Работа 41. Измерение напряжённости магнитного поля Земли

О.В. Матузаева, А.Г. Рипп

Цель работы

Измерить горизонтальную составляющую вектора напряжённости магнитного поля Земли в районе города Севастополя.

1. Краткая теория

Магнитное поле Земли.

Наша планета Земля, как и многие другие планеты, представляет собой магнитный диполь. Исследования свойств этого диполя ведутся уже давно. Вот краткие результаты этих исследований.

1. Магнитное поле Земли – это суперпозиция трёх полей: основного, аномального и внешнего.

• Единой теории, объясняющей основное магнитное поле, нет. Есть несколько теорий. Простейшая из них следующая.

Основное поле существует вследствие наличия двух факторов: Земля вращается вокруг своей оси, а внутри Земли имеется электропроводящее ядро, радиус которого примерно равен (0,25 – 0,3) радиуса Земли. Ядро представляет собой или плазму, или жидкий расплавленный металл (возможно, железо), поэтому состоит из хаотически движущихся положительных ионов и электронов. Электроны значительно легче ионов, поэтому значительная их часть вылетает из ядра, вследствие чего ядро оказывается заряженным положительно, а внешняя часть Земли (оболочка) – заряженной отрицательно. Вращающийся заряд подобен контуру с током, поэтому он является магнитным диполем. Таким образом, наша Земля – это два диполя: один создан вращением положительного ядра, другой – вращением отрицательной оболочки.

Главной количественной характеристикой магнитного диполя является вектор, называемый магнитным дипольным моментом и обозначаемый буквой p. Модуль магнитного момента контура с током равен , где I – сила тока в контуре, а S – площадь поверхности, охватываемой контуром. Средний радиус земной оболочки значительно больше среднего радиуса ядра, поэтому средняя скорость движения оболочки больше средней скорости движения ядра. В результате электрический ток, создаваемый оболочкой, больше тока, создаваемого ядром. Площадь, охватываемая током оболочки, тоже значительно больше площади, охватываемая током ядра. В итоге магнитный момент оболочки много больше магнитного момента ядра, так что магнитный момент Земли – это фактически магнитный момент её оболочки.

М агнитный момент контура с током направлен по нормали к площади контура, то есть вдоль оси вращения заряда. Если заряд положительный, то направление вектора p определяется правилом правого винта. Заряд оболочки Земли – отрицательный, поэтому магнитный момент Земли направлен по правилу левого винта – см. рисунок 1.1. Буквами N и S на рисунке обозначены географические полюса Земли – северный и южный.

У магнитного диполя есть два полюса, которые называются так же, как и географические полюса – северным и южным. Магнитный момент диполя всегда направлен от южного полюса диполя к северному. Таким образом, из рисунка 1.1. следует, что южный магнитный полюс Земли находится со стороны северного географического полюса, а северный магнитный полюс Земли – со стороны южного географического полюса.

• Аномальное магнитное поле Земли создано залежами железных руд. Железо обладает способностью намагничиваться в магнитном поле, то есть становиться магнитом и создавать своё собственное магнитное поле. Залежи железных руд локальны, поэтому локальным является и аномальное магнитное поле. Это значит, что оно проявляет себя лишь в областях расположения руд. Там оно может быть значительно сильнее основного магнитного поля, но за пределами месторождений аномального магнитного поля практически нет. Пример: средняя величина напряжённости магнитного поля на поверхности Земли составляет примерно 0,5 Э (основное поле), а в районе железорудного месторождения в районе Курска, который называется Курской магнитной аномалией, напряжённость магнитного поля достигает 2 Э.

• Внешнее магнитное поле Земли создано её радиационными поясами. Радиационные пояса – это вращающиеся вокруг Земли на разных высотах заряженные частицы. Эти частицы прилетели в окрестность Земли из космоса – в основном, от Солнца. Попадая в основное магнитное поле Земли, они начинают вращаться в нём по замкнутым траекториям. В результате эти частицы образуют контуры с током и создают своё магнитное поле, которое и является внешним магнитным полем Земли. При вспышках на Солнце из него вылетает огромное число заряженных частиц, и когда эти частицы долетают до Земли, то внешнее магнитное поле на некоторое время резко изменяется – это и есть так называемые магнитные бури. Внешнее магнитное поле слабее основного поля, однако оно играет очень важную роль в жизни обитателей Земли – защищает их от губительной космической радиации.

2. Измерения показывают, что магнитный дипольный момент Земли равен 8,310²² Ам².

3. Магнитное поле Земли эквивалентно полю постоянного магнита в виде тонкого стержня длиной 2300 км. Для сравнения – средний диаметр Земли равен 12740 км. Центр этого стержня (центр магнитного диполя Земли) не совпадает с центром Земли и находится от него на расстоянии примерно 450 км.

4. Реальное магнитное поле Земли несколько отличается от теоретического – см. рисунок 1.2. Прежде всего, это проявляется в том, что ось магнитного диполя Земли (магнитная ось)², не параллельна оси вращения Земли. Угол между этими осями медленно изменяется с течением времени, в настоящее время этот угол равен 11,6.

Точки пересечения оси магнитного диполя Земли с поверхностью Земли называются магнитными полюсами Земли. Теоретически северный магнитный полюс N_m должен совпадать с южным географическим полюсом S, а южный магнитный полюс S_m – с северным географическим N. На самом деле точного совпадения нет, так как магнитная ось Земли совершает какие-то необъяснимые пока медленные движения относительно оси вращения. Например, в 19 веке северный магнитный полюс располагался в Антарктиде, а к настоящему времени он сполз с материка и расположен в Индийском океане. Южный магнитный полюс на протяжении 18 – 20 веков блуждал среди островов к северу от континента Северная Америка, но в 21 веке по прогнозам специалистов он может переместиться через Северный Ледовитый океан и попасть в Сибирь.

К омпас.

Простейшим прибором, позволяющим исследовать магнитное поле Земли, является компас. Его главным элементом является магнитная стрелка. Она представляет собой магнитный диполь, который может свободно вращаться вокруг оси, перпендикулярной диполю и проходящей через его центр – см. рисунок 1.3. У диполя (стрелки) есть северный полюс (покрашен синим цветом) и южный полюс (покрашен красным цветом). Магнитный момент стрелки p направлен от его южного полюса к северному³. Вокруг стрелки располагается шкала с делениями.

Магнитный диполь в магнитном поле стремится расположиться так, чтобы его магнитный момент p был сонаправлен с вектором напряжённости поля H. Этот вектор можно разложить на сумму двух взаимно перпендикулярных слагаемых:

,

где вектор H_г – горизонтальный, а вектор H_в – вертикальный. Эти векторы H_г и H_в называют вертикальной и горизонтальной составляющими напряжённости магнитного поля. Компас обычно располагают в горизонтальной плоскости. В этом случае ось стрелки вертикальна, и стрелка может свободно вращаться только в горизонтальной плоскости. В результате она устанавливается в магнитном поле так, чтобы направление её магнитного момента p совпадало с горизонтальной составляющей H_г. Линии напряжённости магнитного поля Земли выходят из её северного магнитного Земли N_m и входят в её южный полюс S_m, поэтому вектор H_г показывает направление, в котором надо двигаться по горизонтальной поверхности Земли, чтобы достичь её южного магнитного полюса. А так как южный магнитный полюс находится недалеко от северного географического полюса, то синий конец магнитной стрелки показывает приблизительно на географический север.

Оказывается, с помощью компаса можно не только узнать направление горизонтальной составляющей H_г, но и измерить её величину H_г, то есть модуль вектора H_г. Как это сделать, написано в следующем пункте.