Магнитное поле земля – Магнитное поле Земли — Википедия

Магнитное поле Земли. Cтатьи. Наука и техника

Механизм возникновения, предложения по его экспериментальной проверке и использованию

Существует ряд гипотез, объясняющих возникновение магнитного поля Земли. В последнее время получила развитие теория, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо» находится на расстоянии 0,25…0,3 радиуса Земли [1].

Следует заметить, что гипотезы, объясняющие механизм возникновения магнитного поля планет, довольно противоречивы и до настоящего времени экспериментально не подтверждены.

Что касается магнитного поля Земли, то достоверно установлено, что оно чутко реагирует на солнечную активность. В то же время вспышка на Солнце не может оказать заметного влияния на ядро Земли. С другой стороны, если связывать возникновение магнитного поля планет с токовыми слоями в жидком ядре, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Так Юпитер, вращающийся вокруг своей оси в ту же сторону что и Земля, имеет магнитное поле направленное противоположно земному.

Предлагается новая гипотеза о механизме возникновения магнитного поля Земли и установка для экспериментальной проверки.

Рис. 1. Схема взаимодействия Солнце-Земля:
(–) – поток заряженных частиц;
Ic – ток Солнца;
Iз – круговой ток Земли;
Мв – момент вращения Земли;
ω – угловая скорость Земли;
Фз – магниный поток, создаваемый полем Земли;
Фс – магнитный поток, создаваемый током солнечного ветра.

На рис. 1 изображена схема Солнце-Земля. Земля (З) вращается вокруг своей оси N-S с угловой скоростью ω. Земля имеет магнитное поле, северный полюс которого находится на южном географическом полюсе. Чтобы получить магнитное поле такого направления, вокруг земного шара, в плоскости перпендикулярной оси вращения Земли, должен существовать устойчивый токовый слой с током IЗ. Назовем его током Земли. Следовательно, над поверхностью Земли должен существовать проводящий слой, по которому должен замыкаться ток I

З. Такой слой существует – это ионосфера.

Рассмотрим каким образом может возникануть направленный ток IЗ в ионосфере. Солнце, в результате ядерных реакций протекающих в нем, излучает в окружающее пространство огромное количество заряженных частиц больших энергий (энергия частиц солнечного ветра ≈1027…1029 эрг/с) – так называемый солнечный ветер. По составу солнечный ветер содержит, главным образом, протоны, электроны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа [1]. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. Таким образом, вокруг Земли образуется направленный поток электронов, движущихся в сторону вращения Земли. Электрон – это заряженная частица, а направленное движение заряженных частиц есть не что иное, как электрический ток. За направление тока принято направление противоположное движению электронов, которое совпадает с направлением тока I

З. Таким образом, существует ток IЗ, вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли. В результате наличия тока IЗ возбуждается магнитное поле Земли ФЗ.

Относительно Земли солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц постоянного направления, а это не что иное, как электрический ток. Назовем его током Солнца IС. Согласно определению направления тока он направлен в сторону, противоположную движению отрицательно заряженных частиц, т.е. от Земли к Солнцу.

Рассмотрим взаимодействие тока Солнца IС с возбужденным магнитным полем земли. В результате такого взаимодействия на Землю действует вращающий момент М

З, направленный в сторону вращения Земли. Таким образом, Земля относительно солнечного ветра (IС) проявляет себя аналогично двигателю постоянного тока с самовозбуждением. Источником энергии (генератором) в данном случае является Солнце.

Следует отметить дополнительно, что магнитный поток, вызванный током солнечного ветра IС, пронизывает вращающийся вместе с Землей поток раскаленной лавы внутри нее. В результате взаимодействия поля IС и потока раскаленной лавы в ней наводится электродвижущая сила, под действием которой течет ток, который так же создает магнитное поле. Вследствие этого магнитное поле Земли является результирующим полем от взаимодействия тока IС и тока лавы.

Поскольку и магнитное поле, и вращающий момент, действующий на землю, зависят от тока Солнца, а последний от степени солнечной активности, то при увеличении солнечной активности должен увеличиваться вращающий момент, действующий на Землю и увеличиваться скорость ее вращения.

Реально существующая картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации токового слоя, но и от магнитных свойств земной коры, а так же от относительного расположения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром с током при наличии ферромагнитного сердечника и без него. Известно, что ферромагнитный сердечник не только меняет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его.

Токовый слой Земли постоянно подпитывается электронами солнечного ветра. Таким образом, в результате наличия свободного токового слоя, обусловленного электронами солнечного ветра, земной шар вместе с атмосферой и ионосферой, в настоящее время должен иметь отрицательный некомпенсированный заряд.

Токовый слой Земли, в значительной степени, определяет протекание электрических процессов в атмосфере (грозы, полярные сияния, огни «святого Эльма»). Замечено, что при извержении вулканов значительно активизируются электрические процессы в атмосфере. Данное явление можно объяснить следующим. При извержении вулкана выбрасывается столб раскаленных газов (плазмы). Конвективное движение раскаленных газов замыкает токовый слой ионосферы с поверхностью Земли. Таким образом, появляется ток утечки, который активизирует электрические процессы при извержениях.

Предложенная гипотеза, в противовес теории токовых слоев в жидком ядре, может быть проверена на практике. Подтверждение предложенной гипотезы позволит уточнить и расширить наши знания о механизме магнитного поля Земли и других планет, позволит объяснить природу сил и моментов, поддерживающих вращение Земли вокруг своей оси.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки:

Iз – токовый слой земли Земли;
Iк – ток в искусственном параллельном контуре;
ПЗ – поверхность Земли;
ДЛЭ – длинная линия электропередачи;
СК – соединитель концов линии с токовым слоем;
ИП – измерительный прибор.

Для экспериментальной проверки гипотезы предлагается создать искусственный контур, расположенный параллельно токовому слою Земли (рис. 2). В качестве параллельного контура можно использовать длинную линию электропередачи, идущую, преимущественно, в направлении восток-запад. Концы длинной линии должны быть соединены или приближены к токовому слою Земли. В качестве соединителей предполагается использовать столб плазмы, например, струю газов реактивного двигателя или воздушные шары, соединенные проводником с концами длинной линии.

Таким образом, предполагается зарегистрировать измерительным прибором величину и направление тока в искусственном параллельном контуре.

Практическое подтверждение высказанных предположений позволит объяснить взаимосвязь электромагнитных процессов в системе Солнце-Земля и обеспечит возможность разработки мощных энергетических установок использующих энергию Солнца.

 

Источник информации:

Физический энциклопедический словарь. М.: Советская Энциклопедия, 1983.

Дата публикации:

3 июня 1998 года

n-t.ru

Магнитное поле Земли

Реклама

Меню

Тайны Вселенной / Солнечная система / Земля / Магнитное поле Земли
Читая раздел об атмосфере, Вы, может быть, задались вопросом о ее границах. С научной точки зрения можно сказать: есть и таковая. Но сначала – о магнитном поле.

Как было сказано ранее, внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл – проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным. Из-за того, что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом. Только немногие помнят, что магнитная стрелка указывает не на истинный Северный полюс, а на Северный магнитный полюс. Он, кстати, медленно перемещается вместе с самой магнитной осью из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстоит от него на 430 км. Магнитное поле Земли несимметрично.

В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались бы таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг протянувшихся от южного магнитного полюса к северному. Плотность линий (напряженность магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удаленности можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе – солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собою потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его, как это представлено на рисунке. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница (очерченная область в зеленых тонах), по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую – возмущенное поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1 000 радиусов Земли.

Загадки современности
Идея эксперимента состояла в том, что очень сильное электромагнитное поле вокруг корабля будет служить экраном для лучей радара. Во время испытания корабль к изумлению военных не просто исчез с радаров, но просто в буквальном смысле пропал из поля зрения…
Что привело к гибели Титаника
Прошло более ста лет со дня со дня крушения знаменитого океанского лайнера «Титаник», во время которого погибли более 1500 человек. За минувшее столетие высказывалось множество версий причин этого страшного события: от очевидных до самых невероятных. Мы решили рассмотреть наиболее известные из них…
Китайские пирамиды
По внешнему виду китайские пирамиды очень напоминают пирамиды Центральной Америки. Сходство просто поразительное. Может быть, и американские пирамиды были построены ” сыновьями неба”?…
Тайны интуиции
Традиционно различают телесную, чувственную, интеллектуальную и социальную интуиции. Телесная (или физическая) интуиция. По большому счету интуиция- это способность использовать для решения задачи «нетрадиционные» источники информации, конкретно – собственные телесные ощущения…
Магия растений
Говоря, что магия растений существует, следует отметить одну ее разновидность совершенно иного рода, которой, как мы можем видеть, пользуется друид при розысках королевы, похищенной обитателем сидов, одним из тех божеств Другого Мира…
Седьмое чувство
О каком седьмом чувстве идет речь, скажете вы, если во всех учебниках написано, что у нас с вами по пять чувств: зрение, слух, вкус, нюх, осязание. Меньше — бывает, больше — нет, хотя очень даже хотелось бы. А если человек что-то чувствует, предвидит, волнуется и не может понять причину своего беспокойства, то обычно в таких случаях говорят: «Я ощутил что-то каким-то шестым чувством»…
Подводный город Йонагуни
Впервые подводный город Йонагуни был обнаружен в 1986 году. Наблюдая за акулами-молотами у японского острова Йонагуни, ныряльщик Кихатиро заметил ряд морских образований, лежащих в 5 метрах под водой
Пирамиды Келлера
В начале 1962 года швейцарский океанолог Ганс Келлер с помощью погружаемых телекамер проводил исследования близ острова Санта-Каталина, у тихоокеанского побережья. США. Несмотря на плохое качество изображения, Келлеру удалось разглядеть на дне, на глубине более двух тысяч футов, какие-то объекты, похожие на пирамиды искусственного происхождения…
Загадки шаровой молнии
Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Может пролететь и исчезнуть, не причинив никакого вреда, а может с грохотом взорваться, подобно гранате, изувечить, убить. В одних случаях шаровая молния неподвижно парит в воздухе, в других – подчиняется слабому дуновению, в третьих – умудряется лететь против ветра…
Загадки телепортации
В научных кругах уже долгое время разрабатывается теория телепортации – перемещение объекта из одного места в другое за максимально короткий отрезок времени…

tayny-zemli.ru

Магнитное поле планеты Земля


 

 

Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Свойство магнита указывать юг и север было открыто позже. Еще в III в. изготовляли особые «югоуказатели» в виде маленького человечка с вытянутой рукой. Эта фигурка — древнейший компас—укреплялась на вращающемся магните.

Значительно позднее (в VIII — IX вв.) арабы стали применять компас для мореплавания. В то время арабские торговые корабли часто плавали из Азии в Европу. Европейские мореплаватели пользовались компасом примерно с ХШ в., но не знали, так же как китайцы и арабы, почему один конец магнитной стрелки показывает на север, а другой — на юг.

Вплоть до начала XIX в. на вопрос о причине земного магнетизма часто отвечали так: Земля сама большой магнит. Внутри Земли как бы «спрятан» очень сильный магнит. Он и управляет поведением стрелки компаса, заставляя ее устанавливаться вдоль магнитных силовых линий, опоясывающих земной шар и создающих магнитное поле Земли. Направление этих силовых линий и указывает стрелка компаса.

Мореплаватели, правда, давно уже заметили, что северный конец стрелки не совсем точно указывает на север, а южный — на юг. Еще Колумб, когда плыл в Америку, обнаружил, что географический меридиан не совпадает с магнитным, вдоль которого устанавливается стрелка компаса. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана. Магнитная ось Земли наклонена к географической примерно под углом в 11°,5, поэтому географические полюсы также не совпадают с магнитными.

Магнитную стрелку можно заставить колебаться и не на острие, как это делается в компасе. Ее можно закрепить на горизонтальной оси, тогда она будет качаться в вертикальной плоскости. Такую стрелку называют стрелкой наклонения. Действительно, она показывает, под каким углом к горизонту действует на нее в данном месте магнитная сила Земли, т. е. каково магнитное наклонение. На Северном и Южном магнитных полюсах острие стрелки направлено прямо вниз: магнитное наклонение здесь наибольшее— оно равно 90°. Углы магнитного наклонения хорошо изучены на всей Земле. Если обнаруживаются резкие изменения углов наклонения, то это указывает, что в данном месте под поверхностью Земли скрыты намагниченные горные породы или железные руды.

Земля представляет собой большой магнит, от полюсов которого расходятся силовые линии магнитного поля. Стрелки компаса на поверхности Земли ориентируются по направлению к магнитным полюсам.

Магнитная разведка залежей железа или других магнитных руд в сущности сводится к поискам мест резких магнитных аномалий, т. е. таких мест, где магнитная сила земного поля по величине или направлению резко отклоняется от нормы. Сейчас магнитную разведку ведут даже с самолетов. Под Курском, в Сибири, на Урале, на Кольском полуострове обнаружены сильные магнитные аномалии, там же найдены залежи железных руд.

Стрелка компаса в течение суток ведет себя неспокойно. Она сдвигается немного в сторону, колеблясь в общем около положения равновесия. Это значит, что магнитное поле Земли за сутки немного меняется. Суточные колебания магнитной стрелки всегда больше летом, чем зимой.

Причина этих изменений магнитного поля Земли — электрические токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением.

Иногда электрические токи в атмосфере становятся особенно сильными. Происходит это, когда с поверхности Солнца с огромными скоростями выбрасываются потоки мельчайших частиц. Они проникают в земную атмосферу и порождают в ней электрический ток. Стрелка компаса начинает вздрагивать и все больше и больше отходит от положения равновесия. Такое явление называют магнитной бурей. Она может продолжаться несколько часов и даже суток. Когда магнитная буря утихает, стрелка компаса возвращается к положению равновесия. Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66—67° (в зоне полярных сияний) и часто возникают одновременно с полярными сияниями. Постровидимому, оба эти явления вызваны одними и теми же причинами.

За изменениями земного магнитного поля нужно постоянно наблюдать. Для этого организована специальная Служба земного магнетизма. Вот уже более ста лет по данным многочисленных экспедиций и по измерениям на магнитных станциях составляются подробные карты магнитного склонения и наклонения и таблицы суточного и годового хода изменений магнитного поля Земли.

Многолетние наблюдения показали, что положение магнитной стрелки по отношению к географическому меридиану также со временем меняется: конец стрелки медленно перемещается к западу или востоку. Это так называемые вековые изменения магнитного поля Земли. Их всегда приходится учитывать при составлении магнитных карт. Для вождения кораблей и самолетов, разведки полезных ископаемых и для очень многих научных целей нужны точные карты магнитного склонения и наклонения.

Магнитные бури и суточные изменения магнитного поля объясняются, как мы знаем, солнечным излучением и выбрасыванием мощных фонтанов частиц с поверхности Солнца. Но до сих пор остается невыясненной основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли. Наша планета действительно ведет себя как большой магнит. В средние века поведение магнитной стрелки объяснялось силами, идущими с неба, при этом Полярной звезде приписывалось главное влияние на магнитную стрелку.

Серьезные исследования магнетизма начались позднее. В 1600 г. в Англии были опубликованы шесть книг Вильяма Джильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните— Земле». Джильберт намагнитил металлический шар (он назвал его терреллой) и исследовал показания стрелки компаса возле него. И все же ответа на основной вопрос, почему Земля намагничена, Джильберт дать не мог.

В начале XIX в. французский физик Ампер высказал интересную догадку. Он знал, что электрический ток может влиять на магнитную стрелку. Ампер первый понял, что, если внутри Земли будет течь электрический ток с востока на запад, тогда вокруг Земли появится магнитное поле и земной шар будет похож на джильбертовскую терреллу. Но течет ли на самом деле ток в Земле и какая причина делает его постоянным?

Чтобы ответить на эти вопросы, геофизики зарывали глубоко в землю металлические пластины и при помощи телеграфных проводов соединяли их над землей, включив в эту цепь гальванометр. Прибор действительно обнаруживал ток, но чрезвычайно слабый и к тому же непостоянный. Тогда для объяснения источника земного магнетизма попытались привлечь

Глубоко под землей закопаны две металлические пластины, соединенные проводами с телеграфной линией. К одному из проводов, ведущих к пластине, подключен миллиамперметр.

Условное изображение атомов в виде колец. Стрелками показано направление осей электронных орбит. В ненамагниченном состоянии атомы и оси орбит электронов расположены беспорядочно.

на помощь атмосферные электрические токи. Они текут из воздуха в Землю. Однако известно, что на 1 кмЗемли приходит атмосферный ток силой всего в 0,000001 ампера. Даже если учесть, что в каждую секунду над всей Землей происходит 100 разрядов молний, все равно постоянное магнитное поле Земли такими причинами невозможно объяснить.

Теоретически удалось доказать, что на 99% магнитное поле Земли вызывают причины, скрытые внутри планеты. Внешние электрические токи могут помочь объяснить лишь различные малые изменения земного магнитного поля.

В самом начале XX в. делалась попытка объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Известно, что Земля заряжена отрицательным электричеством. Ее вращение создает ток, а электрический ток всегда окружен магнитным полем. Но теоретически вычисленная напряженность такого поля оказалась в десятки миллионов раз слабее истинного магнитного поля Земли.

И все же физики попытались спасти гипотезу о самонамагничивании Земли из-за ее вращения. Для этого они привлекли на помощь новые сведения о строении атома. Как известно, электроны в атомах вращаются по замкнутым орбитам. Оси этих орбит по-разному наклонены в различных атомах. На рисунке показано, как они расположены внутри ненамагниченного металлического стерженька. Но если стержень привести в быстрое вращение, то оси электронных орбит будут стремиться стать параллельно друг другу — совершенно так же, как, подчиняясь законам механики, это делают обычные волчки, запущенные внутри вращающейся коробки. В таком случае быстро вращающийся стержень должен намагнититься, так как электронные токи в атомах окажутся из-за поворота осей одинаково направленными. Их магнитные поля будут складываться, усиливая друг друга, и на концах стержня появятся магнитные полюсы. В 1919 г. удалось намагнитить стержень, быстро его вращая. Не происходит ли то же самое в металлах, находящихся в земной коре? Ведь суточное вращение Земли может «навести порядок» в расположении орбит атомов магнитных веществ земной коры. Электронные орбиты должны, постровидимому, повернуться так, чтобы стать параллельными плоскости экватора. Легко было проверить, что при этом Южный магнитный полюс появится на географическом севере, как это имеет место на Земле.

Внутри коробки запущены детские волчки. Слева — коробка неподвижна. Справа — коробка вращается. Оси волчков в ней стали параллельно оси вращения коробки.

Зная скорость вращения нашей планеты и примерное распределение магнитных материалов в Земле, удалось подсчитать интенсивность намагничивания. Она оказалась в миллиарды раз меньше действительной. Так еще одна гипотеза потерпела неудачу.

В 1939 г. американский физик Эльзассер предложил новую теорию происхождения земного магнетизма: Земля намагничена термоэлектрическими токами, текущими в жидком земном ядре. Температура в нем достигает нескольких тысяч градусов, а давление доходит до миллионов атмосфер.

Когда быстро вращают металлический стержень, то внутри него атомы располагаются так, что оси электронных орбит становятся параллельными друг другу и оси вращения стержня. Вокруг стержня идут силовые линии магнитного поля.

Известно, что термоэлектрический ток возникает, когда один спай двух металлов нагрет больше, чем другой. По мнению Эльзассера, в земном ядре имеются подходящие условия для возникновения термотока. В ядре перемешаны различные металлы, так что всегда имеется кон-

такт двух металлов — хотя и в жидком состоянии. Кроме того, температура на различных глубинах в ядре, несомненно, разная. А это как раз и нужно для поддержания термотока в земном ядре: соприкосновение разнородных металлов и перепад температуры.

Струи расплавленного металла текут из центра ядра по радиусам к поверхности. Вращение Земли искривляет путь струи, превращая ее в кольцо, охватывающее земную ось. Механики называют силу, искривляющую путь такой струи из-за вращения Земли, кориолисовой силой.

Эльзассер пытался доказать, что вдоль вихря расплавленного металла должен течь с востока на запад термоэлектрический ток, подмагничивающий Землю.

На самом деле сложное движение вещества ядра Земли и циркулирующих в нем термотоков пока не поддается точному расчету. Да и не все предположения Эльзассера достаточно обоснованы. И хотя он на протяжении многих лет пробовал улучшить методы расчета, задача все-таки оказалась до конца не решенной. Тем не менее она подготовила появление современной, более совершенной теории земного магнетизма, предложенной в 1947 г. советским физиком Я. Френкелем. Ученый нашел сходство между процессами, происходящими в земном ядре, и работой динамо-машины с самовозбуждением. Когда такая динамо-машина начинает работать, ее магнит (он называется статором) совсем слабо намагничен. Но по мере того как якорь машины, на котором намотаны витки проволоки, быстро вращается в слабом поле статора, в нем возникает индукционный ток. Он мал и непригоден еще для использования. Его заставляют течь по обмотке машины так, чтобы он намагничивал, т. е. усиливал, поле статора. Витки якоря продолжают вращаться, но теперь уже в более сильном магнитном поле, и в них наводится более сильный индукционный ток. С каждым новым оборотом машины происходит «подхлестывание», или самоусиление, поля.

Как снежный ком, который катится с горы и разрастается до размеров огромной лавины, так и динамо-машина с самовозбуждением доводит поле своего магнита до предельного постоянного состояния. С этого момента машина начинает нормально работать.

Если якорь машины вращает газовая или водяная турбина, то все устройство в целом называют турбогенератором.

Френкель считает, что земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра во все стороны большие массы расплавленного металла, обладающего свойством жидкости.

Внутри Земли работает естественный генератор

Кориолисова сила «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих замкнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает свою работу, кинетическая энергия бурных потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Что касается слабого начального магнитного поля, без которого земной турбогенератор не смог бы начать работать, то его происхождение обосновать нетрудно. Для этого достаточно вспомнить попытку объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Она была признана неудачной только потому, что давала земному шару ничтожно малое намагничивание. Но в природном «турбогенераторе» начальное поле может быть как угодно малым, ведь со временем оно увеличится до необходимых размеров.

Еще не все трудности новой теории преодолены. Не удается, например, подсчитать величину индукционного тока в земном ядре, Не выяснено пока, до какого предела должно усиливаться магнитное поле в ядре. Мало известны еще законы движения хорошо проводящего электрический ток металла в магнитном поле земного ядра.

Тем не менее идея внутриземного «турбогенератора» привлекла много последователей. Настойчиво эту теорию в последние годы разрабатывает и Эльзассер. Теория Френкеля особенно заманчива потому, что она пригодна для объяснения магнитных полей любых космических тел: Солнца, звезд, планет, туманностей и т. д. Быть может, внутри всех этих небесных тел также работают «космические турбогенераторы» с самовозбуждением.

Интерес к магнитным полям небесных тел чрезвычайно большой. Именно они управляют движением заряженных частиц, пересекающих огромные просторы Вселенной.

За пределами земной атмосферы, в магнитных полях далеких туманностей, приобретают колоссальные скорости ядра легких атомов — водорода, гелия, лития и др. Происхождение космических лучей связано именно с этими частицами.

Вот почему в контейнере ракеты, посланной на Луну в 1959 г., и на борту третьего спутника, запущенного в 1958 г., были установлены сверхчувствительные магнитометры. Они могли измерять магнитные поля на громадных расстояниях от Земли. Магнитометры работали в полете и передавали сведения при помощи телеметрической аппаратуры. Так, например, было обнаружено, что Луна не намагничена. Ученым еще не удалось полностью разгадать истинную причину магнетизма Земли и других небесных тел. Но можно с уверенностью сказать, что сейчас наука близко подошла к решению этой трудной задачи.



biofile.ru

Как работает магнитное поле Земли

У Йорика всегда возникал вопрос, как работает компас? И сегодня мы поговорим о такой вещи, как МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. И так как, к сожалению, редактор ограничен во времени, а дать что-то интересное хочется, мы расскажем вам о “земном магнетизме” с помощью нескольких различных источников. 

Итак:

Магнитное поле Земли долгое время оставалось загадкой, ведь каменных магнитов не бывает, правда? Но как только вы открываете, что внутри Земли имеется колоссальное количество железа, все вроде бы становится на свои места. Железо не образует «постоянный» магнит вроде прикрепленных к пластиковым поросяткам и медвежаткам, которых мы, сами не зная зачем, покупаем, чтобы прицепить на холодильник. Земные недра больше походят на динамо. Кстати, это так и называется – геомагнитное динамо. Как мы уже упоминали, железо в ядре Земли находится по большей части в расплавленном состоянии, за исключением твердого плотного «шарика» в самом центре. Жидкая часть до сих пор продолжает нагреваться. Прежде это явление объясняли тем, что радиоактивные элементы, будучи плотнее всего остального в химическом составе планеты, погрузились в самый центр, оказавшись запертыми там, а тепло дает излучаемая ими радиоактивная энергия. Современная же теория предлагает совершенно иное объяснение: жидкая часть ядра нагревается, поскольку твердая – остывает. Расплавленное железо на контакте с твердым ядром само понемногу застывает, при этом высвобождается тепло. Это тепло должно куда-то деться, оно не может просто исчезнуть, словно дуновение теплого воздуха, – вокруг тысячи миль сплошной горной породы. Тепло передается расплавленному слою ядра, нагревая его.

Возможно, вас удивит факт, что та часть, которая вступает в контакт с твердым ядром, может охлаждаться и затвердевать и, одновременно с этим, нагреваться в процессе этого затвердевания. Объяснение простое: горячее расплавленное железо поднимается вверх по мере разогрева. Вспомните воздушный шар. Когда вы нагреваете воздух, он поднимается. Это происходит потому, что при нагревании воздух расширяется, становится менее плотным, а менее плотные вещества всплывают над более плотными. Воздушный шар удерживает воздух в огромном шелковом мешке, часто ярко окрашенном и разрисованном эмблемами банков или агентств недвижимости, и поднимается вместе с воздухом. Горячее железо ничем не разрисовано, но поднимается точно так же, как горячий воздух, удаляясь от твердого ядра. Оно медленно всплывает, остывая, а потом, когда становится слишком холодным, точнее сравнительно холодным, начинает снова погружаться в глубину. В результате земное ядро находится в непрерывном движении, раскаляясь внутри и остывая снаружи. Оно не может подняться все разом, то есть одни области ядра всплывают, в то время как другие – заново погружаются. Такой вид циркулирующей теплопередачи называется конвекцией.

По мнению физиков, при соблюдении неких трех условий движущиеся жидкости могут создавать магнитное поле. Во?первых, жидкость должна проводить электрический ток, и железо прекрасно с этим справляется. Во?вторых, изначально должно присутствовать хотя бы небольшое магнитное поле, а есть веские основания полагать, что нашей Земле, тогда еще совсем юной, была присуща некая толика личного магнетизма. В?третьих, что-то должно вращать эту жидкость, искажая исходное магнитное поле, и у Земли такое вращение происходит за счет силы Кориолиса, похожей на центробежную силу, однако действующей более слабо и возникающей в результате вращения Земли вокруг своей оси. Грубо говоря, вращение искажает исходно слабое магнитное поле, закручивая его, как спагетти на вилку. Затем магнетизм поднимается наверх, пойманный всплывающими массами железного ядра. В результате всего этого коловращения магнитное поле становится намного сильнее.

Да, в каком-то смысле можно сказать, что Земля ведет себя так, словно внутри у нее имеется огромный магнит, но на самом деле все гораздо сложнее. Чтобы немного конкретизировать нарисованную картину, напомним, что существуют по меньшей мере семь других факторов, обусловливающих наличие у Земли магнитного поля. Так, некоторые составляющие земной коры могут быть постоянными магнитами. Подобно стрелке компаса, указывающей на север, они постепенно выстроились вдоль более сильного геомагнитного динамо, дополнительно усиливая его. В верхних слоях атмосферы имеется слой заряженного ионизированного газа. До того как были изобретены спутники, ионосфера играла важнейшую роль в обеспечении радиосвязи: радиоволны отражались от заряженного газа, а не уходили в космос. Ионосфера находится в движении, а движущееся электричество создает магнитное поле. На высоте примерно 15 000 миль (24 000 км) течет кольцевой ток – слой ионизированных частиц низкой плотности, образующий огромный тор. Это немного ослабляет силу магнитного поля Земли.

Следующие два фактора – это так называемые магнитопауза и магнитный хвост, возникшие под влиянием солнечного ветра на магнитосферу Земли. Солнечный ветер – это постоянный поток частиц, испускаемых гиперактивным Солнцем. Магнитопауза – это головная волна земного магнитного поля, идущая против солнечного ветра, а магнитный хвост – след этой волны с противоположной стороны планеты, где собственное магнитное поле Земли «утекает» наружу, к тому же разрушаясь под воздействием солнечного ветра. Кроме того, солнечный ветер вызывает своеобразную тягу вдоль орбиты Земли, создавая дополнительное искажение линий магнитного поля, известное как продольный ток в магнитосфере. И, наконец, существуют авроральные потоки. Северное сияние, или aurora borealis, – это восхитительные, таинственные полотнища бледного света, переливающиеся в северном полярном небе. Аналогичный спектакль, aurora australis, можно наблюдать неподалеку от Южного полюса. Полярные сияния создаются двумя полосами электрического тока, текущими от магнитопаузы в магнитный хвост. Это, в свою очередь, создает новые магнитные поля и два электрических потока – западный и восточный.

Значит, говорите, Земля – просто большой магнит? Ну да, а океан – это миска с водой.

Магнитные материалы, найденные в древних породах, свидетельствуют, что время от времени магнитное поле Земли меняет свою полярность, северный магнитный полюс становится южным и наоборот. Это происходит примерно один раз в полмиллиона лет, хотя строгую закономерность проследить так и не удалось. Никто точно не знает, почему это происходит, однако математические модели показывают, что магнитное поле Земли может быть ориентировано равновероятно и в том и в другом направлениях, причем ни одно из них не является устойчивым. Любое положение рано или поздно теряет устойчивость и передает эстафетную палочку противоположному. Переходы происходят быстро, в течение примерно 5 тысяч лет, тогда как периоды между ними в сто раз длиннее.

Магнитные поля имеются у большинства планет, и этот факт еще более сложнообъясним, чем земное поле. Нам с вами предстоит еще много узнать о планетарном магнетизме.

Альфред Вегенер

Одно из самых впечатляющих свойств нашей планеты было обнаружено в 1912 году, но не принималось во внимание до 60?х. Наиболее убедительным доказательством в ее пользу стала именно смена магнитных полюсов. Речь идет о том, что земные континенты не стоят на месте, но медленно дрейфуют по поверхности планеты. По мнению немецкого ученого Альфреда Вегенера, первым опубликовавшего свою теорию, нынешние отдельные континенты раньше являлись одним суперматериком, который он назвал Пангея (то есть «Вся земля»). Он существовал около 300 миллионов лет назад.

Наверняка Вегенер не первым додумался до этого. Его идея, по крайней мере отчасти, возникла под влиянием удивительного сходства очертаний берегов Африки и Южной Америки. На карте это особенно бросается в глаза. Естественно, Вегенер опирался и на другие данные. Он был не геологом, а метеорологом, специалистом по древнему климату, и его удивляло то, что в регионах с холодным климатом обнаруживаются горные породы, явно возникшие в регионах с теплым, и наоборот. Например, в Сахаре до сих пор можно отыскать остатки древних ледников, возраст которых 420 миллионов лет, а в Антарктиде – окаменевшие папоротники. В те времена любой бы ему сказал, что просто поменялся климат. Однако Вегенер был убежден, что климат остался практически тем же, за исключением ледникового периода, а изменились, то есть переместились, сами континенты. Он предполагал, что они разделились в результате конвекции в земной мантии, но не был в этом уверен.

Эту идею посчитали безумной, тем более что предложена она была не геологом, и к тому же Вегенер игнорировал все факты, не влезающие в его теорию. И то, что сходство между Африкой и Южной Америкой не столь уж идеальное, и то, что дрейф материков невозможно было объяснить. Конвекция тут явно ни при чем, так как она слишком слаба. Великий А’Туин (Йорик подозревает, что А’Туин – девочка), может, и несет на своей спине целый мир, но он – всего лишь выдумка, а в реальном мире, похоже, такие силы просто немыслимы.

Слово «немыслимы» мы употребили не случайно. Множество блестящих и уважаемых ученых частенько повторяют одну и ту же ошибку. Они путают выражение «Я не понимаю, как это может быть» с «Это совершенно невозможно». Одним из таких, как это ни стыдно признавать одному из нас двоих, был математик, причем великолепный, но когда его расчеты показали, что земная мантия не может перемещать континенты, ему даже не пришло в голову, что теории, на которых строились расчеты, были ошибочны. Звали его сэр Гарольд Джеффрис, и его проблема была в том, что ему явно не хватало полета фантазии, потому что не только очертания материков по обе стороны Атлантики совпадали. С точки зрения геологии и палеонтологии тоже все сходилось. Возьмем, к примеру, окаменевшие останки бестии по имени мезозавр, жившей 270 миллионов лет назад одновременно в Южной Америке и Африке. Вряд ли мезозавр переплыл Атлантический океан, скорее он просто жил на Пангее, успев расселиться по обоим континентам, когда они еще не были разделены.

Однако в 60?х годах ХХ века идею Вегенера признали, и его теория «дрейфа материков» утвердилась в науке. На встрече ведущих геологов некий молодой человек по имени Эдвард Баллард, весьма напоминающий Думминга Тупса, и двое его коллег продемонстрировали возможности нового тогда устройства, называемого компьютером. Они поручили машине отыскать наилучшее соответствие не только между Африкой и Южной Америкой, но и Северной Америкой, а также Европой, учитывая возможные, но небольшие изменения. Вместо того чтобы взять нынешние очертания береговой линии, что с самого начала было не слишком блестящей идеей, позволяя противникам теории дрейфа утверждать, что материки не совпадают, молодые ученые использовали контур, соответствующий глубине 3200 футов (1000 м) ниже уровня моря, поскольку, по их мнению, он меньше подвергся эрозии. Контуры подошли хорошо, а геология так просто великолепно. И хотя люди на конференции все равно не пришли к единому мнению, теория континентального дрейфа получила наконец определенное признание.

Сегодня у нас имеется куда больше доказательств и четкое представление о механизме дрейфа. В центральной части Атлантического океана, на полпути между Южной Америкой и Африкой, с юга на север протянулся один из срединных океанических хребтов (такие, кстати, есть и во всех других океанах). Вулканические материалы поднимаются из недр вдоль всего хребта, а затем растекаются по его склонам. И так происходит уже в течение 200 миллионов лет. Можно даже отправить подводную лодку и просто понаблюдать за процессом. Конечно, всей человеческой жизни не хватит, чтобы это заметить, однако Америка удаляется от Африки со скоростью 3/4 дюйма (2 см) в год. Примерно с такой же скоростью растут наши ногти, тем не менее современная аппаратура способна регистрировать эти изменения.

Наиболее яркое доказательство континентального дрейфа получено благодаря магнитному полю Земли: горные породы по обе стороны хребтов имеют любопытный узор из магнитных полос, меняющих полярность с севера на юг и обратно, причем узор на обоих склонах симметричен. Это означает, что полоски застыли в магнитном поле по мере остывания. Когда время от времени земное динамо меняло свою полярность, горные породы хребта намагничивались в его поле. Затем, после разъединения намагниченных пород, одинаковые узоры оказались по разные стороны хребта.

Поверхность Земли – это не твердая сфера. И континенты, и океанское ложе плавают на огромных, особенно твердых плитах, которые могут разъехаться в стороны, когда между ними просачивается магма. (Причем чаще всего это происходит из-за конвекции в мантии. Просто Джеффрис не знал о движении мантии всего того, что знаем мы.) Существует около десятка плит, шириной от шестисот (1000 км) до шести тысяч (10 000 км) миль, и они все время поворачиваются. Там, где их границы соприкасаются, трутся и скользят, постоянно происходят землетрясения и извержения вулканов. Особенно в Тихоокеанском огненном поясе, протянувшемся по всему периметру Тихого океана и включающему в себя западное побережье Чили, Центральную Америку, США и дальше Японские острова и Новую Зеландию. Все они находятся на краю одной гигантской плиты. Там, где плиты сталкиваются, возникают горы: одна плита оказывается под другой и приподнимает ее, дробя и сминая ее край. Индия – это вовсе не часть Азиатского континента, она просто врезалась в него, сотворив высочайшие в мире горы – Гималаи. Она так разогналась, что до сих пор продолжает свое движение, и Гималаи растут.

(с) Наука Плоского мира, Терри Пратчетт, Джек Коэн, Айан Стюарт (Вообще, почитайте эту книжку, лучшего пособия в развлекательной форме не найти (но перед этим ознакомьтесь в принципе с серией “Плоского мира” Пратчетта в библиографическом НЕ КАК ПОПАЛЬНОМ порядке)).

Видео Магнитного поля от Роскосмоса:

 

Как работает компас

Кто не видел компас? Небольшая такая вещица, похожая на часы с одной стрелкой. Крутишь ее, вертишь, а стрелка упрямо разворачивается в одну сторону. Стрелка компаса представляет собой магнит, свободно вращающийся на игле. Принцип действия магнитного компаса основан на притяжении-отталкивании двух магнитов. Противоположные полюса магнитов притягиваются, одноименные – отталкиваются. Наша планета также является таким магнитом. Сила его невелика, ее недостаточно, что бы проявиться на тяжелом магните. Однако легкая стрелка компаса, уравновешенная на игле поворачивается и под влиянием небольшого магнитного поля.

спортивный компас

Что бы стрелка компаса не болталась, а четко показывала направление вне зависимости от тряски, она должна быть достаточно сильно намагничена. В спортивных компасах колбу со стрелкой заливают жидкостью. Неагрессивной для пластмассовых и металлических частей, не замерзающей при зимних температурах. Пузырек воздуха, оставленный в колбе, несет в себе функции указателя уровня, для ориентации компаса в горизонтальной плоскости.

Первенство в изучении магнитного поля Земли принадлежит английскому ученому Уильяму Гильберту. В своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», изданной в 1600 году он представил Землю в виде гигантского постоянного магнита, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Угол между осью вращения и магнитной осью называют магнитным склонением.

В результате такого несовпадения, говорить, что стрелка компаса всегда указывает на север, не совсем верно. Она указывает на точку, находящуюся на расстоянии в 2100 км от северного полюса, на острове Соммерсет (его координаты 75°,6 с. ш., 101° з. д. – данные на 1965 г.) Магнитные полюса Земли медленно дрейфуют. Кроме такой ошибки в направлении стрелки (будем называть ее систематической), нельзя также забывать о других причинах неправильной работы компаса:

  • Металлические предметы или магниты, находящиеся вблизи компаса отклоняют его стрелку
  • Электронные приборы, являющиеся источниками электромагнитных полей
  • Залежи полезных ископаемых – металлических руд
  • Магнитные бури, происходящие в годы сильной активности солнца, искажают магнитное поле Земли.

А теперь, попробуйте ответить на вопросы для сообразительных:

  • Как вы думаете, куда будет указывать стрелка компаса, если Вы находитесь между северным географическим полюсом и северным магнитным полюсом?
  • Куда показывает стрелка, когда компас находится в районе магнитного полюса?
  • Если, руководствуясь компасом очень долго идти все время строго на северо-восток, то куда придешь?

А пока Вы размышляете, приведу несколько интересных фактов о магнитном поле Земли.

Оказывается, оно ослабевает примерно на 0,5% каждые 10 лет. По различным подсчетам, оно исчезнет через 1-2 тысячи лет. Предполагается, что в этот момент будет происходить переполюсовка магнита – Земли. После чего поле снова начнет нарастать, но северный и южный магнитный полюса поменяются местами. Считается, что такое с нашей планетой происходило уже огромное количество раз.

Оказывается, что перелетные птицы также ориентируются “по компасу”, точнее, магнитное поле Земли служит им ориентиром. 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.

Простейший компас можно изготовить самостоятельно. Для этого надо оставить рядом с магнитом швейную иглу на несколько дней. После этого игла намагнитится. Смочив ее жиром или маслом, аккуратно опустите иглу на поверхность налитой в чашку воды. Жир не даст ей утонуть, и игла развернется с севера на юг (ну или наоборот :).

Впечатлились? Вот теперь, можете проверить свои ответы на вопросы:

  • Как вы думаете, куда будет указывать стрелка компаса, если Вы находитесь между северным географическим полюсом и северным магнитным полюсом?
    – Северный конец стрелки будет показывать.. на юг, а южный – на север!
  • Куда показывает стрелка, когда компас находится в районе магнитного полюса?
    – оказывается, стрелка, подвешенная на нити в районе магнитного полюса стремится развернуться… вниз, вдоль магнитных линий Земли!
  • Если, руководствуясь компасом очень долго идти все время строго на северо-восток, то куда придешь?
    – придешь на северный магнитный полюс! Попробуйте проследить свой путь на глобусе, очень интересный маршрут получается.

а так мог выглядеть морской компас на корабле Колумба

Надеемся, вам понравился этот материал. Если да, то будем делать больше таких разных!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Просмотры: 327

yorick.kz

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *