Магнитное поле Земли

Магнетизм. Магнетизм – особая форма материальных взаимодействий, возникающих между движущимися электрически заряженными частицами. Магнитных масс или количеств магнетизма, как особых субстанций в природе, не существует. Магнитные свойства физических тел обусловлены движением электрических зарядов, в том числе различными электрическими токами (гипотеза Ампера, ставшая теорией).

Современное учение магнетизма можно разделить на атомный магнетизм (магнетизм изолированных молекул атомов, атомных ядер, отдельных элементарных частиц материи) и на магнетизм вещества или конденсированных систем (магнитное взаимодействие между собой групп атомов и молекул составляющих газообразные, жидкие и твёрдые тела).

Магнитное поле. Пространство, в котором действуют силы магнетизма, называется магнитным полем.

Между покоящимися электрически заряженными материальными частицами существует гравитационное притяжение и электрическое (точнее, электростатическое) поле в виде сил притяжения и отталкивания. Если происходит взаимное перемещение электрически заряженных частиц, то при неизбежном изменении гравитационных и электрических сил возникает ещё один вид взаимодействия – магнитное поле.

Электрическое и магнитное поля являются частным случаем единого электромагнитного поля (теория Максвелла). Одно из существенных свойствэлектромагнитного поля заключается в том, что при изменении электрического поля меняется магнитное поле и наоборот.

Количественной характеристикой силового поля служит его напряженность, которая в каждой точке пространства может быть изображена в виде вектора, характеризующего численное значение напряженности и её направление. Однако исторически сложилось так, что истинная напряженность магнитного поля получила название магнитной индукции В, а наименование напряженности магнитного поля Н закрепилось за другой, производной от индукции величиной.

Магнитная индукция в вакууме может быть определена по закону Био-Савара-Лапласа:

(в векторной форме) ;

(в модульной форме) , где

α– угол между dl и r;

_

dB – магнитная индукция, создаваемая элементом dl проводника с током i;

r– радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в рассматриваемую точку;

k – коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения.

В СИ k = μ_o/4π, где μ_o – магнитная постоянная.

Силовые линии магнитной индукции замкнуты (не имеют ни начала, ни конца).

Единицей магнитной индукции в СИ является Тесла (Тл), размерность кг/(с²·А). Тл = Вб/м² = В · с/м².

Возникающая намагниченность вещества I характеризуется магнитным моментом единицы объёма. Направление I совпадает с направлением поля В¹, зависящим от физических свойств среды, формы и размеров области, заполненной этой средой.

Единица намагниченности специального наименования не имеет, а её размерность А/ м.

Напряженность магнитного поля Н считается вспомогательной величиной и определяется следующим образом:

, измеряется в

_

где I – вектор намагниченности;

μ_о – магнитная постоянная (4π·10^–7 Гн/ м)

Силовые линии Н разрывны. Они начинаются и кончаются на поверхностях раздела тел с различными магнитными характеристиками. Единица напряженности в СИ названия специального не имеет, а её размерность А/м.

Магнитное поле Земли

Магнитные поля широко распространены во Вселенной. Они существуют у звёзд, в космическом пространстве; имеется магнитное поле у Солнца и у планет Юпитер и Сатурн. Имеются определённые данные о наличии собственного магнитного поля у планет Уран и Нептун. В то же время космическим аппаратам не удалось обнаружить магнитного поля у наших трёх ближайших космических соседей. Верхние пределы для магнитных моментов следующие:

М_Луны < 10^-5 М_Земли; М_Марса < 3 · 10 ^-4 М_Земли; М_Венеры < 3 · 10 ^-3 М_Земли

Момент инерции Марса гораздо меньше Земли. Это указывает на малые размеры его ядра, в котором не могут генерироваться существенные электромагнитные процессы. Венера вращается очень медленно, её период равен ~ 243 суткам. А скорость вращения является одним из необходимых условий существования магнитного поля. Нижним пределом самоподдержания магнитного поля в ядре Земли считается значение 0.08 М_Земли.

Пусть точка Р находится на поверхности сферической Земли, в центре которой помещён диполь .В этом случае относительно поверхности Земли горизонтальная и вертикальная составляющие поля Н и Z в точке Р находятся следующим образом:

Тогда величина полной напряженности поля В составит:

и наклонение поля I – угол относительно горизонтали:

, где φ – геомагнитная широта, φ = 90º - θ

Считают, что ~ 90% современного геомагнитного поля может быть представлено полем диполя, расположенного в центре Земли; ось диполя составляет с осью вращения Земли угол около 11.5º. Недипольное поле получается в результате вычитания наиболее подходящего дипольного поля из наблюденного поля, существующего в данное время.

Свойства геомагнитного поля

1. Геомагнитное поле разделяется на внутреннее и внешнее, т.е. на поля, источники которых расположены внутри и вне поверхности Земли. Источники внутреннего поля находятся в земном ядре, за исключением небольшого фона от намагниченности горных пород. Внешнее магнитное поле на поверхности Земли в магнитоспокойное время не превышает 3 · 10^{- 4} Э (30γ) и возрастает в несколько раз во время магнитных бурь.

2. Главное магнитное поле не является постоянным. Оно испытывает вековые вариации, когерентные на большей части поверхности Земли. За последнее столетие дипольное поле уменьшалось примерно на 0.04% в год или в среднем на 50 γ/год. Относительная величина годового изменения недипольного поля составляет в среднем 10 γ/год.

3. Западный дрейф недипольного поля составляет 0.2º в год по долготе и совершает оборот вокруг земной оси за 2000 лет.

4. Западное прецессионное вращение диполя на 0.05º в год по долготе и вращении диполя относительно географической оси на 0.02º в год по широте.

5. Центр земного магнитного диполя смещён относительно центра планеты на r_о = 0.07 · R₃.

6. Инверсия (обращение) геомагнитного поля устанавливается по результатам палеомагнитных исследований, проведенных в прошлом веке на территориях Франции, Исландии, СССР, Японии, Австралии, Африки и др.

Природа геомагнетизма

Вопрос о причинах магнетизма у космических тел и, в частности, у Земли привлекал внимание многих ученых. В последние десятилетия ученые как будто нащупали правильные пути, позволяющие в принципе объяснить геомагнетизм, но законченная теория всё ещё не создана.

Современные теории геомагнетизма исходят из предположения, что магнитное поле Земли создаётся и поддерживается за счет так называемого динамо-механизма. В грубых чертах считается, что создание магнитного поля в ядре происходит также, как и в динамо-машине с самовозбуждением.