JORDENS MAGNETFÄLT: URSPRUNG, EGENSKAPER, FUNKTION - FYSISK - 2025

Den jordens magnetfält är den magnetiska effekt som jorden utövar och som sträcker sig från dess inre till hundratals kilometer i rymden. Det är mycket likt det som produceras av en stångmagnet. Denna idé föreslogs av den engelska forskaren William Gilbert på 1600-talet, som också observerade att det inte är möjligt att skilja magnetens poler.

Figur 1 visar jordens magnetfältlinjer. De är alltid stängda, går igenom det inre och fortsätter på utsidan och bildar ett slags täcka.

Bild 1. Jordens magnetfält liknar en stavmagnet. Källa: Wikimedia Commons.

Ursprunget till jordens magnetfält är fortfarande ett mysterium. Jordens yttre kärna, gjord av gjutjärn, kan inte i sig själv producera fältet, eftersom temperaturen är sådan att den förstör den magnetiska ordningen. Temperaturgränsen för detta kallas Curie-temperaturen. Därför är det omöjligt att en stor massa magnetiserat material ansvarar för fältet.

Efter att ha uteslutit denna hypotes måste vi leta efter fältets ursprung i ett annat fenomen: jordens rotation. Detta får den smälta kärnan att rotera olikformigt, vilket skapar dynamoeffekten, i vilken en vätska spontant genererar ett magnetfält.

Det antas att dynamoeffekten är orsaken till magnetismen hos astronomiska föremål, till exempel solen. Men fram till nu är det okänt varför en vätska kan agera på detta sätt och hur de producerade elektriska strömmarna lyckas stanna.

egenskaper

- Jordens magnetfält är resultatet av tre bidrag: det inre fältet självt, det yttre magnetfältet och det av de magnetiska mineralerna i jordskorpan:

1. Internt fält: det liknar det hos en magnetisk dipol (magnet) belägen i mitten av jorden och dess bidrag är cirka 90%. Det varierar mycket långsamt i tiden.
2. Yttre fält: kommer från solaktivitet i atmosfärens lager. Det ser inte ut som dipolen och har många variationer: dagliga, årliga, magnetiska stormar och mer.
3. De magnetiska stenarna i jordskorpan, som också skapar sitt eget fält.

- Magnetfältet är polariserat och presenterar nord- och sydpoler, precis som en stångmagnet.

- Eftersom de motsatta polerna lockar varandra pekar kompassnålen, som är dess nordpol, alltid mot närheten till det geografiska norr, där jordens magnet är sydpolen.

- Magnetfältets riktning representeras i form av stängda linjer som lämnar magnetens södra (magnetens nordpol) och kommer in i magnetens norr (magnetens sydpol).

- I det magnetiska norrut och i det magnetiska söder- är fältet vinkelrätt mot jordytan, medan fältet betar vid ekvatorn. (se figur 1)

- Fältets intensitet är mycket större vid polerna än vid ekvatorn.

- Den markbundna dipolen (figur 1) och rotationsaxeln är inte i linje. Det finns en förskjutning på 11,2º mellan dem.

Geomagnetiska element

Eftersom magnetfältet är vektor, hjälper ett kartesiskt koordinatsystem XYZ med ursprung O att fastställa dess position.

Bild 2. Geomagnetiska element. Källa: F. Zapata.

Den totala intensiteten för magnetfältet eller induktionen är B och dess utsprång eller komponenter är: H horisontellt och Z vertikalt. De är släkt med:

-D, magnetisk deklinationsvinkel, bildad mellan H och geografisk norr (X-axeln), positiv mot öster och negativ mot väster.

-Jag, den magnetiska lutningsvinkeln, mellan B och H, positiv om B är under horisontellt.

Kompassnålen kommer att orienteras i riktning mot H, fältets horisontella del. Det plan som bestäms av B och H kallas den magnetiska meridianen, medan ZX är den geografiska meridianen.

Magnetfältvektorn specificeras fullt ut om tre av följande mängder är kända, som kallas geomagnetiska element: B , H, D, I, X, Y, Z.

Fungera

Här är några av de viktigaste funktionerna i jordens magnetfält:

-Män har använt den för att orientera sig efter kompass i hundratals år.

-Utövar en skyddande funktion av planeten genom att omsluta den och avleda de laddade partiklarna som solen kontinuerligt avger.

-Även om jordens magnetfält (30 - 60 mikro Tesla) är svagt jämfört med de i laboratoriet är det tillräckligt starkt att vissa djur använder det för att orientera sig. Så gör flyttfåglar, hemduvor, valar och vissa fiskskolor.

-Magnetometri eller mätning av magnetfältet används för prospektering av mineralresurser.

Nordljus och södra

De är kända som respektive nord- eller sydljus. De visas på breddegrader nära polerna, där magnetfältet är nästan vinkelrätt mot jordens yta och mycket mer intensivt än vid ekvatorn.

Bild 3. Norrsken i Alaska. Källa: Wikimedia Commons.

De har sitt ursprung i den stora mängden laddade partiklar som solen sänder kontinuerligt. De som fångas av fältet driver vanligtvis mot polerna på grund av den högre intensiteten. Där utnyttjar de det för att jonera atmosfären och i processen avges synligt ljus.

Nordljusen är synliga i Alaska, Kanada och norra Europa på grund av magnetpolens närhet. Men på grund av migrationen av detta är det möjligt att de med tiden blir mer synliga mot norra Ryssland.

Detta verkar dock inte vara fallet för nu, eftersom aurororna inte exakt följer den oberäknade magnetiska norr.

Magnetisk deklination och navigering

För navigering, särskilt på mycket långa resor, är det oerhört viktigt att känna till den magnetiska deklinationen för att göra nödvändig korrigering och hitta riktigt norr.

Detta uppnås genom att använda kartor som indikerar linjerna för lika deklination (isogonal), eftersom deklinationen varierar mycket beroende på den geografiska platsen. Detta beror på att magnetfältet kontinuerligt upplever lokala variationer.

Det stora antalet målade på landningsbanorna är riktningarna i grader relativt magnetiskt norr, dividerat med 10 och rundade.

Norra killarna

Så förvirrande som det kan verka finns det flera typer av norr, definierade av vissa särskilda kriterier. Således kan vi hitta:

Magnetiskt norr är den punkt på jorden där magnetfältet är vinkelrätt mot ytan. Där pekar kompassen, och förresten, det är inte antipodalt (diametralt motsatt) med det magnetiska söder.

Geomagnetic North är platsen där den magnetiska dipolens axel stiger till ytan (se figur 1). Eftersom jordens magnetfält är lite mer komplex än dipolfältet, sammanfaller denna punkt inte exakt med magnetisk norr.

Geografiskt norr passerar jordrotationen där.

Norr om Lambert eller nätet är punkten där kartornas meridianer konvergerar. Det sammanfaller inte exakt med sant eller geografiskt norr, eftersom jordens sfäriska yta är förvrängd när den projiceras på ett plan.

Bild 4. Olika norr och deras plats. Källa: Wikimedia Commons. Cavit

Inversion av magnetfältet

Det finns ett förbryllande faktum: magnetpoler kan ändra position under några tusen år, och det händer för närvarande. Det är faktiskt känt att ha hänt 171 gånger tidigare, under de senaste 17 miljoner åren.

Beviset finns i stenar som kommer från en klyfta mitt i Atlanten. När det kommer ut, kyls och stelnar berget och ställer in riktningen för jordens magnetisering för tillfället, vilket bevaras.

Men hittills finns det ingen tillfredsställande förklaring till varför detta händer, och det finns inte heller den energi som behövs för att invertera fältet.

Som tidigare diskuterats rör sig magnetiska norr för närvarande snabbt mot Sibirien, och söderna rör sig också, om än långsammare.

Vissa experter tror att det beror på ett höghastighetsflöde av flytande järn strax under Kanada som försvagar fältet. Det kan också vara början på en magnetisk reversering. Den sista som hände var 700 000 år sedan.

Det kan hända att dynamo som ger upphov till jordens magnetism stängs av för en tid, antingen spontant eller på grund av någon yttre ingripande, som till exempel en komet närmar sig, även om det inte finns några bevis för det senare.

När dynamo startar om har magnetpolerna byt plats. Men det kan också hända att inversionen inte är fullständig, utan en tillfällig variation av dipolaxeln, som äntligen kommer att återgå till sin ursprungliga position.

Experimentera

Det utförs med Helmholtz spolar: två identiska och koncentriska cirkulära spolar, genom vilka samma intensitet av ström passerar. Spolarnas magnetfält interagerar med jordens, vilket ger upphov till ett resulterande magnetfält.

Figur 5. Experiment för att bestämma värdet på jordens magnetfält. Källa: F. Zapata.

Ett ungefär enhetligt magnetfält skapas inuti spolarna, vars storlek är:

-Jag är strömens intensitet

-μ _o är vakuumens magnetiska permeabilitet

-R är spolarnas radie

Bearbeta

Med en kompass placerad i den axiella axeln hos spolen, bestämma riktningen av jordens magnetfält B _T .

-Oriente axeln av spolarna för att vara vinkelrät mot B _-T . Sålunda fältet B _H genereras som ström passerar, kommer att vara vinkelrätt mot B _-T . I detta fall:

Bild 6. Det resulterande fältet är vad kompassnålen kommer att markera. Källa: F. Zapata.

-B _H är proportionell mot strömmen som passerar genom spolarna, så att B _H = ki, där k är en konstant som beror på geometrin av nämnda spolar: radie och antal varv. A mätströmmen kan ha värdet _BH . Så att:

Således:

-Varierande strömmar passeras genom spolarna och paren (I, tg θ) registreras i en tabell.

-Grafen I vs. tg θ. Eftersom beroendet är linjärt förväntar vi oss att få en linje, vars lutning m är:

-Äntligen, från den raka - linje passar minsta kvadrat eller visuell justering, fortsätter den till bestämma värdet av B _T .

referenser

1. Jordens magnetfält. Återställd från: web.ua.es
2. Magneto-hydrodynamikgruppen vid University of Navarra. Dynamoeffekt: historia. Återställd från: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: En titt på världen. 6: e förkortade upplagan. Cengage Learning.
4. POTT. Jordens magnetfält och dess förändringar i tiden. Återställd från: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Jordens magnetiska nordpol rör sig. Återställd från: ngenespanol.com.
6. Scientific American. Jorden har mer än en nordpol. Återställd från: scientamerican.com.
7. Wikipedia. Geomagnetisk pol. Återställd från: en.wikipedia.org.