Магнітне поле землі реферат

Обновлено: 02.07.2024

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;

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 IЗ.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. 1029эрг/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 IЗ.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 МЗ, 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.

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.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

2. Актуальность моей работы обусловлена необходимостью выявить и изучить явления, происходящие в природе, основанные на электромагнитных явлениях.

Цель работы: изучить строение, характеристики, природу и динамику магнитного поля Земли.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Обзор и а нализ свойств и характеристик магнитного поля.

2. Исследование структуры магнитного поля Земли.

3. Анализ различных методов исследования геомагнитного поля.

4. Систематизация знаний о природе магнитного поля Земли.

5. Анализ возможностей практического применения магнитных явлений.

6. Исследование влияния магнитного поля на живые организмы.

3 . Работа состоит из 2-х глав.

Глава I . Магнитное поле

Определение, свойства, характеристики и создание магнитного поля.

Развитие представлений о магнитном поле от древних веков до наших дней.

Магнитное поле в природе.

Влияние магнитного поля на живые организмы.

Глава II . Магнитное поле Земли

Структура геомагнитного поля.

Измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Аномалии геомагнитного поля.

Динамика изменений магнитного поля Земли.

4. Магнитное поле - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

5. В 1845 году английский физик Майкл Фарадей ввёл термин "магнитное поле". Он считал, что магнитные взаимодействия, подобно электрическим, осуществляются посредством единого материального поля. Фарадей считал, что поле это то, что способно излучаться, распространяться в пространстве с конечной скоростью, а так же взаимодействовать с веществом.

С математической точки зрения идея новой формы материи (поля) была описана последователем Фарадея Джеймсом Клерком Максвеллом (1873). Таким образом Фарадей и Максвелл заложили основы электромагнитной картины мира.

Полное описание электромагнитного поля дают четыре уравнения Максвелла:

6. Магнитные поля в природе разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. Свойства магнитного поля используются как человеком, так и животными. Например, птицы и насекомые при помощи магнитного поля ориентируются при перелётах. Человек с древнейших времён использует свойство магнитной стрелки располагаться вдоль магнитного меридиана для ориентирования на местности. Горные породы , содержащие ферромагнитные минералы, намагничиваются в геомагнитном поле, создавая аномалии , на основе изучения которых проводят поиски и разведку месторождений . По остаточной намагниченности горных пород восстанавливают историю геомагнитного поля.

7 . Магнитное поле Земли по своей структуре неоднородно. Оно слагается из двух частей: постоянного и переменного полей. Постоянное поле вызвано внутренними источниками магнетизма. Источниками переменного поля являются электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере и магнитосфере. Так как магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север – юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением. Магнитное склонение изменяется от места к месту на земном шаре. Таким образом, три величины: склонение, наклонение и числовое значение горизонтальной составляющей магнитной индукции полностью характеризуют магнитное поле Земли в данном месте.

8. Благодаря исследованиям, проведенным с помощью спутников и космических станций, установлено, что магнитное поле Земли, простирается на расстояния до 70-80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении. Часть пространства, в которой действует магнитное поле Земли, называется магнитосферой, а ее внешняя граница – магнитопаузой. В пределах магнитосферы возникают сложные токовые системы, создающие внешнее магнитное поле. Эта часть поля наиболее динамична, его изменения имеют период от долей секунд до 11 лет и связаны с изменением солнечной активности. Магнитное поле Земли контактирует с межпланетным магнитным полем и с так называемым полем солнечного ветра на расстояниях порядка 10–14 земных радиусов. Солнечный ветер представляет собой поток плазмы, излучаемый солнечной короной (корональный газ, состоящий из водорода и гелия) в межпланетное пространство. Частицы, образующие солнечный ветер (электроны и протоны) двигаются с огромной скоростью (более 400 км/с), число летящих частиц плазмы составляет несколько десятков в каждом 1, температура достигает 1,5–2 млн. градусов. На границе магнитного поля Земли и межпланетного магнитного поля напряженность общего поля составляет порядка 0,5· А/м.

Влияние солнечного ветра на геомагнитное поле приводит к тому, что магнитосфера имеет сложную каплевидную форму. Плазма солнечного ветра и потоков солнечных частиц как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную форму хвоста. Хвост магнитосферы, представляющий собой выходящие из полярных областей под действием солнечного ветра силовые линии магнитного поля Земли вытянут на сотни земных радиусов в сторону от Солнца.

9. Магнитная аномалия – это отклонение величин элементов земного магнетизма от нормальных значений, которые наблюдались бы в данном месте в случае однородного намагничивания Земли. На земном шаре есть много районов, где геомагнитное поле претерпевает резкие изменения на протяжении нескольких километров и даже метров. В таких районах по сравнению с окружающими территориями магнитное склонение и наклонение могут отличаться на десятки градусов. Если в каком-либо месте обнаруживаются резкие изменения магнитного склонения и наклонения, то это указывает, что под земной поверхностью скрыты горные породы, содержащие ферромагнитные минералы. Интенсивность аномалий может колебаться в широких пределах в зависимости от величины намагниченности пород, занимаемого ими объема и глубины залегания.

10 . Природа магнитного поля Земли остаётся неизвестной, несмотря на многолетние и многочисленные усилия исследователей многих стран. На данном этапе изучения земного магнетизма существуют следующие гипотезы о происхождении магнитного поля Земли: ферромагнитная, электрическая и гипотеза гидромагнитного динамо.

11. Изменения магнитного поля Земли замечали еще в древности. В настоящее время для изучения динамики используют различные современные методы и технологии, позволяющие выявить основные особенности в структуре геомагнитного поля. По данным спутника CHAMP российской академии наук института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова были сделаны следующие выводы: северный и южный магнитные полюсы постоянно перемещаются, изменяя свое местоположение. Начиная примерно с 1970 г. скорость смещения северного магнитного полюса увеличилась, и на данный момент скорость его смещения составляет более 40 км в год.

Ускоренное движение северного магнитного полюса прекратилось в районе 2003 года, достигнув значения примерно 62,5 км/год. Затем движение полюса начало замедляться и в 2009 году уменьшилось до значения примерно 45 км/год. При этом следует отметить, что полюс стал немного разворачиваться в сторону Канады, двигаясь по-прежнему в северо-западном направлении. Так скорость движения полюса в исследуемом временном интервале (2001-2009) по широте уменьшилась с 58 до 35 км/год, в то время как скорость движения по долготе увеличилась с 23 до 32 км/год.

12. На этом слайде представлена аналогичная динамика южного магнитного поля с 2001 по 2009 годы.

13. Таким образом, Исследование магнитного поля Земли представляет собой актуальную задачу и огромный научный интерес.

Существует несколько гипотез о происхождении и динамике изменения магнитного поля Земли.

Единой теории магнитного поля Земли не создано.

Ясное понимание природы земного магнетизма решило бы многие вопросы, например, такие как: внутреннее устройство Земли, природа источника ее теплового потока, причины движения материков и плит, причины возникновения и исчезновения магнитного поля на Луне и спутниках Юпитера и т.д.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Строение и характеристики магнитного поля Земли

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный хвост.

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Эта область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.

Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли.

Гипотезы о природе магнитного поля Земли

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Магнитное поле Земли.

Постоянные магниты. Магнитное поле Земли.

Полная разработка урока по новым ФГОС второго поколения, физика 8 класс. Можно использовать в 9 классе.

Урок здоровья выполнен в виде проекта.Группы биологов-экологов, физиков, валеологов исследуют свойства электромагнитного излучения, магнитного поля земли, выявляют их воздействие на организм человека.

Урок физики по теме "Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли"

При изучении электромагнитов мы отмечали их свойство быстро намагничиваться и размагничиваться. Но есть такие тела, которые длительное время сохраняют намагниченность. Их называют постоянными магнитам.

Магнитное поле Земли

Презентация к уроку.

Тест. Постоянные магниты.Магнитное поле Земли.Действие магнитного поля на проводник с током.8 класс ( к учебнику А.В.Перышкина)

Тест. Постоянные магниты.Магнитное поле Земли.Действие магнитного поля на проводник с током.8 класс.Содержит 2 варианта работы.