JORDENS MAGNETFELT: OPPRINNELSE, EGENSKAPER, FUNKSJON - FYSISK - 2025

Den jordas magnetfelt er den magnetiske effekten at Jorden utøver og som strekker seg fra sitt indre til hundrevis av kilometer i verdensrommet. Den er veldig lik den som er produsert av en stangmagnet. Denne ideen ble foreslått av den engelske forskeren William Gilbert på 1600-tallet, som også observerte at det ikke er mulig å skille magnetene på magnetene.

Figur 1 viser jordas magnetfeltlinjer. De er alltid lukket, går gjennom interiøret og fortsetter på utsiden, og danner et slags dekke.

Figur 1. Jordens magnetfelt ligner det som en stangmagnet. Kilde: Wikimedia Commons.

Opprinnelsen til jordas magnetfelt er fortsatt et mysterium. Jordens ytre kjerne, laget av støpejern, kan ikke i seg selv produsere feltet, siden temperaturen er slik at den ødelegger den magnetiske rekkefølgen. Temperaturterskelen for dette er kjent som Curie-temperaturen. Derfor er det umulig for en stor masse magnetisert materiale å være ansvarlig for feltet.

Etter å ha utelukket denne hypotesen, må vi se etter opprinnelsen til feltet i et annet fenomen: jordens rotasjon. Dette får den smeltede kjernen til å rotere ujevn, og skaper dynamoeffekten, der en væske spontant genererer et magnetfelt.

Det antas at dynamoeffekten er årsaken til magnetismen til astronomiske objekter, for eksempel solen. Men inntil nå er det ukjent hvorfor en væske er i stand til å oppføre seg på denne måten og hvordan de produserte elektriske strømningene klarer å holde seg.

kjennetegn

- Jordens magnetfelt er resultatet av tre bidrag: det indre felt i seg selv, det ytre magnetfeltet og det av magnetiske mineraler i jordskorpen:

1. Internt felt: det ligner det på en magnetisk dipol (magnet) som ligger i sentrum av jorden, og dens bidrag er omtrent 90%. Det varierer veldig sakte i tid.
2. Eksternt felt: kommer fra solaktivitet i lagene i atmosfæren. Den ser ikke ut som dipolen og har mange varianter: daglig, årlig, magnetisk storm og mer.
3. De magnetiske bergartene i jordskorpen, som også skaper sitt eget felt.

- Magnetfeltet er polarisert og presenterer nord- og sørpoler, akkurat som en stangmagnet.

- Ettersom de motsatte polene tiltrekker hverandre, peker kompassnålen, som er dens nordpol, alltid mot nærheten til det geografiske nord, der sørpolen for jordens magnet er.

- Retningen til magnetfeltet er representert i form av lukkede linjer som forlater magnetens sør (magnetpolens nordpol) og kommer inn i magnetens nordpost (magnetpolens sørpol).

- Også i det magnetiske nord -og i det magnetiske sør- er feltet vinkelrett på jordoverflaten, mens feltet ved ekvator beiter. (se figur 1)

- Feltets intensitet er mye større ved polene enn ved ekvator.

- Aksen til den terrestriske dipolen (figur 1) og rotasjonsaksen er ikke på linje. Det er en forskyvning på 11,2º mellom dem.

Geomagnetiske elementer

Siden magnetfeltet er vektor, hjelper et kartesisk koordinatsystem XYZ med opprinnelse O til å etablere sin posisjon.

Figur 2. Geomagnetiske elementer. Kilde: F. Zapata.

Den totale intensiteten til magnetfeltet eller induksjonen er B, og projeksjonene eller komponentene er: H horisontalt og Z vertikalt. De er relatert av:

-D, vinkelen til magnetisk deklinasjon, dannet mellom H og geografisk nord (X-aksen), positiv mot øst og negativ mot vest.

-Jeg, den magnetiske hellingsvinkelen mellom B og H, positiv hvis B er under horisontalt.

Kompassnålen vil være orientert i retning av H, den horisontale delen av feltet. Flyet bestemt av B og H kalles magnetisk meridian, mens ZX er den geografiske meridianen.

Magnetfeltvektoren er fullt spesifisert hvis tre av følgende mengder er kjent, som kalles geomagnetiske elementer: B , H, D, I, X, Y, Z.

Funksjon

Her er noen av de viktigste funksjonene i jordas magnetfelt:

-Mennesker har brukt det til å orientere seg etter kompass i hundrevis av år.

-Utholder en beskyttende funksjon av planeten ved å innhylle den og avlede de ladede partiklene som solen kontinuerlig avgir.

-Selv om jordas magnetfelt (30 - 60 mikro Tesla) er svakt sammenlignet med de på laboratoriet, er det sterkt nok til at visse dyr bruker det for å orientere seg. Så også trekkfugler, homeduer, hvaler og noen fiskeskoler.

-Magnetometri eller måling av magnetfeltet brukes til prospektering av mineralressurser.

Nordlys og sørland

De er kjent som henholdsvis nord- eller sørlys. De vises på breddegrader nær polene, der magnetfeltet nesten er vinkelrett på jordoverflaten og mye mer intenst enn ved ekvator.

Figur 3. Nordlys i Alaska. Kilde: Wikimedia Commons.

De har sitt opphav i den store mengden ladede partikler som solen sender kontinuerlig. De som er fanget av feltet driver generelt mot polene på grunn av den høyere intensiteten. Der drar de nytte av den for å ionisere atmosfæren og i prosessen sendes det ut synlig lys.

Nordlys er synlige i Alaska, Canada og Nord-Europa, på grunn av magnetpolens nærhet. Men på grunn av migrasjonen av dette, er det mulig at de over tid blir mer synlige mot Nord-Russland.

Dette ser ikke ut til å være tilfelle foreløpig, da aurorene ikke akkurat følger det uberegnelige magnetiske nord.

Magnetisk deklinering og navigering

For navigasjon, spesielt på veldig lange reiser, er det ekstremt viktig å kjenne til magnetisk deklinasjon, for å gjøre den nødvendige korreksjonen og finne det sanne nord.

Dette oppnås ved hjelp av kart som indikerer linjene med lik deklinasjon (isogonal), siden deklinasjonen varierer veldig avhengig av den geografiske plasseringen. Dette skyldes det faktum at magnetfeltet opplever lokale variasjoner kontinuerlig.

De store tallene som er malt på rullebanene er retningene i grader i forhold til magnetisk nord, delt med 10 og avrundet.

Nordgutta

Så forvirrende som det kan se ut, er det flere typer nord, definert av noen spesielle kriterier. Dermed kan vi finne:

Magnetisk nord er det punktet på jorden der magnetfeltet er vinkelrett på overflaten. Der peker kompasset, og forresten, det er ikke antipodalt (diametralt motsatt) med det magnetiske sør.

Geomagnetisk nord , er stedet der den magnetiske dipolens akse stiger til overflaten (se figur 1). Siden jordas magnetfelt er litt mer sammensatt enn dipolefeltet, faller dette punktet ikke akkurat sammen med magnetisk nord.

Geografisk nord passerer jordrotasjonen der.

Nord for Lambert eller rutenettet , er punktet der meridianene på kartene konvergerer. Det faller ikke akkurat med sant eller geografisk nord, siden den sfæriske overflaten av jorden blir forvrengt når den projiseres på et plan.

Figur 4. Ulike nordområder og deres beliggenhet. Kilde: Wikimedia Commons. Cavit

Inversjon av magnetfeltet

Det er et underlig faktum: magnetiske poler kan endre posisjon i løpet av noen tusen år, og det skjer for øyeblikket. Det er faktisk kjent at det har skjedd 171 ganger før, de siste 17 millioner årene.

Bevisene finnes i bergarter som kommer fra en rift midt i Atlanterhavet. Når den kommer ut, avkjøles og stivner berget, og setter retning for jordas magnetisering for øyeblikket, som er bevart.

Men foreløpig er det ingen tilfredsstillende forklaring på hvorfor dette skjer, og det er heller ikke kilden til energien som trengs for å snu feltet.

Som tidligere omtalt beveger magnetisk nord for tiden raskt mot Sibir, og sør beveger seg også, om enn saktere.

Noen eksperter mener at det skyldes en flytende jern med høy hastighet rett under Canada som svekker feltet. Det kan også være begynnelsen på en magnetisk reversering. Den siste som skjedde var for 700 000 år siden.

Det kan være at dynamoen som gir opphav til jordens magnetisme slår seg av en stund, enten spontant eller ved noen ytre inngrep, som for eksempel tilnærming til en komet, selv om det ikke er bevis for det siste.

Når dynamoen starter på nytt har magnetpolene byttet plass. Men det kan også skje at inversjonen ikke er fullstendig, men en midlertidig variasjon av dipolaksen, som endelig vil returnere til sin opprinnelige posisjon.

Eksperiment

Det utføres med Helmholtz-spiraler: to identiske og konsentriske sirkulære spoler, gjennom hvilke den samme strømstyrken passerer. Spolens magnetfelt samhandler med jordens felt, noe som gir opphav til et resulterende magnetfelt.

Figur 5. Eksperiment for å bestemme verdien av jordas magnetfelt. Kilde: F. Zapata.

Et omtrent ensartet magnetfelt skapes inne i spolene, hvis størrelse er:

-Jeg er strømstyrken

-μ _o er vakuumens magnetiske permeabilitet

-R er radien til spolene

Prosess

Med et kompass plassert i den aksielle aksen for spolen, bestemme retningen av jordmagnetiske felt B _T .

-Oriente aksen for spolene for å stå vinkelrett på B _T . Således feltet B _H generert som strøm føres, vil være vinkelrett til B _T . I dette tilfellet:

Figur 6. Det resulterende feltet er hva kompassnålen vil merke. Kilde: F. Zapata.

-B _H er proporsjonal med den strøm føres gjennom spolene, slik at B _H = KI, hvor k er en konstant som avhenger av geometrien av nevnte spoler: radius og antall omdreininger. A målestrømmen kan ha verdien _BH . Så det:

Og dermed:

-Varierende strømmer føres gjennom spolene og parene (I, tg θ) blir registrert i en tabell.

-Grafen I vs. tg θ. Siden avhengigheten er lineær, forventer vi å få en linje, hvis helning m er:

-Til slutt, fra den rette - linje passe minste kvadraters eller visuell justering, fortsetter det å bestemme verdien av B _T .

referanser

1. Jordmagnetisk felt. Gjenopprettet fra: web.ua.es
2. Magneto-hydrodynamics Group ved University of Navarra. Dynamo-effekt: historie. Gjenopprettet fra: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortede utgave. Cengage Learning.
4. GRYTE. Jordens magnetfelt og dets endringer i tid. Gjenopprettet fra: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Jordens magnetiske nordpol beveger seg. Gjenopprettet fra: ngenespanol.com.
6. Vitenskapelig amerikansk. Jorden har mer enn en nordpol. Gjenopprettet fra: scientamerican.com.
7. Wikipedia. Geomagnetisk pol. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org.