Когда возникает магнитное поле: Что такое магнитные поля? (статья)

Содержание

Представление о магнитном поле / Хабр

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц.

На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.


Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.


Спин

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Притягательная планета Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, – теория динамо-эффекта – предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по “направлению”. Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования “скалистых” планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля “помнит” о смене полюсов. Анализ таких “воспоминаний” показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время “переходного периода” на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме “следов” плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких “движений” поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. “Толщина” магнитного поля в этом районе не превышает трети от “нормальной”. Исследователи давно обратили внимание на эту “прореху” в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и “выбрасывает” их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем “реперными точками” для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из “теорий заговора” – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. “Собранные” частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли – удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было – его необходимо было бы придумать.

Действие электрического тока


Наличие тока в электроцепи всегда проявляется каким-либо действием. Например, работа при конкретной нагрузке или какое-то сопутствующее явление. Следовательно, именно действие электротока говорит о его присутствии как таковом в той или иной электроцепи. То есть, если работает нагрузка, то ток имеет место быть. 

Известно, что электрический ток вызывает различного рода действия. Например, к таковым относятся тепловые, химические, магнитные, механические или световые. При этом различные действия электрического тока способны проявлять себя одновременно. Более подробно о всех проявлениях мы расскажем Вам в данном материале.

Тепловое явление

Известно, что температура проводника повышается при прохождении через него тока. В качестве таких проводников выступают различные металлы или их расплавы, полуметаллы или полупроводники, а также электролиты и плазма. Например, при пропускании через проволоку из нихрома электрического тока происходит ее сильное нагревание. Данное явление используют в приборах нагрева, а именно: в электрических чайниках, кипятильниках, обогревателях и т.п. Электродуговая сварка отличается самой большой температурой, а именно нагрев электродуги может достигать до 7 000 градусов по Цельсию. При такой температуре достигается легкое расплавление металла. 

Количество выделяемой теплоты напрямую зависит от того, какое напряжение было приложено к данному участку, а также от электротока и времени его прохождения по цепи. 

Для расчета объемов выделяемой теплоты используется или напряжение, или сила тока. При этом необходимо знание показателя сопротивления в электроцепи, поскольку именно оно провоцирует нагрев из-за ограничения тока. Также количество тепла можно определить при помощи тока и напряжения.

Химическое явление

Химическое действие электротока заключается в электролизе ионов в электролите. Анод при электролизе присоединяет к себе анионы, катод – катионы. 

Иными словами, во время электролиза на электродах источника тока происходит выделение определенных веществ.

Приведем пример: в кислотный, щелочной или же солевой раствор опускаются два электрода. После пропускается по электроцепи ток, что провоцирует создание положительного заряда на одном из электродов, на другом – отрицательного. Ионы, которые находятся в растворе, откладываются на электроде с иным зарядом. 

Химическое действие электротока применяется в промышленности. Так, используя данное явление, осуществляют разложение воды на кислород и водород. Кроме того, при помощи электролиза получают металлы в их чистом виде, а также осуществляют гальваническое покрытие поверхности. 

Магнитное явление

Электрический ток в проводнике любого агрегатного состояния создает магнитное поле. Иными словами, проводник при электрическом токе наделяется магнитными свойствами.

Таким образом, если к проводнику, в котором протекает электроток, приблизить магнитную стрелку компаса, то та начнет поворачиваться и займет к проводнику перпендикулярное положение. Если же на сердечник из железа намотать данный проводник и пропустить сквозь него постоянный ток, то данный сердечник примет свойства электромагнита. 

Природа магнитного поля всегда заключается в наличии электрического тока. Объясним: движущиеся заряды (заряженные частицы) образуют магнитное поле. При этом токи противоположного направления отталкиваются, а одинакового направления – притягиваются. Данное взаимодействие обосновано магнитным и механическим взаимодействием магнитных полей электротоков. Выходит, что магнитное взаимодействие токов первостепенно. 

Магнитное действие применяется в трансформаторах и электромагнитах. 

Световое явление

Самый простой пример светового действия – лампа накаливания. В данном источнике света спираль достигает нужной температурной величины посредством проходящего сквозь нее тока до состояния белого каления. Тем самым и излучается свет. В традиционной лампочке накаливания всего лишь пять процентов всей электроэнергии расходуется на свет, остальная же львиная доля преобразуется в тепло. 

Более современные аналоги, например, люминесцентные лампы наиболее эффективно преобразуют электроэнергию в свет. То есть, около двадцати процентов всей энергии лежит в основе света. Люминофор принимает УФ-излучение, идущее от разряда, что возникает в ртутных парах или в инертных газах. 

Самая эффективная реализация светового действия тока происходит в светодиодных источниках света. Электрический ток, проходя через pn-переход, провоцирует рекомбинацию носителей заряда с излучением фотонов. Лучшими led излучателями света являются прямозонные полупроводники. Изменяя состав данных полупроводников, возможно создание светодиодов для различных световых волн (разной длины и диапазона). Коэффициент полезного действия светодиода достигает 50 процентов. 

Механическое явление

Напомним, что вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Все магнитные действия преобразуются в движение. Примером служат электрические двигатели, магнитные подъемные установки, реле и др.

В 1820 году Андре Мари Ампер вывел известный всем «Закон Ампера», который как раз описывает механическое действие одного электротока на другой.  

Данный закон гласит, что параллельные проводники с электрическим током одинакового направления испытывают притяжение друг другу, а противоположного направления, наоборот, отталкивание. 

Также закон ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле воздействует на небольшой отрезок проводника с электротоком. Именно данная сила лежит в основе функционирования электрического двигателя.

Статьи по теме: 

Магнитное поле и его свойства

Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.

Магнитный момент
возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.

Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.

А направление силы Лоренца – силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике , а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.

На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.

Заметка: учите инглиш? – рейтинг школ английского языка (http://www.schoolrate.ru/) будет вам полезен при выборе.


Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Что такое магнитное поле, его свойства и источники

Магнитное поле: Freepick

Что такое магнитное поле? Физика легко объясняет все явления природы, в том числе и невидимые, а потому дает ответ и на этот вопрос. Оказывается, в некоторых веществах есть свободные электроны, движение которых и создает особенные поля. Обсудим их секреты подробнее.

Что такое магнитное поле, его свойства

Многие видели и держали в руках магниты. Легко заметить ту силу, которая возникает между ними.

Каждый магнит обладает двумя полюсами: противоположные притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Кроме того, магниты всегда окружены областью, где эта сила возникает. Магнитные поля как раз и описывают такую силу.

Таким образом, магнитное поле — это концепция, которую используют, чтобы описать то, как сила распределяется в пространстве вокруг магнита и в нем самом. Впервые на это явление обратил внимание французский ученый Перегрин, а затем исследовали Ампер и Фарадей.

Явление магнетизма и магнитных полей — одна из составляющих электромагнитных сил, которые для природы базовые. Появляется магнитное поле там, где происходит движение зарядов. Когда большие заряды двигаются с высокими скоростями, то сила магнитного поля возрастает.

Магнитное поле вокруг магнита: Freepick

Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:

  • Можно пустить ток по проводнику, присоединенному к батарее. Если силу тока увеличивать (то есть наращивать количество движущихся зарядов), то пропорционально усилится и магнитное поле. Его сила будет уменьшаться пропорционально расстоянию от проводника. Данное явление называют закон Ампера.
  • Можно использовать свойства электронов. Они имеют отрицательный заряд и совершают движение вокруг ядра атомов, что и есть основой принципа работы постоянного магнита. Не все материалы получится намагнитить. Для этого необходимы один или несколько так называемых непарных электронов (обычно электроны всегда образуют пары). Например, у атома железа есть четыре непарных электрона, поэтому из такого материала получится хороший магнит.

Каждый кусочек любого материала состоит из миллиардов атомов. Когда они ориентируются в пространстве произвольно, то их поле угасает, даже при наличии непарных электронов. Только в стабильных веществах можно получить постоянную ориентацию электронов, то есть постоянный магнит или ферромагнетик.

Некоторым материалам для этой цели необходим внешний источник магнитного поля. Оно способно сориентировать вращение электронов и задать им нужное направление, но стоит исчезнуть внешнему полю, и общая ориентация тоже пропадет. Такие материалы получили название парамагнетиков.

Хороший пример парамагнетика — металлическая дверца холодильников. Сама по себе она не магнит, но может притягивать приложенные к ней магниты. Это свойство многие используют, когда с помощью магнита крепят к дверце холодильника список покупок или записку.

Экспериментально подтвержденные свойства магнитного поля таковы:

  • оно материальное, то есть существует в объективной реальности, даже если о нем не знаем;
  • его порождают лишь движущиеся электрические заряды, то есть любое движущееся заряженное тело окружено таким полем. Магнитные поля создаются и магнитами, но и в этом случае причина появления кроется в движении электронов. Переменные электрические поля также создают их;
  • обнаруживают данные поля, действуя некоторой силой на движущиеся электрические заряды или проводники с током;
  • в пространстве его распространение происходит со скоростью, которая равна скорости света в условиях вакуума.

Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.

Магнитное поле: источники, измерение

Источниками магнитных полей считаются:

  • Электрические поля, меняющиеся во времени.
  • Подвижный заряд.
  • Постоянный магнит.
Магниты разного размера: Freepick

С детства сталкиваемся с постоянными магнитами:

  1. Они применяются как игрушки, которые притягивают детали из металла.
  2. Их часто прикрепляют к холодильнику.
  3. Используют как встроенные части в игрушках.

Движущиеся электрические заряды, если сравнивать их с постоянными магнитами, обладают большей магнитной энергией.

Если магнитное поле нельзя увидеть, то как его изобразить? Физики предложили следующие способы:

  1. Магнитные поля описывают с помощью математики как векторные. Их изображают как упорядоченную сетку множества векторов. Каждый из них направлен в свою сторону, а длина определяется величиной магнитной силы. Если бы много маленьких компасов выложили в определенном порядке, картинка получила бы такая же, вот только силу поля узнать бы не удалось.
  2. Также используют силовые линии магнитного поля. В этом случае вместо сетки векторы соединяют плавные линии. При этом рисуют столько линий, сколько захочется.

Во втором виде изображения есть такие преимущества:

  • Силовые линии магнитных полей не пересекаются.
  • Они расположены тем плотнее, чем выше индукция (сила) магнитного поля.
  • Данные линии изображают в виде замкнутых циклов, то есть у них есть начало и конец с продолжением внутри магнита.

Чтобы указать направление поля, применяют стрелочки, расставленные вдоль силовых линий. Иногда применяют и другие обозначения. Традиционно полюса магнита обозначают как «север» и «юг», а силовые линии изображают по направлению от одного полюса ко второму.

По этой причине их обычным направлением считается направление с севера на юг. Концы источника магнитного поля часто подписывают английскими буквами N (север) и S (юг).

Полюбоваться силовыми линиями может каждый. Для этого:

  • Магнитные опилки надо высыпать на ровную поверхность рядом с источником магнитного поля.
  • Металлические частицы начнут вести себя подобно крошечному магниту с южным и северным полюсами.
  • Опилки постепенно образуют отдельные области благодаря отталкиванию одинаковых полюсов.
  • В результате получится рисунок силовых линий.

Так обычно выглядит основная картина, а свойства материала опилок определяют положение и плотность линий.

Магнит, притягивающий скрепки: Freepick

Наконец, магнитное поле как векторную величину можно описать и измерить. Для этого понадобится сила и направление:

  1. С направлением все просто. С его определения берут магнитный компас и ждут, пока стрелка остановится на силовой линии. Такие компасы были известны мореплавателям еще в XI веке. Кроме того, пользуются правилом сжатой правой руки (когда правая рука обхватывает проводник, а большой палец показывает направление тока, то другие пальцы указывают направление поля).
  2. С силой немного сложнее. Приборы под названием магнитометры были изобретены лишь в XIX веке. Большинство из них способно рассчитать силу, которая действует на электрон, движущийся в поле.

Точные измерения слабых магнитных полей начались после открытия в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления. Им обладают материалы, которые составлены из особенных тонких пленок.

Интересно, что это открытие фундаментальной физики стало применяться для хранения информации на жестких дисках компьютеров. В итоге плотность записи на магнитном носителе выросла в тысячи раз буквально в течение нескольких лет. В 2007 году ученые Ферт и Грюнберг за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.

Согласно международной системе единиц, силу (индукцию) магнитных полей измеряют в тесла (обозначают Тл, назвали в честь Николы Теслы). Тесла — это такая величина силы, которая действует на движущийся заряд от магнитного поля. Так, маленький магнит, который повесили на холодильник, создаст индукцию примерно 0,001 Тл, в то время как индукция магнитного поля нашей планеты составляет 5×10⁻⁵ Тл.

Иногда ученые пользуются альтернативной единицей измерения под названием гаусс (обозначают Гс). Преобразовываются эти единицы измерений достаточно легко: 1 Тл = 10⁴ Гс. Причиной применения единицы Гс стало то, что 1 тесла — это слишком высокая величина для индукции.

В формулах величину магнитной индукции обозначают символом BBB. Иногда встречается термин «напряженность магнитного поля» с обозначением символом HHH. Обе эти величины измеряют в одних и тех же единицах, но в напряженности учитывается магнитное поле, которое есть внутри магнита. В решении простых задач, где действие происходит в воздухе, этой разницей можно пренебречь.

О том, что такое магнитное поле, больше знаем из практики, но не всегда разбираемся в теории. Оказывается, что невидимые магнитные поля вполне реальны и создаются движением электронов. Их направление указывают стрелки компасов, а силу измеряют специальные приборы.

Оригинал статьи: https://www. nur.kz/family/school/1909092-chto-takoe-magnitnoe-pole-ego-svoystva-i-istochniki/

Про магнитное поле, соленоиды и электромагниты

Магнитное поле электрического тока

Магнитное поле создается не только естественными или искусственными постоянными магнитами, но и проводником, если по нему проходит электрический ток. Следовательно, существует связь между магнитными и электрическими явлениями.

Убедиться в том, что вокруг проводника, по которому проходит ток, образуется магнитное поле, нетрудно. Над подвижной магнитной стрелке параллельно ей поместите прямолинейный проводник и пропустите через него электрический ток. Стрелка займет положение, перпендикулярное проводнику.

Какие же силы могли заставить повернуться магнитную стрелку? Очевидно, силы магнитного поля, возникшего вокруг проводника. Выключите ток, и магнитная стрелка займет свое обычное положение. Это говорит о том, что с выключением тока исчезло и магнитное поле проводника.

Таким образом, проходящий по проводнику электрический ток создает магнитное поле. Чтобы узнать, в какую сторону отклонится магнитная стрелка, применяют правило правой руки. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтобы направление тока совпадало с направлением пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление отклонения северного полюса магнитной стрелки, помещенной под проводником. Пользуясь этим правилом и зная полярность стрелки, можно определить также направление тока в проводнике.

Магнитное поле прямолинейного проводника имеет форму концентрических кругов. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтобы ток как бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс магнитной стрелки.Такое поле называется круговым магнитным полем.

Направление силовых линий кругового поля зависит от направления электрического тока в проводнике и определяется так называемым правилом «буравчика». Если буравчик мысленно ввинчивать по направлению тока, то направление вращения его ручки будет совпадать с направлением магнитных силовых линий поля. Применяя это правило, можно узнать направление тока в проводнике, если известно направление силовых линий поля, созданного этим током.

Возвращаясь к опыту с магнитной стрелкой, можно убедиться в том, что она всегда располагается своим северным концом по направлению силовых линий магнитного поля.

Итак, вокруг прямолинейного проводника, по которому проходит электрический ток, возникает магнитное поле. Оно имеет форму концентрических кругов и называется круговым магнитным полем.

Соленоид. Магнитное поле соленоида


В электротехнике мы имеем дело с различного рода катушками, состоящими из ряда витков. Для изучения интересующего нас магнитного поля катушки рассмотрим сначала, какую форму имеет магнитное поле одного витка.

Магнитное поле возникает вокруг любого проводника независимо от его формы при условии, что по проводнику проходит электрический ток.

Представим себе виток толстого провода, пронизывающий лист картона и присоединенный к источнику тока. Когда через виток проходит электрический ток, то вокруг каждой отдельной части витка образуется круговое магнитное поле. По правилу «буравчика» нетрудно определить, что магнитные силовые линии внутри витка имеют одинаковое направление (к нам или от нас, в зависимости от направления тока в витке), причем они выходят с одной стороны витка и входят в другую сторону. Ряд таких витков, имеющий форму спирали, представляет собой так называемый соленоид (катушку).

Вокруг соленоида, при прохождении через него тока, образуется магнитное поле. Оно получается в результате сложения магнитных полей каждого витка и по форме напоминает магнитное поле прямолинейного магнита. Силовые линии магнитного поля соленоида, так же как и в прямолинейном магните, выходят из одного конца соленоида и возвращаются в другой. Внутри соленоида они имеют одинаковое направление. Таким образом, концы соленоида обладают полярностью. Тот конец, из которого выходят силовые линии, является северным полюсом соленоида, а конец, в который силовые линии входят, — его южным полюсом.

Полюса соленоида можно определить по правилу правой руки, но для этого надо знать направление тока в его витках. Если наложить на соленоид правую руку ладонью вниз, так чтобы ток как бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс соленоида. Из этого правила следует, что полярность соленоида зависит от направления тока в нем. В этом нетрудно убедиться практически, поднеся к одному из полюсов соленоида магнитную стрелку и затем изменив направление тока в соленоиде. Стрелка моментально повернется на 180°, т. е. укажет на то, что полюсы соленоида изменились.

Соленоид обладает свойством втягивать в себя легкие железные предметы. Если внутрь соленоида поместить стальной брусок, то через некоторое время под действием магнитного поля соленоида брусок намагнитится. Этот способ применяют при изготовлении постоянных магнитов.

Электромагниты

Электромагнит представляет собой катушку (соленоид) с помещенным внутрь нее железным сердечником. Формы и размеры электромагнитов разнообразны, однако общее устройство всех их одинаково.

Катушка электромагнита представляет собой каркас, изготовленный чаще всего из прессшпана или фибры и имеющий различные формы в зависимости от назначения электромагнита. На каркас намотана в несколько слоев медная изолированная проволока — обмотка электромагнита. Она имеет различночисло витков и изготовляется из проволоки различного диаметра, в зависимости от назначения электромагнита.

Для предохранения изоляции обмотки от механических повреждений обмотку покрывают одним или несколькими слоями бумаги или каким-либо другим изолирующим материалом. Начало и конец обмотки выводят наружу и присоединяют к выводным клеммам, укрепленным на каркасе, или к гибким проводникам с наконечниками на концах.

Катушка электромагнита насажена на сердечник из мягкого, отожженного железа или сплавов железа с кремнием, никелем и т. д. Такое железо обладает наименьшим остаточным магнетизмом. Сердечники чаще всего делают составными из тонких листов, изолированных друг от друга. Формы сердечников могут быть различными, в зависимости от назначения электромагнита.

Если по обмотке электромагнита пропустить электрический ток, то вокруг обмотки образуется магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Так как сердечник сделан из мягкого железа; то он намагнитится мгновенно. Если затем выключить ток, то магнитные свойства сердечника также быстро исчезнут, и он перестанет быть магнитом. Полюсы электромагнита, как и соленоида, определяются по правилу правой руки. Если в обмотке электромагнита изменить направление тока, то в соответствии с этим изменится и полярность электромагнита.

Действие электромагнита подобно действию постоянного магнита. Однако между ними есть большая разница. Постоянный магнит всегда обладает магнитными свойствами, а электромагнит — только тогда, когда по его обмотке проходит электрический ток.

Кроме того, сила притяжения постоянного магнита неизменна, так как неизменен магнитный поток постоянного магнита. Сила же притяжения электромагнита не является величиной постоянной. Один и тот же электромагнит может обладать различной силой притяжения. Сила притяжения всякого магнита зависит от величины его магнитного потока.

Сила притяжения электромагнита, а следовательно, и его магнитный поток зависят от величины тока, проходящего через обмотку этого электромагнита. Чем больше ток, тем больше сила притяжения электромагнита, и, наоборот, чем меньше ток в обмотке электромагнита, тем с меньшей силой он притягивает к себе магнитные тела.

Но для различных по своему устройству и размерам электромагнитов сила их притяжения зависит не только от величины тока в обмотке. Если, например, взять два электромагнита одинакового устройства и размеров, но один с небольшим числом витков обмотки, а другой — с гораздо большим, то нетрудно убедиться, что при одном и том же токе сила притяжения последнего будет гораздо больше. Действительно, чем больше число витков обмотки, тем большее при данном токе создается вокруг этой обмотки магнитное поле, так как оно слагается из магнитных полей каждого витка. Значит, магнитный поток электромагнита, а следовательно, и сила его притяжения будут тем больше, чем большее количество витков имеет обмотка.

Есть еще одна причина, влияющая на величину магнитного потока электромагнита. Это — качество его магнитной цепи. Магнитной цепью называется путь, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь обладает определенным магнитным сопротивлением. Магнитное сопротивление зависит от магнитной проницаемости среды, через которую проходит магнитный поток. Чем больше магнитная проницаемость этой среды, тем меньше ее магнитное сопротивление.

Так как магнитная проницаемость ферромагнитных тел (железа, стали) во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому выгоднее делать электромагниты так, чтобы их магнитная цепь не содержала в себе воздушных участков. Произведение силы тока на число витков обмотки электромагнита называется магнитодвижущей силой. Магнитодвижущая сила измеряется числом ампер-витков.

Например, по обмотке электромагнита, имеющего 1200 витков, проходит ток силой 50 ма. Магнитодвижущая сила такого электромагнита равна 0,05 х 1200 = 60 ампер-витков.

Действие магнитодвижущей силы аналогично действию электродвижущей силы в электрической цепи. Подобно тому как ЭДС является причиной возникновения электрического тока, магнитодвижущая сила создает магнитный поток в электромагните. Точно так же, как в электрической цепи с увеличением ЭДС увеличивается ток в цени, так и в магнитной цепи с увеличением магнитодвижущей силы увеличивается магнитный поток.

Действие магнитного сопротивления аналогично действию электрического сопротивления цепи. Как с увеличением сопротивления электрической цепи уменьшается ток, так и в магнитной цепи увеличение магнитного сопротивления вызывает уменьшение магнитного потока.

Зависимость магнитного потока электромагнита от магнитодвижущей силы и его магнитного сопротивления можно выразить формулой, аналогичной формуле закона Ома: магнитодвижущая сила = (магнитный поток/ магнитное сопротивление)

Магнитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление.

Число витков обмотки и магнитное сопротивление для каждого электромагнита есть величина постоянная. Поэтому магнитный поток данного электромагнита изменяется только с изменением тока, проходящего по обмотке. Так как сила притяжения электромагнита обусловливается его магнитным потоком, то, чтобы увеличить (или уменьшить) силу притяжения электромагнита, надо соответственно увеличить (или уменьшить) ток в его обмотке.

Поляризованный электромагнит

Поляризованный электромагнит представляет собой соединение постоянного магнита с электромагнитом. Он устроен таким образом. К полюсам постоянного магнита прикреплены так называемые полюсные надставки из мягкого железа. Каждая полюсная надставка служит сердечником электромагнита, на нее насаживается катушка с обмоткой. Обе обмотки соединяются между собой последовательно.

Так как полюсные надставки непосредственно присоединены к полюсам постоянного магнита, то они обладают магнитными свойствами и при отсутствии тока в обмотках; при этом сила притяжения их неизменна и обусловливается магнитным потоком постоянного магнита.

Действие поляризованного электромагнита заключается в том, что при прохождении тока по его обмоткам сила притяжения его полюсов возрастает или уменьшается в зависимости от величины и направления тока в обмотках. На этом свойстве поляризованного электромагнита основано действие электромагнитных поляризованных реле и других электротехнических устройств.

Действие магнитного поля на проводник с током

Если в магнитное поле поместить проводник так, чтобы он был расположен перпендикулярно силовым линиям поля, и пропустить по этому проводнику электрический ток, то проводник придет в движение и будет выталкиваться из магнитного поля.

В результате взаимодействия магнитного поля с электрическим током проводник приходит в движение, т. е. электрическая энергия превращается в механическую.

Сила, с которой проводник выталкивается из магнитного поля, зависит от величины магнитного потока магнита, силы тока в проводнике и длины той части проводника, которую пересекают силовые линии поля. Направление действия этой силы, т. е. направление движения проводника, зависит от направления тока в проводнике и определяется по правилу левой руки.

Если держать ладонь левой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а вытянутые четыре пальца были обращены по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника. Применяя это правило, надо помнить, что силовые линии поля выходят из северного полюса магнита.

На этом пока все.

Древнее магнитное поле и последние данные «Мессенджера». Возраст магнитного поля Меркурия составляет почти 4 миллиарда лет

«Суть работы в том, что магнитное поле у Меркурия есть уже очень давно. Раньше ученые не имели понятия о том, когда оно возникло. Теперь данные аппарата «Мессенджер» позволили выяснить, что оно появилось не позднее, чем 3,7 — 3,9 миллиарда лет назад», — рассказал «Чердаку» один из авторов статьи Николай Цыганенко, доцент кафедры физики Земли физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Первые три года «Мессенджер» обращался вокруг планеты, подходя к ней в самой низкой точке орбиты на 200 километров, затем эту высоту снизили примерно до 100 километров, а в последние месяцы его существования — до 30—40 километров. «Это позволило детально измерить магнитное поле и выяснить, что существует древняя остаточная намагниченность коры планеты. Полученный результат означает, что в период формирования этой поверхности — по данным планетохимии Меркурия и статистики кратеров на его поверхности, это происходило около четырех миллиардов лет назад, — магнитное поле планеты уже существовало и оставило свой «отпечаток» в застывающей магме в виде остаточного поля», — рассказал ученый.

Магнитное поле возникает из-за того, что радиоактивный распад и связанное с ним выделение тепла, в сочетании с суточным вращением планеты, вызывают в ее ядре перемешивание вещества (конвекцию). Благодаря высокой электропроводности ядра, состоящего из расплавленного железа, в нем возбуждаются электрические токи, которые порождают магнитное поле. Поле, в свою очередь, усиливает и поддерживает возникшие токи. В Солнечной системе собственные магнитные поля есть у большинства планет. Лишены их только Марс и Венера, и ученые до сих пор точно не знают почему. Возможно, ядра этих планет уже остыли и в них нет расплавленной части.

Магнитное поле Меркурия сравнительно невелико, во много раз слабее земного. Магнитное поле Земли защищает нашу планету от солнечного ветра — потока заряженных частиц, истекающих из Солнца, отклоняя их на расстоянии около 60 тысяч километров от планеты. Для Меркурия это расстояние составляет всего около 1100 километров. Поэтому при сильных вспышках на Солнце и связанных с ними выбросах вещества солнечный ветер может достигать его поверхности. Еще одна особенность магнитного поля Меркурия — центр его симметрии заметно смещен к южному полюсу планеты, отметил Цыганенко.

Основная работа по изучению остаточного поля коры планеты была выполнена Кэтрин Джонсон (Catherine Johnson) из университета Британской Колумбии в Ванкувере (Канада). «Моя роль — в сотрудничестве с Хайе Кортом (Haje Korth) из лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса в Лореле (США) — состояла в построении математической модели магнитного поля Меркурия по данным измерений на аппарате «Мессенджер», — пояснил Цыганенко. — Модель позволила выделить из измерений вклад собственного поля Меркурия, «очистив» его от возмущающих эффектов солнечного ветра».

«Мессенджер» отправился к Меркурию в 2004 году, вышел на орбиту планеты в 2011 году и работал на ней, пока не закончилось топливо для маневров. Аппарат размером около трех метров разбился о поверхность Меркурия 30 апреля на скорости около 14 тысяч километров в час и, по расчетам, оставил на поверхности планеты воронку диаметром 15—20 метров.

Работа с результатами исследования опубликована в журнале Science.

 Екатерина Боровикова

Что происходит с токоведущим проводом в магнитном поле? | Научный проект

  • Сильный подковообразный магнит
  • Длинный изолированный провод
  • Инструмент для зачистки проводов
  • D аккумулятор
  • Изолента
  1. Зачистите 1 дюйм изоляции с каждой стороны провода.
  2. Положите подковообразный магнит набок на плоскую поверхность.
  3. Используйте небольшой кусок изоленты, чтобы прикрепить металлическую часть одного конца провода к отрицательной клемме аккумулятора.
  4. Пропустите провод между ножками подковообразного магнита.
  5. Удерживая изолированную часть провода, коснитесь открытым концом провода положительной клеммы аккумулятора. В каком направлении течет электрический ток? Зачем держать изоляцию провода вместо металла? Запишите свои наблюдения.
  1. Переверните магнит и повторите эксперимент. Что изменится, если что? Запишите свои наблюдения.

Проволока отогнется от полюсов магнита.

Электрические токи всегда создают собственные магнитные поля. Поведение и ток всегда можно описать правилом правой руки . Сделайте рукой знак «большой палец вверх» следующим образом:

Ток будет течь в направлении, указанном большим пальцем, и направление магнитного поля будет описываться направлением пальцев.

Это означает, что когда вы меняете направление тока, вы также меняете направление магнитного поля.Ток течет от отрицательного полюса батареи через провод к положительному полюсу батареи. Это может помочь вам определить направление магнитного поля.

Магниты, как и подковообразный магнит, используемый в этом упражнении, имеют два полюса : , южный и северный. Фраза «противоположности притягиваются» применима к магнитам; поэтому взаимодействия север-юг держатся вместе, а взаимодействия север-север и юг-юг отталкивают или отталкивают друг от друга. Поскольку магнитное поле, создаваемое электрическим током в проводе, меняет направление вокруг провода, оно отталкивает оба полюса магнита, отклоняясь от провода.В зависимости от того, какой полюс находится вверху (отметка на вашем магните может сказать вам, где север или юг), провод будет отклоняться от магнита или дальше в сторону буквы «U».

Заявление об ограничении ответственности и меры предосторожности

Education.com предоставляет идеи проекта Science Fair для информационных целей. только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта Science Fair, вы отказываетесь от отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, которые включают ограничения об ответственности Education.com.

Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими или другой надзор.Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех Ответственность за использование материалов в проекте лежит на каждом отдельном человеке. Для Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.

Изменение направления магнитного поля Земли заняло в три раза больше времени, чем предполагалось

Известно, что магнитное поле Земли меняет направление с несколько пугающей регулярностью: магнитный север переключается на юг и наоборот. Процессы, которые приводят к этим изменениям, плохо изучены; Ученые знают, что последний поворот произошел около 773000 лет назад, но точно неизвестно, что именно происходит в ядре нашей планеты, чтобы вызвать это изменение.Новое исследование, однако, могло бы помочь прояснить основную причину, потому что оно предполагает, что обращение вспять занимает гораздо больше времени, чем мы думали. Полученные данные также могут иметь потенциальные последствия для человечества во время следующего переворота.

В своей статье, опубликованной сегодня в журнале « Science Advances» , Брэд Сингер из Университета Висконсин-Мэдисон и его коллеги подсчитали, что последняя инверсия магнитного поля Земли длилась примерно 22 000 лет. Предыдущие исследования подсчитали, что это явление длится от 4000 до 9000 лет.Новое число означает, что переход – более бурное событие, чем мы думали. «Процесс разворота намного сложнее и, по нашей оценке, длился дольше», – говорит Сингер. «Наше исследование указывает на более длительный и сложный процесс вождения и движения инверсии геомагнитного поля».

Для проведения расчетов команда использовала данные из множества источников, которые содержат историческую информацию о предыдущем магнитном переключении Земли, известном как разворот Матуямы-Брюнеса. Одним из доказательств были потоки лавы, которые действуют как капсула времени, потому что их богатые железом минералы совпадают с направлением магнитного поля планеты, когда лава затвердевает.Исследователи могут изучать изотопы аргона в потоках лавы, чтобы датировать их и составить четкую картину активности магнитного поля в определенный момент времени.

Полученные данные свидетельствуют о том, что магнитное дипольное поле Земли начало коллапсировать около 795 000 лет назад и испытало так называемый скачок, при котором поле падает до значительной части своей первоначальной силы, но не меняется на противоположное. Последняя экскурсия – событие Лашампа – произошла около 41 000 лет назад. Немного восстановившись 784000 лет назад, поле планеты затем снова рухнуло и, в конечном итоге, изменило ориентацию 11000 лет спустя, при этом окончательный процесс смены полярности длился 4000 лет. «Записи о потоках лавы ясно показывают, что это пара попыток динамо-машины перевернуть полярность, имевших место до окончательного, кульминационного переворота», – говорит Сингер.

Результаты могут иметь важные последствия для следующего перемагничивания Земли, к которому, по мнению некоторых ученых, мы приближаемся. Во время экскурсии или поворота магнитное поле значительно ослабевает и позволяет большему количеству космических лучей достигать поверхности планеты. Эти энергичные частицы из космоса могут нанести ущерб жизни на Земле, если слишком много достигнет поверхности.Кроме того, у спутников на орбите больше не будет магнитного поля планеты для защиты их чувствительной электроники, что сделает их более уязвимыми для повреждения космическими лучами. «Если диполь исчезнет, ​​исчезнет и экран, защищающий нас от входящих частиц космических лучей», – говорит Квентин Саймон из Европейского центра исследований и обучения в области наук об окружающей среде (CEREGE), который не принимал участия в исследовании. .

Датируя продолжительность инверсии, исследователи также могут исследовать детали того, что происходит в ядре Земли во время этого события.«Возможно, вам придется ослабить поле на несколько тысяч лет, чтобы получить инверсию, потому что внутреннее ядро ​​твердое», – говорит Сингер. «Если вы отключите магнитное поле в жидком внешнем ядре, внутри твердого внутреннего ядра появится магнитная энергия, которая исчезнет через несколько тысяч лет».

Однако не все согласны с выводами Зингера. Николас Тувени, также из CEREGE, говорит, что данные по кернам отложений, взятых со дна океана, указывают на более короткую продолжительность инверсии, самое большее 8000 лет, а не 22000, и что данные о потоках лавы «не обеспечивают надежных временных рядов».Зингер, однако, говорит, что данные о потоках лавы подтверждаются и другими наблюдениями. И он предлагает, чтобы Тывени и его коллеги не приняли во внимание период до разворота. «Наши результаты ясно показывают, что за 22 000 лет, предшествовавших этому короткому периоду, динамо-машина внешнего ядра стала очень нестабильной и дважды пыталась изменить полярность до 773 000 лет назад», – говорит он. Дополнительные данные и анализы в будущем в сочетании с лучшими моделями ядра Земли должны помочь установить время и дать нам лучшее представление о том, что может быть у магнитного поля планеты в будущем.

Кризис последовал в последний раз, когда магнитные полюса Земли перевернулись, говорят исследователи: NPR

Гигантское дерево каури растет в лесу Вайпуа в Нортленде, Новая Зеландия. Такие деревья, как это, которые давно упали и хранились тысячи лет, помогают исследователям различать колебания магнитных полюсов Земли. Ким Вестерсков / Getty Images скрыть подпись

переключить подпись Ким Вестерсков / Getty Images

Гигантское дерево каури растет в лесу Вайпуа в Нортленде, Новая Зеландия. Такие деревья, как это, которые давно упали и хранились тысячи лет, помогают исследователям различать колебания магнитных полюсов Земли.

Ким Вестерсков / Getty Images

Древнее, хорошо сохранившееся дерево, которое было живым во время последнего переворота магнитных полюсов Земли, помогло ученым более точно определить время этого события, которое произошло около 42000 лет назад.

Эта новая информация побудила их связать перевороты полюсов с ключевыми моментами в доисторической летописи, такими как внезапное появление наскального искусства и таинственное исчезновение крупных млекопитающих и неандертальцев.Они утверждают, что ослабление магнитного поля Земли на короткое время изменило бы мир, изменив его климат и позволив проникнуть гораздо большему количеству ультрафиолетового света.

Их провокационный анализ, опубликованный в журнале Science , обязательно заставит исследователей заговорить. До сих пор ученые в основном предполагали, что инверсия магнитного поля не имеет большого значения для жизни на Земле – хотя некоторые геологи отмечали, что вымирание крупных млекопитающих, по-видимому, происходило в периоды, когда магнитное поле Земли было слабым.

Земля представляет собой гигантский магнит, потому что ее ядро ​​- твердое железо, а вокруг него кружится океан расплавленного металла. Это перемешивание создает огромное магнитное поле, которое охватывает планету и защищает ее от заряженных космических лучей, приходящих из космоса.

Иногда по причинам, до конца не понятным ученым, магнитное поле становится нестабильным, и его северный и южный полюса могут меняться. Последний крупный поворот произошел примерно 42 000 лет назад, хотя и был недолгим.

Этот разворот называется экскурсией Лашана в честь потоков лавы во Франции, содержащих куски железа, которые в основном направлены в неправильную сторону. Вулканическая активность тогда, во время переворота, создала эту отличительную черту железа, когда расплавленная лава остыла и зафиксировала железо на месте. Молекулы железа, внедренные в отложения по всему миру, также зафиксировали запись этого магнитного колебания, которое длилось около тысячи лет.

«Несмотря на то, что он был коротким, Северный полюс все же блуждал по Северной Америке, прямо в сторону Нью-Йорка, а затем обратно в Орегон», – говорит Алан Купер, биолог-эволюционист из Blue Sky Genetics и южно-австралийского Музей. Он объясняет, что «затем он очень быстро пролетел вниз через Тихий океан к Антарктиде и продержался там около 400 лет, а затем снова устремился вверх через Индийский океан к Северному полюсу».

Эти изменения сопровождались ослаблением магнитного поля, по его словам, примерно до 6% от его нынешней силы.

Он и его коллега Крис Терни, ученый-геолог из Университета Нового Южного Уэльса, нашли новый способ изучить точное время всего этого, используя необычные деревья в Новой Зеландии.

Гигантские деревья каури могут жить тысячи лет и могут хорошо сохраняться в болотах. «Сами деревья уникальны, – говорит Купер. «Они представляют собой капсулу времени, которую невозможно найти больше нигде в мире».

Внутри деревьев, которые жили во время последнего магнитного переворота, исследователи и их коллеги искали форму углерода, образовавшуюся при попадании космических лучей в верхние слои атмосферы.Когда магнитное поле слабое, больше этих лучей попадает, поэтому уровень этого углерода повышается.

Деревья с их набором колец, подобным календарю, впитали этот углерод и сложили его как дерево. Это позволило исследователям точно увидеть, когда уровни поднимались и достигли пика, а затем снова упали. В частности, одно дерево имело 1700-летний рекорд, охватывающий период величайших изменений.

Создав точную временную шкалу, исследовательская группа смогла сравнить ослабление магнитного поля с другими хорошо установленными временными шкалами в археологических и климатических записях.

«Мы действительно думаем, что здесь происходят довольно значительные удары», – говорит Купер.

Они также обратились к передовому моделированию климата, чтобы попытаться понять, как магнитные изменения повлияли бы на условия на планете. В частности, пострадал бы озоновый слой.

«Если вы повредите озоновый слой, как мы выяснили, вы измените способ воздействия солнечного тепла на Землю», – говорит Купер.«И как только вы начинаете это делать, вы меняете погодные условия, потому что направление ветра и нагрев уходит в самоволку, повсюду».

Если бы Солнце пережило одно из своих периодических столкновений, когда сила магнитного поля Земли уменьшилась, по его словам, солнечная вспышка или шторм послали бы всплеск радиации, который мог иметь огромные последствия для людей, живущих в прошлом. тогда.

«Это то, что, по нашему мнению, на самом деле привело их в пещеры», – говорит Купер. «Вы бы не хотели выходить на улицу в светлое время суток».

Он признает, что трудно провести четкую связь между всеми этими различными событиями «на данном этапе. Но я думаю, что это всегда верно, когда вы выдвигаете такую ​​радикально новую теорию». Он отмечает, что идея об астероиде, убивающем динозавров, когда-то тоже казалась надуманной.

Другие исследователи говорят, что они действительно поражены тем фактом, что ученые смогли построить такую ​​подробную запись времени магнитных изменений, глядя на эти деревья.

«Эта временная запись с высоким разрешением, я думаю, довольно впечатляющая», – говорит Брэд Сингер, геолог из Университета Висконсин-Мэдисон, который изучает историю магнитного поля Земли, но не является частью исследовательской группы. «Это лишь небольшое количество образцов, которые они измерили, но результаты выглядят достаточно воспроизводимыми на разных деревьях, и я думаю, что это довольно впечатляющий набор данных».

Он думает, что этот отчет привлечет внимание людей к работе, которая могла бы проверить это предположение о том, что инверсия магнитного поля Земли может нарушить ее жизнь.

Джеймс Ченнелл, геолог из Университета Флориды, задался вопросом, поддерживают ли другие виды исторических данных, такие как ледяные керны, идею глобального климатического кризиса около 42000 лет назад. По его словам, он работает в основном в Северной Атлантике и не знает, что в то время там происходит что-то очень драматичное.

Тем не менее, он ранее писал о возможности того, что ослабление магнитного поля было связано с вымиранием крупных млекопитающих, поэтому он был «взволнован», увидев, что кто-то еще связывает эти две вещи.Он отмечает, что крупные млекопитающие долгожители и восприимчивы к повреждениям от длительного воздействия ультрафиолетового излучения, которое усиливалось в периоды, когда магнитное поле было слабым.

«Судя по тому, что мы знаем о напряженности поля во времени, за последние сто тысяч лет, – говорит Ченнелл, – действительно существует связь между вымираниями и низкой напряженностью геомагнитного поля».

Магнитные развороты


Что мы подразумеваем под инверсией магнитного поля или магнитным «переворотом» Земли?

У Земли есть магнитное поле, что можно увидеть с помощью магнитного компаса. Это в основном образовался в очень горячем расплавленном ядре планеты и, вероятно, существовал в большинстве жизни Земли. Магнитное поле в основном дипольное, под которым мы понимаем что у него один северный полюс и один южный полюс. В эти места будет указывать стрелка компаса. прямо вниз или вверх соответственно. Его часто описывают как похожий по своей природе на поле барного магнита (например, на холодильник). Однако есть много мелкомасштабных вариаций в Поле Земли, которое сильно отличается от поля стержневого магнита.В любом случае мы можем говорят, что в настоящее время на поверхности Земли наблюдаются два полюса, один в Северное полушарие и одно в Южном полушарии.

Под перемагничиванием, или «переворотом», мы понимаем процесс преобразования северного полюса. в Южный полюс, а Южный полюс становится Северным. Интересно, что магнитное поле может иногда претерпевать только «экскурсию», а не разворот. Здесь он страдает большой уменьшение его общей силы, то есть силы, перемещающей стрелку компаса. В течение экскурсия поле не переворачивается, но позже восстанавливается с той же полярностью, то есть Север остается Севером, а Юг остается Югом.

Вернуться к началу.

Как часто происходят развороты?

Согласно геологическим данным, магнитное поле Земли претерпело многочисленные инверсии. полярности. Мы можем видеть это на магнитных картинах, обнаруженных в вулканических породах, особенно в вулканических породах. те, что были извлечены со дна океана. За последние 10 миллионов лет было, в среднем 4 или 5 инверсий за миллион лет.В другое время в истории Земли например, в меловую эпоху были гораздо более длительные периоды, когда не было произошли развороты. Разворот непредсказуем и, конечно, не периодичен по своей природе. Следовательно, мы можем говорить только о среднем интервале разворота.

Вернуться к началу.

Магнитное поле Земли сейчас меняется на противоположное? Откуда нам знать?

Измерения магнитного поля Земли производились более или менее непрерывно с тех пор, как около 1840 г. Некоторые измерения даже восходят к 1500-м годам, например, в Гринвиче в Лондоне. Если мы посмотрим на тенденцию изменения силы магнитного поля за это время (например, так называемый «дипольный момент», показанный на графике ниже), мы видим тенденцию к снижению. Действительно, прогнозирование этого во времени предполагает нулевой дипольный момент примерно в 1500-1600 гг. лет время. Это одна из причин, по которой некоторые люди считают, что эта область может быть на ранней стадии. разворота. Мы также знаем из исследований намагничивания минералов в древней глине. горшки, что магнитное поле Земли было примерно вдвое сильнее во времена Римской империи, чем сейчас.

Даже в этом случае сила тока магнитного поля не является особенно низкой с точки зрения диапазона значений, которые она имела за последние 50 000 лет, а с момента последнего обращения прошло почти 800 000 лет. Также подшипник имея в виду то, что мы сказали об экскурсиях выше, и зная, что мы делаем с недвижимостью математических моделей магнитного поля, далеко не ясно, что мы можем легко экстраполировать через 1500 лет.

Вернуться к началу.

Как быстро полюса «переворачиваются»?

У нас нет полной записи истории каких-либо отмен, поэтому любые претензии, которые мы можем сделать, являются в основном на основе математических моделей поведения месторождения и частично на ограниченных свидетельства из горных пород, которые сохраняют отпечаток древнего магнитного поля, присутствующего, когда они были сформированы. Например, математическое моделирование предполагает, что полный разворот для завершения может потребоваться от одной до нескольких тысяч лет.Это быстро по геологическим стандарты, но медленные в человеческом масштабе времени.

Вернуться к началу.

Что происходит при развороте? Что мы видим на поверхности Земли?

Как и выше, у нас есть ограниченные данные геологических измерений о закономерностях изменений. в магнитном поле при инверсии. Мы могли бы ожидать увидеть, основываясь на моделях месторождения запускать на суперкомпьютерах, гораздо более сложную картину поля на поверхности Земли, с возможно, более одного Северного и Южного полюсов в любой момент времени.Мы также можем увидеть полюса «блуждающие» со временем от своего текущего положения к экватору и через него. Общая напряженность поля в любой точке Земли не может быть более десятой части его. сила сейчас.

Вернуться к началу.

Есть ли опасность для жизни?

Почти наверняка нет. Магнитное поле Земли содержится в области космоса, известный как магнитосфера, под действием солнечного ветра. Магнитосфера многих отклоняет, но не все, высокоэнергетические частицы, которые текут от Солнца в солнечном ветре и из другие источники в галактике.Иногда Солнце особенно активно, например, когда много солнечных пятен, и он может отправить облака частиц высоких энергий в направлении Земля. Во время таких солнечных «вспышек» и «выбросов корональной массы» астронавты на околоземной орбите могут нужно дополнительное укрытие, чтобы избежать более высоких доз радиации. Поэтому мы знаем, что Земля магнитное поле оказывает лишь некоторое, а не полное сопротивление излучению частиц от Космос. Действительно, частицы высоких энергий действительно могут ускоряться в магнитосфере.

На поверхности Земли атмосфера действует как дополнительное одеяло, чтобы остановить всех, кроме самых энергия солнечного и галактического излучения. В отсутствие магнитного поля Атмосфера по-прежнему задерживала бы большую часть излучения. Действительно, атмосфера защищает нас от высокоэнергетическое излучение так же эффективно, как бетонный слой толщиной около 13 футов.

Люди и их предки были на Земле в течение нескольких миллионов лет, в течение которых не было было много обратных событий, и нет очевидной корреляции между человеческим развитием и развороты.Точно так же паттерны инверсии не соответствуют паттернам вымирания видов во время геологическая история.

Некоторые животные, например голуби и киты, могут использовать магнитное поле Земли для определения направления. находка. Если предположить, что обращение происходит за несколько тысяч лет, то есть за многие поколения каждого вида, каждое животное может хорошо адаптироваться к изменяющейся магнитной среде, или разработать разные методы навигации.

Вернуться к началу.

Меня интересует более техническое описание. Вы можете мне больше рассказать?

Источник магнитного поля – богатое железом жидкое внешнее ядро ​​Земли. Этот жидкость движется сложным образом в результате конвекции тепла глубоко внутри ядра и вращения планеты. Движение керновой жидкости непрерывно и никогда не прекращается, даже во время разворота. Он может остановиться только при выходе из строя источника энергии. Вырабатывается тепло по крайней мере, частично из-за затвердевания жидкого ядра на твердом внутреннем ядре что находится в центре Земли.Этот процесс работает непрерывно более миллиардов лет. В верхней части жидкого ядра, примерно в 3000 км под нашими ногами и под каменистым слоем мантии жидкость может перемещаться с горизонтальной скоростью в десятки километров в год. Движение этой металлической жидкости через существующие силовые линии магнитного поля производит электрические токи, а они, в свою очередь, создают большее магнитное поле. Это процесс, известный как адвекция. Чтобы уравновесить любой рост поля и, таким образом, стабилизировать то, что мы называем «геодинамо», нам нужна диффузия, когда поле «утекает» из ядра и разрушается.В конечном итоге поток жидкости в ядре создает сложную картину магнитного поля на земной поверхности. поверхность со сложной вариацией времени.

Моделирование геодинамо на суперкомпьютерах продемонстрировало сложную природу поле и его поведение во времени. Моделирование также выявило инверсию полярности, где магнитный северный полюс заменен южным, и наоборот. В таких симуляциях сила основного диполя, кажется, ослабевает, возможно, примерно до 10% от его нормального значения (но не исчезнут), и существующие полюса могут блуждать по земному шару и к ним присоединятся другие временные северный и южный магнитные полюса («недипольное поле»).

В этих симуляциях было показано, что твердое железное внутреннее ядро ​​Земли играет важную роль. в управлении процессом разворота. Поскольку это твердое тело, внутреннее ядро ​​не может генерировать магнитное поле за счет адвекции, но любое поле, которое создается во внешнем ядре жидкости, может диффундируют или распространяются во внутреннее ядро. Процесс генерации поля (адвекции) в внешнее ядро, кажется, регулярно пытается повернуть вспять. Но если поле не заблокировано внутреннее ядро ​​сначала рассеивается, истинное перевернутое поле не может установиться повсюду ядро.По сути, внутреннее ядро ​​сопротивляется любому «новому» полю, распространяющемуся внутрь, и, возможно, только каждая десятая такая попытка разворота оказывается успешной.

Стоит подчеркнуть, что эти результаты, хотя и интересны сами по себе, не известны. быть строго верным по отношению к «настоящей» Земле. Однако у нас есть математические модели земных магнитное поле в течение последних 400 лет, с ранними моделями, основанными в основном на наблюдениях, сделанных моряками, занимающимися торговым и военно-морским судоходством.От этих моделей и экстраполяции вниз в Землю известно, что области обратного потока на границе ядро-мантия имеют выросло со временем. В этих регионах компас указывает в противоположном направлении, внутрь или наружу. ядро по сравнению с окружающими территориями. Это рост площади такой перевернутой пятно потока под южной Атлантикой, которая в первую очередь ответственна за распад основных диполярное поле. Этот обратный патч также отвечает за минимум напряженности поля. называемая Южно-Атлантической аномалией, теперь сосредоточенная над Южной Америкой.В этом регионе энергичный частицы могут приближаться к Земле более близко, вызывая повышенный радиационный риск для Земли орбитальные спутники.

Еще предстоит проделать большую работу для понимания свойств глубин Земли. Это мир, в котором силы дробления и внутренние температуры аналогичны таковым на поверхности Солнце доводит наше научное понимание до предела.

Вернуться к началу.

Ссылки на другие описания магнитного поля Земли. 1. Не специалист
Часто задаваемые вопросы по геомагнетизму
«Когда север идет на юг»
Исследование магнитосферы
«Великий магнит, Земля»

2. More Technical
Deep Earth Research Group, Школа Земли и окружающей среды, Университет Лидса
«Земля: Магнитное поле и магнитосфера»

Вернуться к началу.

Когда север уходит на юг: меняется ли магнитное поле Земли?

Что-то странное происходит с магнитным полем Земли.За последние 200 лет он медленно ослабевает и смещает свой северный магнитный полюс (куда указывает компас, не путать с географическим северным полюсом) из канадской Арктики в сторону Сибири. Однако в последние десятилетия этот медленный сдвиг на юг ускорился, достигнув скорости более 30 миль в год (48 километров в год). Можем ли мы оказаться на грани геомагнитного разворота, когда северный и южный магнитные полюса поменяются местами?

Магнитное поле Земли создается конвекцией расплавленного железа в ядре планеты, примерно в 1 800 милях (2896 км) под нашими ногами.Эта перегретая жидкость генерирует электрические токи, которые, в свою очередь, создают электромагнитные поля. В то время как процессы, которые приводят к смене полюсов, сравнительно менее изучены, компьютерное моделирование планетарной динамики показывает, что перевороты возникают спонтанно. Это подтверждается наблюдениями за магнитным полем Солнца, которое меняется примерно каждые 11 лет.

Наше собственное магнитное поле возникло по крайней мере 4 миллиарда лет назад, и с тех пор магнитные полюса Земли много раз менялись местами.Только за последние 2,6 миллиона лет магнитное поле переключалось десять раз, и, поскольку последнее произошло 780 000 лет назад, некоторые ученые считают, что нам уже пора сделать еще один. Но развороты непредсказуемы и уж точно не периодичны.

Картирование магнитных полей

Исследователи составляют карту древней истории магнитного поля Земли, используя вулканические породы. Когда лава охлаждается, содержащееся в ней железо намагничивается в направлении магнитного поля.Изучая эти породы и используя методы радиометрического датирования, можно реконструировать прошлое поведение магнетизма планеты, когда он усиливал, ослаблял или изменял полярность.

Чтобы отслеживать более свежие магнитные изменения, ученые обращаются к магнитным свойствам археологических артефактов. Когда наши предки нагревали древний очаг или печь, содержащую железо, до достаточно высоких температур, он перестраивал свой магнетизм в соответствии с магнитным полем Земли при охлаждении. Точка, в которой это происходит, называется точкой Кюри.Исследования даже включали некоторые сегменты этажа здания железного века в Иерусалиме, которое вавилонская армия сожгла в 586 году до нашей эры.

Но проводить измерения на этих археологических артефактах сложно. Во-первых, магнетизм древних предметов очень слаб – его недостаточно, чтобы сдвинуть стрелку компаса. А если какие-то предметы нагревали и охлаждали несколько раз, несколько магнитных узоров будут наложены друг на друга. Наконец, их надежность зависит от объектов, оставшихся в том же месте, где происходил обогрев.

Несмотря на эти трудности, исследователи в основном нанесли на карту современные изменения магнитного поля под Западной Европой и Ближним Востоком.

Черепахи, лосось и киты, о боже!

Ученые не могут быть уверены в точных последствиях, которые будет иметь разворот – свидетельства предыдущих обращений остаются неясными – но они могут быть серьезными. Например, многие животные используют магнитное поле Земли для навигации во время миграции.

Молодые черепахи-логгерхеды выкапывают себе путь из подземных гнезд на пляжах Флориды, заходят в море и уходят далеко в Атлантический океан (иногда полностью пересекая его).Затем, спустя много лет, они возвращаются на те же пляжи Флориды, на которых родились. Они проходят это безликое, безликое, 9000 миль (14 494 км) путешествие, определяя силу и направление магнитного поля. Что касается лосося, китов, птиц и других существ, которые также используют земной магнетизм для навигации, их жизнь будет серьезно нарушена из-за переворота магнитного поля.

Кроме того, Землю постоянно бомбардируют потоком заряженных частиц, приходящих от Солнца, и космическими лучами, в основном протонами и атомными ядрами, из глубокого космоса.В период, предшествующий инверсии, магнитное поле становится слабее и значительно менее эффективно защищает нас от этих частиц. Хотя некоторые геологи отмечают, что массовые вымирания, похоже, коррелируют с этими периодами времени, люди или наши предки были на Земле в течение нескольких миллионов лет. За это время произошло много обратных событий, и нет очевидной корреляции с человеческим развитием.

Тревожное время для техники

Прямое воздействие на человечество могло быть незначительным, но не на технологии.Мы используем искусственные спутники для навигации, телевещания, прогнозирования погоды, мониторинга окружающей среды и связи всех видов. Без защиты магнитного поля эти спутники могут быть серьезно повреждены солнечным ветром или космическими лучами, сталкивающимися с электронными цепями. Слабое магнитное поле в южной части Атлантического океана, известное как «Южноатлантическая аномалия», уже оказывает неблагоприятное воздействие на спутники и может указывать на то, что должно произойти.

Недавние геологические исследования предложили возможную причину аномалии.Широко распространено мнение, что наша Луна образовалась, когда Земля столкнулась с планетой Тейя 4,5 миллиарда лет назад, но останки Тейи так и не были найдены. Теперь выясняется, что останки Тейи могут лежать у нас под ногами.

Глубоко под землей погребены два огромных объема горных пород, каждый в миллионы раз больше, чем Эверест (и расширяющийся), более плотный и горячий, чем остальная часть мантии Земли. Ученые предполагают, что эти горные массы являются недостающими останками Тейи и что они мешают конвекции расплавленного железа, вызывая слабое магнитное поле в Южной Атлантике.

В любом случае серьезность разворота магнитного поля будет зависеть от того, сколько времени потребуется для его завершения. Если он будет медленно сдвигаться в течение многих тысяч лет, возможно, мигрирующие существа, а также человечество смогут адаптироваться. А пока нам предстоит многое узнать о том, что происходит в глубине нашей планеты.

Магнитное поле Земли меняется гораздо чаще, чем мы думали.

Ив Галле балансирует на крутом скалистом склоне в северо-восточной Сибири, бирюзовая река неторопливо течет по холмистому ландшафту, раскинувшемуся внизу.Но Галле из Французского Института Физики Земного шара повернулся лицом к скалам с одной целью: расшифровать историю магнитного поля Земли.

Этот защитный пузырь защищает Землю от излучения, постоянно исходящего от Солнца. За 4,6 миллиарда лет истории планеты поле часто менялось, меняя местами магнитный север и юг, и некоторые исследования показывают, что на геологическом горизонте может произойти еще один поворот. В то время как опасения надвигающегося геомагнитного апокалипсиса преувеличены, изменение магнитного поля может иметь множество разрушительных последствий – от повышенного радиационного воздействия до технологических сбоев, что делает понимание этих исторических переворотов больше, чем просто научное любопытство.(Узнайте больше о том, что может произойти, когда магнитные полюса перевернутся.)

Теперь Галле и его коллеги обнаружили свидетельства одной из самых высоких скоростей переворота поля, когда-либо зарегистрированных. В течение этого потрясающе хаотичного времени, подробно описанного в недавней публикации в журнале Earth and Planetary Science Letters , на планете каждые миллион лет происходило 26 смен магнитных полюсов, что более чем в пять раз превышает скорость, наблюдавшуюся за последние 10 миллионов лет.

Земля – ​​единственная известная планета, на которой существует жизнь.Узнайте происхождение нашей родной планеты и некоторые ключевые ингредиенты, которые помогают сделать это синее пятнышко в космосе уникальной глобальной экосистемой.

Результат присоединяется к набору доказательств того, что магнитное поле планеты способно меняться чаще, чем считалось возможным, говорит Джозеф Меерт, палеомагнетист из Университета Флориды, не входивший в исследовательскую группу. Такие исследования постепенно заполняют пятнистую магнитную летопись Земли, что может помочь ученым лучше понять время и причину этой геологической гимнастики – и даже может намекнуть на влияние древних периодов гиперактивности на раннюю жизнь.

Беспокойные полюса Земли

Магнитное поле Земли заряжается за счет взбалтывания расплавленного железа и никеля внешнего ядра нашей планеты, находящегося на глубине примерно 1800 миль от поверхности. На протяжении многих лет повороты и кувырки поля фиксировались богатыми железом минералами, приспособленными к магнитным воздействиям, которые могут застревать в месте при образовании осадочных пород или остывании лавы, как крошечные стрелки компаса, застывшие во времени.

Судя по этой каменистой записи, наши полюса не менялись местами примерно 780 000 лет, но в прошлом они были беспокойными, меняясь местами каждые 200 000 лет или около того.Также бывают длительные периоды, когда полюса в основном оставались на месте, например, период в 40 миллионов лет в меловом периоде около 100 миллионов лет назад.

Насколько быстро могут быть эти развороты? В поисках ответов Галлет и его коллеги отправились на вертолете, надувном плоту и пешком к опасным скалам, которые относятся к малоизученному периоду среднего кембрия, примерно 500 миллионов лет назад. Песок, на которых построен этот регион, залегает в том, что когда-то было теплым мелким морем, с магнитными минералами, захваченными на месте, когда осадки дрейфовали на тихое дно океана и уплотнялись, образуя новые слои горных пород.

Галлет и его коллеги впервые посетили это место в начале 2000-х годов, собрав около 119 образцов с почти вертикальной поверхности скалы. Эта работа выявила период в среднем кембрии, когда каждые миллион лет происходило по крайней мере шесть-восемь инверсий поля.

Ученые собрали образцы горных пород со скал так называемого разреза Хорбусуонка в Сибири. Богатые железом минералы в этих породах записывают магнитные сигнатуры на отрезке истории Земли длиной около трех миллионов лет.

Фотография Ива Галлета

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

«Мы не ожидали такой высокой частоты разворотов», – пишет Галлет в электронном письме, подчеркивая, что в то время все, что превышало четыре или пять разворотов, считалось высоким. Высокая скорость оставила у него и его коллег мучительное подозрение, что им нужно собрать больше образцов. Летом 2016 года они вернулись, чтобы сделать именно это, разрезав около 550 небольших блоков камня каждые четыре-восемь дюймов.Анализ магнитных сигнатур подтвердил их подозрения: за три миллиона лет, зафиксированных в их образцах, они обнаружили 78 поразительных переворотов поля.

«Мы ожидали очень высокой частоты перемагничивания, но, конечно, не такого высокого значения», – говорит Галлет. Он отмечает, что в 22 образцах зафиксирован только один разворот, намекая, что, возможно, истинная скорость еще выше.

Перелистывание

На данный момент новое исследование предлагает больше вопросов, чем ответов. Непонятно, почему поле было таким гипертрофированным в то время и, что еще более интригующе, почему оно быстро восстановилось.

Одна из возможностей состоит в том, что эти ранние перевороты связаны с охлаждением и кристаллизацией твердого внутреннего ядра планеты. Хотя многие исследования предполагают, что это, вероятно, началось 600 или 700 миллионов лет назад, возможно, интенсивный поворот в среднем кембрии произошел из позднего периода формирования внутреннего ядра. Но есть еще много неуверенности.

«Очень сложно что-либо узнать об ядре и его поведении», – говорит геолог Анник Ван дер Бун из Ливерпульского университета, не входившая в исследовательскую группу.«Мы не можем этого увидеть, мы не можем туда пойти». (Узнайте, как некоторые ученые, используя ядерные взрывы, обнаружили нечто неожиданное о внутреннем ядре.)

Единственный другой период времени со сравнительно высокими инверсиями, известный как эдиакарский, произошел примерно от 550 до 560 миллионов лет назад, время, которое интригующе складывается. с массовым отмиранием жизни, отмечает Мерт. Исследования показывают, что переменное магнитное поле Эдиакарана было чрезвычайно слабым, что могло подвергнуть раннюю жизнь на Земле суровым условиям на поверхности.

Говоря языком Star Trek , наши щиты опустились и позволили бомбардировать поверхность Земли космическим и другим излучением.

Джозеф Меерт, Университет Флориды

«Говоря языком Star Trek , наши щиты опустились и позволили бомбардировать поверхность Земли космическим и другим излучением», – говорит Мерт. Возможно, это чрезмерное воздействие убило мягких и податливых эдиакарских тварей, многие из которых не могли укрыться от солнца.(Узнайте больше о потусторонних существах эдиакарцев.)

Но массовое вымирание не совпадает с недавно предложенным гиперактивным переворотом в среднем кембрии, когда жизнь расцветала в бесчисленных формах. Возможно, эволюция протянула этим созданиям руку помощи, предполагает он, что привело к появлению роющих нор и других животных, которые смогли укрыться от вредных солнечных лучей. Но на данный момент, говорит он, это все лишь предположения.

Магнитные вопросы

Одна любопытная закономерность состоит в том, что, похоже, изменения имеют некоторую цикличность с продолжительными периодами без переворотов, происходящими примерно каждые 150 миллионов лет.Между этими задержками поле, кажется, меняется со скоростью пять раз за миллион лет, а затем эти периоды перемежаются гиперактивными всплесками.

Основываясь на этих грубых циклах, кажется, что магнитное поле Земли может приближаться к другому периоду гиперактивности, говорит Меерт, но предупреждает, что многое остается неопределенным. И даже если на горизонте виден поворот, каждый из них, с нашей точки зрения, происходит в замедленном темпе, при этом полюса меняются местами в течение нескольких тысяч лет.

«Это не похоже на фильм, в котором однажды вы просыпаетесь, а ваш магнит направлен на север, а на следующий день – на юг», – говорит Меерт.

Одна из серьезных проблем с расшифровкой этих закономерностей заключается в том, что запись остается неоднородной. Эти древние породы обычно сдавливаются и трансформируются при столкновении континентов, скрывая многие древние записи, объясняет Ван дер Бун, который изучает гораздо более редкие горные записи, которые показывают потенциальный период повышенного переворачивания около 400 миллионов лет назад.

«Я завидую их данным, потому что они действительно хорошо выглядят», – говорит она.

Хотя исследователи сделали все, что могли в сложных условиях, этот результат все еще нуждается в проверке в других частях земного шара, чтобы подтвердить, что это действительно глобальное дело, говорит Флориан Луиллиер, геомагнетист из Мюнхенского университета Людвига Максимилиана. Он также хотел бы увидеть подтверждение рекорда в вулканических породах. Минералы в этих породах могут аналогичным образом регистрировать магнитное поле, когда лава остывает и превращается в камень.Осадки, однако, разрушаются и уплотняются, когда превращаются в горные породы, и могут быть химически изменены, что может изменить нашу картину положения полей.

Тем не менее, последнее исследование предлагает интригующий взгляд на дикие выходки прошлого нашей планеты и дает массу свежих данных, над которыми стоит задуматься. Один из следующих шагов – сопоставление данных с компьютерными моделями, – говорит Кортни Джин Спрейн, геолог из Ливерпульского университета: «Теперь мы можем запустить некоторые из наших моделей и сказать:« Хорошо, что это может значить? »

Примечание редактора: В эту статью были внесены изменения, чтобы уточнить количество инверсий магнитного поля, наблюдаемых в каждом образце сибирской породы, и время одного длительного периода без инверсий магнитного поля.

Что на самом деле происходит, когда магнитное поле Земли меняется?

Много раз за историю нашей планеты магнитные полюса Земли менялись местами, а это означает, что иногда компас, указывающий на север, будет направлен на Антарктиду, а не на Арктику. Это может показаться странным, но это относительно предсказуемая причуда. Этот процесс геомагнитной инверсии, вызванный махинациями вращающегося железного ядра планеты, делал свое дело без особой помпезности в течение многих веков.

То есть до тех пор, пока на этой неделе в сети не появился отрывок из книги, описывающий это явление.Вскоре после этого многочисленные веб-сайты начали провозглашать конец света, геомагнитный апокалипсис, в котором свирепствуют опухоли, спутники падают с неба, а жизнь на Земле перестанет существовать в том виде, в каком мы ее знаем.

Верно, жизнь на Земле почти наверняка будет отличаться от сегодняшней через несколько тысяч лет. Но какое отношение к этому имеет полярная акробатика?

Первое, что нужно сделать: мы все умрем?

Да.

Подождите, что!

Мы все рано или поздно умрем.Но есть вероятность, что мы не погибнем немедленно – или даже в ближайшем будущем -, когда произойдет следующее изменение геомагнитного поля Земли.

Хорошо. Так что же такое геомагнитная инверсия?

Если геологическая история повторится, магнитные полюса Земли в конечном итоге поменяются местами. Это бесспорно. Основываясь на магнитных отпечатках пальцев, зафиксированных в древних породах, мы знаем, что за последние 20 миллионов лет магнитные север и юг менялись примерно каждые 200 000–300 000 лет (хотя эта скорость не была постоянной на протяжении всей жизни планеты).Последний из этих крупных переворотов произошел около 780 000 лет назад, хотя поляки действительно блуждают между этими более крупными переворотами. (Более того, изменение климата, похоже, смещает географические полюса Земли.)

Покадровые снимки, полученные с помощью Обсерватории глубокого космоса, показывают беспрецедентные виды нашей планеты в движении.

Это означает, что мы немного задержались для полного разворота, а некоторые данные действительно предполагают, что геомагнитный разворот неизбежен с геологической точки зрения.Но это не означает, что полярный триггер случится завтра или даже в ближайшее время, и мы бы положили хорошие деньги на то, чтобы Север еще какое-то время находился в Арктике – хотя ни мы, ни кто-либо другой не знаем, когда следующий полный разворот действительно произойдет.

ОК. Но если это произойдет в ближайшее время, разве не плохо?

Тоже непонятно. По оценкам ученых, полярные смены в прошлом были довольно медленными: север и юг мигрировали на противоположные позиции в течение тысяч лет. Это и хорошо, и плохо, если вы беспокоитесь о том, как изменение геомагнитного поля повлияет на жизнь на Земле.

Медленный полярный меандр – это хорошо, потому что это означает, что у нас есть время подготовиться и мы можем сделать все возможное, чтобы смягчить любые неприятные эффекты, прежде чем они станут действительно неприятными. Но это плохо, потому что магнитное поле нашей планеты помогает защитить нас от разрушительного солнечного и космического излучения, а длительный поворот означает, что Земля может быть немного менее защищена от вредных космических лучей дольше, чем нам хотелось бы.

Это тоже не очень драматично, потому что это означает, что вы не проснетесь внезапно и не обнаружите, что ваш смартфон думает, что мастерская Санты находится в Южном полушарии.

Облом, звучит скучно. Итак, что мы на самом деле заметим?

Единственный значительный, заметный эффект, который гарантированно произойдет, когда полярный провал закончится, – это то, что стрелка компаса укажет вам, что север находится в Антарктиде, а юг – где-то рядом с Канадой. Это временно запутает названия американских континентов (по крайней мере, в геологической шкале времени), но из этого получится хороший рассказ в классах.

Еще одним интересным последствием будет то, что животные, которые используют магнитное поле Земли для навигации, в том числе птицы, лосось и морские черепахи, могут потеряться во время своих обычных путешествий.В конце концов, они с этим разберутся, и при прочих равных жизнь продолжится. Многие пророки судного дня пытались приравнять геомагнитные всплески к массовым вымираниям, но данных просто не было.

Значит, волноваться не о чем?

Не совсем так. Это правда, что когда полюса меняются местами, магнитное поле Земли может стать слабее, но его сила уже довольно переменчива, так что это не обязательно необычно, и нет никаких указаний на то, что оно полностью исчезнет, ​​согласно НАСА.Почему? Потому что этого никогда не было.

Однако, если магнитное поле станет существенно слабее и останется таким в течение значительного количества времени, Земля будет менее защищена от кучи высокоэнергетических частиц, которые постоянно летают в космосе. Это означает, что все на планете будет подвергаться более высокому уровню радиации, что со временем может вызвать рост заболеваний, таких как рак, а также нанести вред хрупким космическим кораблям и электросетям на Земле.

Это последствия, к которым мы можем подготовиться, и что касается всего, что находится ниже стратосферы, у нас будет приятная плотная атмосфера, которая также может служить щитом.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *