MAGNETISCH VELD VAN DE AARDE: OORSPRONG, KENMERKEN, FUNCTIE - FYSIEK - 2024

Het magnetische veld van de aarde is het magnetische effect dat de aarde uitoefent en dat zich uitstrekt van het binnenste tot honderden kilometers in de ruimte. Het lijkt erg op die van een staafmagneet. Dit idee werd in de 17e eeuw geopperd door de Engelse wetenschapper William Gilbert, die ook opmerkte dat het niet mogelijk is om de polen van de magneet te scheiden.

Figuur 1 toont de magnetische veldlijnen van de aarde. Ze zijn altijd gesloten, gaan door het interieur en lopen aan de buitenkant door en vormen een soort omslag.

Figuur 1. Het magnetisch veld van de aarde lijkt op dat van een staafmagneet. Bron: Wikimedia Commons.

De oorsprong van het magnetisch veld van de aarde is nog steeds een mysterie. De buitenste kern van de aarde, gemaakt van gietijzer, kan op zichzelf het veld niet produceren, aangezien de temperatuur zodanig is dat het de magnetische orde vernietigt. De temperatuurdrempel hiervoor staat bekend als de Curietemperatuur. Daarom is het onmogelijk dat een grote massa gemagnetiseerd materiaal verantwoordelijk is voor het veld.

Nu we deze hypothese hebben uitgesloten, moeten we de oorsprong van het veld zoeken in een ander fenomeen: de rotatie van de aarde. Hierdoor roteert de gesmolten kern ongelijkmatig, waardoor het dynamo-effect ontstaat, waarbij een vloeistof spontaan een magnetisch veld opwekt.

Aangenomen wordt dat het dynamo-effect de oorzaak is van het magnetisme van astronomische objecten, bijvoorbeeld dat van de zon. Maar tot nu toe is niet bekend waarom een ​​vloeistof zich op deze manier kan gedragen en hoe de geproduceerde elektrische stromen erin slagen te blijven.

kenmerken

- Het aardmagnetische veld is het resultaat van drie bijdragen: het interne veld zelf, het externe magnetische veld en dat van de magnetische mineralen in de korst:

1. Intern veld: het lijkt op dat van een magnetische dipool (magneet) in het midden van de aarde en zijn bijdrage is ongeveer 90%. Het varieert heel langzaam in de tijd.
2. Extern veld: komt van zonneactiviteit in de lagen van de atmosfeer. Het lijkt niet op de dipool en heeft veel variaties: dagelijkse, jaarlijkse, magnetische stormen en meer.
3. De magnetische rotsen in de aardkorst, die ook hun eigen veld creëren.

- Het magnetische veld is gepolariseerd en presenteert de noord- en zuidpool, net als een staafmagneet.

- Omdat de tegenovergestelde polen elkaar aantrekken, wijst de kompasnaald, die de noordpool is, altijd naar de nabijheid van het geografische noorden, waar de zuidpool van de aardmagneet is.

- De richting van het magnetische veld wordt weergegeven in de vorm van gesloten lijnen die het magnetische zuiden verlaten (noordpool van de magneet) en het magnetische noorden binnengaan (zuidpool van de magneet).

- In het magnetische noorden -en ook in het magnetische zuiden- staat het veld loodrecht op het aardoppervlak, terwijl het op de evenaar graast. (zie figuur 1)

- De intensiteit van het veld is aan de polen veel groter dan aan de evenaar.

- De as van de aardse dipool (figuur 1) en de rotatieas zijn niet uitgelijnd. Er is een verplaatsing van 11,2º tussen hen.

Geomagnetische elementen

Omdat het magnetische veld vector is, helpt een Cartesiaans coördinatensysteem XYZ met een oorsprong O om zijn positie te bepalen.

Figuur 2. Geomagnetische elementen. Bron: F. Zapata.

De totale intensiteit van het magnetische veld of de inductie is B en de projecties of componenten zijn: H horizontaal en Z verticaal. Ze zijn gerelateerd door:

-D, de hoek van magnetische declinatie, gevormd tussen H en het geografische noorden (X-as), positief naar het oosten en negatief naar het westen.

-I, de magnetische hellingshoek, tussen B en H, positief als B onder het horizontale vlak ligt.

De kompasnaald wordt gericht in de richting van H, de horizontale component van het veld. Het vlak bepaald door B en H wordt de magnetische meridiaan genoemd, terwijl de ZX de geografische meridiaan is.

De magnetische veldvector is volledig gespecificeerd als drie van de volgende grootheden bekend zijn, die aardmagnetische elementen worden genoemd: B , H, D, I, X, Y, Z.

Functie

Hier zijn enkele van de belangrijkste functies van het magnetisch veld van de aarde:

-Mensen gebruiken het al honderden jaren om zich op het kompas te oriënteren.

-Heeft een beschermende functie van de planeet door deze te omhullen en de geladen deeltjes af te buigen die de zon continu uitzendt.

-Hoewel het magnetische veld van de aarde (30 - 60 micro Tesla) zwak is in vergelijking met die in het laboratorium, is het sterk genoeg dat bepaalde dieren het gebruiken om zich te oriënteren. Dat geldt ook voor trekvogels, postduiven, walvissen en sommige scholen vis.

-Magnetometrie of meting van het magnetisch veld wordt gebruikt voor het zoeken naar minerale bronnen.

Noorderlicht en zuidelijk

Ze staan ​​bekend als respectievelijk het noorderlicht of het zuidelijke licht. Ze verschijnen op breedtegraden nabij de polen, waar het magnetische veld bijna loodrecht op het aardoppervlak staat en veel intenser is dan op de evenaar.

Figuur 3. Noorderlicht in Alaska. Bron: Wikimedia Commons.

Ze vinden hun oorsprong in de grote hoeveelheid geladen deeltjes die de zon continu uitzendt. Degenen die door het veld worden opgesloten, drijven over het algemeen naar de polen vanwege de hogere intensiteit. Daar maken ze er gebruik van om de atmosfeer te ioniseren en daarbij wordt zichtbaar licht uitgezonden.

Het noorderlicht is zichtbaar in Alaska, Canada en Noord-Europa vanwege de nabijheid van de magnetische pool. Maar door de migratie hiervan is het mogelijk dat ze na verloop van tijd beter zichtbaar worden richting het noorden van Rusland.

Dit lijkt voorlopig echter niet het geval te zijn, aangezien de aurora's niet precies het grillige magnetische noorden volgen.

Magnetische declinatie en navigatie

Voor navigatie, vooral bij zeer lange reizen, is het uitermate belangrijk om de magnetische declinatie te kennen, om de nodige correctie uit te voeren en het ware noorden te vinden.

Dit wordt bereikt door kaarten te gebruiken die de lijnen van gelijke declinatie (isogonaal) aangeven, aangezien de declinatie sterk varieert afhankelijk van de geografische locatie. Dit komt doordat het magnetische veld continu lokale variaties ondergaat.

De grote cijfers die op de startbanen zijn geschilderd, zijn de richtingen in graden ten opzichte van het magnetische noorden, gedeeld door 10 en afgerond.

De noordelijke jongens

Hoe verwarrend het ook mag lijken, er zijn verschillende soorten noorden, gedefinieerd door een aantal specifieke criteria. Zo kunnen we vinden:

Magnetisch noorden is het punt op aarde waar het magnetische veld loodrecht op het oppervlak staat. Daar wijst het kompas, en overigens is het niet antipodaal (diametraal tegenovergesteld) met het magnetische zuiden.

Geomagnetisch noorden , is de plaats waar de as van de magnetische dipool naar de oppervlakte stijgt (zie figuur 1). Omdat het magnetische veld van de aarde iets complexer is dan het dipoolveld, valt dit punt niet precies samen met het magnetische noorden.

Geografisch noorden , de rotatieas van de aarde loopt daar doorheen.

Ten noorden van Lambert of van het raster , is het punt waar de meridianen van de kaarten samenkomen. Het valt niet precies samen met het ware of geografische noorden, aangezien het bolvormige oppervlak van de aarde vervormd wordt wanneer het op een vlak wordt geprojecteerd.

Figuur 4. Diverse noords en hun ligging. Bron: Wikimedia Commons. Cavit

Inversie van het magnetische veld

Er is een raadselachtig feit: magnetische polen kunnen in de loop van een paar duizend jaar van positie veranderen, en dat gebeurt momenteel. Het is zelfs bekend dat het 171 keer eerder is gebeurd, in de afgelopen 17 miljoen jaar.

Het bewijs wordt gevonden in rotsen die uit een kloof in het midden van de Atlantische Oceaan komen. Als het naar buiten komt, koelt het gesteente af en stolt het, waardoor de richting van de magnetisatie van de aarde op dit moment wordt bepaald, die wordt behouden.

Maar tot nu toe is er geen bevredigende verklaring waarom dit gebeurt, noch is er de bron van de energie die nodig is om het veld om te keren.

Zoals eerder besproken, beweegt het magnetische noorden zich momenteel snel richting Siberië, en het zuiden beweegt ook, zij het langzamer.

Sommige experts denken dat het te wijten is aan een hoge snelheid van vloeibaar ijzer net onder Canada, dat het veld verzwakt. Het kan ook het begin zijn van een magnetische omkering. De laatste die plaatsvond was 700.000 jaar geleden.

Het kan zijn dat de dynamo die het aardmagnetisme veroorzaakt een tijdje uitschakelt, hetzij spontaan, hetzij door een externe tussenkomst, zoals de nadering van een komeet, hoewel er geen bewijs is van dat laatste.

Als de dynamo opnieuw start, zijn de magnetische polen van plaats gewisseld. Maar het kan ook gebeuren dat de inversie niet volledig is, maar een tijdelijke variatie van de as van de dipool, die uiteindelijk terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie.

Experiment

Het wordt uitgevoerd met Helmholtz-spoelen: twee identieke en concentrische cirkelvormige spoelen, waar dezelfde stroomsterkte doorheen gaat. Het magnetische veld van de spoelen interageert met dat van de aarde, waardoor een resulterend magnetisch veld ontstaat.

Figuur 5. Experimenteer om de waarde van het aardmagnetisch veld te bepalen. Bron: F. Zapata.

Binnen de spoelen wordt een ongeveer uniform magnetisch veld gecreëerd, waarvan de grootte is:

-Ik is de intensiteit van de stroom

-μ _o is de magnetische permeabiliteit van het vacuüm

-R is de straal van de spoelen

Werkwijze

Met een kompas geplaatst in de axiale as van de spoel, bepaalt de richting van het aardmagnetisch veld B _T .

-Oriente de as van de spoelen loodrecht op B _T . Dus het gebied B _H gegenereerd zoals stroom wordt gevoerd, zal loodrecht op zijn B _T . In dit geval:

Figuur 6. Het resulterende veld is wat de kompasnaald zal markeren. Bron: F. Zapata.

-B _H is evenredig met de stroom die door de spoelen gaat, zodat B _H = kI, waarbij k een constante is die afhangt van de geometrie van de spoelen: straal en aantal windingen. A de meetstroom kan de waarde B _{H hebben} . Zodat:

Dus:

-Verschillende stromen worden door de spoelen geleid en de paren (I, tg θ) worden in een tabel geregistreerd.

-De grafiek I vs. tg θ. Omdat de afhankelijkheid lineair is, verwachten we een lijn te krijgen waarvan de helling m is:

-Tenslotte, van de rechte - lijn kleinste kwadraten fit of visuele aanpassing verloopt deze de waarde van B bepaald _T .

Referenties

1. Aarde magnetisch veld. Hersteld van: web.ua.es
2. Magneto-hydrodynamica-groep van de Universiteit van Navarra. Dynamo-effect: geschiedenis. Hersteld van: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e verkorte editie. Cengage leren.
4. POT. Het magnetisch veld van de aarde en zijn veranderingen in de tijd. Hersteld van: image.gsfc.nasa.gov.
5. Nat Geo. De magnetische noordpool van de aarde beweegt. Hersteld van: ngenespanol.com.
6. Wetenschappelijke Amerikaan. De aarde heeft meer dan één noordpool. Hersteld van: Scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Geomagnetische pool. Hersteld van: en.wikipedia.org.