CÂMPUL MAGNETIC AL PĂMÂNTULUI: ORIGINE, CARACTERISTICI, FUNCȚIE - FIZIC - 2025

Câmpul magnetic al Pământului este efectul magnetic pe care Pământul îl exercită și care se extinde din interiorul său până la sute de kilometri în spațiu. Este foarte asemănător cu cel produs de un magnet de bare. Această idee a fost sugerată de omul de știință englez William Gilbert în secolul al XVII-lea, care a observat, de asemenea, că nu este posibil să separe poli de magnet.

Figura 1 prezintă liniile de câmp magnetic ale Pământului. Sunt întotdeauna închise, trec prin interior și continuă pe exterior, formând un fel de acoperire.

Figura 1. Câmpul magnetic al Pământului seamănă cu cel al unui magnet cu bare. Sursa: Wikimedia Commons.

Originea câmpului magnetic al Pământului este încă un mister. Miezul exterior al pământului, din fontă, nu poate produce singur câmpul, deoarece temperatura este astfel încât să distrugă ordinea magnetică. Pragul de temperatură pentru aceasta este cunoscut sub numele de temperatura Curie. Prin urmare, este imposibil ca o masă mare de material magnetizat să fie responsabilă pentru câmp.

După ce am exclus această ipoteză, trebuie să căutăm originea câmpului într-un alt fenomen: rotația pământului. Aceasta face ca miezul topit să se rotească neuniform, creând efectul dinam, în care un fluid generează spontan un câmp magnetic.

Se crede că efectul dinam este cauza magnetismului obiectelor astronomice, de exemplu cel al Soarelui, dar până în prezent nu se știe de ce un fluid este capabil să se comporte în acest fel și modul în care curenții electrici produși reușesc să rămână.

caracteristici

- Câmpul magnetic al pământului este rezultatul a trei contribuții: câmpul propriu-zis, câmpul magnetic extern și cel al mineralelor magnetice din scoarță:

1. Câmpul intern: seamănă cu cel al unui dipol magnetic (magnet) situat în centrul Pământului și contribuția sa este de aproximativ 90%. Variază foarte lent în timp.
2. Câmpul extern: provine din activitatea solară în straturile atmosferei. Nu arată ca dipolul și are multe variații: zilnic, anual, furtuni magnetice și multe altele.
3. Rocile magnetice din scoarța terestră, care își creează și propriul câmp.

- Câmpul magnetic este polarizat, prezentând poli de nord și sud, la fel ca un magnet de bară.

- Pe măsură ce polii opuși se atrag reciproc, acul busolei, care este polul său nord, indică întotdeauna vecinătatea nordului geografic, unde se află polul sud al magnetului Pământului.

- Direcția câmpului magnetic este reprezentată sub formă de linii închise, care părăsesc sudul magnetic (polul nord al magnetului) și intră în nordul magnetic (polul sud al magnetului).

- În nordul magnetic - precum și în sudul magnetic -, câmpul este perpendicular pe suprafața pământului, în timp ce la ecuator, câmpul pășune. (vezi figura 1)

- Intensitatea câmpului este mult mai mare la poli decât la ecuator.

- Axa dipolului terestru (figura 1) și axa de rotație nu sunt aliniate. Există o deplasare de 11.2º între ele.

Elemente geomagnetice

Deoarece câmpul magnetic este vector, un sistem de coordonate carteziene XYZ cu o origine O ajută la stabilirea poziției sale.

Figura 2. Elemente geomagnetice. Sursa: F. Zapata.

Intensitatea totală a câmpului sau inducției magnetice este B, iar proiecțiile sau componentele sale sunt: ​​H pe orizontală și Z pe verticală. Ele sunt legate de:

-D, unghiul de declinare magnetic, format între H și nordul geografic (axa X), pozitiv spre est și negativ spre vest.

-I, unghiul de înclinare magnetic, între B și H, pozitiv dacă B este sub orizontală.

Acul busolei va fi orientat în direcția H, componenta orizontală a câmpului. Planul determinat de B și H se numește meridianul magnetic, în timp ce ZX este meridianul geografic.

Vectorul câmpului magnetic este complet specificat dacă se cunosc trei dintre următoarele cantități, care se numesc elemente geomagnetice: B , H, D, I, X, Y, Z.

Funcţie

Iată câteva dintre cele mai importante funcții ale câmpului magnetic al Pământului:

-Humanii au folosit-o pentru a se orienta prin busolă de sute de ani.

-Exercitează o funcție de protecție a planetei, prin învăluire și devierea particulelor încărcate pe care Soarele le emite continuu.

-Deși câmpul magnetic al Pământului (30 - 60 micro Tesla) este slab în comparație cu cele din laborator, este suficient de puternic încât anumite animale să-l folosească pentru a se orienta. La fel și păsările migratoare, porumbeii, balenele și unele școli de pești.

-Magnetometria sau măsurarea câmpului magnetic este utilizată pentru prospectarea resurselor minerale.

Lumini de nord și sud

Sunt cunoscute sub denumirea de lumini nordice sau sudice, respectiv. Ele apar la latitudini în apropiere de poli, unde câmpul magnetic este aproape perpendicular pe suprafața Pământului și mult mai intens decât la ecuator.

Figura 3. Lumini de Nord în Alaska. Sursa: Wikimedia Commons.

Ei își au originea în cantitatea mare de particule încărcate pe care Soarele le trimite continuu. Cei care sunt prinși de câmp, în general, se abate spre poli, din cauza intensității mai mari. Acolo profită de ea pentru a ioniza atmosfera și în proces este emisă lumină vizibilă.

Luminile nordice sunt vizibile în Alaska, Canada și Europa de nord, datorită apropierii polului magnetic. Dar, datorită migrării, este posibil ca în timp să devină mai vizibili spre nordul Rusiei.

Acest lucru nu pare să fie cazul deocamdată, întrucât aurorele nu urmăresc exact nordul neregulat.

Declinare magnetică și navigare

Pentru navigație, în special în călătorii foarte lungi, este extrem de important să cunoaștem declinarea magnetică, pentru a face corecția necesară și pentru a găsi adevăratul nord.

Aceasta se realizează cu ajutorul hărților care indică liniile de declinare egală (izogonală), deoarece declinația variază mult în funcție de locația geografică. Acest lucru se datorează faptului că câmpul magnetic experimentează variații locale continuu.

Numărul mare pictat pe piste este direcția în grade în raport cu nordul magnetic, împărțit la 10 și rotunjit.

Cei de la nord

Oricât de confuz poate părea, există mai multe tipuri de nord, definite prin anumite criterii. Astfel, putem găsi:

Nordul magnetic este punctul de pe Pământ unde câmpul magnetic este perpendicular pe suprafață. Aici busola indică și, apropo, nu este antipodală (diametral opusă) cu sudul magnetic.

Nordul geomagnetic , este locul în care axa dipolului magnetic se ridică la suprafață (a se vedea figura 1). Deoarece câmpul magnetic al Pământului este ceva mai complex decât câmpul dipol, acest punct nu coincide exact cu nordul magnetic.

Nord geografic , axa de rotație a pământului trece pe acolo.

Nordul Lambertului sau al grilei este punctul în care converg meridianele hărților. Nu coincide exact cu nordul adevărat sau geografic, deoarece suprafața sferică a Pământului este distorsionată atunci când este proiectată pe un plan.

Figura 4. Diverse norduri și locația lor. Sursa: Wikimedia Commons. Cavit

Inversiunea câmpului magnetic

Există un fapt nedumerit: poli magnetici pot schimba poziția pe parcursul a câteva mii de ani și se întâmplă în prezent. De fapt, se știe că s-a întâmplat de 171 de ori înainte, în ultimii 17 milioane de ani.

Dovada se găsește în rocile care apar dintr-o prăpastie în mijlocul Oceanului Atlantic. Pe măsură ce iese, roca se răcește și se solidifică, stabilind direcția de magnetizare a Pământului pentru moment, care este conservată.

Dar până în prezent nu există o explicație satisfăcătoare de ce se întâmplă acest lucru și nici nu există sursa de energie necesară pentru a inversa câmpul.

După cum s-a discutat anterior, nordul magnetic se deplasează rapid spre Siberia, iar sudul se deplasează, de asemenea mai lent.

Unii experți cred că se datorează unui debit de fier lichid cu viteză mare chiar sub Canada, care slăbește terenul. Poate fi, de asemenea, începutul unei inversări magnetice. Ultima întâmplare a fost acum 700.000 de ani.

S-ar putea ca dinamoul care dă naștere magnetismului Pământului să se oprească o perioadă, fie spontan sau printr-o intervenție externă, cum ar fi abordarea unei comete, de exemplu, deși nu există dovezi ale acesteia din urmă.

Când dinamomul repornește, poli magnetici au loc în loc. Dar, de asemenea, se poate întâmpla ca inversarea să nu fie completă, ci o variație temporară a axei dipolice, care va reveni în sfârșit la poziția inițială.

Experiment

Se realizează cu bobine Helmholtz: două bobine circulare identice și concentrice, prin care trece aceeași intensitate a curentului. Câmpul magnetic al bobinelor interacționează cu cel al Pământului, dând naștere unui câmp magnetic rezultat.

Figura 5. Experiment pentru a determina valoarea câmpului magnetic al Pământului. Sursa: F. Zapata.

În interiorul bobinelor este creat un câmp magnetic aproximativ uniform, a cărui magnitudine este:

-Eu este intensitatea curentului

-µ _o este permeabilitatea magnetică a vidului

-R este raza bobinelor

Proces

Cu un compas plasat în axa axială a bobinei, determină direcția câmpului magnetic terestru B _T .

-Oriente axa bobinelor să fie perpendiculară pe B _T . Astfel , câmpul B _H generat ca curentul trece, va fi perpendicular pe B _T . În acest caz:

Figura 6. Câmpul rezultat este ceea ce va marca acul busolei. Sursa: F. Zapata.

-B _H este proporțional cu curentul trecut prin bobine, astfel încât B _H = kI, unde k este o constantă care depinde de geometria respectivelor bobine: raza și numărul de rotații. A curentul de măsurare poate avea valoarea lui _BH . Astfel încât:

Prin urmare:

-Curentii trec prin bobine, iar perechile (I, tg θ) sunt înregistrate într-un tabel.

-Graful I vs. tg θ. Deoarece dependența este liniară, ne așteptăm să obținem o linie, a cărei pantă m este:

-În, din dreapta - linie se potrivesc mai mici pătrate sau ajustare vizuală, aceasta continuă să se determine valoarea B _T .

Referințe

1. Câmpul magnetic al Pământului. Recuperat din: web.ua.es
2. Grupul de magneto-hidrodinamică al Universității din Navarra. Efectul dinamic: istoric. Recuperat din: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. A 6-a ediție prescurtată. Cengage Learning.
4. OALĂ. Câmpul magnetic al Pământului și schimbările sale în timp. Recuperat din: image.gsfc.nasa.gov.
5. National Geographic. Polul nord magnetic al Pământului se mișcă. Recuperat de la: ngenespanol.com.
6. Științific american. Pământul are mai mult de un pol nord. Recuperat de la: scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Pol geomagnetic. Recuperat de la: en.wikipedia.org.