sa de măsură este Henry pe metru (1 H / m = 1 Ohm * s / m).
Într-un mediu cu o permeabilitate magnetică mai mare, un curent electric de o anumită putere creează un câmp magnetic cu o inducție mai mare. S-a stabilit că permeabilitatea magnetică a aerului și a tuturor substanțelor, cu excepția materialelor feromagnetice (vezi § 18), are aproximativ aceeași valoare - ca și permeabilitatea magnetică a vidului. Permeabilitatea magnetică absolută a vidului se numește constantă magnetică,? o = 4x * 10-7 H/m. Permeabilitatea magnetică a materialelor feromagnetice este de mii și chiar de zeci de mii de ori mai mare decât permeabilitatea magnetică a substanțelor neferomagnetice. Raportul de permeabilitate? și orice substanță la permeabilitatea magnetică a vidului? o se numește permeabilitatea magnetică relativă:

? =? A /? O (42)

Intensitatea câmpului magnetic. Intensitatea Și nu depinde de proprietățile magnetice ale mediului, ci ia în considerare influența intensității curentului și a formei conductorilor asupra intensității câmpului magnetic într-un punct dat din spațiu. Inducția magnetică și tensiunea sunt legate

H = B /? a = B / (?? o) (43)

În consecință, într-un mediu cu permeabilitate magnetică constantă, inducerea câmpului magnetic este proporțională cu puterea acestuia.
Intensitatea câmpului magnetic se măsoară în amperi pe metru (A/m) sau în amperi pe centimetru (A/cm).