المجال المغناطيسي للأرض: الأصل ، الخصائص ، الوظيفة - جسدي - بدني - 2025

في المجال المغناطيسي للأرض هو التأثير المغناطيسي أن يمارس الأرض والتي تمتد من باطنها إلى مئات الكيلومترات في الفضاء. إنه مشابه جدًا لتلك التي ينتجها قضيب مغناطيسي. تم اقتراح هذه الفكرة من قبل العالم الإنجليزي ويليام جيلبرت في القرن السابع عشر ، والذي لاحظ أيضًا أنه لا يمكن فصل أقطاب المغناطيس.

يوضح الشكل 1 خطوط المجال المغناطيسي للأرض. يتم إغلاقها دائمًا ، وتذهب من الداخل وتستمر في الخارج ، وتشكل نوعًا من الغطاء.

الشكل 1. المجال المغناطيسي للأرض يشبه المجال المغناطيسي لقضيب مغناطيسي. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

لا يزال أصل المجال المغناطيسي للأرض لغزا. إن اللب الخارجي للأرض ، المصنوع من الحديد الزهر ، لا يستطيع بمفرده إنتاج الحقل ، لأن درجة الحرارة تجعله يدمر النظام المغناطيسي. تُعرف عتبة درجة الحرارة لذلك باسم درجة حرارة كوري. لذلك من المستحيل أن تكون كتلة كبيرة من المواد الممغنطة مسؤولة عن المجال.

بعد استبعاد هذه الفرضية ، يجب أن نبحث عن أصل المجال في ظاهرة أخرى: دوران الأرض. يؤدي هذا إلى تدوير اللب المنصهر بشكل غير منتظم ، مما يؤدي إلى إنشاء تأثير الدينامو ، حيث يولد السائل تلقائيًا مجالًا مغناطيسيًا.

يُعتقد أن تأثير الدينامو هو سبب المغناطيسية للأجسام الفلكية ، على سبيل المثال الشمس. ولكن حتى الآن لا يُعرف سبب قدرة السائل على التصرف بهذه الطريقة وكيف يمكن للتيارات الكهربائية المنتجة البقاء.

مميزات

- إن المجال المغناطيسي للأرض هو نتيجة ثلاث مساهمات: المجال الداخلي نفسه ، والمجال المغناطيسي الخارجي ، ومجال المعادن المغناطيسية في القشرة:

1. المجال الداخلي: يشبه المجال المغناطيسي ثنائي القطب (المغناطيس) الموجود في مركز الأرض ومساهمته حوالي 90٪. إنه يختلف ببطء شديد مع مرور الوقت.
2. المجال الخارجي: يأتي من النشاط الشمسي في طبقات الغلاف الجوي. إنه لا يشبه ثنائي القطب وله العديد من الاختلافات: اليومية ، والسنوية ، والعواصف المغناطيسية ، وأكثر من ذلك.
3. الصخور المغناطيسية في قشرة الأرض ، والتي تخلق أيضًا مجالها الخاص.

- المجال المغناطيسي مستقطب ، ويعرض قطبين شمالي وجنوبي ، تمامًا مثل قضيب المغناطيس.

- نظرًا لأن القطبين المتقابلين يجذبان بعضهما البعض ، فإن إبرة البوصلة ، وهي قطبها الشمالي ، تشير دائمًا إلى المنطقة المجاورة للشمال الجغرافي ، حيث يوجد القطب الجنوبي لمغناطيس الأرض.

- يتم تمثيل اتجاه المجال المغناطيسي في شكل خطوط مغلقة تغادر الجنوب المغناطيسي (القطب الشمالي للمغناطيس) وتدخل الشمال المغناطيسي (القطب الجنوبي للمغناطيس).

- في الشمال المغناطيسي - وفي الجنوب المغناطيسي أيضًا - يكون المجال متعامدًا على سطح الأرض ، بينما عند خط الاستواء ، الحقل يرعى. (انظر الشكل 1)

- شدة المجال أكبر بكثير عند القطبين منها عند خط الاستواء.

- لا يتم محاذاة محور ثنائي القطب الأرضي (الشكل 1) ومحور الدوران. هناك إزاحة مقدارها 11.2 بينهما.

العناصر الجيومغناطيسية

نظرًا لأن المجال المغناطيسي متجه ، فإن نظام الإحداثيات الديكارتية XYZ مع الأصل O يساعد في تحديد موقعه.

الشكل 2. العناصر الجيومغناطيسية. المصدر: F. Zapata.

الكثافة الكلية للمجال المغناطيسي أو الحث هي B وإسقاطاتها أو مكوناتها هي: H أفقيًا و Z عموديًا. ترتبط من خلال:

-D ، زاوية الانحراف المغناطيسي ، تكونت بين H والشمال الجغرافي (المحور X) ، موجبة باتجاه الشرق وسالبة باتجاه الغرب.

-I ، زاوية الميل المغناطيسي ، بين B و H ، موجبة إذا كانت B أقل من الأفقي.

سيتم توجيه إبرة البوصلة في اتجاه H ، المكون الأفقي للحقل. المستوى الذي يحدده B و H يسمى خط الزوال المغناطيسي ، بينما ZX هو خط الزوال الجغرافي.

يتم تحديد متجه المجال المغناطيسي بالكامل إذا كانت ثلاثة من الكميات التالية معروفة ، والتي تسمى العناصر المغناطيسية الأرضية: B ، H ، D ، I ، X ، Y ، Z.

وظيفة

فيما يلي بعض أهم وظائف المجال المغناطيسي للأرض:

- استخدمها البشر لتوجيه أنفسهم بالبوصلة لمئات السنين.

- يمارس وظيفة وقائية للكوكب ، من خلال تغليفه وصرف الجسيمات المشحونة التي تنبعث منها الشمس باستمرار.

- على الرغم من ضعف المجال المغناطيسي للأرض (30-60 ميكرو تسلا) مقارنةً بالمختبر ، إلا أنه قوي بما يكفي بحيث تستخدمه بعض الحيوانات لتوجيه نفسها. وكذلك الطيور المهاجرة والحمام الزاجل والحيتان وبعض أسراب الأسماك.

- يستخدم مقياس المغناطيسية أو قياس المجال المغناطيسي للتنقيب عن الموارد المعدنية.

الأضواء الشمالية والجنوبية

تُعرف باسم الأضواء الشمالية أو الجنوبية ، على التوالي. تظهر عند خطوط العرض بالقرب من القطبين ، حيث يكون المجال المغناطيسي عموديًا تقريبًا على سطح الأرض وأكثر كثافة بكثير منه عند خط الاستواء.

الشكل 3. الشفق القطبي الشمالي في ألاسكا. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

يرجع أصلها إلى الكمية الكبيرة من الجسيمات المشحونة التي ترسلها الشمس باستمرار. عادةً ما ينجرف أولئك المحاصرون بالحقل نحو القطبين بسبب الكثافة العالية. هناك يستفيدون منه لتأيين الغلاف الجوي وفي هذه العملية ينبعث الضوء المرئي.

يمكن رؤية الأضواء الشمالية في ألاسكا وكندا وشمال أوروبا ، نظرًا لقربها من القطب المغناطيسي. ولكن بسبب هجرة هذا ، من الممكن أن يصبحوا بمرور الوقت أكثر وضوحًا نحو شمال روسيا.

لا يبدو أن هذا هو الحال في الوقت الحالي ، على الرغم من أن الشفق القطبي لا يتبع الشمال المغناطيسي غير المنتظم.

الميل المغناطيسي والملاحة

للملاحة ، خاصة في الرحلات الطويلة جدًا ، من المهم للغاية معرفة الانحراف المغناطيسي ، من أجل إجراء التصحيح اللازم وإيجاد الشمال الحقيقي.

يتم تحقيق ذلك عن طريق الخرائط التي تشير إلى خطوط الانحدار المتساوي (متساوي الأضلاع) ، حيث يختلف الانحراف اختلافًا كبيرًا وفقًا للموقع الجغرافي. هذا يرجع إلى حقيقة أن المجال المغناطيسي يختبر اختلافات محلية باستمرار.

الأعداد الكبيرة المرسومة على المدارج هي الاتجاهات بالدرجات بالنسبة للشمال المغناطيسي ، مقسومة على 10 ومدورة.

شباب الشمال

بقدر ما قد يبدو محيرًا ، هناك عدة أنواع من الشمال ، محددة ببعض المعايير الخاصة. وهكذا يمكننا أن نجد:

الشمال المغناطيسي هو النقطة على الأرض حيث يكون المجال المغناطيسي متعامدًا على السطح. هناك نقاط البوصلة ، وبالمناسبة ، فهي ليست متناقضة (عكسها تمامًا) مع الجنوب المغناطيسي.

الشمال المغنطيسي الأرضي هو المكان الذي يرتفع فيه محور ثنائي القطب المغناطيسي إلى السطح (انظر الشكل 1). نظرًا لأن المجال المغناطيسي للأرض أكثر تعقيدًا قليلاً من المجال ثنائي القطب ، فإن هذه النقطة لا تتطابق تمامًا مع الشمال المغناطيسي.

الشمال الجغرافي ، يمر من هناك محور دوران الأرض.

شمال لامبرت أو الشبكة ، هي النقطة التي تلتقي عندها خطوط الطول في الخرائط. لا يتطابق تمامًا مع الشمال الحقيقي أو الجغرافي ، حيث يتشوه السطح الكروي للأرض عند الإسقاط على مستوى.

الشكل 4. مختلف الشمال وموقعها. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. كافيت

انعكاس المجال المغناطيسي

هناك حقيقة محيرة: يمكن للأقطاب المغناطيسية أن تغير موقعها خلال بضعة آلاف من السنين ، وهذا يحدث حاليًا. في الواقع ، من المعروف أنه حدث 171 مرة من قبل ، في آخر 17 مليون سنة.

تم العثور على الدليل في الصخور الخارجة من صدع في وسط المحيط الأطلسي. عندما يخرج ، يبرد الصخر ويتصلب ، ويحدد اتجاه مغنطة الأرض في الوقت الحالي ، وهو محفوظ.

لكن حتى الآن لا يوجد تفسير مرضٍ لسبب حدوث ذلك ، ولا يوجد مصدر للطاقة اللازمة لعكس المجال.

كما تمت مناقشته سابقًا ، يتحرك الشمال المغناطيسي حاليًا بسرعة نحو سيبيريا ، كما يتحرك الجنوب أيضًا ، وإن كان ببطء أكبر.

يعتقد بعض الخبراء أن ذلك يرجع إلى التدفق العالي السرعة للحديد السائل أسفل كندا مباشرة مما يضعف المجال. قد تكون أيضًا بدايات انعكاس مغناطيسي. آخر حدث حدث قبل 700000 عام.

قد يكون الدينامو الذي يؤدي إلى مغناطيسية الأرض ينطفئ لبعض الوقت ، إما تلقائيًا أو عن طريق بعض التدخل الخارجي ، مثل اقتراب مذنب على سبيل المثال ، على الرغم من عدم وجود دليل على هذا الأخير.

عند إعادة تشغيل الدينامو ، بدلت الأقطاب المغناطيسية أماكنها. ولكن يمكن أن يحدث أيضًا أن الانعكاس لم يكتمل ، بل هو تغيير مؤقت للمحور ثنائي القطب ، والذي سيعود أخيرًا إلى موضعه الأصلي.

تجربة

يتم تنفيذه باستخدام ملفات Helmholtz: ملفان دائريان متماثلان ومتحدان المركز ، تمر من خلاله نفس شدة التيار. يتفاعل المجال المغناطيسي للملفات مع مجال الأرض ، مما يؤدي إلى ظهور مجال مغناطيسي ناتج.

الشكل 5. تجربة لتحديد قيمة المجال المغناطيسي للأرض. المصدر: F. Zapata.

يتم إنشاء مجال مغناطيسي موحد تقريبًا داخل الملفات ، ويكون حجمه:

-أنا هي شدة التيار

-μ _o هي النفاذية المغناطيسية للفراغ

-R هو نصف قطر الملفات

معالجة

مع بوصلة وضعها في محور محوري لفائف، وتحديد اتجاه المجال المغناطيسي الأرضي B _T.

-Oriente محور لفائف ليكون عمودي على B _T. وهكذا مجال B _H لدت كما يتم تمرير تيار، وسوف تكون عمودية على B _T. في هذه الحالة:

الشكل 6. الحقل الناتج هو ما ستحدده إبرة البوصلة. المصدر: F. Zapata.

-B _H يتناسب مع التيار المار عبر الملفات ، بحيث يكون B _H = kI ، حيث k هو ثابت يعتمد على هندسة الملفات المذكورة: نصف القطر وعدد الدورات. تيار قياس، يمكن أن يكون لها قيمة B _H. لهذا السبب:

هكذا:

- يتم تمرير تيارات مختلفة عبر الملفات ويتم تسجيل الأزواج (I ، tg θ) في جدول.

- الرسم البياني أنا مقابل. tg θ. نظرًا لأن الاعتماد خطي ، نتوقع الحصول على خط ، يكون ميله م:

-Finally، من على التوالي - خط تناسب المربعات الصغرى أو تعديل البصرية، وتشرع في تحديد قيمة B _T.

المراجع

1. المجال المغناطيسي للأرض. تم الاسترجاع من: web.ua.es
2. مجموعة Magneto-hydrodynamics لجامعة نافارا. تأثير دينامو: التاريخ. تم الاسترجاع من: fisica.unav.es.
3. كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. الطبعة السادسة المختصرة. سينجاج ليرنينج.
4. وعاء. المجال المغناطيسي للأرض وتغيراته في الزمن. تم الاسترجاع من: image.gsfc.nasa.gov.
5. ناشونال جيوغرافيك. القطب الشمالي المغناطيسي للأرض يتحرك. تم الاسترجاع من: ngenespanol.com.
6. Scientific American. للأرض أكثر من قطب شمالي واحد. تم الاسترجاع من: scientificamerican.com.
7. ويكيبيديا. القطب المغنطيسي الأرضي. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org.