Геофизические явления связанные с земным магнетизмом реферат
Обновлено: 09.05.2024
1. Магнетизм. Первое упоминание о явлении магнетизма.
2. Магнитное поле: графическое изображение, основные характеристики магнитного поля.
3. Ферромагнетизм, диамагнетизм, парамагнетизм.
4. Магниты: основные характеристики магнитов, виды магнитов.
5. Современные магнитные материалы и их свойства, защитные покрытия магнитов.
6. Способынамагничивания магнитов.
7. Применение магнитов. Эффект Холла, датчик Холла. Геркон.
Магнетизм – это физическое явление, при котором материалы оказывают притягивающую или отталкивающую силу на другие материалы на расстоянии. Некоторыми хорошо известными материалами, демонстрирующими магнитные свойства, являются железо, некоторые виды стали и природный минерал магнетит (магнитный железняк). В действительности, все материалы в большей или меньшей степени подвержены воздействию магнитного поля, хотя в большинстве случаев это воздействие слишком мало, чтобы быть обнаружено без специального оборудования
«Также бывает, что попеременно порода железа
Может от камня отскакивать или к нему привлекаться.
Также и то наблюдал я, как прыгают в медном сосуде
Самофракийские кольца железные или опилки
«Связь такова здесь, как будто крючки, зацепившись за петли.
Держатся между собой в сочетанье известном, какое
Одно из первых практических использований магнетизма – компас. Наши предки заметили: продолговатый кусочек магнитного железа, подвешенный на нитке или прикрепленный к пробке, плавающей в воде, всегда располагается так, что один его конец показывает на север, а другой – на юг. Компас был изобретен в Китае примерно за тысячу лет до нового летосчисления; в Европе он известен с XII века. Без этого простейшего навигационного прибора были бы невозможны Великие географические открытия XV. XVII веков.
Магнитное поле и его графическое изображение.
Основные свойства магнитного поля:
1. магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).
2. магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды).
Согласно гипотезе Ампера в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах эти элементарные кольцевые токи ориентированы одинаково. Поэтому магнитные поля, образующиеся вокруг каждого такого тока, имеют одинаковые направления. Эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита.
Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями (их называют также линиями магнитного поля). Напомним, что магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле. Магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная) проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
Магнитные линии являются замкнутыми. Например, картина магнитных линий прямого проводника с током представляет собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.
За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее. Таким образом, по картине магнитных линий можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля (т. е. о том, в каких точках пространства поле действует на магнитную стрелку с большей силой, а в каких – с меньшей).
Основные характеристики магнитного поля.
Магнитная индукция - интенсивность магнитного поля, т. е.способность его производить работу. Чем сильнее магнитное поле, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м 2 .
Магнитный поток Ф , проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность. Следовательно, в однородном магнитном поле:
где S — площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна:
Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость μа (1 Гн/м = 1 Ом*с/м). Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, за исключением ферромагнитных материалов, имеет примерно то же значение, – что и магнитная проницаемость вакуума. Абсолютную магнитную проницаемость вакуума называют магнитной постоянной , μо = 4π * 10 -7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости неферромагнитных веществ.
Относительная магнитная проницаемость :
μ r = μ a / μо .
Напряженность магнитного поля H (э) не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны отношением:
Следовательно, в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности.
Ферромагнетизм . Когда ферромагнитный материал помещается около магнита, он начинает притягиваться по направлению к области с наибольшим магнитным полем. Это то, с чем мы хорошо знакомы, наблюдая, как магнит собирает кнопки или скрепки. Железо, кобальт, никель, взвеси и сплавы из этих элементов представляют явление ферромагнетизма вследствие взаимодействия электронов с соседними электронами. Электроны выстраиваются, создавая магнитные домены, формирующие постоянный магнит. Если кусок железа поместить внутри сильного магнитного поля, магнитные домены вытянутся в направлении силовых линий поля и сожмутся в направлении, перпендикулярном магнитному полю.
Диамагнетизм. Когда диамагнитный материал помещается около магнита, он отталкивается от области наибольшего магнитного поля, в отличие от ферромагнитного материала. Так проявляют себя большинство материалов, но это сложно заметить. Люди и лягушки диамагнитны. Известен интересный эксперимент, в котором лягушка левитирует на конце очень сильного электромагнита. Некоторые металлы, например, висмут, медь, золото, серебро, свинец, также как неметаллы, например, графит, вода и большинство органических соединений, являются диамагнетиками.
Парамагнетизм. Когда парамагнитный материал помещается около магнита, он начинает притягиваться по направлению к области с наибольшим магнитным полем, подобно ферромагнитному материалу. Отличие только в том, что притяжение это слабое. Парамагнетизм представлен материалами, содержащими переходные элементы, редкоземельные или актинидные элементы. Жидкий кислород и алюминий являются примерами парамагнитных материалов.
Основные характеристики магнитов .
B(Тл) - магнитная индукция . Это результат измерения (в Гауссах или Тесла), который Вы получаете, когда используете гауссметр для измерений на поверхности магнита. Получаемый результат полностью зависит от расстояния от поверхности магнита, от формы магнита, точки измерения, толщины пробника (датчика) и магнитного покрытия. Сталь за магнитом значительно увеличивает величину B. Использование величины измеренной магнитной индукции – не самый хороший способ сравнивать силу различных магнитов, т. к. B сильно зависит от техники измерений, хотя для однотипных магнитов этот способ достаточно точен.
Br (Тл) - остаточная магнитная индукция . Определяет, насколько сильное магнитное поле (плотность потока) может производить магнит. Максимальный магнитный поток, который может создать магнит, измеряемый только в замкнутой магнитной системе. Именно та величина, которую рекламируют производители магнитного порошка и магнитов. Хороший способ сравнивать силу магнитов…, но имейте в виду, что магниты в замкнутой магнитной системе практически никогда не используются в промышленности, исключая случай тестовых измерений.
Hc (А/м) - коэрцитивная магнитная сила, коэрцитивное магнитное поле . Определяет величину внешнего магнитного поля, при котором магнит, первоначально намагниченный до состояния насыщения, становится ненамагниченным (размагничивается). Чем больше коэрцитивная сила, тем "прочнее" магнитный материал удерживает остаточную намагниченность. По смыслу данная величина характеризует сопротивляемость магнита размагничиванию, а по определению – это величина внешнего магнитного поля, требуемого для полного размагничивания магнита, намагниченного до состояния насыщения
(BH)max (МГсЭ) - магнитная энергия, полная плотность энергии, максимальное энергетическое произведение . Определяет, насколько сильным является магнит. Чем больше данная величина, тем более мощным является магнит.
Tc of Br (% на ºС) - температурный коэффициент остаточной магнитной индукции . Определяет, насколько сильно магнитная индукция изменяется от температуры. Величина -0.20 означает, что если температура увеличится на 100 градусов Цельсия, магнитная индукция уменьшится на 20%.
Tmax (ºС) - максимальная рабочая температура . Определяет предел температуры, при которой магнит временно теряет часть своих магнитных свойств. При снижении температуры магнит полностью восстанавливает все магнитные свойства.
Tcur (ºС) - температура Кюри . Определяет предел температуры, при которой магнит полностью размагничивается. При снижении температуры магнит не восстанавливает магнитные свойства. Если магнит нагревается в пределах от Tmax до Tcur , при снижении температуры магнитные свойства восстанавливаются частично.
Виды магнитов .
Постоянные магниты – наиболее привычный нам вид магнитов. Они постоянные в том смысле, что будучи однажды намагничены, эти магниты сохраняют некоторый уровень остаточной намагниченности. Как мы увидим в дальнейшем, разные виды постоянных магнитов имеют различные характеристики или свойства, относящиеся к тому, как легко они размагничиваются, насколько они сильные, как их сила меняется с температурой и т. д.
Материалы, используемые для производства постоянных магнитов.
Материал Br Hc ( BH) max Tc of Br Tmax Tcur
(Гс) (Э) (МГсЭ) (% на ºС) (ºС) (ºС)
Nd- Fe- B 12 800 12 300 40 -0.12 150 310
SmCo 10 500 9 200 26 -0.04 300 750
Альнико 12 500 640 5.5 -0.02 540 860
Керамические 3 900 3 200 3.5 -0.20 300 460
Временные магниты – это магниты, которые действуют как постоянные магниты только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. В качестве примера можно привести скрепки и гвозди, а также другие изделия из "мягкого" железа.
Электромагниты – это туго намотанные на каркас витки провода, обычно с железным сердечником, который действует как постоянный магнит только тогда, когда по проводу течет ток. Сила и полярность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, обусловлены изменением величины и направления электрического тока, текущего по проводу.
Магнитопласты – это постоянные магниты, состоящие из смеси магнитного порошка (около 95%) и полимерного связующего наполнителя (около 5% по массе). Приведенное процентное соотношение может меняться в небольших пределах для получения магнитов с заданными магнитными свойствами. В качестве магнитной основы чаще всего используют сплав Nd-Fe-B (возможно применение ферритов, но магнитные свойства получаемых изделий очень слабые), в качестве полимерного наполнителя – термопласты (например, полиэтилен) или эпоксидную смолу. Основные черты магнитопластов: высокая технологичность производства (высокая воспроизводимость и стабильность магнитных свойств); отсутствие хрупкости (как у спеченных магнитов), хорошие возможности обработки; достаточно высокие магнитные характеристики; более низкий вес (по сравнению со спеченными магнитами); возможность изготовления любых вообразимых форм. Магнитопласты изготавливаются с помощью технологии литья под давлением или прессованием. После принятия необходимой формы магнитопласты намагничиваются и покрываются антикоррозионными материалами.
Современные магнитные материалы и их свойства.
Ферриты (или керамика, керамические магниты, ceramic) – самые популярные постоянные м агниты, существующие в настоящее время. Они производятся из комбинации феррита бария или стронция и оксида железа и демонстрируют высокую коэрцитивную силу, что говорит о хорошей сопротивляемости к размагничиванию. Ферриты обладают наименьшей стоимостью, что обеспечивает им успех в тех магнитных приложениях, где не требуется выдающихся результатов по величине магнитного поля. Ферриты имеют очень хорошую коррозионную стойкость и устойчиво работают в диапазоне температур от -40 до +250 градусов Цельсия. Диапазон максимальной энергии – от 1,1 до 4,5 МГЭ.
Альнико (Alnico, AlNiCo, алюминий-никель-кобальт) демонстрируют высокое значение остаточной магнитной индукции, отлично работают при повышенных температурах, имеют достаточно высокое значение максимальной энергии, однако основным их недостатком является низкое значение коэрцитивной силы, что означает, что их относительно легко размагнитить. Они производятся из сплавов алюминия, никеля и кобальта с добавлением различных химических элементов и могут быть как литые, так и спеченные. Литые магниты альнико могут быть сделаны столь замысловатых форм, которые не могут быть осуществлены с другими материалами. Спеченные магниты альнико обычно ограничены небольшими размерами. Магниты альнико самые термостабильные среди всех видов магнитов и могут быть использованы без значительной потери свойств до 500-600 градусов Цельсия. Диапазон максимальной энергии – от 1,4 до 7,5 МГЭ.
Самарий-кобальт (Samarium, SmCo) - - как представители второго поколения редкоземельных магнитов, эти магниты не только имеют достаточно высокое значение максимальной энергии и подходящую величину коэрцитивной силы, но также демонстрируют лучшие температурные характеристики в семействе редкоземельных магнитных материалов. Магниты самарий-кобальт могут работать при температуре до 350 градусов Цельсия, имеют лучшую температурную стабильность и лучшую коррозионную стойкость по сравнению с остальными редкоземельными материалами. Диапазон максимальной энергии – от 18 до 32 МГЭ.
Неодим-железо-бор (Neodymium, Nd-Fe-B, NdFeB, неодимовые магниты) - третье поколение редкоземельных магнитов, имеют наиболее высокие значения остаточной магнитной индукции, коэрцитивной силы, максимальной энергии и соотношения производительность/цена. Их легко производить различных форм и размеров, поэтому магниты неодим-железо-бор широко используются в авиации, электронике, метрологии, медицинских инструментах и т. п. Они особенно подходят для разработки высокопроизводительных, компактных и легких устройств. Диапазон максимальной энергии – от 1 до 48 МГЭ.
В заключение нужно отметить, что представленные диаграммы характеризуют наиболее распространенные характеристики семейств магнитных материалов. Для конкретных магнитов различных производителей конкретные характеристики могут отличаться от приведенных.
Магниты и современные защитные покрытия .
Способы намагничивания магнитов .
Эффект Холла .
Явление, при котором измеряемое напряжение меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, названо эффектом Холла (по имени физика Эдвина Герберта Холла, открывшего этот эффект в 1879 году в тонких пластинках золота).
Можно использовать датчики на основе эффекта Холла для измерения величины неизвестных магнитных полей.
Датчики Холла выпускаются многими компаниями в мире, например, компанией Honeywell. В России наиболее просто можно приобрести датчик ДХК-0.5А. Датчик Холла ДХК-0.5А предназначен для измерения величины магнитной индукции на основе преобразования магнитной индукции в выходное напряжение. Датчик выполнен на основе планарной топологической структуры, сформированной на поверхности кремниевого кристалла.
Если через полупроводник в одном направлении пропускать постоянный ток I плотностью j, а в другом направлении воздействовать магнитным полем B, то в третьем направлении можно измерить напряжение V, меняющееся пропорционально силе магнитного поля: V = R · B · b · j, где R – постоянная Холла, b – расстояние между гранями, на которых возникает измеряемое напряжение.
Применение датчиков Холла.
Линейные датчики Холла : датчики тока; приводы переменной частоты вращения; схемы управления и защиты электродвигателей; датчики положения; датчики расхода; бесколлекторные двигатели постоянного тока; бесконтактные потенциометры; датчики угла поворота; детекторы ферромагнитных тел; датчики вибрации; тахометры.
Логические датчики Холла : датчики частоты вращения; устройства синхронизации; датчики систем зажигания автомобилей; датчики положения (обнаруживают перемещение менее 0,5 мм); счётчики импульсов (принтеры, электроприводы); датчики положения клапанов; блокировка дверей; бесколлекторные двигатели постоянного тока; измерители расхода; бесконтактные реле; детекторы приближения; считыватели магнитных карточек или ключей; датчики бумаги (в принтерах).
Геркон (герметичный контакт, reed switch, magnet switch) – это просто пара контактов в стеклянной колбе, которые замыкаются при приближении магнита.
Более точно, геркон состоит из пары гибких металлических контактов из магнитного материала, запаянных в стеклянную трубку, заполненную инертным газом. Контакты по длине перекрываются, но находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Контактирующие поверхности покрываются специальными сплавами для долговременной и стабильной работы.
При воздействии магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом или катушкой провода, контакты намагничиваются. Если сила магнитного притяжения больше силы упругости, контакты соединяются, и цепь замыкается. Когда магнитное поле исчезает, контакты опять размыкаются под действием силы упругости, и цепь размыкается.
Основные черты герконов:
компактность и малый вес: герконы можно монтировать на очень ограниченном пространстве, они идеальны для миниатюрного оборудования;
герметичность: переключающие контакты герметично запаяны в инертном газе, не создавая опасность для внешнего окружения;
долгое время эксплуатации: герконы не содержат сдвигающихся частей, тем самым избегая деградации свойств используемых материалов.
В реальности герконы бывают не только замыкающие, но и переключающие, низковольтные и высоковольтные, стандартные и миниатюрные.
По данным космических измерений на больших расстояниях магнитное поле Земли (магнитосфера) простирается за пределы планеты на несколько земных радиусов, причем на освещенной Солнцем стороне Земли оно значительно сжато.
На расстоянии 10 земных радиусов близ линии, соединяющей Солнце и Землю, регулярное магнитное поле Земли переходит в нерегулярное, или хаотическое, поле. Граница между регулярным и хаотическим полем называется магнитопаузой. Она, по-видимому, стабильна относительно потока солнечного ветра. Хаотическое поле представляет собой переходную область между магнитопаузой и невозмущенным межпланетным полем, расположенным на расстоянии около 14 земных радиусов (также близ линии Солнце — Земля). Напряженность магнитного поля Земли изменяется обратно пропорционально кубу расстояния.
С захватом магнитным полем Земли заряженных частиц (электронов и протонов) связано наличие двух радиационных поясов, обнаруженных с помощью счетчика Гейгера во время многочисленных зондирований, выполненных на космических кораблях и спутниках.
В связи с дипольным характером геомагнитного ноля радиационные пояса имеют вид рогов полумесяца (точнее, тороидальную форму вследствие дрейфа частиц по долготе, обусловленного неоднородностью магнитного поля). Внутренний радиационный пояс, по-видимому, стабилен во времени, внешний подвержен сильным изменениям, в частности во время магнитных бурь.
Нагляднее всего магнитное поле Земли проявляется своим действием на магнитную стрелку, которая в любой точке земной поверхности устанавливается в определенном направлении (на этом основано устройство компаса) при различных склонениях и наклонениях.
Склонение — угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана данного места. Склонение может быть восточным и западным, причем величина его меняется в разных районах. Линии, соединяющие на картах точки с одинаковым склонением, называются изогонами. Наклонение — угол наклона магнитной стрелки к горизонту. В северном полушарии вниз опущен северный конец стрелки, в южном — южный. Линии, соединяющие точки одинакового наклонения, называются изоклинами. Изоклина, на которой наклонение равно нулю, называется магнитным экватором. Магнитный экватор пересекает географический экватор на 169° в. д. и на 23° з. д. и отступает от него к югу в западном полушарии и к северу — в восточном. По направлению к северу и к югу наклонение увеличивается и достигает 90° в точках, называемых магнитными полюсами. В магнитных полюсах сходятся и все изогоны.
Магнитные полюса меняют свое положение из года в год. В их положении отмечаются также небольшие периодические суточные колебания. В 1970 г. положение Северного полюса определялось 78° 31' с. ш. и 70в01' з. д., а Южного — 78°31' ю. ш. и 109°59' в. д. Точно так же вековые, годичные и суточные колебания отмечаются и в магнитном склонении, причем вековые колебания достигают 30°. Кроме склонения и наклонения магнитное поле Земли характеризуется напряженностью, различной в разных участках и меняющейся во времени. Линии, соединяющие точки равной напряженности, называются изодинамами.
Напряженность магнитного поля увеличивается от магнитного экватора (0,4 э) (Эрстед (э) — единица измерения напряженности магнитного поля. Это — напряженность магнитного поля на расстоянии 2 см от бесконечно длинного прямолинейного проводника, по которому протекает ток силой в одну абсолютную электромагнитную единицу тока)к магнитным полюсам (0,7 э). Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H достигает наибольшей величины на магнитном экваторе (0,4 э) и убывает до нуля на магнитных полюсах. Вертикальная составляющая Z меняется от 0,7 э на магнитных полюсах до нуля на магнитном экваторе. Такое распределение элементов магнитного поля сближает его с полем однородно намагниченного шара, точнее, с полем магнитного диполя, расположенного в центре Земли, ось которого отклонена от оси вращения Земли на 11,5°.
Однако наблюдаемое магнитное поле Земли заметно отличается от дипольного наличием наложенных на него внешнего и недипольного полей. Внешнее поле связано с движением электрических зарядов в ионосфере и меняется в результате атмосферных приливов и солнечной деятельности (солнечных пятен). Среднеалгебраическая интенсивность его очень мала, хотя во время магнитных бурь может составлять несколько процентов от общего суммарного магнитного поля. Недипольная компонента определяется
при вычитании из наблюдаемого поля дипольной и внешней компонент. Недипольное поле состоит из неравномерно распределенных участков высокой и слабой интенсивности размером от 25 до 100°. Эти участки изменяются в размерах, и современные скорости их изменения показывают, что средний период жизни каждого из них достигает 100 лет. Недипольные элементы перемещаются по поверхности Земли к западу со скоростью 0,5° географической долготы в год.
Неустойчивое положение магнитных полюсов определяется влиянием неоднородного, быстро меняющегося недипольного поля: на магнитных полюсах недипольная горизонтальная составляющая полностью уничтожает горизонтальную составляющую дипольного поля. Точки на поверхности Земли, на которые направлен диполь, называются геомагнитными полюсами. Современные координаты северного геомагнитного полюса — 78,5° с. ш. и 69° з. д. Его положение не изменилось за период, для которого имеются измерения, тогда как положение магнитного полюса менялось относительно быстро, соответственно с изменениями недипольной составляющей.
Отклонения наблюдаемого распределения элементов земного магнетизма от среднего для данной местности называются магнитными аномалиями. По размерам аномалии делятся на региональные и местные. Региональные аномалии распространяются на огромные регионы, и действительные причины их возникновения не выяснены. Местные аномалии распространяются на области от нескольких квадратных метров до нескольких десятков тысяч квадратных километров и вызываются обычно залежами магнитных пород и руд. Крупнейшая в мире местная магнитная аномалия охватывает Курскую область и прилегающие районы.
Схема Курской магнитной аномалии (заштрихованы прощади проявления магнитной аномалии)
На Курской аномалии известно несколько местных магнитных полюсов — участков, в которых магнитное наклонение равно 90°, и склонение равно нулю (стрелка компаса останавливается на любом азимуте). Значения магнитного склонения меняются от 0 до 180°, а наклонения — от 40 до 90°. Курская аномалия вызвана наличием .на некоторой глубине залежей железистых кварцитов.
Таким образом, магнитные аномалии определяются различными магнитными свойствами горных пород, в различной степени намагничивающихся в магнитном поле Земли, и, следовательно, ориентировка их намагниченности должна быть параллельна этому полю. Оказалось, однако, что горные породы часто обладают остаточной намагниченностью, которая далеко не всегда параллельна современному магнитному полю Земли и бывает сильнее современной индуцированной намагниченности.
В слабом магнитном поле Земли (0,5 э) остаточная намагниченность появляется при температуре Кюри в процессе застывания магмы и охлаждения раскаленных горных пород. Такая намагниченность называется термоостаточной. Она ориентирована параллельно силовым линиям магнитного поля Земли, существовавшего во время застывания намагниченной горной породы. Главная часть естественной остаточной намагниченности изверженных горных пород является термоостаточной намагниченностью.
При выпадении осадков ранее намагниченные ферромагнитные частицы поворачиваются в направлении магнитного поля Земли и сохраняют эту ориентировку после уплотнения осадка и превращения его в осадочную породу; т. е. и в осадочных породах остаточная намагниченность параллельна магнитному полю Земли, существовавшему во время их образования. Таким образом, направление остаточной намагниченности горных пород соответствует направлению магнитного поля Земли в момент их образования, и, зная возраст намагниченных пород, можно восстановить положение магнитного меридиана и полюсов для этого времени.
Происхождение магнитного поля. Гипотезы, связывающие магнитное поле Земли с ее остаточной намагниченностью, встречают серьезные возражения:
1) геологические процессы в земной коре и верхней мантии протекают медленно и с ними трудно увязать большую скорость изменения недиполыюго поля и его перемещения в западном направлении со скоростями до 20 км/год;
2) для обеспечения современной интенсивности магнитного поля Земли недостаточно ферромагнитного материала, температура которого ниже точки Кюри (температура земных недр на глубине более 25 км в подавляющем большинстве случаев, вероятно, выше 750° С, и, следовательно, только внешняя оболочка планеты может обладать остаточной намагниченностью).
Поэтому в настоящее время широким признанием пользуется теория происхождения земного магнетизма, предложенная Эльзассером — Френкелем (1956 г.), согласно которой жидкое ядро во вращающейся Земле действует как самовозбуждающаяся динамо-машина. Быстрое изменение недипольного поля объясняется как результат вихревых движений жидкости у границы ядра и мантии, а перемещение его в западном направлении связывают с меньшей угловой скоростью внешней зоны ядра по сравнению с мантией. Динамометрия была успешно применена для объяснения свойств магнитных полей Солнца и некоторых звезд, была предсказана также корреляция между магнитным полем Солнца и осью его вращения. В после нее время она нашла подтверждение в отсутствии магнитного поля у медленно вращающихся планет — Венеры и Луны.
Изучение магнитных аномалий имеет большое практическое значение. Магнитометрические методы в настоящее время широко применяются в практике поисков и разведки магнитных железных руд, бокситов, полиметаллических сульфидных руд, если в них присутствуют ферромагнитные минералы, и других полезных ископаемых. Магнитометрические методы с успехом применяются также при геологической съемке для выяснения некоторых структур, подземного рельефа и др. Это наиболее дешевый и быстрый из всех геофизических методов разведки и поисков.
Земной магнетизм, геомагнетизм, магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий распределение в пространстве и изменения во времени геомагнитного поля, а также связанные с ним геофизические процессы в Земле и верхней атмосфере.
Земной магнетизм обусловлен действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь медленные вековые изменения (вариации), и внешних (переменных) источников, расположенных в магнитосфере Земли и ионосфере. Соответственно различают основное (главное, ~99%) и переменное (~1%) геомагнитные поля.
Основное (постоянное) геомагнитное поле.
Рис.1 Земной магнетизм.
Рис.2 Напряжённость геомагнитного поля (карта).
Оно испытывает вековые вариации, неодинаковые на всём земном шаре. В местах наиболее интенсивного векового хода вариации достигают 150 γ в год (1 γ = 10 -5 э). Наблюдается также систематический дрейф магнитных аномалий к западу со скоростью около 0,2°в год и изменение величины и направления магнитного момента Земли со скоростью ~20 γ в год. Из-за вековых вариаций и недостаточной изученности геомагнитного поля на больших пространствах (океанах и полярных областях) возникает необходимость заново составлять магнитные карты. С этой целью проводятся мировые магнитные съёмки на суше, в океанах (на немагнитных судах), в воздушном пространстве (аэромагнитная съёмка) и в космическом пространстве (при помощи искусственных спутников Земли). Для измерений применяют: компас магнитный, теодолит магнитный, магнитные весы, инклинатор, магнитометр, аэромагнитометр и другие приборы. Изучение земного магнетизма и составление карт всех его элементов играет важную роль для морской и воздушной навигации, в геодезии, маркшейдерском деле.
Изучение геомагнитного поля прошлых эпох производится по остаточной намагниченности горных пород (см. Палеомагнетизм), а для исторического периода — по намагниченности изделий из обожжённой глины (кирпичи, керамическая посуда и т.д.). Палеомагнитные исследования показывают, что направление основного магнитного поля Земли в прошлом многократно изменялось на противоположное. Последнее такое изменение имело место около 0,7 млн. лет назад.
Происхождение основного геомагнитного поля.
Рис.3 Магнитные поля в гидромагнитном динамо Земли (схема).
Для объяснения происхождения основного геомагнитного поля выдвигалось много различных гипотез, в том числе даже гипотезы о существовании фундаментального закона природы, согласно которому всякое вращающееся тело обладает магнитным моментом. Делались попытки объяснить основное геомагнитное поле присутствием ферромагнитных материалов в коре Земли или в её ядре; движением электрических зарядов, которые, участвуя в суточном вращении Земли, создают электрический ток; наличием в ядре Земли токов, вызываемых термоэлектродвижущей силой на границе ядра и мантии и так далее, и, наконец, действием так называемого гидромагнитного динамо в жидком металлическом ядре Земли. Современные данные о вековых вариациях и многократных изменениях полярности геомагнитного поля удовлетворительно объясняются только гипотезой о гидромагнитном динамо (ГД). Согласно этой гипотезе, в электропроводящем жидком ядре Земли могут происходить достаточно сложные и интенсивные движения, приводящие к самовозбуждению магнитного поля, аналогично тому, как происходит генерация тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. Действие ГД основано на электромагнитной индукции в движущейся среде, которая в своём движении пересекает силовые линии магнитного поля.
Первые могут быть связаны либо с выделением тепла в ядре и тепловым расширением жидкости (термическая конвекция), либо с неоднородностью состава ядра вследствие выделения примесей на его границах. Вторые могут вызываться ускорением, обусловленным прецессией земной оси. Близость геомагнитного поля к полю диполя с осью, почти параллельной оси вращения Земли, указывает на тесную связь между вращением Земли и происхождением земного магнетизма. Вращение создаёт Кориолиса силу, которая может играть существенную роль в механизме ГД Земли. Зависимость величины геомагнитного поля от интенсивности движения вещества в земном ядре сложна и изучена ещё недостаточно. Согласно палеомагнитным исследованиям, величина геомагнитного поля испытывает колебания, но в среднем, по порядку величины, она сохраняется неизменной в течение длительного времени — порядка сотен млн. лет.
Функционирование ГД Земли связано со многими процессами в ядре и в мантии Земли, поэтому изучение основного геомагнитного поля и земного ГД является существенной частью всего комплекса геофизических исследований внутреннего строения и развития Земли.
Переменное геомагнитное поле.
Измерения, выполненные на спутниках и ракетах, показали, что взаимодействие плазмы солнечного ветра с геомагнитным полем ведёт к нарушению дипольной структуры поля с расстояния ~3Rз от центра Земли. Солнечный ветер локализует геомагнитное поле в ограниченном объёме околоземного пространства — магнитосфере Земли, при этом на границе магнитосферы динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Солнечный ветер сжимает земное магнитное поле с дневной стороны и уносит геомагнитные силовые линии полярных областей на ночную сторону, образуя вблизи плоскости эклиптики магнитный хвост Земли протяжённостью не менее 5 млн. км (см. рис. 4 в статьях Земля и Магнитосфера Земли). Приблизительно дипольная область поля с замкнутыми силовыми линиями (внутренняя магнитосфера) является магнитной ловушкой заряженных частиц околоземной плазмы (см. Радиационные пояса Земли).
Обтекание магнитосферы плазмой солнечного ветра с переменной плотностью и скоростью заряженных частиц, а также прорыв частиц в магнитосферу приводят к изменению интенсивности систем электрических токов в магнитосфере и ионосфере Земли. Токовые системы в свою очередь вызывают в околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания геомагнитного поля в широком диапазоне частот (от 10 -5 до 10 2 гц) и амплитуд (от 10 -3 до 10 -7 э). Фотографическая регистрация непрерывных изменений геомагнитного поля осуществляется в магнитных обсерваториях при помощи магнитографов. В спокойное время в низких и средних широтах наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-суточные вариации магнитные с амплитудами 30—70 γ и 1—5 γ соответственно. Другие наблюдаемые неправильные колебания поля различной формы и амплитуды называют магнитными возмущениями, среди которых выделяют несколько типов магнитных вариаций.
Рис.4 Магнитосфера Земли.
Рис.5 Магнитограмма малой магнитной бури.
Магнитные возмущения, охватывающие всю Землю и продолжающиеся от одного (рис. 5) до нескольких дней, называются мировыми магнитными бурями, во время которых амплитуда отдельных составляющих может превзойти 1000 γ . Магнитная буря — одно из проявлений сильных возмущений магнитосферы, возникающих при изменении параметров солнечного ветра, особенно скорости его частиц и нормальной составляющей межпланетного магнитного поля относительно плоскости эклиптики. Сильные возмущения магнитосферы сопровождаются появлением в верхней атмосфере Земли полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотного излучений.
Практические применения явлений земного магнетизма.
Под действием геомагнитного поля магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Это явление с древнейших времён используется для ориентирования на местности, прокладывания курса судов в открытом море, в геодезической и маркшейдерской практике, в военном деле и так далее (см. Компас, Буссоль).
Исследование локальных магнитных аномалий позволяет обнаружить полезные ископаемые, в первую очередь железную руду (см. Магнитная разведка), а в комплексе с другими геофизическими методами разведки — определить место их залегания и запасы. Широкое распространение получил магнитотеллурический способ зондирования недр Земли, в котором по полю магнитной бури вычисляют электропроводность внутренних слоев Земли и оценивают затем существующие там давление и температуру.
Постоянство геомагнитного поля до высот в несколько радиусов Земли используется для ориентации и маневра космических аппаратов.
Геомагнитное поле воздействует на живые организмы, растительный мир и человека. Например, в периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией, и так далее. Изучение характера электромагнитного воздействия на живые организмы представляет собой одно из новых и перспективных направлений биологии.
Магнитное взаимодействие объектов – одно из фундаментальных процессов, которые руководят всем во Вселенной. Видимые его проявления – это магнитные явления. Среди них можно назвать северное сияние, притяжение магнитов, магнитные бури и т. д. Как они возникают? Чем характеризуются?
Магнетизм
Магнитные явления и свойства в совокупности называют магнетизмом. Об их существовании было известно очень давно. Предполагается, что уже четыре тысячи лет назад китайцы использовали эти знания для создания компаса и навигации в морских походах. Проводить опыты и серьезно изучать физическое магнитное явление начали только в XIX веке. Одним из первых исследователей в этой области считается Ханс Эрстед.
Магнитные явления могут происходить как в Космосе, так и на Земле, и проявляются только в пределах магнитных полей. Такие поля возникают от электрических зарядов. Когда заряды неподвижны, вокруг них образуется электрическое поле. Когда они движутся - магнитное поле.
То есть явление магнитного поля возникает с появлением электрического тока или переменного электрического поля. Это область пространства, внутри которой действует сила, влияющая на магниты и магнитные проводники. Она имеет свое направление и уменьшается по мере отдаления от своего источника – проводника.
Магниты
Тело, вокруг которого образуется магнитное поле, называется магнитом. Самым маленьким из них является электрон. Притяжение магнитов – самое известное физическое магнитное явление: если приложить два магнита друг к другу, то они либо притянуться, либо оттолкнуться. Все дело в их положении относительно друг друга. Каждый магнит имеет два полюса: северный и южный.
Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные, наоборот, притягиваются. Если разрезать его надвое, то северный и южный полюса не разделятся. В результате, мы получим два магнита, на каждом из которых также будет по два полюса.
Существует ряд материалов, которые обладают магнитными свойствами. К ним относятся железо, кобальт, никель, сталь и т.д. Среди них есть и жидкости, сплавы, химические соединения. Если магнетики подержать возле магнита, то они и сами им станут.
Такие вещества, как чистое железо, легко приобретают подобное свойство, но и быстро с ним прощаются. Другие (например, сталь) намагничиваются дольше, но удерживают эффект длительное время.
Намагничивание
Выше мы установили, что магнитное поле возникает при движении заряженных частиц. Но о каком движении может идти речь, например, в куске железа, висящем на холодильнике? Все вещества состоят из атомов, в которых и находятся движущиеся частицы.
Каждый атом обладает своим магнитным полем. Но, в одних материалах эти поля направлены хаотично в различные стороны. Из-за этого, вокруг них не создается одного большого поля. Такие вещества не способны намагничиваться.
В других материалах (железе, кобальте, никеле, стали) атомы способны выстраиваться так, что все они будут направлены одинаково. В результате, вокруг них формируется общее магнитное поле и тело намагнитится.
Получается, намагничивание тела - это упорядочивание полей его атомов. Чтобы нарушить этот порядок достаточно сильно ударить по нему, например, молотком. Поля атомов начнут хаотичное движение и утратят магнитные свойства. Тоже произойдет, если материал нагреть.
Магнитная индукция
Магнитные явления связаны с движущимися зарядами. Так, вокруг проводника с электрическим током непременно возникает магнитное поле. Но может ли быть наоборот? Этим вопросом однажды задался английский физик Майкл Фарадей и открыл явление магнитной индукции.
Он заключил, что постоянное поле не может вызвать электрический ток, а переменное – может. Ток возникает в замкнутом контуре магнитного поля и называется индукционным. Электродвижущая сила при этом будет изменяться пропорционально изменению скорости поля, которое пронизывает контур.
Открытие Фарадея было настоящим прорывом и принесло немалую пользу производителям электротехники. Благодаря ему, стало возможным получать ток из механической энергии. Закон, выведенный ученым, применялся и применяется в устройстве электродвигателей, различных генераторов, трансформаторов и т.д.
Магнитное поле Земли
У Юпитера, Нептуна, Сатурна и Урана есть магнитное поле. Наша планета – не исключение. В обычной жизни мы практически не замечаем его. Оно не осязаемо, не имеет вкуса или запаха. Зато именно с ним связаны магнитные явления в природе. Такие, как полярное сияние, магнитные бури или магниторецепция у животных.
По сути, Земля является огромным, но не очень сильным магнитом, который имеет два полюса, не совпадающие с географическими. Магнитные линии выходят из Южного полюса планеты и входят в Северный. Это означает, что на самом деле Южный полюс Земли является северным полюсом магнита (поэтому на Западе синим цветом обозначается южный полюс – S, а красным обозначают северный полюс – N).
Магнитное поле распространяется на сотни километров от поверхности планеты. Оно служит невидимым куполом, который отражает мощное галактическое и солнечное излучение. Во время столкновения частиц радиации с оболочкой Земли и образуются многие магнитные явления. Давайте рассмотрим самые известные из них.
Магнитные бури
На нашу планету сильное влияние оказывает Солнце. Оно не только дает нам тепло и свет, но и провоцирует такие неприятные магнитные явления, как бури. Их появление связано с повышением солнечной активностью и процессами, которые происходят внутри этой звезды.
Земля постоянно испытывает влияние потока ионизированных частиц с Солнца. Они движутся со скоростью 300-1200 км/с и характеризуются как солнечный ветер. Но время от времени на звезде происходят внезапные выбросы огромного количества этих частиц. Они действуют на земную оболочку как толчки и заставляют магнитное поле колебаться.
Длятся такие бури обычно до трех суток. В это время некоторые жители нашей планеты испытывают недомогание. Колебания оболочки отражаются на нас головными болями, повышением давления и слабостью. За всю жизнь человек переживает в среднем 2000 бурь.
Северное сияние
Есть и более приятные магнитные явления в природе – северное сияние или же аврора. Оно проявляется в виде свечения неба с быстро меняющимися цветами, и происходит преимущественно в высоких широтах (67—70°). При сильной активности Солнца сияние наблюдается и ниже.
Примерно в 64 километрах над полюсами заряженные солнечные частицы встречаются с дальними границами магнитного поля. Здесь некоторые из них направляются к магнитным полюсам Земли, где взаимодействуют с газами атмосферы, отчего и появляется сияние.
Спектр свечения зависит от состава воздуха и его разреженности. Красное свечение происходит на высоте от 150 до 400 километров. Синие и зеленые оттенки связаны с большим содержанием кислорода и азота. Они происходят на высоте 100 километров.
Магниторецепция
Основная наука, изучающая магнитные явления, – физика. Однако некоторые из них может затрагивать и биология. Например, магниточувствительность живых организмов – способность распознавать магнитное поле Земли.
Этим уникальным даром обладают многие животные, в особенности мигрирующие виды. Способности к магниторецепции обнаружена у летучих мышей, голубей, черепах, кошек, оленей, у некоторых бактерий и т. д. Она помогает животным ориентироваться в пространстве и находить свое жилье, удаляясь от него на десятки километров.
Если человек для ориентации использует компас, то животные пользуются вполне природными инструментами. Точно определить, как и почему работает магниторецепция, ученые пока не могут. Но известно, что голуби способны находить свой дом даже, если их увезти от него на сотни километров, закрыв при этом птицу в абсолютно темном ящике. Черепахи находят место своего рождения даже спустя годы.
Читайте также: