Почему планета земля является магнитом. Почему земля магнит

В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда - не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку - действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два - в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает - и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.

Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса - в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.

Полюса наоборот

Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, - следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).

Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м - 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.

Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.

Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.

Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры - точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия - в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.

Конвективное динамо

«Чтобы объяснить возникновение полоидального поля, необходимо принять во внимание вертикальные потоки вещества ядра. Они образуются благодаря конвекции: нагретый железно-никелевый расплав всплывает из нижней части ядра по направлению к мантии. Эти струи закручиваются силой Кориолиса подобно воздушным потокам циклонов. В Северном полушарии восходящие потоки вращаются по часовой стрелке, а в Южном - против, - объясняет профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. - При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное движение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и поэтому по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, там, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, ситуация иная. В Северном полушарии силовые линии, которые до конвекционного восхождения смотрели на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и тоже направляются на север. В результате в обоих полушариях генерируется магнитное поле, указывающее с юга на север. Хоть это отнюдь не единственное возможное объяснение возникновения полоидального поля, его считают самым вероятным».

Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.

Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.

«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, - говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. - Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».

Магнитная защита

Мониторинг земного магнетизма производят с помощью обширной сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах.

Для этих же целей используют корабельные, авиационные и космические приборы (к примеру, скалярный и векторный магнитометры датского спутника «Эрстед», работающие с 1999 года).

Напряженность геомагнитного поля варьирует приблизительно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась почти на 13% (а с середины XVI века - на 20%), в то время как квадрупольная несколько возросла. Палеомагнитные исследования показывают, что в течение нескольких тысячелетий перед началом нашей эры напряженность геомагнитного поля упорно лезла вверх, а потом начала снижаться. Тем не менее нынешний планетарный дипольный момент значительно превышает свое среднее значение за последние полтораста миллионов лет (в 2010 году были опубликованы результаты палеомагнитных измерений, свидетельствующие, что 3,5 млрд лет назад земное магнитное поле было вдвое слабее нынешнего). Это означает, что вся история человеческих обществ от возникновения первых государств до нашего времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля. Интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.

И вот еще одно обстоятельство, которое стоит отметить. В юности и даже отрочестве нашей планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Твердое внутреннее ядро сформировалось сравнительно недавно, возможно, всего лишь миллиард лет назад. Когда это произошло, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что привело к более устойчивой работе геодинамо. Из-за этого геомагнитное поле выиграло в величине и стабильности. Можно предположить, что это обстоятельство благоприятно сказалось на эволюции живых организмов. В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход жизни из океана на сушу.

Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним - как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.

По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».

15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат - уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».

«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. - Инверсии земного магнетизма - это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее - во всяком случае мы этого не умеем».

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №4 г. Жирновска»

Жирновского района Волгоградской области.

Почему Земля – магнит?»

Выполнили: ученики 8»А» класса

Зюбина Е., Руденко А.,

Гаранин С., Полуосьмак Н.

Руководитель: Немухина Е.С.

учитель физики

МОУ «СОШ №4 г. Жирновска»

2012 г.

Введение.

Вопрос «Почему Земля – магнит?» - очень сложный. Ответить на него пытаются многие ученые. Мы тоже заинтересовались этим вопросом. Конечно с налету, эдаким лихим наскоком, тайну природы не раскроешь.

Цель работы:

Узнать почему Земля магнит.

Задачи исследования:

Систематизировать научную литературу посвященную данной теме.

Изучить магнитное поле и магнитные линии.

Познакомиться со свойствами магнита.

Ответить на вопрос: «Почему Земля – магнит?»

1. Что же такое магнитное поле и магнитные линии? Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле не отделимы друг от друга. Таким образом, вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, вокруг движущихся зарядов, т.е. электрического тока, существует и электрическое и магнитное поле. Магнитное поле появляется вокруг проводника, когда в последнем возникает ток, поэтому ток следует рассматривать как источник магнитного поля. В этом смысле надо понимать выражения «магнитное поле тока» или «магнитно поле, созданное током». Магнитное поле – это пространство вокруг магнита. Именно магнитное поле заставляет двигаться магнитную стрелку.

Магнитные линии – это линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок.

2.С глубокой древности известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси, всегда устанавливается в даном месте Земли в определенном направлении. Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом основано применение компаса.

Чтобы это проверить мы провели опыт: для начала мы приложили иголку к магниту, затем укрепили иголку-магнит на обыкновенной пробке и опустили в чашку с водой. Иголка повернулась так, что одним концом смотрит на север, а другим на юг. Мы попробовали повернуть иголку-магнит наоборот, но она тут, же вернулась в прежнее положение. Известно, что магнитный компас, которым пользовались в давние времена моряки очень похож на тот, что мы сделали сами, но это был просто магнит на поплавке.

Мы решили проверить можно ли отделить северный магнитный полюс от южного. Для этого мы преломили иголку-магнит пополам. Затем на каждую половинку мы одели поплавок и поочереди опустили в чашку с водой. Сначала мы опустили ту половину иглы которую мы хотели лишить южного полюса, оставив ей только северный он и смотрит на север. А другой конец половинки – тот что жил прежде по середине иглы – на юг. Таким образом, мы убедились, что вторая половинка, которой мы хотели оставить только южный полюс «отрастила» себе новый северный полюс. Из этого опыта следует что, магнит восстанавливает взамен утраченного любой полюс и притом мгновенно.

Чтобы докопаться до истины и ответить на вопрос «Почему Земля – магнит», мы рассмотрели строение магнита. Итак, предположим что всякий магнит состоит из множества микроскопических магнитиков, северные полюсы которого смотрят в одну сторону, а южные в другую и ученым удалось доказать что это именно так. Оказывается, крошечные магнитики – их называют ДОМЕНАМИ – есть даже в ненамагниченном железе! Но пока железо не намагнитили, его домены располагаются «кто в лес, кто по дрова». А вот когда железо намагничивают, все его домены поворачиваются, словно миниатюрные стрелочки, и начинают смотреть своими северными полюсами в одну сторону, а южными в другую.

Интересно, а можно ли размагнитить магнит? Мы решили попробовать это сделать. Нагрев иголку-магнит в пламени кухонной горелки, а затем, дав ей остыть, мы опустили иголку в железные опилки и заметили, что опилки больше не притягиваются к иголке. Почему? Все очень просто, известно, что все - на свете вещества состоят из атомов. Разумеется, из атомов состоит и железо. Причем атомы железа в домене подчинены такой же «железной дисциплине», как и сами домены в магните. Но даже в самом твердом теле атомы непрерывно колеблются «приплясывают» на месте. Чем сильнее нагрето тело, тем быстрее и беспорядочнее это приплясывание. Раскалив намагниченную иголку, мы довели приплясывание атомов железа до бешеной пляски. Понятно, что железная дисциплина атомов в доменах нарушилась – домены исчезли, а вместе с ними и намагниченность. Но когда иголка остыла, домены в ней появились снова, но теперь они смотрят куда попало. Чтобы опять заставить их повернуться в одну сторону, нужно заново намагничивать иголку.

3.А как же выглядит магнитное поле земли? Конечно, картонку с железными опилками на земной шар не положишь, но о магнитном поле Земли можно судить по поведению двух стрелок. Одна стрелка – обычного компаса, она способна поворачиваться только влево-вправо. Ее дополняет магнитная стрелка, которая способна поворачиваться вверх и вниз - ее называют СТРЕЛКОЙ НАКЛЕНЕНИЯ. Представив себе что мы, облазив с этими двумя стрелками весь Земной шар, а также облетав его со всех сторон и на разных высотах в космическом корабле, мы нарисовали магнитные силовые линии Земли и увидели, как выглядит ее магнитное поле.

Во время этого путешествия мы бы обнаружили на Земле две замечательные точки: стрелка наклонения здесь становится вертикально и показывает острием вниз, а стрелка обычного компаса вообще ничего не показывает – она крутится, как ей вздумается. Эти две точки - магнитные полюсы Земли.

Говорят, что магнитное поле Земли кувыркается. Почему? Нам очень повезло – в наши дни геофизики, то есть физики изучающие Землю, умеют выстукивать ее, просвечивать и взвешивать не хуже чем врач больного. И вот многие из них предполагают, что в глубинах Земного шара, особенно в сердцевине Земли – ее ядре, действительно много богатых железом веществ и даже чистого железа! Правда в глубинах нашей планеты ужасно жарко – на очень большой глубине температура такая высокая, что железо там находится в расплавленном состоянии, словно в доменной печи.

«Но разве расплавленное железо может намагнититься? – удивились мы, - Мы просто раскалили иголку, и, то она потеряла магнитные свойства!»

А что если в таких необычных условиях магнитные свойства у железа тоже необычные? Вполне возможно (ученые это допускают), что оно все таки способно намагничиваться, несмотря на адскую жару. Но если даже твердое железное ядро намагничено, все равно сейчас можно уверенно сказать не железный магнит главный виновник того что у Земного шара есть магнитное поле.

Ученые пока считают этот вопрос одной из самых больших научных загадок. Для создания магнитного поля необходимо либо намагниченное тело, либо электрический ток. Много гипотез было предложено и отвергнуто. Наиболее правильный ответ в настоящее время таков: магнитное поле Земли создается электрическими токами в ядре; эти токи, вероятно, вырабатываются и поддерживаются механизмом, подобным самовозбуждающемуся динамо. Теория динамо впервые была предложена в 1919г. английским ученым Джеромом Лармором. А в 1945г. советский физик Яков Ильич Френкель выдвинул гипотезу земного динамо применительно к геомагнитному полю, считая главной причиной наличие жидкого внешнего ядра. Температура внутри ядра должна быть несколько выше, чем на его периферии, за счет радиоактивного распада неустойчивых элементов. Холодные массы при этом устремляются к центру ядра, горячие – из центра ядра движутся им навстречу. Земля вращается, скорость движения масс на периферии ядра больше, чем в его глубинах. Поэтому движущиеся из центра элементы жидкости тормозят вращение периферийных слоев ядра, а встречные потоки, наоборот, ускоряют внутренние слои. Тогда внутренняя часть ядра вращается быстрей внешней и играет роль ротора (вращающейся части) генератора, в то время как внешняя – роль статора (неподвижной части). В соответствии с расчетами в такой системе оказываются возможными самовозбуждение и появление электрических токов. Именно эти токи и создают магнитное поле Земли. Сторонники этой гипотезы считают, что правильнее было бы назвать Землю большой динамо-машиной, чем большим магнитом.

Заключение.

Мы постарались выполнить свой план действий. Но чтобы доказать, что магнитное поле у Земли появилось именно так как мы предположили, необходимо точно выяснить, что представляют собой потоки жидкого железа в глубинах Земли, как они возникают и как текут. Кроме того нужно сравнить магнитные свойства Земли с магнитными свойствами её сестер – других планет Солнечной системы, и узнать, что у них внутри – есть ли жидкое ядро, какие потоки возникают в нем из-за вращения планет? Словом дел еще невпроворот. Но может быть когда-нибудь мы сможем отгадать вековую тайну природы: почему Земля – магнит?

Литература.

1. Учебник физики 8 класс, Перышкин А. В.. 2008 г.

2. Почему Земля магнит? , М. Константиновский, 1979 г.

3. Сайт Pochemy . net Почему Земля магнит?.

4. Земля – большой магнит. Все о планете Земля. www .vseozemle .ru .

ОТКРЫТЫЙ КОНКУРС ПРОЕКТОВ И УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ «ИЗЫСКАТЕЛЬ»

Тема:«Свойства магнита. Земля – огромный магнит»

Место выполнения работы: МАОУ "СОШ № 4" г.Миасс

Научный руководитель: Мельникова Ольга Михайловна

2017

СОДЕРЖАНИЕ

Глава I

1.2 Свойства магнита и его строение

1.3 Магнитное поле

2.1 Практические опыты, позволяющие изучить

магнитные свойства

2.1.7 Непостоянство магнита. Магнитное поле вокруг

проводника с током

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Согласно википедии магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Magnētis líthos (Μαγνῆτις λίθος), «камень из Магнесии» - от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита.

Магниты окружают нас повсюду - в наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, в часах, в банках с гвоздями, компьютере, наконец, сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, - гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты.

В последние годы все чаще появляется интересная информация о том, что у самого большого магнита – Земля происходят процессы в виде ускорения перемещения магнитных полюсов.

Недостаточность знаний по этому вопросу и желание понять, что же такое магнит, какими свойствами он обладает, как осуществляется механизм магнитного взаимодействия и что означает перемещение магнитных полюсов Земли, обусловили выбор темы исследования «Свойства магнита. Земля – огромный магнит».

Целью данной работы является исследование свойств магнита, понимание магнитных процессов Земли

Для достижения поставленной цели потребовалось сформулировать и решить следующие задачи:

Ознакомится с историей возникновения магнита

Изучить свойства магнита его строение, виды магнитов

Дать понятие магнитного поля магнита и магнитного поля Земли

Выяснить какие процессы происходят в магнитном поле Земли.

Провести доступные опыты для понимания свойств магнитов

Объект исследования - магнит, магнитные процессы Земли.

Предмет исследования – комплекс мероприятий, связанных с изучением свойств магнита, магнитных процессов Земли.

Гипотеза – магнит, это тело способное создавать собственное магнитное поле, Земля – магнит, имеющий способность менять свои полюса.

Актуальность – окружающие нас повсюду магниты обладают свойствами, понимание которых, необходимо каждому человеку, как в быту так и в промышленности, понимание магнитных процессов Земли необходимо с целью контролирования необратимых процессов, способных вызвать инверсию, представляющей собой глобальную катастрофу.

Методы исследования - сбор теоретической части, доказанной практическими опытами, с использованием магнита, иголки, гвоздя, железных опилок, куска провода и батарейки для карманного фонарика.

Практическая значимость работы заключена в подборе простейших опытов, позволяющих наглядно рассмотреть свойства магнита с целью понимания сложнейших процессов на уровне самого крупного магнита – Земли.

Глава I . Теоретические аспекты магнитных свойств

1.1 История возникновения магнита

Магнит известен человеку с незапамятных времён. Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус (у Льва Толстого в рассказе для детей «Магнит» этого пастуха зовут Магнис). Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом», по названию местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии). Таким образом, за много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес.

Много веков среди мореплавателей существовала легенда о магнитной скале, которая якобы способна притянуть из слишком близко подплывшего к ней корабля железные гвозди и разрушить его. К счастью, такое сильное магнитное поле может существовать только в окрестностях нейтронных звезд.

Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; у магнита невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсо-притяжении и отталкивании. К 12-13 векам нашей эры магнитные компасы уже использовались в навигации в странах Европы, в Китае и других странах мира.

В 1600 году вышло сочинение английского врача Уильяма Гильберта «О магните». К известным уже фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой, потерю магнетизма при нагревании и другие. В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстед на лекции попытался продемонстрировать своим студентам связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из его слушателей, он был буквально «ошарашен», увидев, что магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Большой заслугой Эрстеда является то, что он оценил значения своего наблюдения и повторил опыт. Открытие взаимодействия между и магнитом и электричеством имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме.

В последующее время ещё многие свойства магнита были обнаружены и исследованы. Было замечено, что магниты, находящиеся на расстоянии один от другого, кажущимся образом действуют друг на друга: их одноименные концы взаимно отталкиваются, разноименные - взаимно притягиваются. Кусок железа или стали притягивается магнитом потому, что он сам обращается при этом в магнит. Магнитное состояние этого куска усиливается по мере уменьшения расстояния между ним и магнитом, оно достигает наибольшего развития, когда кусок пристает к тому или другому концу магнита. После отрывания или удаления стали или железа от магнита в них сохраняется магнитное состояние, но далеко не в одинаковой степени в различных сортах этих металлов. В стали остаточный магнетизм сильнее, чем в железе.

Природные магниты, не везде назывались магнитами в разных странах их называли по-разному: китайцы называли его чу-ши; греки - адамас и каламита, геркулесов камень; французы - айман; индусы - тхумбака; египтяне - кость Ора, испанцы - пьедрамант; немцы - магнесс и зигельштейн; англичане - лоудстоун. Половина этих названий переводится как любящий. Так, поэтическим языком древних описано свойство магнетита притягивать, «любить» железо. Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, в Украине, в Карелии, Курской области. Естественные магниты, выточенные из кусков магнитного железняка, иногда достигали больших размеров. В настоящее время в Тартусском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а подъемная сила 40 кг. Нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Их магнитное поле во много миллиардов раз больше, чем магнитное поле Земли.

В настоящее время для приготовления искусственных магнитов используют стальные полосы и стержни, прямые и подковообразные. Для сообщения им намагничивания ими натирают эти полосы и стержни одним концом сильного магнита, или же, обматывают эти полосы и стержни проволокой и пропускают по проволоке электрический ток.

Изучение магнита способствовало развитию науки. Например: изучение магнитных свойств горных пород позволило судить об условиях образования и преобразования минералов и горных пород, о природе магнитных аномалий Земли. Эти знания способствовали развитию науки тектоники (науки о строении и развитии земной коры). Магнитные свойства также используют в магнитной разведке, археологии. Магниты применяются в электромашинных генераторах и электродвигателях, магнитоэлектрических приборах, индукционных счетчиках электроэнергии. С применение магнита производят магнитные замки, динамометры, гальванометры, микроволновые печи. Магнитные поля широко применяют в лечебных целях. Словом, нет области прикладной деятельности человека, где бы не применялись магниты.

На протяжении тысячелетий ученые пытаются разгадать загадку самого главного и большого магнита «Земля». Еще в 14 веке английский физик Уильям Гильберт изготовил шарообразный магнит, исследовал его с помощью маленькой магнитной стрелки и пришел к выводу, что земной шар - огромный космический магнит.

1.2 Свойства магнита и его строение, виды магнитов

Магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом является электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον - янтарь) - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Постоянный магнит - изделие, длительное время, сохраняющее намагниченность.

Французский ученый Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы. Вокруг токов существуют магнитные поля, которые и приводят к возникновению магнитных свойств вещества. Во времена Ампера не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц – электронов вокруг ядра. Современная теория магнетизма подтвердила правильность предположения Ампера, что в каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы - электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали. Нарушение упорядоченного движения электронов, размагничивание, в основном производится доведением материалов до определенного уровня нагрева – точка Кюри, воздействием другим магнитным полем, как правило, электромагнитом.

Существуют постоянные и непостоянные магниты. Постоянные магниты бывают естественными и искусственными.

Естественные магниты – магниты, созданные природой. Железная руда- магнетит, является слабым магнитом (Рисунок 1.1). Уже на расстоянии 1м стрелка компаса перестает замечать его существование.

Рис. 1.1 Разновидность магнетита

Существует всего три вещества способных длительное время сохранять намагниченность – кобальт, железо и никель. Эти вещества сохраняют намагниченность когда, находящийся рядом магнит убирают. Искусственные магниты – магниты, созданные человеком, путём намагничивания железа или стали в магнитном поле. Искусственные магниты начали изготавливать в Англии в 18 веке. Их получают путём размещения куска стали вблизи магнита, прикосновения его к магниту или натирания стальной полоски магнитом в одном направлении. Виды искусственных магнитов представлены на рисунке 1.2.

Рис. 1.2 Виды искусственных магнитов

Обычно искусственным магнитам придают вид полосы – прямой или подковообразной и используют в качестве источников постоянного магнитного поля. Магниты изготовляются в виде подковы для того, чтобы приблизить полюса друг к другу с целью создать сильное магнитное поле, с помощью которого можно поднимать большие куски железа. Самый большой в мире искусственный постоянный магнит весит 2 т и применяется в оборудовании ядерного реактора Чикагского университета.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются по-разному. Например, диамагнетики (золото, серебро, медь) и парамагнетики (алюминий, магний, марганец) относятся к слабомагнитным веществам. Ферромагнетики (железо, кобальт, никель) относятся к сильномагнитным веществам и усиливают внутри себя магнитное поле в тысячи раз. Ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожёсткие. Магнитомягкие вещества, например, чистое железо, легко намагничиваются, но и быстро размагничиваются. Магнитожёсткие вещества, например, сталь, медленно намагничиваются и также медленно размагничиваются.

Добавка к железу вольфрама и кобальта улучшает свойства искусственных магнитов. Хорошим магнитным сплавом является сплав альнико на основе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно поднимать железные предметы в 500 раз превышающей массу самого магнита. Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. В Японии создали магнит, один квадратный сантиметр которого притягивает 900 кг груза. Изобретение представляет собой цилиндр высотой 2 см и диаметром 1,5 см. В уникальный сплав неодимового магнита входят такие металлы, как неодим, бор и железо. Неодимовый магнит известен своей мощностью притяжения и высокой стойкостью к размагничиванию. Имеет металлический внешний вид, очень востребован и применяется в разных областях промышленности, медицины, в быту и электронике. Неодимовым магнитом можно поднимать грузы до 400 кг. Поисковым магнитом на неодимовой основе часто вылавливают из реки тяжёлые сейфы и металлолом. Неодимовые магниты используются в производстве жёстких дисков для компьютеров. Обычно такие магниты имеют форму дуги. Компании, которые строят генераторы с магнитным возбуждением, в основном используют их, так как мощность генератора напрямую зависит от силы используемого магнита. Используются в DVD-приводах компьютеров в форме небольшого куба. Очень часто применяются в изготовлении динамиков наушников, радио, мобильных телефонов, смартфонов, планшетов, колонок и т.п. для большей громкости динамика. Производители масляных фильтров применяют неодимовые магниты для задержания металлической стружки из нефтепродуктов. Устройства металлодетекторов также содержат эти магниты. Неодимовые магниты теряют не более 1-2 % своей намагниченности за 10 лет. Но их можно легко размагнитить, нагрев до температуры +70 °C и более. В медицине неодимовые магниты используются в аппаратах для магнитно-резонансной томографии.

К непостоянному магниту относится понятие электромагнита - устройства, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Электромагнит представляет собой проволочную катушку с электрическим током. Отличительным свойством электромагнита является то, что его магнитным полем очень просто управлять, его можно включать и выключать.

Рис 1.3 Прямой провод с током. Ток (I), протекая через провод, создаёт магнитное поле (B) вокруг провода

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой - к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса - северный и южный.

Рис 1.4 Полюсы катушки с током

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис 1.5). Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.

Рис 1.5 Магнитные линии катушки с током

Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней. Магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Таким образом, электромагнит представляет собой катушку с железным сердечником внутри. Электромагнит - одна из основных деталей многих технических приборов. Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис 1.6).

Рис 1.6 Применение электромагнитов

На рисунке 1.7 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис 1.7 Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

У каждого магнита есть полюсы – места магнита, где наблюдается наибольшее взаимодействие. У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).

Рис 1.8 Полюса магнита

У полюсов магнита есть важное свойство – они неотделимы даже при разламывании магнита на части. Всякий магнит состоит из множества мелких магнитиков – доменов. Домены присутствуют даже в ненамагниченном железе в хаотическом расположении. В момент намагничивания домены поворачиваются северными полюсами на север, а южными на юг, и остаются в таком состоянии до тех пор, пока не повлияет фактор, возвращающий их в прежнее состояние.

Рис 1.9 Расположение доменов в ненамагниченном железе

Рис 1.10 Расположение доменов в намагниченном железе

Если магнитную стрелку приблизить к другой такой же стрелке, то они повернутся и установятся друг против друга противоположными полюсами. Так же взаимодействует стрелка и с любым магнитом. Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом, следовательно, разноимённые магнитные полюсы притягиваются, одноимённые отталкиваются. Это правило относится и к электромагнитам.

Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.

Подобно привычному для нас магниту Земля – является самым большим в нашем понимании магнитом.

В настоящее время однозначных взглядов на механизм возникновения магнитного поля Земли не существует. Общепринятой является идея о так называемом динамо-эффекте. Эта теория зародилась еще в 18 веке, когда английский ученый Генри Кавендиш измерил массу Земли. Стало ясно, что плотность Земли слишком высока, чтобы она состояла только из камня. И Кавендиш предположил, что центр нашей планеты состоит из железо-никелевого ядра – как и большинство метеоритов. В 1906 году ученые, изучив волны землетрясений, подтвердили теорию Кавендиша – Земля действительно имеет железо-никелевое ядро, то есть сферу приблизительно 6900 километров в диаметре, которая по своему весу составляет одну треть массы всей планеты. Это ядро с большой скоростью вращается в слое раскаленной магмы, создавая водовороты расплавленного никелевого железа, которые, в свою очередь, и создают эффект электрического тока, текущего по кругу. То есть, именно благодаря наличию подвижного ядра планеты, в Землю оказался, будто бы вставлен брусок магнита, поставленный по вертикали север полюс – южный полюс.

Интересен тот факт, что истинный южный магнитный полюс (отрицательный, где силовые линии магнитного поля «входят» в планету) расположен вблизи Северного географического полюса (в Канадском секторе Арктики), истинный северный магнитный полюс (положительный, где силовые линии «выходят» из Земли) сейчас находится недалеко от Южного географического полюса (в Индийском океане вблизи Антарктиды). Однако условно магнитные полюса Земли принято называть в соответствии с их географическим положением - южный магнитный полюс для удобства договорились считать северным, и наоборот.

Южный магнитный полюс Земли, удалён от Северного географического полюса примерно на 2100 км.

Рис 1.11 Магнитные линии магнитного поля Земли

Таким образом, Земля имеет четыре полюса – два магнитных, и два географических. Это открытие известно еще с 1492 года. Впервые это явление было открыто Колумбом. Когда он на своих каравеллах отправился через океан, то уже через день моряки обнаружили, что компас смотрит не точно на Север, а немного отклоняется. Они это проверяли по наблюдениям за Солнцем с помощью секстанта, который позволяет определить точное направление. Но это можно сделать 1-2 раза в день, а корабль движется постоянно, ориентируясь по компасу. На следующий день стрелка еще больше отклонилась, на корабле начался бунт. Колумб понял, что причиной отклонения являются свойства магнитного поля, и положил топор в том месте, где был компас, тем самым исправил направление стрелки. В своем вахтенном журнале Колумб сделал запись о том, что магнитное поле не всегда точно показывает на север и, что его нужно измерять. И с тех пор начал вести измерения магнитного поля, при этом Колумб и стал основоположником науки о земном магнетизме.

Можно сделать вывод о том, что магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами. В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске - около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске - на 17° влево от соответствующего меридиана.

Таким образом, магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем, длительное время сохраняющим намагниченность, объясняемой существованием электрического тока. Понятие электрический ток и магнит тесно связаны между собой, их взаимосвязям посвящена теория магнетизма. Магниты имеют неразрывные между собой полюса. Искусственные магниты – магниты созданные человеком, с целью получения необходимых свойств по силе превышающих свойства естественных магнитов, и повсеместно применяемых во всех областях промышленности и в быту. Магниты взаимодействуют между собой – одноименные полюса притягиваются, разноименные – отталкиваются, что обусловлено наличием магнитного поля. Самым маленьким магнитом является электрон – самым большим и интересующим нас – наша планета Земля, обладающая четырьмя полюсами, не совпадающими друг с другом – два полюса магнитные и два географические.

1.3 Магнитное поле

Пространство вокруг магнита, где действуют магнитные силы, называют магнитным полем.

Магнитные линии магнитного поля магнита (линии магнитной индукции) – замкнутые линии. Магнитные линии выходят из северного полюса (North) и входят в южный полюс (South), замыкаясь внутри магнита. Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца (рис 1.11).

Рис 1.11 Магнитные линии магнитного поля

Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок (рис 1.12).

Рис 1.12 «Видимое» магнитное поле из железных опилок.

Магнитные линии магнитного поля вокруг проводника с током зависят от направления тока в проводнике.

Существует магнитное поле Земли. Внешние расплавленные слои ядра Земли находятся в постоянном движении, в результате этого в них возникают магнитные поля, формирующие в конечном итоге магнитное поле Земли. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии, то есть какое-то отклонение. Краткосрочные аномалии – магнитные бури, постоянные аномалии – залежи железной руды на небольшой глубине.

Магнитные бури – кратковременные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на стрелку компаса. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью. В период усиления солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц, электронов и протонов. Магнитное поле, образуемое движущимися заряженными частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Магнитные бури - явление кратковременное.

Рис 1.13 А) магнитная буря на Солнце, б) магнитная буря на Земле.

Магнитные бури нередко порождают плохое самочувствие за счет образования кровеносных агрегатов, то есть повышения плотности крови, приводя к ухудшению кислородного обмена.

На земном шаре встречаются области, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклонено от направления магнитной линии Земли. Такие области называют областями магнитной аномалии. Одна из самых больших постоянных магнитных аномалий - Курская магнитная аномалия. Причиной таких аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине.

Рис 1.14 Курская магнитная аномалия

Магнитное поле Земли может изменяться – усиливаться или уменьшаться, основными причинами изменения являются: солнечный ветер, инверсия. Земля постоянно находится под потоком заряженных частиц, которые излучаются Солнцем. Этот поток получил название солнечного ветра. Солнечный ветер создает магнитные бури и полярные сияния. Северное сияние является результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли. Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.

Рис 1.15 Полярное сияние

Под воздействие солнечного ветра происходит деформация магнитосферы, таким образом, наша Земля обладает длинным магнитным хвостом, направленным от Солнца.

Рис 1.16 Магнитосфера Земли

Изучая свойства многих горных пород, используя остаточную намагниченность, геофизики пришли к выводу, что магнитные полюсы Земли много раз менялись местами. За последний миллион лет это случилось семь раз. 570 лет назад магнитные полюса были расположены в районе экватора.

В последнее время все чаще можно услышать о том, что происходит активный процесс по перемещению полюсов Земли, так называемой инверсии.

В декабре 2011 года геомагнитный полюс Земли сместился сразу на 200 километров, что было зафиксировано приборами Центрального Военно-технического института сухопутных войск. В целом ученые наблюдают ускорение движения магнитного северного полюса (и как следствие южного).

Инверсия на сегодняшний день является одной из самой опасной катастроф планетарного масштаба.

В момент инверсии напряженность магнитного поля ослабевает, оставляя людей беззащитными перед солнечной радиацией.

Рис 1.17 Инверсия

Ослабевание магнитного поля Земли приведет к неблагоприятным последствиям. Ученые из США еще в 60-е годы соорудили две камеры для экспериментов, в одной из них сохранялись земные условия, а другую окружили мощным металлически экраном, постепенно уменьшая напряженность магнитного поля Земли в сотни раз. В обе камеры поместили мышей, семена клевера и пшеницы. Через несколько месяцев опыт показал, что в экранированной камере мыши раньше теряли волосяной покров и умирали раньше. Их кожа оказалась более толстой по сравнению с контрольной группой. Кожа разбухала, вытесняя при этом волосяные луковицы, что было причиной облысения. А у растений были замечены более длинные и толстые корни.

Отслеживание состояния магнитного поля является очень важным, поскольку оно является барьером для мощного радиоактивного космического излучения.

Космические аппараты, долетевшие до других планет, зафиксировали их магнитные поля. Самыми сильными магнитными полями обладают: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Полёты межпланетных космических станций и космических кораблей на Луну позволили установить отсутствие у неё магнитного поля. Сильная намагниченность пород лунного грунта, доставленного на Землю, позволяет учёным сделать вывод, что миллиарды лет назад у Луны могло существовать магнитное поле.

Таким образом, можно сделать вывод, что пространство вокруг магнитного поля – пространство вокруг магнита, представляющего замкнутые магнитные линии, выходящие из северного полюса и входящие в южный полюс. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии - краткосрочные – в виде магнитных бурь, и постоянные – в виде образованных областей магнитных аномалий, самой крупной из которых является Курская магнитная аномалия. Магнитное поле Земли подвержено изменению, главными факторами являются – солнечный ветер и инверсия. Инверсия, представляет собой процесс, в результате которого, магнитные полюса меняются местами, и процесс сопровождаемый ослаблением магнитного поля – главного защитника Земли.

Глава 2. Практические аспекты магнитных свойств

2.1 Практические опыты, позволяющие изучить магнитные свойства

2.1.1 Как создать простейший искусственный магнит

Простейший искусственный магнит легко создать и в этом можно убедиться с помощью простейшего опыта. Для опыта необходимо иметь магнит, иголку, пенопласт и тарелку с водой. Чтобы иголка намагнитилась необходимо прикоснуться к ней любым магнитом. Проверить намагниченность можно опустив ее в опилки. По количеству притянутых опилок можно судить о том, что на краях иголки притяжение намного сильнее, чем посередине. То место, где магнит притягивает сильнее всего и называется полюсом.

Рис. 2.1 Намагничивание иголки Рис. 2.2 Притягивание железных опилок

2.1.2 Как проверить наличие полюсов?

Проверить наличие полюсов можно с помощью помещения намагниченной иголки на поплавке в тарелку с водой. После погружения иголка выстроится так, что один конец будет смотреть на север, а другой на юг, что легко проверяется компасом. Соответственно тот конец, который смотрит на север, называется северным полюсом, а тот который смотрит на юг – южным полюсом.

Рис. 2.3 Проверка при помощи компаса «иголка – магнит»

Рис. 2.4 Взаимодействие магнитов – «притяжение-отталкивание»

2.1.3 Доказательство, что полюсы магнита неотделимы

Отделить полюсы друг от друга невозможно, что доказывается с помощью опыта с делением намагниченной иголки на части. В результате проведения опыта можно сделать вывод, что даже у полученных частей иголки имеются два полюса.

Рис. 2.5 Деление намагниченной иголки на части

2.1.4 Способы размагничивания магнита

В теоретической части нами получен вывод, что всякий магнит состоит из множества крошечных магнитиков, и у каждого магнитика есть оба полюса: северный и южный. «Крошечные магнитики» принято называть доменами. В ненамагниченном железе домены располагаются в разных направлениях. После намагничивания домены поворачиваются в одну сторону северными полюсами и в другую сторону – южными. Размагничивание возможно путем нагревания магнита выше температуры Кюри, применения сильного удара молотком по магниту, помещение магнита в переменное магнитное поле. Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов, жёстких дисков, стирания информации на магнитных карточках и так далее. В результате ударов происходит частичное размагничивание материалов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.

Нами проведен доступный опыт с нагреванием ранее намагниченной иголки. После нагревания иголки на огне опилки больше не притягиваются – значит, намагниченность исчезла.

Рис. 2.6 Нагревание намагниченной иголки Рис.2.7 Отсутствие магнитного поля после нагрева

2.1.5 Наглядное представление магнитного поля

Магнитное поле невидимо, но увидеть его мы можем путем проведения опыта с опилками, положив на магнит лист плотной бумаги, предварительно наспав ровным слоем железные опилки. После легкого постукивания по листу каждая крупинка железа, намагнитившись, приобрела северный и южный полюс, став своеобразной магнитной стрелочкой. Опилки располагаются таким образом, что сразу становиться наглядным расположение магнитных сил. У полюсов, где магнитное поле сильнее всего, линии, вдоль которых действуют магнитные силы, идут плотнее, их называют магнитными силовыми линиями.

Рис. 2.8 Наглядное представление магнитного поля

В момент опускания намагниченной иголки в опилки можно заметить, что еще до момента соприкосновения опилки уже начинали прилипать к острию, следовательно, магнитные силы действуют на расстоянии.

2.1.6 Взаимодействие магнитов

Одно из наиболее часто встречающихся в обычной жизни проявлений магнитного поля - взаимодействие двух магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, противоположные притягиваются (рисунок 2.4). Исследовать этот процесс можно с помощью опыта с использованием иголки на поплавке. Достаточно поднести к ней магнит северным полюсом – иголка повернется к нему южным полюсом, а при поднесении магнита южным полюсом повернется северным. Следовательно, разные полюсы притягиваются друг к другу.

2.1.7 Непостоянство магнита. Магнитное поле вокруг проводника с током.

Для подтверждения факта существования непостоянного магнита – электромагнита, наглядно демонстрирующего взаимосвязь электрического тока и магнита, нами проведен опыт с использование батарейки, провода, и компаса. Подсоединив концы провода к клеммам батарейки, и поднеся его к компасу, мы убедились в том, что стрелка сразу меняет направление на противоположное, что обусловлено наличием магнитного поля. Поменяв концы местами, мы увидели, что магнитное поле тут же «перевернулось» - это и показывает нам магнитная стрелка компаса.

Из этого опыта можно заключить, что электромагнит – непостоянный магнит, магнитным полем которого можно управлять. Направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике (Рисунок 2.9).

Рис. 2.9. Расположение стрелки после помещения проводника с током к компасу

Заключение

Изучение теоретических аспектов магнитных свойств и взаимодействий, с подтверждением их практическими опытами, сделали возможным достижение поставленной цели настоящей работы – получение представления о магнитных свойствах магнита и Земли.

В ходе работы над проектом выяснено, что магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем, длительное время сохраняющим намагниченность. Намагниченность тел объясняется существованием электрических токов, то есть понятия электрический ток и магнит связаны между собой, их взаимосвязям посвящен целый раздел физики. Магниты, созданные природой слабее искусственных магнитов, созданных человеком и широко применяемых во всех областях промышленности и в быту.

Магниты, обладая неразрывными двумя полюсами способны размагнититься при нагревании до определенной температуры. Магниты взаимодействуют между собой, что объясняется наличием магнитного поля. Самым маленьким магнитом является электрон и самым большим, интересующим нас магнитом является Земля – обладающая четырьмя полюсами – двумя магнитными и двумя географическими не совпадающими друг с другом.

Магнитное поле представляет собой замкнутые линии, выходящие из северного полюса и входящие в южный полюс. Магнитное поле Земли вызывает магнитные аномалии – краткосрочные в виде магнитных бурь и области магнитных аномалий. Магнитное поле Земли подвержено изменению, основными влияющими факторами является солнечный ветер и инверсия. Инверсия представляет собой процесс, в ходе которого магнитные полюса меняются местами, уменьшая напряженность магнитного поля – главного защитника Земли.

Таким образом, можно сделать вывод, что задачи, поставленные в начале проекта, решены, получены начальные знания о магнитных процессах магнитов и Земли, в отношении которой теперь мне известно, что так называемая «переполюсовка» - неизбежный процесс, который опасен как для всего человечества и отдельному его представителю. И если теперь мне зададут вопрос: «А знаю ли я, где находятся магнитные полюса?» я обязательно спрошу «В какое время интересует нахождение полюсов?».

Список литературы

Большая книга экспериментов для школьников/ Под ред. Антонеллы Мейяни; Пер. с ит. Э.И. Мотылевой. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2006. – 260 с.

Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. Том 7 – Москва, 1994.

Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика / Сост. А.А. Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998. – 480 с.

М. А. Константиновский «Почему Земля – магнит?»

Энциклопедия Википедия. Магнит.

А.И. Дьяченко Магнитные полюса Земли. Серия: Библиотека. Математическое просвещение. М.: МЦНМО, 2003. – 48 с.

Открыли новый этап в развитии науки о земном магнетизме, науки, насчитывающей уже четыре столетия своего существования.

Как известно, еще в 1600 году в Лондоне вышла знаменитая книга Вильяма Гильберта «О магните», где впервые было установлено, что наша планета представляет собой большой шарообразный магнит, ничем не отличающийся по своим проявлениям на поверхности от любого другого сферического магнита. Шаровые магниты вытачивались Гильбертом из природной намагниченной железной руды (магнетита) и исследовались в качестве моделей Большой Земли. Такая малая модель земного шара была названа Гильбертом терреллой - землицей.

В последующие столетия изучение магнетизма нашей планеты интенсивно развивалось. В настоящее время учение о земном магнитном поле представляет собой разветвленную область знаний, связанных со многими науками о Земле и Солнце. Благодаря новейшим научным исследованиям в самое последнее время были намечены пути, позволяющие хотя бы в общих чертах выяснить происхождение магнетизма Земли. Впервые после многих десятков лет напряженных поисков и исканий ученые получили возможность измерения напряженности геомагнитного поля не только на поверхности планеты, но и на больших расстояниях от Земли. В настоящее время приборы, установленные на искусственных спутниках и ракетах, открывают завесу над тайнами распределения магнитного поля на больших расстояниях от центра Земли. Теперь мы можем на основе тщательных наблюдений утверждать, что источники земного магнетизма находятся в основном в трех сферах нашей планеты: в ядре, коре и высокой атмосфере. Главное магнитное поле Земли более или менее постоянно. Это объясняется большинством современных исследований как результат действия замкнутых систем электрических токов в жидкообразном ядре, внешняя оболочка которого отстоит на 3 000 километров от земной поверхности. Внутри ядра имеется как бы катушка из проводника, обтекаемая электрическим током. Она создает первичное магнитное поле, наблюдаемое на Земле и управляющее перемещением стрелки компаса. Но первичное поле не строго постоянно: оно меняется, отражая изменения в силе и в направлении электрических токов . Такие изменения бывают, по-видимому, двух родов: одни - очень медленные, обнаруживаемые по истечении десятков тысяч лет, и другие - более быстрые, вековые изменения. Последние объясняются наложением на поле главных токовых систем в жидком ядре полей от мелких вихревых токов, образующихся на его поверхности и быстро перемещающихся с востока на запад.

Как известно, географические и магнитные полюсы Земли не совпадают, а углы между магнитными и географическими меридианами, называемые склонением, с течением времени изменяются вследствие векового хода поля. Но для использования компаса в морской и воздушной навигации надо точно знать распределение склонения на всей поверхности земного шара. Для этой цели во многих странах создана государственная служба земного магнетизма, которая следит за состоянием магнитного поля Земли, составляет карты распределения этого поля, необходимые для штурманской службы и других практических нужд.

Второй областью источников геомагнитного поля является земная кора. Горные породы, содержащие окислы железа и других ферромагнитных металлов, остывая в первичном магнитном поле Земли, могут приобретать весьма сильную намагниченность. Интересно отметить, что именно этот вторично образовавшийся магнетизм железных руд и создал первое представление о том, что Земля является ферромагнитным намагниченным шаром (Гильберт). Но ферромагнитные элементы неравномерно распределены в земной коре. Там, где их скопилось больше, в распределении магнитного поля обнаружены значительные отклонения от нормального. Такие места поверхности Земли получили название магнитных аномалий. В нашей стране имеется много магнитных аномалий. На одной из них - Курской магнитной аномалии - напряженность магнитного поля в пять раз больше средней напряженности поля Земли. Проведение магнитной съемки имеет, таким образом, огромное научное и практическое значение, ибо оно связано с планомерным использованием полезных ископаемых земной коры и выяснением структуры геомагнитного поля в целом.

Следует также отметить, что исследования магнитного поля, возникающего в земной коре, служат в настоящее время выяснению многих вопросов геологической истории. В далекие геологические времена, отстоящие от нас на сотни миллионов лет, происходили вулканические извержения; лавы остывали в магнитном поле Земли, и при этом они намагничивались по направлению существовавшего тогда земного магнитного поля. Если с тех пор породы не подвергались серьезным дислокациям и сдвигам, то, выбирая куски этих пород и измеряя направление остаточной намагниченности, можно выяснить, как было направлено геомагнитное поле в эпоху остывания лав. Оказалось также, что осадочные породы, включая в себя крупинки ранее намагниченных ферромагнитных горных пород, при осаждении их в водоемах закрепляли в себе направление геомагнитного поля, которое существовало во время образования пород. Исследования горных пород, позволяющие определить, как было направлено геомагнитное поле в отдаленные геологические эпохи, называются палеомагнитными. В течение последних лет выполнен обширный цикл таких работ. В результате ученые пришли к выводу, что земное поле во все геологические эпохи имело такое же строение, как и в настоящее время, то есть оно являлось полем намагниченного шара с двумя полюсами (дипольным); однако в разные времена эти полюса меняли свое место на поверхности Земли; например, в докембрийское время северный магнитный полюс перемещался с северо-запада на восток и далее в юго-восточном направлении.

МАГНЕТИЗМ НУЖЕН ЧЕЛОВЕКУ Представьте себе, что железо, никель и другие материалы неожиданно потеряли свои магнитные свойства. Остановились бы все фабрики и заводы, погасло бы электрическое освещение; телеграф, телефон и радио перестали бы действовать; остановились бы трамваи, троллейбусы и электропоезда. На кораблях и самолетах компасы вышли бы из строя и т. д. Произошла бы страшная катастрофа, потому что буквально вся техника применяет магнитные материалы. Они нужны при изготовлении важнейших машин и приборов; из них делают статоры и сердечники гигантских динамомашин и трансформаторов, изготовляют мельчайшие детали сложных приборов, применяемых в военном деле, в лабораториях и на заводах. Вот какое огромное значение в нашей жизни играет магнит. ЧТО ЗНАЛИ В СТАРИНУ О МАГНЕТИЗМЕ? Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Индусские врачи две с половиной тысячи лет назад рекомендовали пользоваться магнитом для вытаскивания железных наконечников стрел, вонзившихся в тело. Но ни римляне, ни греки, ни египтяне, ни индусы не знали, что магнит может быть указателем юга и севера и служить в качестве компаса. Это открытие было сделано китайцами. В каком веке китайцы начали пользоваться компасом, сказать трудно. Но во всяком случае за 200 лет до нашей эры в знаменитом китайском словаре «Шо-вэнь» слово «магнит» было объяснено так: «Магнит-камень, который может дать направление». В Европу компас привезли арабы. Они заимствовали его у китайцев и в IX веке начали им пользоваться для мореплавания. В европейских книгах в XII веке компас впервые описывается так: «Кусок магнитной руды на поплавке». Но никаких теорий, объясняющих свойства магнита, не существовало до начала XIX века. Если, конечно, не считать таких объяснений, которые предлагались, например, древнегреческими философами - Фалесом Милетским и Платоном. Фалес считал, что в магните есть «душа», от которой исходит притяжение. В то время думали, что только одушевленные предметы могут приводить в движение окружающие их тела. Платон наделял магнит «божественной силой», которая порождает притяжение. Замечательный римский поэт Лукреций Кар в своей книге «О природе вещей», написанной 2100 лет назад, пытался объяснить все явления природы, в том числе и магнетизм, «истечением» из тел материальных частиц, летящих во все стороны. Не только в глубокой древности, но и в средние века высказывались совершенно фантастические мнения по поводу свойств магнита. Автор одного из средневековых трактатов о магнетизме пишет: «Магнит любит красный цвет и обернутый в красную фланель он лучше сохраняет силу, чем без такого одеяния», «Магнит не любит чесноку и луку», «Гроб Магомета магнитной силой держится в воздухе» и т. д.

Главная » Части речи » Почему планета земля является магнитом. Почему земля магнит