Магнетизм
Магнетизм является составляющей понятия такой основной силы, как электромагнетизм. В 1873 году шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл опубликовал теорию, объясняющую практически все электрические и магнитные явления. Данная теория описывает, как переменная электрическая сила, вызванная движением электрических частиц (электрический ток), может создать магнитную силу (так происходит, например, в электромоторе), а переменная магнитная сила вызывает электрическую силу (принцип работы генератора). Электрическая и магнитная силы, действующие на движущуюся заряженную частицу, обычно изменяются со временем и в пространстве. Вместо того, чтобы уточнять, как именно эти силы видоизменяются от места к месту, мы можем использовать вспомогательные величины, независящие от заряда и скорости частицы. Таким образом, мы сможем описать потенциальные электрические и магнитные возмущения, даже при отсутствии заряда. Эти величины представляют собой электрическое поле (E) и магнитное поле (B). Поле – это просто физическая величина, которая принимает различные значения в различных точках пространства. Магнитное и электрическое поля – это векторные поля, потому что они характеризуется и величиной, и направлением. Поле может быть представлено семейством линий поля. В любой точке пространства касательная к линии поля – это направление магнитного поля в данной точке, а расстояние между линиями поля – это его числовая характеристика. Чем ближе друг к другу расположены линии, тем напряженнее поле. В средней школе большинство из нас видели такое поле, когда исследовали магнитное поле стержневого электромагнита с помощью железных опилок. Электрические приборы, минералы, содержащие железо, даже человеческое тело создают магнитные поля. Но на все эти поля накладывается поле самой Земли.
Геомагнитное поле
Магнитное поле Земли, называемое еще геомагнитным полем, в основном возникает из электропроводящей внешней оболочки ядра. Более 90 процентов геомагнитного поля формируется именно там. Эта часть поля называется основным полем. На основное поле накладываются дополнительные поля, создаваемые намагниченными горными породами в коре Земли; поля, возникающие вне Земли из-за электрического тока в ионосфере и магнитосфере, появляющегося из-за движения ионов и электронов; электрические токи, проходящие в коре Земли (обычно создаваемые различными внешними магнитными полями); и воздействия океанских течений. Величины этих дополнительных геомагнитных полей изменяются во времени и пространстве. Например, поля, созданные течениями в ионизированных верхних слоях атмосферы и в магнитосфере, могут достигать 10 процентов от величины основного поля. Шкала времени изменений во всем магнитном поле меняется от долей секунды (микропульсации, вызванные свойствами магнитосферы и солнечного ветра) до миллионов лет (шкала времени для полной перемены основного поля).
Основное магнитное поле Земли обладает высокой степенью симметрии. В действительности, оно сходно с полем, которое существовало бы, если бы в центре Земли находился огромный стержневой электромагнит. Данное поле (называемое дипольным полем) имеет ось симметрии параллельную такому магниту и пересекает поверхность Земли в Арктике в северном геомагнитном полюсе и в Антарктиде в южном геомагнитном полюсе. Линии магнитного поля исходят из южного полушария и вновь входят в Землю в северном полушарии таким образом, что северный геомагнитный полюс в действительности является южным полюсом дипольного поля. Дипольная ось не параллельна оси вращения Земли, а отклоняется от него на 10 градусов, поэтому геомагнитные и географические полюса не совпадают. Северный геомагнитный полюс сейчас находится рядом с островом Эллесмир на территории Канадского арктического архипелага, а южный геомагнитный полюс расположен на расстоянии примерно 1000 километров к югу от Австралии. Я говорю "сейчас", потому что полюса медленно дрейфуют в результате происходящих перемен в основном магнитном поле Земли.
Фактически основное поле структурно намного сложнее дипольного поля. Следовательно, линии основного поля не расположены перпендикулярно на геомагнитных или дипольных полюсах. Линии поля вертикальны в местах, известных как магнитные полюса или наклонные магнитные полюса. Они смещены на сотни километров от геомагнитных полюсов.
В любой точке пространства вектор геомагнитного поля определяется следующими параметрами: величиной и направлением, выраженном с помощью трёх ортогональных компонентов в выбранной системе координат или используя набор связанных с ним параметров. Традиционно, направление вектора геомагнитного поля определяется горизонтальной и вертикальной составляющими в базовой системе координат, в которой ось абсцисс направлена на астрономический или географический север, ось z - на надир (локальное направление гравитационной составляющей), а ось ординат завершает правовинтовую систему. Также в качестве альтернативы можно использовать геодезическую базовую систему координат и соответствующий ей базовый эллипсоид.
|
|
|
Рис. 1. Параметры или элементы геомагнитного поля: склонение (D), уклон (I), напряжение поля (F), горизонтальная составляющая поля (H), северная (X) и восточная (Y) составляющие поля. |
Угол между горизонтальной составляющей вектора геомагнитного поля B и географическим направлением на север называется магнитным направлением или магнитным склонением (D). Угол между B и горизонтальной плоскостью называется магнитным уклоном или магнитным наклоном (I). Величины D и I измеряются в градусах, положительным значением для D считается направление на восток, а положительным для I - направление вниз. Величина или напряжение всего поля (иногда обозначаемое как F) может быть разделено на горизонтальную (H) и вертикальную (Z) составляющие, как показано на рис. 1. В свою очередь горизонтальная компонента может быть разбита на северную (X) и восточную (Y) составляющие. Эти составляющие измеряются в эрстедах Oe, но традиционно представляются в нанотеслах (нT) (1 Oe = 105 нT). Напряжение магнитного поля Земли примерно составляет от 25000 до 65000 нТ (0.25-0.65 Oe). (См. таблицу 1 с величинами напряженности других магнитных полей).
Таблица 1. Сравнительные величины напряженности различных магнитных полей.
|
Источник |
Величина |
|
Сильнейший когда-либо сделанный магнит |
16 T |
|
Маленький стержневой электромагнит |
0.01 T |
|
Основное поле Земли |
25000-65000 нT |
|
Горы Земной коры |
і200 нT |
|
Ионосфера/магнитосфера |
20-1000 нT |
|
Микропульсации |
1-3 нТ (иногда 30 нT) |