Магнитное поле земли физика – Магнитное поле Земли — Википедия

Магнитное поле Земли | Физика

Земной шар является магнитом. Как у всякого магнита, у него есть свое магнитное поле и свои магнитные полюсы. Именно поэтому стрелка компаса ориентируется в определенном направле­нии. Понятно, куда именно должен указывать северный полюс магнитной стрелки: ведь притяги­ваются разноименные полюсы. Поэтому северный полюс магнитной стрелки указывает на южный магнитный полюс Земли. Этот полюс находится на севере земного шара, несколько в стороне от 
северного географического полюса (на острове Принца Уэльского — около 75° северной широты и 99° западной долготы, на расстоянии примерно 2100 км от северного географического полюса).

При приближении к северному географическому полюсу силовые линии магнитного поля Земли все под большим углом наклоняются к горизонту, и в области южного магнитного полюса становятся верти­кальными (рис. 3.37).

Северный магнитный полюс Земли находится вблизи южного гео­графического полюса, а именно на 66,5 ° южной широты и 140 ° вос­точной долготы. Здесь силовые линии магнитного поля выходят из Земли.

Другими словами, магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Поэтому направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана, и магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север.

На стрелку компаса могут влиять также некоторые природные явления, например, магнитные бури, которые являются временными изменениями магнитного поля Земли, связанными с солнеч­ной активностью. Солнечная активность сопровождается выбросом с поверхности Солнца потоков заряженных частиц, в частности, электронов и протонов. Эти потоки, движущиеся с большой скоростью, создают свое магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем Земли.

На земном шаре (кроме кратковременных изменений магнитного поля) встречаются области, в которых наблюдается постоянное отклонение направления магнитной стрелки от направления магнитной линии Земли. Это области магнитной аномалии (от греч. anomalia — отклонение, ненормальность). Одной из самых больших таких областей является Курская магнитная анома­лия. Причиной аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине.

Земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно.

Полеты межпланетных космических станций и кораблей позволили установить, что у Луны и планеты Венера отсутствует магнитное поле, а у планеты Марс оно очень слабое.

ibrain.kz

Магнитное поле Земли — Класс!ная физика

Магнитное поле Земли

В 1600 году английский ученый Уильям Гильберт в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». представил Землю, как гигантский постоянный магнит, ось которого не совпадает с осью вращения Земли (угол между этими осями называют магнитным склонением).

Гильберт подтвердил свое предположение на опыте: он выточил из естественного магнита большой шар и, приближая к поверхности шара магнитную стрелку, показал, что она всегда устанавливается так же, как стрелка компаса на 3емле.

Графически магнитное поле Земли похоже на магнитное поле постоянного магнита.

В 1702 году Э. Галлей создает первые магнитные карты Земли.
___

Основная  причина  наличия  магнитного поля  Земли   в  том,  что  ядро  Земли   состоит  из  раскаленного  железа  (хорошего  проводника электрических  токов,  возникающих  внутри  Земли).
___

Магнитное поле Земли образует магнитосферу, простирающуюся на 70-80 тыс. км в направление Солнца.  Она экранирует поверхность Земли, защищает от вредного влияния заряженных частиц, высоких энергий и космических лучей, определяет характер погоды.
___

Магнитное поле Солнца в 100 больше, чем земное.

ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Еще в 1635 году Геллибранд устанавливает, что магнитное поле Земли меняется.

Позднее было установлено, что существуют постоянные и кратковременные изменения магнитного поля Земли.

Причиной постоянных изменений является наличие залежей полезных ископаемых.

На Земле имеются такие территории, где ее собственное магнитное поле сильно искажается залеганием железных руд. Например, Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области.

Причина кратковременных изменений магнитного поля Земли — действие «солнечного ветра», т.е. действие потока  заряженных  частиц, выбрасываемых  Солнцем. Магнитное  поле  этого потока  взаимодействует  с  магнитным  полем  Земли, возникают «магнитные бури».

На частоту и силу магнитных бурь влияет солнечная активность.

В годы максимума солнечной активности (один раз в каждые 11,5 лет) возникают такие магнитные бури, что нарушается радиосвязь, а стрелки компасов начинают непредсказуемо «плясать».

Результатом   взаимодействия   заряженных  частиц  «солнечного  ветра»  с  атмосферой  Земли  в  северных  широтах является такое явление, как «полярное сияние».

ЧИТАЕМ

Дрейф магнитных полюсов.

Намагничивание в магнитном поле Земли.

Намагничивание шара.

Размагничивание.

Тайны магнита

НЕ ПУТАЙ МАГНИТНЫЕ И ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ПОЛЮСЫ ЗЕМЛИ

Одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Почему же стрелка компаса своим северным полюсом показывает на север, а южным – на юг?

Какой же из концов стрелки компаса притягивается  к северному полюсу Земли? 

Или, иначе говоря, который из двух полюсов Земли  —  северный или южный  — лежит в той стороне,  куда  указывает северный конец магнитной стрелки?
__

Прав тот, кто говорит, что на северный полюс Земли (географический) указывает северный конец магнитной стрелки.

А это значит, что на севере Земли лежит южный магнитный полюс Земли, его координаты 75°,6 с. ш., 101° з. д. (данные на 1965 г.).

Северный магнитный полюс Земли находится в Антарктиде, его координаты 66°,3 ю.ш., 141° в. д. ( по данным на 1965 г.).

Магнитные полюсы Земли медленно дрейфуют.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ «СЕВЕР» НА СЕВЕРЕ?

Человек, смотря на  компас, шагает прямо в  ту сторону, куда   указывает темным концом  магнитная стрелка.  Он «идет по  компасу» на север к полюсу.  Куда он  придет?

Большинство наверняка  сделало одну и ту  же ошибку.

Они думали, что человек должен был прийти на северный географический полюс Земли.

А на самом  деле он прибыл на остров Сомерсет, расположенный на северной  оконечности Северной Америки, где находится северный  магнитный полюс земли.

В настоящее время южный магнитный полюс земли находится в Канаде на расстоянии
около 2100 км от географического северного полюса.

ИНТЕРЕСНО

В каком месте Земли совершенно нельзя верить  магнитной стрелке вследствие того, что она северным  концом показывает на юг, а южным на север?

Поместив компас между северным магнитным и северным  географическим полюсами (ближе к магнитному), мы увидим,  что северный конец стрелки направлен к первому, т. е. на юг, а  южный — в противоположную сторону, т. е.  на север.

___

Ученые определили, что в точках магнитного полюса Земли свободно подвешенная на нити магнитная стрелка должна устанавливаться вертикально, так как именно в этих точках магнитные линии входят (или выходят) из Земли.

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Магнитное поле Земли служит многим живым организмам для ориентации в пространстве.

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

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

Ориентиром для перелетных птиц также служит магнитное поле Земли. Недавно ученые узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный «компас» — крохотное тканевое поле, в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле.
___

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

class-fizika.ru

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.

lenta.ru

Jl. Магнитное поле Земли — PhysBook

47. Магнитное поле Земли. Радиационные пояса Земли

Вопрос о происхождении магнитного поля Земли до сих пор остается открытым.

Магнитные свойства Земли и железных руд (магнитный железняк) были известны нашим предкам раньше электрических. В XIV в. появился магнитный компас, позволявший ориентироваться на поверхности планеты в любое время и при любой погоде. Действительно, если продолговатый кусочек магнитного железняка (магнитную стрелку) подвесить на нити или дать возможность плавать в воде, то он примет определенное положение относительно Земли: сориентируется в направлении север (С) — юг (Ю). Конец стрелки компаса, указывающий на север, называется северным полюсом (Ν), а указывающий на юг, — южным (S).

Еще в 1600 г. в книге английского естествоиспытателя Гильберта «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» магнитное поле земного шара рассматривалось как поле стержнеобразного магнита. Многочисленные исследования подтвердили, что магнитное поле Земли действительно подобно полю прямого (стержневого) магнита гигантских размеров.

Южный полюс Земли как магнита расположен на севере Канады примерно в 1500 км от Северного географического полюса планеты (рис. 176). Северный полюс Земли как магнита находится на берегах Антарктиды примерно в 1500 км от Южного (Ю) географического полюса (см. рис. 176). Магнитные полюса лежат не на поверхности Земли, а под ней. Ось, соединяющая магнитные полюса (S — Ν), наклонена к оси вращения Земли, соединяющей географические полюса (С — Ю), и не проходит через центр Земли.

Рис. 176. Магнитное поле Земли

  • Угол между географическим меридианом и направлением стрелки компаса называется склонением. Это обстоятельство требует введения некоторой поправки (магнитного склонения) при практическом использовании магнитного компаса. Угол между направлением стрелки и горизонтальной плоскостью назвали наклонением.

Для описания магнитного поля Земли применялась модель магнитного диполя (см. рис. 176), форма поля которого примерно такая же, как у стержнеобразного магнита. Ось диполя расположена так, что пересекает поверхность Земли в точках, называемых магнитными полюсами.

На полюсах модуль индукции магнитного поля почти вдвое больше, чем на магнитном экваторе (Bпол = 0,7∙10–4 Тл, Bэкв = 0,4∙10–4 Тл). Таким образом, при оценках магнитного поля Земли можно использовать среднее значение B = 0,5∙10–4 Тл. Отметим, что для Курской магнитной аномалии B = 2,5∙10–4 Тл.

Характеристики земного магнетизма изменяются с течением времени весьма медленно. Они называются вековыми. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к обычным значениям. Резкое изменение магнитного поля Земли может влиять на самочувствие людей, поэтому информация о магнитных бурях публикуется заранее.

На земном шаре встречаются местности, в которых наблюдаются сильные отклонения магнитных характеристик от средних значений. Они называются магнитными аномалиями. Причина их появления — наличие под поверхностью Земли больших масс железной руды. Магнитные аномалии позволяют обнаруживать залежи железной руды в недрах. Примером может служить Курская магнитная аномалия.

Магнитосфера

Магнитное поле Земли играет важную роль в физических процессах, происходящих на больших высотах, где «дует» солнечный ветер — поток «газа», удаляющийся по всем направлениям от Солнца. Этот «газ» состоит в основном из протонов и электронов (плазма). Плотность плазмы в окрестности орбиты Земли составляет 1-2 частицы в 1 см3. В таком состоянии она хорошо проводит электрический ток. Средняя скорость солнечного ветра около 450 км/с. Солнечный ветер не достигает поверхности Земли, так как этому препятствует магнитное поле, тормозящее и отклоняющее движущийся поток заряженных частиц.

Поток частиц обтекает Землю в области, называемой магнитосферой, где сосредоточено ее магнитное ноле. В ней индукция геомагнитного поля существенно превышает индукцию межпланетного магнитного поля (рис. 177).

Рис. 177. Траектории заряженных частиц солнечного ветра и линии индукции магнитного поля в магнитосфере Земли

Магнитосфера играет роль щита, прикрывающего Землю от частиц, проникающих из космоса. В плоскости магнитного экватора поток частиц тормозится далеко от поверхности Земли на расстоянии 8-9R (R — радиус Земли). Вблизи магнитных полюсов вследствие особенности конфигурации линий индукции магнитного поля потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли и вызывают сильные возмущения в ионосфере Земли.

Исследования с помощью космических аппаратов показали, что на больших расстояниях от Земли ее магнитное поле имеет очень сложную структуру, определяемую взаимодействием поля Земли с солнечным ветром. С дневной стороны магнитосфера оказывается сжатой до 8-14R. На ночной стороне образуется вытянутый хвост диаметром около 40R и длиной более 900R (см. рис. 177). Начиная с расстояния примерно 8R этот хвост разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю.

Таким образом, магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Геомагнитное поле захватывает и удерживает огромное количество протонов и электронов.

  • Общая масса захваченных геомагнитным полем частиц, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг.

Измерения со спутников показали, что Земля окружена так называемым радиационным поясом, состоящим из захваченных частиц солнечного ветра. Пояс охватывает Землю со всех сторон, кроме приполярных областей (рис. 178). Его условно разделяют на два — внутренний (A) и внешний (B). Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина — несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10-15 тыс. км.

Рис. 178. Расположение радиационных поясов Земли

Вследствие особой конфигурации линий индукции магнитное поле Земли создает для заряженных частиц магнитную ловушку, в которой они могут долго находиться. Частицы под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно (С), одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток.

При мощных солнечных вспышках магнитосфера начинает деформироваться. Все магнитное поле Земли «сотрясается» — возникает магнитная буря.

Полярные сияния

Частицы, находящиеся в радиационном поясе, иногда попадают в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с частицами газа и отдают им свою энергию. При этом возникают удивительные по красоте полярные сияния.

Полярные сияния — это свечение верхних разреженных слоев атмосферы на высотах от 100 км до 1000 км под действием потока быстро движущихся протонов и электронов, образующих солнечный ветер. Скорость частиц вблизи Земли может достигать 400 км/с. Столкновения протонов и электронов с атомами кислорода и молекулами азота вызывают яркое видимое свечение. Атомы кислорода дают излучение в зеленой и красной областях, а молекулы азота — в фиолетовой. Сочетание этих цветов придает полярным сияниям красивую, часто меняющуюся окраску.

Полярные сияния происходят непрерывно, однако их интенсивность обычно недостаточна для наблюдения. Их можно увидеть не только на севере, но по мере приближения к полюсу частота полярных сияний резко увеличивается. На побережье Черного моря полярные сияния можно наблюдать в среднем один раз в 10 лет, на Кольском полуострове — 100 ночей в году, а на побережье Северного Ледовитого океана — практически каждую ночь.

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2008. — С. 189-192.

www.physbook.ru

Реферат — Магнитное поле Земли

Межпланетное магнитное поле

Если бы межпланетное пространство было вакуумом, то единственными магнитными полями в нем могли быть лишь поля Солнца и планет, а также поле галактического происхождения, которое простирается вдоль спиральных ветвей нашей Галактики. При этом поля Солнца и планет в межпланетном пространстве были бы крайне слабы.

На самом деле межпланетное пространство не является вакуумом, а заполнено ионизованным газом, испускаемым Солнцем (солнечным ветром[1] ). Концентрация этого газа 1-10 см-3, типичные величины скоростей между 300 и 800 км/с, температура близка к 105 К (напомним, что тем­пература короны 2×106 К).

Поскольку газ солнечного ветра почти полностью иони­зованный, то его электропроводность очень велика (102 Мо/см). Проводники с высокой проводимостью имеют особенность сопротивляться изменению магнитного поля. Другими словами, проникновение магнитного поля в такой проводник невозможно.

Движущийся солнечный ветер будет уносить солнечное магнитное поле в межпланетное пространство. Так как по­ток плазмы начинается в короне Солнца (или ниже нее), то в солнечном ветре имеются магнитные поля. Величина магнитных полей на Солнце составляет от 1 до 1000 Гс.

Поток солнечной плазмы «выметает» из внутренней части солнечной системы планетные и галактические маг­нитные поля. Солнечный ветер будет «гнать» галактическое поле перед собой до тех пор, пока не будет достигнуто динамическое равновесие между давлением солнечного вет­ра и давлением галактической среды. Это происходит на расстоянии от 10 до 100 астрономических единиц[2] (а. е.). Следовательно, межпланетное пространство ограничено полостью в галактической среде, размеры которой дают верхнюю границу величины солнечно-межпланетного маг­нитного поля. Силовые линии магнитного поля солнечного ветра про­стираются в межпланетное пространство за орбиту Земли, при этом один их конец находится на Солнце. Характе­ристики солнечного ветра и межпланетных магнитных по­лей нерегулярны и асимметричны из-за волокнистой струк­туры короны, нерегулярностей магнитных полей в фото­сфере и т. д.

Радиальная компонента межпланетного магнитного поля Вr должна уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца (т. е. как r-2 ). Она может быть выражена через величи­ну радиальной компоненты поля на поверхности Солнца. Если на Солнце магнитное поле равно Br0= 0,5 Гс, то на расстоянии 1 а.е. поле .Br »1g.

Истечение плазмы из Солнца происходит таким образом, что плазма просто отталкивает силовые линии поля и покидает Солнце в ра­диальном направлении. Если бы Солнце не вращалось, то такое радиальное истечение плазмы привело бы к тому, что силовые линии магнит­ного поля были бы также радиальны и параллельны дви­жению частиц. Поскольку Солнце вращается, то маг­нитное поле приобретает поперечную компоненту (в пло­скостях, перпендикулярных оси вращения) и силовые ли­нии магнитного поля становятся спиральными.

Направление спирального поля можно оценить, если предположить, что один конец силовой линии закреплен на Солнце и вращается вместе с ним. Тогда частицы, ко­торые непрерывно испускаются данной областью вращаю­щейся короны, будут двигаться в экваториальной плоскости по спиралям Архимеда. (Это напоминает работу вращаю­щегося поливального устройства). Таким образом, меж­планетное магнитное поле приобретает и поперечную ком­поненту Bj. Можно оценить, что вблизи орбиты Земли угол спирали с радиусом составляет около 45° и радиаль­ная и поперечная компоненты Bj =Br =1g.

Первые измерения магнитных полей за пределами маг­нитосферы Земли были проведены на спутнике «Пионер-1» в октябре 1958 г. Они позволили установить существова­ние и положение области перехода от внешней части гео­магнитного поля к межпланетному пространству. Эти результаты были подтверждены измерениями на других ИСЗ. Экспериментально было установлено, что имеются значительные нерегулярности, наложенные на спиральное межпланетное поле.

Спутниковые измерения межпланетного магнитного поля выявили тесную связь между величиной магнитного поля, перпендикулярного оси вращения аппарата (по­перечной составляющей В^ ), и значением магнитного индекса К или А.

Перед началом и в период геомагнитных бурь вели­чина В^ увеличивается на порядок и приобретает более нерегулярный характер, чем в спокойные периоды.

Это объясняется тем, что плазма из возмущенных об­ластей на Солнце может уносить в межпланетное про­странство более интенсивные и более нерегулярные поля. А это приводит к появлению нерегулярностей в спокойном межпланетном поле, что подтверждают измерения на спут­никах.

Обнаружена также прямая корреляция между изме­нениями межпланетного поля по данным спутников и сол­нечной активностью. По этим данным была оценена средняя скорость распространения возмущения, равная ~1000км/с.

Вектор межпланетного магнитного поля имеет радиаль­ную составляющую Вr, направленную или от Солнца (знак +), или к Солнцу (знак –). Межпланетное про­странство разделено на чередующиеся спиральные секто­ры, в каждом из которых радиальная компонента направ­лена либо наружу, либо вовнутрь.

В пределах каждого сектора скорость солнечного ветра и плотность частиц систематически изменяются. Наблю­дения с помощью ракет показывают, что оба параметра резко увеличиваются на границе сектора. В конце второго дня после прохождения границы сектора плотность очень быстро, а затем, через два или три дня, медленно начинает расти. Скорость солнечного ветра уменьшается медленно на второй или третий день после достижения пика. Сек­торная структура и отмеченные вариации скорости и плот­ности тесно связаны с магнитосферными возмущениями. Секторная структура довольно устойчива, поэтому вся структура потока вращается с Солнцем по крайней мере в течение нескольких солнечных оборотов, проходя над Землей приблизительно через каждые 27 дней.

Магнитное поле земли

Английский ученый Уильям Гильберт, придворный врач королевы Елизаветы, в 1600 г. впервые показал, что Земля является магнитом, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Следовательно, вокруг Земли, как и около любого магнита, существует магнитное поле. В 1635 г. Геллибранд обнаружил, что поле земного маг­нита медленно меняется, а Эдмунд Галлей провел первую в мире магнитную съемку океанов и создал первые миро­вые магнитные карты (1702 г.). В 1835 г. Гаусс провел сферический гармонический анализ магнитного поля Земли. Он создал первую в мире магнитную обсерваторию в Гёттингене.

О распределении силовых линий магнитного дипольного поля и о магнитных полюсах наклонения Пс, Пю можно судить по рисунку.

Составляющие геомагнитного поля определены следую­щим образом. В любой точке О вектор напряженности магнитного поля В может быть разложен на составляющие, как это показано на рисунке. Можно выбрать в качестве составляющих абсолютную величину полного вектора В (модуль) и два угла: D и I. Угол D образован направле­нием на север и горизонтальной составляющей вектора В, т. е. Н; I – это угол между В и Н, Угол D считается по­ложительным, если Н отклоняется к востоку, а I положи­тельно при отклонении В вниз от горизонтальной плоско­сти. Величина D называется магнитным склонением, а I – ­наклонением. Вертикальная плоскость, которая проходит через Н, именуется местной магнитной меридиональной плоскостью.

Используется также разложение В на северную (X) и восточную (Y) составляющие вектора Н. Третьей служит вертикальная составляющая Z, которая считается положительной, если В направлено вниз. Напряженности B, H, Z, X, Y измеряются в гауссах (Гс) или гаммах (g). 1g=10-5 Гс. Углы D и I измеряются в дуговых градусах и минутах. Все приведенные семь величин В, Н, D, I, X, У, Z называются магнитными элементами. Соотношения между ними ясны из рисунка.

H=B cos I, Z=B sin I=H tg I,

X=H cos D, Y=H sin D,

X2 +Y2 =h3 X2 +Y2 +Z2 =h3 +Z2 =B2

Ясно, что для полного описания вектора В достаточно иметь три независимых элемента. По ним могут быть рас­считаны все остальные.

Обычная стрелка магнитного компаса уравновешивает­ся, вращаясь горизонтально на вертикальной оси. В север­ной полусфере Земли почти везде северный полюс магнитной стрелки направлен вниз (т. е. I положительно), а в южном полушарии I отрицательно, поскольку вниз направлен южный полюс стрелки. Линия, которая разде­ляет области положительного и отрицательного I, назы­вается магнитным экватором или экватором наклонения. Естественно, что на ней I=0, т. е. магнитная стрелка в лю­бой точке на этой кривой располагается горизонтально.

На полюсах магнитного наклонения горизонтальная компонента полного вектора В исчезает и магнитная стрел­ка устанавливается вертикально. Эти точки еще называют полюсами наклонения. Таких точек в принципе может быть несколько. Две основные из них обычно называются магнитными полюсами Земли. Они расположены в Арк­тике и в Антарктиде. Координаты их 75°,6 с. ш., 101° з. д. и 66°,3 ю.ш., 141° в. д. Местоположение магнитных по­люсов не является постоянным. Приведенные выше коор­динаты относятся к эпохе 1965 г.

Чтобы определить азимут[3] вектора Н, нужно выбрать некоторое нулевое направление, от которого можно отсчи­тывать магнитное склонение D. За такое направление при­нято направление на северный географический полюс. Та­ким образом, D определяется относительно условного на­правления, поскольку ось вращения Земли не связана не­посредственно с конфигурацией геомагнитного поля. То же относится и к элементам Х и Y. Поэтому D, X, Y назы­вают относительными магнитными элементами, тогда как H, Z и I именуются собственными магнитными эле­ментами.

Несколько слов о магнитных картах. Обычно через каждые 5 лет распределение магнитного поля на поверх­ности Земли представляется магнитными картами трех или более магнитных элементов. На каждой из таких карт проводятся изолинии, вдоль которых данный элемент имеет постоянную величину. Линии равного склонения D назы­ваются изогонами, наклонения I – изоклинами, величины полной силы В – изодинамическими линиями или изодинами. Изомагнитные линии элементов H, Z, Х и Y назы­ваются соответственно изолиниями горизонтальной, вер­тикальной, северной или восточной компонент.

Направление оси магнитного диполя практически не меняется с 1829 г. При этом магнитный момент диполя систематически уменьшался. Его уменьшение может быть аппроксимировано выражением

m=(15,77-0,003951t)×1025 Гс×см3 ,

где t — время в годах, отсчитываемое вперед пли назад от 1900 г. н. э. По этой формуле можно рассчитать, что если уменьшение магнитного момента будет продолжаться с та­кой же скоростью, то к 3991 г. магнитный момент станет равным нулю.

Мы будем постоянно иметь дело с геомагнитными си­ловыми линиями, а также различного рода координатами.

Геомагнитные дипольные координаты — это дополнение к широте q’ и восточной долготе j’. Они определяются относительно полярной оси и нулевого меридиана. Если точка Р имеет географические координаты q и j, то гео­магнитные координаты могут быть вычислены по следую­щим формулам:

cosq’=-cosq cosq0 — sinq sinq0 cos(j-j0),

sinj’=sinq × sin(j-j0) cosecq’.

Магнитное склонение дипольного поля Y – это угол, обра­зованный магнитным и географическим меридианами в точке Р. Он определяется из выражения

sin(–y)= sinq0(sin(j-j0)/sinq’)

Существуют таблицы, которые содержат геомагнитные координаты сетки точек, расположенных через ровные угловые интервалы в географических координатах q и j. Имеются также сетки географических и геомагнитных координат. По этим сеткам можно легко найти геомагнит­ные координаты любой точки с известными географически­ми координатами, и наоборот.

Обратный переход от геомагнитных координат к геогра­фическим можно произвести по формулам

cosq=cosq’ × cosq0 – sinq’ × sinq0cosj’

Если рассматривать только дипольную часть геомагнит­ного поля в любой точке Р с геомагнитными координатами q’ и j’, то потенциал V1, описываемый членами первого порядка, равен V1 = –m(cosq/r2 ) Tак как V1 не зависит от долготы, то восточная компонента дипольного поля В рав­на нулю. Северная Я и вертикальная Z составляющие поля получаются равными

H=m(sinq’/r3 )=H0(a/r)3 sinq’,

Z=2m(cosq’/r3 )=Z0(a/r)3 cosq’; Z0=2H0

где Z0и Н0– максимальные значения Z и H на геоцентри­ческой сфере радиуса а, содержащей точку Р. H0соответ­ствует полю на геомагнитном экваторе, а Z0– на северном полюсе. На южном полюсе Z= –Z0.

Наклонение I и магнитную широту l’ можно опреде­лить из следующих уравнений:

tgI=(Z/H)2ctgq’, tgl’=1/2tgI.

Каждая силовая линия дипольного поля лежит в плоскости геомагнитного меридиана. Ее уравнение

r=re ×sin2 q’

где re – радиальное расстояние, на котором данная сило­вая линия пересекает плоскость геомагнитного экватора, с величиной поля равной m/re3 Величину re, можно принять за параметр, определяющий силовую линию.

Напряженность поля в точке Р можно определить через параметр силовой линии

B=Öh3 +Z2 =mc/r3 =m/re3 × c/sin6q’=Be c/sin6q’,

Bc =m/re3

Представление геомагнитного поля центральным ди­полем только лишь первое весьма грубое приближение. Используя более высокие члены разложения по сфериче­ским гармоникам, можно построить геомагнитную систему координат, лучшую, чем дипольная. Так, если использовать наряду с дипольными еще пять старших сферических гар­монических членов и рассчитать геометрическое место то­чек пересечения земной поверхности садовыми линиями, которые располагаются в экваториальной плоскости на расстоянии пяти-шести радиусов Земли, то полученная таким образом линия хорошо совпадает с зоной полярных сияний.

Было также показано, что если проектировать по силовым линиям на поверхность Земли лежащие в плоско­сти экватора геоцентрические окружности с радиусами Lc =a cosec2 qc, то полученные таким путем широты qc упорядочивают явления в полярной шапке лучше, чем дипольные геомагнитные широты.

Часто используют «исправленные» геомагнитные коор­динаты при описании различных авроральных явлений и поглощения космического радиоизлучения в полярной шап­ке. Они были рассчитаны Хакурой на основе исследований Халтквиста. Дальнейшее усовершенствование этих «ис­правленных» геомагнитных координат выполнил Густавсон, использовав коэффициенты разложения поля на эпоху 1965 г.

При объяснении некоторых явлений, которые связаны с суточными вариациями полярных сияний, было введено понятие геомагнитных полуночи и полудня. Затем появи­лось и более общее понятие геомагнитного времени.

Если данная точка определена географическими коор­динатами q и j и геомагнитными координатами q’ и j’, то геомагнитное время может быть выражено соотноше­нием 15°t’=j’H – j’. Здесь j’H – геомагнитная долгота полу­дня в данный момент времени. Геомагнитное время t’ от­считывается от геомагнитного полудня и относительно истинного положения Солнца Н .

Используя схему определения «геомагнитного времени» в системе геомагнитных координат, приведем пример его расчета. Если в Гринвиче истинное время tG, в точ­ке Р местное истинное время составит tG +j/15°, то геогра­фическая долгота истинного положения Солнца будет 180° – 15° tG. Отсюда, учитывая также полярный угол этого положения (который определяется как 90°– d, где d обо­значает склонение Солнца), геомагнитную долготу j’H мож­но рассчитать по приведенным выше формулам. Гринвич­ское среднее время в этот момент будет tG – e, где е обозна­чает «уравнение времени».

Вернемся к рисунку. Там показан круг с угловым радиу­сом 90°– d, который описывает положение Солнца на зем­ной поверхности. Дуга большого круга, проведенная через точку Р и геомагнитный полюс В, пересекает этот круг в точках H’n и H’m, которые указывают положение Солнца соответственно в моменты гео­магнитного полудня и геомаг­нитной полуночи точки Р. Эти моменты зависят от широты точки Р. Положения Солнца в местные истинные полдень и полночь указаны точками Hn и Нm соответственно. Когда d по­ложительно (лето в северном полушарии), то утренняя поло­вина геомагнитных суток не равна вечерней. В высоких ши­ротах геомагнитное время мо­жет очень сильно отличаться от истинного или среднего вре­мени в течение большей части суток.

Говоря о времени и систе­мах координат, скажем еще об учете эксцентричности магнитного диполя. Эксцентрич­ный диполь медленно дрейфует наружу ( к северу и к западу) с 1836 г. Экваториальную плоскость он пересел? примерно в 1862 г. Его траектория по радиальной проек­ции расположена в районе о-ва Гилберта в Тихом океане.

Ось эксцентрического диполя, проведенная через точ­ку О’ параллельно АВ, пересекает поверхность Земли в точках В’ и A, которые расположены соответственно вблизи В и А. В этих точках наклонение поля эксцентри­ческого диполя не равно нулю. Полоса наклонения поля эксцентрического диполя (точки В и А) находится в ме­ридиональной плоскости ВО’А несколько дальше от точек В и А. Западная долгота этой плоскости в геомагнитной системе координат возросла с 110° в 1836 г. до 143° в 1965 г. Углы ВОВ’ и АОА’ за этот же промежуток времени увеличились с 2,4° до 40°. Углы ВОВ» и АОА», как правило, не равны друг другу: в 1836 г. они составля­ли 7,2° и 5,5°, а в 1965 г.- 11,8° та. 13,2°.

Геомагнитные индексы. Геомагнитная активность опи­сывается различными геомагнитными индексами, исполь­зуемыми в геомагнетизме, физике ионосферы, солнечной физике, физике полярных сияний. Магнитные обсервато­рии всего мира посылают свои индексы в Международный центр Де Бильт (Нидерланды), который связан с Постоян­ной Службой геомагнитных индексов в Гёттингене (ФРГ). Эти локальные индексы — основа планетарных индексов. Остановимся на них подробнее.

Индексы С и С i . Магнитограмма на каждой обсерва­тории за каждые сутки (начало суток отсчитывается от 00 ч гринвичского времени) оценивается по степени возмущенности магнитного поля баллами 0, 1 или 2. Баллы выбираются простым просмотром магнитограмм. Это и есть индекс С для данных суток данной обсерватории. Затем индексы С поступают в единый центр и там усредняются с точностью до 0,1 для каждых суток. Так определяется значение международного ежедневного индекса Сi. Индек­сы Ci имеют градации через 0,1, в результате чего полу­чается 21-балльная классификация гринвичских суток (от 0,0 для спокойных дней до 2,0 для возмущенных).

Чаще всего в анализах используются индексы k и kр. Эти индексы определяются для 3-часовых интервалов, т. е. имеется восемь значений индексов для каждых грин­вичских суток. При определении k-индексов берутся три компоненты магнитного поля: Н, D и Z. Для каждой ком­поненты оценивается амплитуда r в течение 3-часового интервала. Наибольшая из трех амплитуд в каждом вре­менном интервале употребляется для вывода k-индекса. Составлены таблицы, дающие пределы r, определяемые полулогарифмической шкалой, для каждой обсерватории и для каждой из 10 величин k (0,1, 9). Эта связь меж­ду r и k выбирается такой, чтобы весь диапазон измене­ния геомагнитной активности, от самых спокойных усло­вий до самой мощной бури, можно было выразить в шкале, состоящей из одной цифры. Нижний предел r для k=9 в зависимости от общего уровня геомагнитной активности является большим или меньшим. В зоне полярных сияний этот предел равен 2500g, тогда как для обсерваторий низ­ких широт 300g. Так определяется местный (локальный) индекс k.

Планетарный индекс k или kp – индекс Бартельса слу­жат для выражения характеристики планетарной геомаг­нитной активности. Исправленные и стандартизованные значения k подготавливаются Постоянной службой в Гёт­тингене для каждой из 12 выбранных обсерваторий, рас­положенных в северном и южном полушариях. Среднее значение k-величин этих 12 обсерваторий и дает величину kp -индекса. Он называется планетарным трехчасовым ин­дексом и выражается в шкале с точностью до 1 /3 :

00, 0+, 1–, 1о, 1+, 2-, 2о, 2+, 3-, 3о, 3+… 9-, 9о, 9+ .

Всего получится 28 баллов.

Ежедневный индекс Skр получается суммированием величин за 8 3-х часовых интервалов суток.

kр -индекс обладает полулогарифмической связью с ам­плитудой r. Если перевести kp в линейную шкалу, то по­лучится ар -индекс. Имеется таблица для пересчета индек­сов kp в индексы аp. Сумма восьми величин аp для каж­дого дня дает ежедневный Aр -индекс.

На основании индексов Ар можно рассчитать индек­сы Ср, которые имеют величины от 0,0 до 2,0 через 0,1 (всего 21 величины). Имеется таблица пересчета Ар в Ср .

На основании индекса Ср рассчитывается индекс Сg (всего 10 величин: 0,1,… 9). Значения Ср разбиты на диапазоны, каждый из которых соответствует определен­ной величине С9 (0,0-0,1; 0,2-0,3; 0,4-0,5; 0,6-0,7; 0,8-0,9; 1,0-1,1; 1,2-1,4; 1,5-1,8; 1,9; 2,0-2,5).

Описанные индексы геомагнитного поля либо не учиты­вают, либо недостаточно учитывают структуру составляю­щих магнитного поля и его частей. Поэтому они обычно не используются для детальных количественных исследова­ний. Существуют и другие, более детальные индексы.

Dst -индекс дает среднее по долготе уменьшение гори­зонтальной составляющей поля на низких широтах в еди­ницах g, которое пропорционально полной кинетической энергии инжектированных частиц, захваченных в радиа­ционном поясе. Dst -индекс выражает амплитуду первого коэффициента гармонического ряда, который получается при Фурье-разложении поля главной фазы магнитной бури как функции геомагнитной долготы.

Индексы АЕ, AL и AU разработаны для получения интенсивности авроральной электроструи в g. Они позво­ляют контролировать интенсивность полярной электро­струи по вариациям горизонтальной компоненты магнитного поля на обсерваториях зоны полярных сияний и рав­номерно расположенных по долготе. АE-индекс получается суперпозицией этих записей. Когда «произведена супер­позиция записей магнитного поля, то расстояние между верхней и нижней кривыми и есть AE-индекс. Верхняя огибающая дает АU-индекс, а нижняя огибающая – AL-индекс. Эти индексы можно получить в неограниченном разрешении во времени. Но обычно достаточно иметь их значение через 2,5 мин.

[1] Солнечный ветер – истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц Солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1см3 .

[2] Астрономическая единица длины – единица расстояний в астрономии, равная среднему расстоянию Земли от Солнца (1а. е.=149,6 млн. км).

[3] Азимут – угол (А) между плоскостью меридиана точки наблюдения и вертикальной плоскостью, проходящей через эту точку и наблюдаемый объект. Азимут – одна из координат системы горизонтальных координат в астрономии.

www.ronl.ru

Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли

Что же такое постоянный магнит? Постоянным магнитом называется тело, способное долгое время сохранять намагничивание. В результате многократных исследований, проведенных многочисленных опытов, мы можем сказать, что только три вещества на Земле могут быть постоянными магнитами (рис. 1).

Рис. 1. Постоянные магниты. (Источник)

Только эти три вещества и их сплавы могут быть постоянными магнитами, только они могут намагничиваться и сохранять такое состояние долгое время.

Постоянные магниты использовались очень давно, и в первую очередь это приборы ориентирования в пространстве – первый компас был изобретен в Китае для того, чтобы ориентироваться в пустыне. На сегодняшний день о магнитных стрелках, о постоянных магнитах уже никто не спорит, их используют повсеместно в телефонах и в радиопередатчиках и просто в различных электротехнических изделиях. Они могут быть разными: есть полосовые магниты (рис. 2)

Рис. 2. Полосовой магнит (Источник)

А есть магниты, которые называются дугообразными или подковообразными (рис. 3)

                                    

Рис. 3. Дугообразный магнит (Источник)

Исследование постоянных магнитов связано исключительно с их взаимодействием. Магнитное поле может создаваться электрическим током и постоянным магнитом, поэтому первое, что было проведено, – это исследования с магнитными стрелками. Если поднести магнит к стрелке, то мы увидим взаимодействие – одноименные полюса будут отталкиваться, а разноименные будут притягиваться. Такое взаимодействие наблюдается со всеми магнитами.

Расположим вдоль полосового магнита маленькие магнитные стрелки (Рис. 4), южный полюс будет взаимодействовать с северным, а северный будет притягивать южный. Магнитные стрелки будут располагаться вдоль линии магнитного поля. Принято считать, что магнитные линии направлены вне постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного полюса к северному. Таким образом, магнитные линии замкнуты точно так же, как и у электрического тока, это концентрические окружности, они замыкаются внутри самого магнита. Получается, что вне магнита магнитное поле направлено от севера к югу, а внутри магнита от юга к северу.

Рис. 4. Лини магнитного поля полосового магнита (Источник)

Для того чтобы пронаблюдать форму магнитного поля полосового магнита, форму магнитного поля дугообразного магнита, воспользуемся следующими приборами или деталями. Возьмем прозрачную пластину, железные опилки и проведем эксперимент. Посыплем железными опилками пластину, находящуюся на полосовом магните (рис. 5):

Рис. 5. Форма магнитного поля полосового магнита (Источник)                                                   

Мы видим, что линии магнитного поля выходят из северного полюса и входят в южный полюс, по густоте линий можно судить о полюсах магнита, где линии гуще – там находятся полюса магнита (рис. 6).

Рис. 6. Форма магнитного поля дугообразного магнита (Источник)

Аналогичный опыт проведем с дугообразным магнитом. Мы видим, что  магнитные линии начинаются на северном и заканчиваются на южном полюсе по всему магниту.

Нам уже известно, что магнитное поле образуется только вокруг магнитов и электрических токов. Как же нам определить магнитное поле Земли? Любая стрелка, любой компас в магнитном поле Земли строго ориентированы. Раз магнитная стрелка строго ориентируется в пространстве, следовательно, на нее действует магнитное поле, и это магнитное поле Земли. Можно сделать вывод о том, что наша Земля – это большой магнит (Рис. 7) и, соответственно, этот магнит создает в пространстве достаточно мощное магнитное поле. Когда мы смотрим на стрелку магнитного компаса, мы знаем, что красная стрелочка показывает на юг, а синяя на север. Как же располагаются магнитные полюсы Земли? В этом случае необходимо помнить о том, что на северном географическом полюсе Земли располагается южный магнитный полюс и на южном географическом полюсе располагается северный магнитный полюс Земли. Если рассмотреть Землю как тело, находящееся в пространстве, то можно говорить о том, что, когда мы идем по компасу на север, мы придем на южный магнитный полюс, а когда идем на юг – мы попадем на северный магнитный полюс. На экваторе стрелочка компаса будет располагаться практически горизонтально относительно поверхности Земли, и чем ближе мы будем находиться к полюсам, тем вертикальнее будет расположение стрелки. Магнитное поле Земли могло изменяться, были времена, когда полюсы менялись относительно друг друга, то есть южный был там, где северный, и наоборот. По предположению ученых, это было предвестником больших катастроф на Земле. Последние несколько десятков тысячелетий этого не наблюдалось.

Рис. 7. Магнитное поле Земли (Источник)

Магнитные и географические полюса не совпадают. Внутри самой Земли тоже существует магнитное поле, и, как в постоянном магните, оно направлено от южного магнитного полюса к северному.

Откуда же берется магнитное поле в постоянных магнитах? Ответ на этот вопрос дал французский ученый Андре-Мари Ампер. Он высказал идею о том, что магнитное поле постоянных магнитов объясняется элементарными, простейшими токами, протекающими внутри постоянных магнитов. Эти простейшие элементарные токи определенным образом усиливают друг друга и создают магнитное поле. Отрицательно заряженная частица – электрон – движется вокруг ядра атома, это движение можно считать направленным, и, соответственно, вокруг такого движущегося заряда создается магнитное поле. Внутри любого тела количество атомов и электронов просто огромно, соответственно, все эти элементарные токи принимают упорядоченное направление, и мы получаем достаточно значительное магнитное поле. То же самое мы можем сказать о Земле, то есть магнитное поле Земли очень напоминает магнитное поле постоянного магнита. А постоянный магнит – это достаточно яркая характеристика любого проявления магнитного поля.

Кроме существования магнитных бурь, существуют еще магнитные аномалии. Они связаны с солнечным магнитным полем. Когда на Солнце происходят достаточно мощные взрывы или выбросы, они происходят не без помощи проявления магнитного поля Солнца. Это эхо достигает Земли и сказывается на ее магнитном поле, в результате мы с вами наблюдаем магнитные бури. Магнитные аномалии связаны с залежами железных руд в Земле, огромные залежи в течение долгого времени намагничиваются магнитным полем Земли, и все тела, находящиеся вокруг, будут испытывать действие магнитного поля со стороны этой аномалии, стрелки компасов будут показывать неправильное направление.

На следующем уроке мы с вами рассмотрим другие явления, связанные с магнитными действиями.

 

Список литературы

  1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Class-fizika.narod.ru (Источник).
  2. Class-fizika.narod.ru (Источник).
  3. Files.school-collection.edu.ru (Источник).

 

Домашнее задание

  1. Какой из концов стрелки компаса притягивается к северному полюсу Земли?
  2. В каком месте Земли нельзя верить магнитной стрелке?
  3. О чем говорит густота линий на магните?

interneturok.ru

Постоянные магниты. Магнитное поле Земли. Физика. 8 класс. Разработка урока


УМК по физике для 7–9 кл. А. В. Перышкина и др.


Тип урока: урок ознакомления с новым материалом.


Цели:

  • Образовательная: ознакомить учащихся со свойствами постоянных магнитов, добиться понимания реального и объективного существования магнитного поля, пояснить происхождение магнитного поля Земли, сформировать понятия естественный и искусственный магниты, формировать умения анализировать факты и давать им обоснованную научную оценку, сформировать у учащихся представления о магнитном поле Земли, магнитных спектрах магнитов.
  • Воспитательная: воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям, воспитание положительного интереса к изучаемому предмету, показ важности изучаемой темы для познания мира, воспитание культуры речи, построение плана ответа, воспитание сознательной дисциплины и норм поведения, воспитание организованности, дисциплинированности, культуры поведения, воспитывать внимание, наблюдательность, умение слушать, выявлять закономерности, делать выводы и обобщения.
  • Развивающие: развитие аналитического мышления, развитие познавательных умений, развитие умений учебного труда, формирование умений обобщать полученные знания и грамотно выражать свои мысли, развивать профессиональную наблюдательность, внимание, память, широту кругозора.


Задачи: подготовка к изучению нового материала через повторение и актуализацию опорных знаний, через демонстрации пробудить интерес к изучению новой теме.


Оборудование и материалы: мультимедийный проектор, ПК, тестовая программа, видео, магниты, магнитная стрелка, железные опилки, компас, различные предметы из железа, алюминия, пластмассы, гвоздь стальной, магнитные шайбы, модель молекулярного строения магнита, проекционный аппарат, стекло, ключ, соединительные провода, источник тока, модель электрического звонка, стальной, стеклянный стержень, изолированный провод, источник тока.


Использованные источники:

  1. Физика. 8кл.:учеб. для общеобразоват. учреждений/А.В.Перышкин.-13-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010
  2. Сборник задач по физике:7-9 кл.: к учебникам А.В Перышкина и др. «Физика. 7 класс», «Физика. 8 класс», «Физика. 9 класс»/А.В.Перышкин. – 2-е изд., стереотип. – М.: Издательство «Экзамен», 20907.
  3. демонстрационные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. Под ред. А.А. Покровского. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Просвещение», 1974.
  4. Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе: 6-7 кл. – М.: Просвещение. 1988
  5. Физика. 8кл.: тематическое и поурочное планированипе к учебнику А.В. Перышкина «Физика.8 класс»/ Е.М. Гутник, Е.В. Рыбакова, Е.В. Шаронина;под ред. Е.М.Гутник. – 3-е изд., стереотип.-М.:Дрофа, 2005
  6. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 8 класс. – 3-е изд.,перераб. и доп.-М.:ВАКО, 2006
  7. Марон А.Е.,Марон Е.А. Физика.8класс:Дидактические материалы.- М.:Дрофа, 2002

Ход урока

1. Проверка домашнего задания


§58 упр28, задание 9(1), № 951, 957, 963 (Перышкин)


Вызывается один ученик для работы за компьютером. Он с помощью тестовой программы отвечает на тест. 1


Вызывается ученик на задание 9(1) из учебника Перышкина к демонстрационному столу, где стоит оборудование: модель электрического звонка, ключ, источник тока, соединительные провода. Ученик собирает цепь и демонстрирует действие звонка и объясняет работу установки.



При замыкании цепи электромагнит (Э) притягивает якорь (Я), вследствие этого притяжения молоточек(М) ударяет о звонковую чашу (З). По цепи перестает течь ток, т.к. цепь разомкнулась между якорем(Я) и контактной пружиной(П), и вся установка становится на исходный уровень, якорь касается контактной пружины и по цепи снова течет ток, и снова срабатывает электромагнит, и т.д.


Вызывается ученик для ответа на домашние номера из Сборника задач Перышкина.

Решение №951



Направление тока определяем по правилу обхвата правой руки.

Решение №957



Направление магнитных линий магнитного поля катушки определяем правилом обхвата правой руки.

Решение № 963



Направление магнитных линий магнитного поля катушки определяем правилом обхвата правой руки. За направление магнитных линий магнитного поля принято направление северного полюса магнитной стрелки. Катушки обращены к друг другу одноименными полюсами, поэтому катушки будут отталкиваться.


Учитель проверяет устные номера из домашнего задания со всеми остальными учащимися.

Упр. 28 из учебника Перышкина
  • Нужно использовать реостат, который изменяет силу тока в цепи. Чем больше сила тока в электромагните, тем сильнее магнитное действие.
  • Нужно поменять направление тока в катушке, т.е. поменять полюса на источнике тока.
  • Нужно использовать большее число витков в катушке, а также можно использовать сердечник.
  • Электромагниты различаются по размерам, а значит числом витков в катушке.

2. Изучение нового материала


План изложения нового материала:

  1. Постоянные магниты и их свойства.
  2. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов.
  3. Магнитное поле Земли.


Изложение нового материала начинаем с демонстрации:



Берем стальной стрежень (например, напильник) и показываем, что стержень на данный момент не обладаем магнитными свойствами (подносим его к гвоздям и другим предметам), затем наматываем на него 20-30 витков изолированного провода и пропускаем по обмотке постоянный электрический ток и, вынув стержень, обнаруживаем его магнитные свойства (гвоздики примагнителись к стержню). Аналогичные опыты можно сделать с алюминиевым, медным, стеклянным стержнями. Исследуя их, выясняем, что они не стали магнитами.


Выясним, почему некоторые тела являются магнитами, определим их свойства.


Учитель записывает тему урока на доске. Тема урока !2 «Постоянные магниты. Магнитное поле Земли».


! Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами.


Почему же одни вещества могут создавать магнитное поле и притягивать в себе железные предметы, а другие этим свойством не обладают?


Французский физик Андре Ампер (вывести на экран портрет Андре Ампера)3 объяснил намагниченность стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы вещества. Тогда Ампер еще не знал из чего состоят вещества. А мы знаем, что, каждый атом состоит из ядра, вокруг которого движется электроны по орбитам. Электрон является заряженной частицей. Как раз электроны и образуют так называемые молекулярные токи, а они и создают магнитное поле. Во всех атомах есть электроны. В обычном состоянии электроны движутся в разных направлениях, только в намагниченном состоянии они все вместе начинают двигаться определенным (в одну сторону) образом.


Демонстрация: модель молекулярного строения магнита, проекционный аппарат, магнит.


С помощью проекционного аппарата прибор проецируется на экран. Обращают внимание учащихся на беспорядочную ориентацию магнитиков. Затем подносят с двух сторон модели разноименные полюсы прямых магнитов и заставляют стрелочки повернуться определенным образом. На экране получаем картину изображающую магнитное насыщение.





Также демонстрируем видео фильм «Гипотеза Ампера».4


!





Существуют дугообразные (подковообразные) и полосовые (прямые) магниты.



Поднося магнит к различным предметам, можно увидеть, что не многие из них притягиваются магнитом.


Демонстрация: различные предметы из железа, стали, алюминия, пластмассы, магнит.





Хорошо притягиваются магнитом такие вещества, как чугун, сталь, железо, некоторые сплавы. Пластмасса, резина, алюминий, стекло – не притягиваются.


Демонстрация: магнит, маленькие стальные гвоздики.


Положив магнит на гвоздики, наблюдаем, что гвоздики примагнитились в основном к концам магнита. К середине магнита не примагнитился ни один гвоздик.


! Те места магнита, где обнаруживается наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнитов.


! У каждого магнита два полюса: южный (S), и северный (N).


Демонстрация: магнит, магнитные стрелки.


Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, замечаем, что


! одноименные полюса магнита отталкиваются, а разноименные притягиваются.





Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на магнитное поле другого магнита, и наоборот.


!



Демонстрация: магниты круговые.


Магниты одноименными полюсами, как бы парят.



С помощью железных опилок, можно посмотреть магнитное поле постоянных магнитов.


Демонстрация: два полосовых магнита, стекло, проекционный аппарат, железные опилки.


Если магниты обращены друг к другу одноименными полюсами, то магнитные линии – отталкиваются друг от друга.




Если магниты обращены друг к другу разноименными полюсами, то магнитные линии – притягиваются друг от друга.




!




 


Магнитные линии магнита, как и магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые линии. Вне магнита они выходят из северного полюса магнита, и входят в южный, замыкаясь внутри магнита, так же как магнитные линии катушки с током.




!



Сохранит ли магнит свои свойства, если его разломать пополам?


Демонстрация видео «Намагничивание стали».



Демонстрация фотографий железняка, курской аномалии5


Магниты полученные путем намагничивания – искусственные. Железная руда (магнитный железняк) – естественный магнит. Когда залежи железной руды располагается близко к поверхности земли, то наблюдается магнитная аномалия (Курская область). Железо, сталь в присутствии железняка приобретают магнитные свойства.


Магнитная стрелка располагается определенным образом в данном месте Земли, если рядом нет сильных магнитных полей. Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий.


Демонстрация видео «Магнитные линии Земли».


Магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Северный полюс магнитной стрелки показывает на южный магнитный полюс Земли, т.к. разноименные полюса притягиваются.


!



Иногда возникают магнитные бури – это изменение магнитного поля Земли, которые сильно влияют на магнитную стрелку. Магнитные бури связаны с солнечной активностью. В период усиления солнечной активности с поверхности Солнца выбрасывается потоки заряженных частиц. Магнитное поле, образуемое этими движущимися частицами и изменяет магнитное поле Земли и тем самым вызывает магнитные бури. О том, как сильно взаимодействует магнитное поле Земли с полем заряженных частиц, говорит нам северное сияние, которое наблюдается у полюсов Земли. Магнитное поле Земли защищает нас от космического излучения.


Демонстрация видео «Магнитное поле Земли».


Демонстрация видео «Магнитная буря», «Северное сияние».

3. Закрепление изученного


Учащиеся выполняют тест6 по пройденной теме.

4. Домашнее задание


§59,60 вопросы к параграфам.


 



2 Здесь и далее восклицательным знаком указано то, что записывают учащиеся себе в тетради.


3 Портрет Андре Ампера имеется в приложении 2, а также в начале фильма «Гипотеза Ампера».


5 Фотографии железняка находятся в приложении 2, в виде фотографий

rosuchebnik.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о