Как создать магнитное поле: Четыре способа показать в домашних условиях, как работает электромагнетизм — журнал | Дропшиппинг

Содержание

Четыре способа показать в домашних условиях, как работает электромагнетизм — журнал

Вчителям

Электромагнит Вам нужны: медный провод, железный гвоздь, магнит, батарейка, скрепки (или кнопки), изолента. Что делать: 1. Обмотать гвоздь проводом так, чтобы с обеих сторон остался запас провода. 2. Сделать на…

Освіторія

10 Сен 2017

Вам нужны: медный провод, железный гвоздь, магнит, батарейка, скрепки (или кнопки), изолента.

Что делать:

1. Обмотать гвоздь проводом так, чтобы с обеих сторон остался запас провода.

2. Сделать на концах провода петельки.

3. Присоединить петельки к полюсам батарейки.

4. Поднести конструкцию (батарейку лучше обернуть материей) к рассыпанным скрепкам.

Что происходит:

Олег Фея, физик

Через провод течет ток, в центре катушки возникает магнитное поле. Провод обматывают вокруг гвоздя, гвоздь намагничивается и притягивает железные предметы. Если батарейку отсоединить, у гвоздя останется остаточный магнитный момент, и еще некоторое время он будет работать как магнит.

Вам нужны: неодимовые магниты, кусачки, медный провод, аккумулятор (AAA).

Что делать:

1. Свернуть провод в форму пружины (можно обматывать вокруг батарейки АА, главное, чтобы диаметр был немножко больше диаметра магнитов).

2. Растянуть скрученный провод так, чтобы витки не касались друг друга.

3. Прикрепить магниты к концам батарейки. Магниты должны «смотреть» друг на друга одинаковыми полюсами.

4. Поместить батарейку с магнитами внутрь пружины.

Что происходит:

Магниты сделаны из проводника. Когда магнит касается провода, круг замыкается — из батарейки ток течет в провод, в проводе возникает магнитное поле, и оно толкает магниты с батарейкой вперед. Если оба магнита прицепить другой стороной к батарейке, она поедет в противоположном направлении.

Вам нужны: новогодний дождик (тонкая полоска алюминия длиной 30 см), алюминиевая тарелка (диаметром по меньшей мере 20 см), чистый сухой кусок шерстяной ткани, кусок толстого пенопласта (больше чем тарелка), скотч, стаканчик из пенополистирола.

Что делать:

1. Прикрепить стаканчик к центру тарелки с помощью скотча.

2. Завязать дождик в кольцо.

3. Натирать шерстью пенопласт в течение 30 секунд.

4. Держа за стаканчик, положить тарелку на пенопласт.

5. Поднять тарелку так, чтобы она «смотрела» внешней стороной на потолок.

6. Бросить дождик на тарелку.

Что происходит:

Экспериментатор трет шерстяной тканью по диэлектрику. Из-за этого на ткани и на пенопластовой пластине остаются электрические заряды противоположного знака (то же происходит, когда волосы электризуются об шерстяной свитер).

Когда на диэлектрик ставят тарелку из металла, на нее переходит заряд. Если бросить фольгу, она тоже получит противоположный заряд и будет летать над тарелкой — заряды отталкиваются, а фольга очень легкая.

Стаканчик нужен для того, чтобы когда экспериментатор перевернет тарелку, заряд с нее не рассеялся из-за контакта с его руками, а пластик — диэлектрик, он не проводит ток, потому заряд остается на тарелке.

Вам нужны: шарик и жестянка от пива.

Что делать:

Потрите шарик о волосы, приблизьте его к жестянке и медленно отдаляйте. Наблюдайте за взаимодействием электронов и протонов.

Что происходит:

Шарик изготовлен из диэлектрика. Если его натереть тканью (или потереть о волосы), на нем останутся заряды. И когда его поднесут к металлической жестянке, эти заряды повлекут перераспределение зарядов в ней: ближе будет заряд, противоположный заряду шарика. Они будут притягиваться.

Поділитися цією статтею

Автор: Освіторія

Каким образом можно создать магнитное поле?

Статьи › Магнит › Как сделать Магнит?

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты). Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.

Что может быть источником магнитного поля?
Чем создается магнитное поле и как его можно обнаружить?
Как создать магнитное поле в пространстве?
Где есть магнитное поле?
Как делать магнит?
Что создает магнитное поле Земли?
Что такое магнитное поле своими словами?
Какие источники магнитного поля вам известны?
Чем создается электрическое поле?
Как можно создать однородное магнитное поле?

Каким способом можно увеличить магнитное поле?
Какие тела создают магнитное поле в системе отсчета?
Какие виды магнитного поля?
Для чего магнитное поле?
Для чего нужно магнитное поле?
Что является единственным источником магнитного поля?
Что является первичным источником магнитного поля?
Что будет если не будет магнитного поля?
Что является одним из источников магнитного поля?
Что является источником переменного магнитного поля?

Что может быть источником магнитного поля?

Поскольку магнетизм тесно взаимосвязан с электричеством, то любое электрическое устройство может быть источником магнитного поля. Например, ЛЭП (линия электропередач), телефон, телевизор, микроволновая печь и другие устройства. Источником магнитного поля являются и некоторые минералы.

Чем создается магнитное поле и как его можно обнаружить?

Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на проводник с током. Движение проводника вызвано действием на него магнитного поля со стороны дугового магнита. Если поменять местами полюсы магнита, проводник меняет направление движения на противоположное.

Как создать магнитное поле в пространстве?

Как создать в пространстве электромагнитное поле? Движущимся постоянным магнитом, изменяющимся во времени магнитным полем. Вокруг зарядов, движущихся с постоянной скоростью (например, вокруг проводника с постоянным током) создается постоянное магнитное поле.

Где есть магнитное поле?

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Как делать магнит?

Магнит — это тело, имеющее собственное магнитное поле. Оно создаётся движущимися электрическими зарядами, проявляется на них же и является невидимым для человека. В естественной среде предмет встречается в виде камня — магнетита, иное название — магнитный железняк.

Что создает магнитное поле Земли?

Магнитное поле Земли зарождается в ее внешнем ядре, состоящем из жидкого железа. В процессе остывания ядра в этой жидкости происходит тепловое перемешивание, причем на потоки железа накладывается вращение планеты.

Что такое магнитное поле своими словами?

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Это одна из пяти известных нам сил, управляющих Вселенной от микромасштабов до масштабов межгалактических.

Какие источники магнитного поля вам известны?

Промышленные магниты
Электроприводы вращательного типа
Линейные электроприводы
Инверторы и частотные преобразователи
Магнитомягкие порошковые сердечники
Магнитомягкие ферритовые сердечники
Магнитная реклама
Источники магнитного поля на постоянных магнитах

Чем создается электрическое поле?

Электрические поля возникают за счет разницы напряжений: чем больше электрическое напряжение, тем более сильным будет возникающее поле.

Как можно создать однородное магнитное поле?

Однородное магнитное поле может быть создано с помощью катушек Гельмгольца, постоянных магнитов и соленоидов в том числе и сверхпроводящих соленоидов. С помощью постоянных магнитов однородное поле создается в зазоре между их полюсами.

Каким способом можно увеличить магнитное поле?

Магнитное действие катушки с током можно усилить, усилив ток, увеличив количество витков в катушке и введя внутрь катушки железный сердечник.

Какие тела создают магнитное поле в системе отсчета?

Считается, что магнитное поле создается только движущимися зарядами, так называемым молекулярным током и движущимися заряженными телами.

Какие виды магнитного поля?

Магнитное поле с несовпадающим действием силы — как по модулю, так и по направлению — на магнитную стрелку в различных его точках является неоднородным. Магнитное поле с одним и тем же действием силы на магнитную стрелку в любых его точках называется однородным.

Для чего магнитное поле?

Геомагнитное поле вследствие специфической конфигурации линий индукции создает для заряженных частиц — протонов и электронов — магнитную ловушку. Оно захватывает и удерживает огромное их количество, так что магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц.

Для чего нужно магнитное поле?

Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена.

Что является единственным источником магнитного поля?

Известно, что источником магнитного поля может служить постоянный магнит или проводник с током. Там, где требуется неизменное магнитное поле небольшой величины, вполне подходит постоянный магнит.

Что является первичным источником магнитного поля?

Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента (см. Магнетизм).

Что будет если не будет магнитного поля?

Если исчезнет магнитное поле, то эти частицы будут ионизировать всё вещество на поверхности Земли, в том числе и живые клетки, что приведёт к их гибели, атмосфера постепенно будет терять вещество. Радиация убьёт все виды живых существ, за исключением разве что бактерий и примитивных форм.

Что является одним из источников магнитного поля?

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды, электрические токи. Движение электронов и протонов создают орбитальные микротоки в атомах и ядрах. Микрочастицы наряду с собственным механическим моментом — спином, обладают собственным магнитным моментом.

Что является источником переменного магнитного поля?

Источники переменного магнитного поля

Изменяющиеся электрические токи являются источником переменного магнитного поля. Это поле в свою очередь становится источником переменного электрического поля. Вновь созданное переменное электрическое поле порождает новое переменное магнитное поле.

Создание высокочастотного магнитного поля с помощью этой резонансной техники

Многочисленные испытания и измерения требуют высокочастотного магнитного поля. Часто требуется высокая напряженность поля. Примеры таких применений включают биомедицинские исследования воздействия магнитного поля на живые клетки, научные эксперименты, калибровку датчиков, интерференцию магнитного поля с электронными продуктами и многое другое.

Одним из наиболее распространенных методов создания магнитного поля является пара катушек Гельмгольца. Он создает очень однородное магнитное поле на большой открытой площади. На рис. 1 показано изображение пары катушек Гельмгольца, управляемой функциональным генератором-усилителем. Хотя магнитные поля большинства катушек Гельмгольца являются статическими или постоянными, все больше испытаний и экспериментов требуют наличия переменного магнитного поля в широком диапазоне частот. Получение сильного переменного магнитного поля сталкивается с рядом проблем, которых нет с постоянными полями.

1. Пара катушек Гельмгольца приводится в действие усилителем функционального генератора для создания переменного магнитного поля.

Для создания сильных магнитных полей в катушках требуется большой электрический ток. При постоянном токе или низкой частоте полное сопротивление катушки низкое, и довольно легко получить большой ток. В импедансе катушки обычно преобладает паразитное сопротивление катушки, которое обычно мало. Доступны обычные источники питания или источники тока для управления катушкой при среднем или высоком токе.

Однако при высокой частоте импеданс магнитной катушки увеличивается пропорционально частоте. Полное сопротивление может быть очень большим, часто во много раз превышающим сопротивление. Полное сопротивление катушки Z пропорционально частоте и индуктивности (см. уравнение 1) . На более высокой частоте импеданс может быть в десятки, сотни и даже тысячи раз больше, чем сопротивление. Трудно получить большой ток с таким высоким импедансом.

Для расчета тока катушки используйте уравнение 2. Ток катушки обратно пропорционален частоте. При заданной амплитуде напряжения ток катушки уменьшается с увеличением частоты.

I — величина тока катушки, V — амплитуда напряжения, Z — импеданс катушки, ω — угловая частота (ω = 2πf), а L и R — индуктивность и сопротивление катушки соответственно. Уравнения 1 и 2 относятся к обычным катушкам, таким как соленоиды, катушки Гельмгольца, катушки индуктивности и т. д. Для пары катушек Гельмгольца переменного тока эти две катушки соединены последовательно, что увеличивает сопротивление в 2 раза, а индуктивность увеличивается чуть более чем в 2 раза. (примерно 2,11X для большинства пар катушек).

В случае низкой частоты или низкой индуктивности, или и того, и другого, можно просто подать большой переменный ток через катушку с помощью усилителя тока с высоким выходным сигналом, такого как TS250. Сопротивление катушки достаточно низкое, благодаря чему она может напрямую управляться усилителем

(рис. 2)

2. Сильноточный усилитель сигнала используется для создания переменного магнитного поля.

Когда частота очень высока, импеданс катушки электромагнита увеличивается с увеличением частоты, как показано в уравнении 1. Когда требуется высокочастотное магнитное поле, импеданс катушки очень высок. Таким образом, для подачи большого тока через катушку необходим высоковольтный драйвер.

Например, при частоте 100 кГц полное сопротивление катушки электромагнита 10 мГн будет равно 6283 Ом. Для создания достаточно сильного магнитного поля требуется большой ток. Если нужно 4 А, то нужно напряжение более 25 кВ! Будет очень сложно и непрактично сконструировать драйвер, способный выдавать 25 кВ и 4 А при реактивной мощности 100 кВт.

Резонансная техника

Метод прямого привода, показанный на рис. 1, не позволяет подавать большой ток в магнитную катушку на высокой частоте. Для получения высокоинтенсивного и высокочастотного магнитного поля требуется резонансная техника для снижения импеданса.

Как показано на

рис. 3

.0006 . Импеданс конденсатора отрицательный, а импеданс катушки положительный. Когда емкость выбрана правильно, она действует как компонент подавления импеданса. Таким образом, конденсатор снижает общее сопротивление.
3. Высокая напряженность поля на высокой частоте достигается за счет использования резонансного конденсатора для компенсации импеданса катушки.
Фактически, на резонансной частоте импеданс емкости полностью компенсирует импеданс индуктивности. Другими словами, импедансы катушки и конденсатора равны по величине, но противоположны по полярности. При резонансе драйвер усилителя сигнала «видит» только сопротивление катушки. Имея в системе лишь небольшой уровень сопротивления, усилитель тока с высоким выходом теперь может пропускать очень большой ток через катушку Гельмгольца или соленоид даже на высокой частоте. Резонансный метод позволяет функциональному генератору-усилителю генерировать сильное магнитное поле.

Давайте рассмотрим пример, чтобы лучше понять, как резонансный конденсатор может компенсировать импеданс. Катушка или соленоид в Рисунок 4 имеет 2 мГн и желаемую частоту 200 кГц. Если частота резонансная, напряжение на катушке составляет +2,5 кВ, а напряжение на последовательном конденсаторе -2,5 кВ. Следовательно, общее чистое напряжение равно нулю на комбинации индуктора и конденсатора. Таким образом, LC представляет собой короткое замыкание на резонансной частоте.
4. Импеданс компенсируется конденсатором.
Усилитель сигнала TS250 «видит» только паразитное сопротивление катушки как нагрузку. Как правило, сопротивление магнитной катушки невелико, что позволяет усилителю пропускать большой ток через катушку соленоида при низком напряжении. Напряжение на катушке все еще очень велико. Интересно отметить, что сумма напряжений в замкнутом контуре равна 0 В, что регулируется законом напряжения Кирхгофа.

Резонансный метод является наиболее практичным способом создания сильного высокочастотного магнитного поля. Единственным недостатком является то, что он работает в узком диапазоне частот вблизи резонанса. Чтобы иметь возможность создавать электромагнитное поле в более широком диапазоне частот, пользователю необходимо несколько раз менять конденсатор. Обычно идеальный резонанс не требуется — вам просто нужен конденсатор, чтобы компенсировать достаточное сопротивление, чтобы драйвер мог управлять достаточным током. Это позволяет работать в немного более широком диапазоне частот.
Расчет резонансной емкости
Резонансное состояние возникает, когда реактивное сопротивление конденсатора равно по величине реактивному сопротивлению катушки индуктивности, но имеет противоположную полярность, как указано выше.
Поэтому рассчитывайте последовательную резонансную емкость так, чтобы реактивное сопротивление конденсатора было таким же, как реактивное сопротивление катушки на заданной резонансной частоте.
Используя приведенный выше пример для катушек Гельмгольца 2 мГн и работы на частоте 200 кГц, вычисленная последовательная емкость составляет 317 пФ.
Выберите резонансный конденсатор с высокой добротностью (низкое ESR) и низким ESL (электростатическая индуктивность), чтобы компенсировать импеданс. Конденсатор должен быть рассчитан на высокое напряжение. Номинальное напряжение рассчитывается по следующей формуле:
, где I — пиковый ток.
В приведенном выше примере номинальное напряжение должно быть не менее 2,5 кВ (В = 1 А * 2512 Ом = 2512 В). Добавьте дополнительный запас по номинальному напряжению, если используется более высокий ток.

Максимальная частота Практические ограничения
Резонансный метод использует последовательный резонансный конденсатор для компенсации реактивного сопротивления катушки; теоретически это уменьшит импеданс до паразитного сопротивления. Теоретически частота и напряженность магнитного поля могут быть очень высокими. Однако существуют некоторые практические ограничения.
Первое ограничение — номинальное напряжение конденсатора. Уравнение 8 используется для расчета номинального напряжения конденсатора для данных тока катушки, индуктивности и частоты. Если требуемое напряжение меньше 10 кВ, обычно имеется большой выбор конденсаторов. Если напряжение выше 10 кВ, доступно меньше конденсаторов. Как правило, максимальное практическое напряжение составляет около 50 кВ. Если напряжение выше 50 кВ, возникнут другие практические проблемы, такие как электрическая дуга.
Вторым практическим ограничением является емкость. При более высокой частоте значение емкости уменьшается. Как правило, рекомендуется емкость 100 пФ или более. Возможно уменьшение емкости до 10 пФ, но начинают действовать паразитные емкости от соединительных проводов и самой катушки.
Конструкция катушки
Магнитное поле в соленоидных катушках приведено в Уравнении-9 и Уравнении-10 для пары катушек Гельмгольца.
B — магнитное поле, µ — магнитная проницаемость, N — число витков, L — длина, I — ток, R — радиус катушки.
Сильного магнитного поля в электромагнитной катушке можно добиться разными способами: увеличить количество витков, увеличить ток, увеличить магнитную проницаемость, уменьшить радиус.
Увеличение числа витков (Н)
В электромагнитных катушках, таких как соленоиды, индукторы и катушки Гельмгольца, магнитное поле пропорционально числу витков. Увеличение числа витков приведет к более сильному магнитному полю. Однако это также увеличивает индуктивность и паразитную емкость. Как обсуждалось выше, более высокая индуктивность нежелательна и потребует более высокого напряжения на конденсаторе.
Обычно индуктивность пропорциональна квадрату (степени двойки) числа витков. Для высокочастотного магнитного поля рекомендуется уменьшить количество витков, но увеличить силу тока. Таким образом, вы можете получить ту же напряженность поля, но снизить индуктивность и снизить номинальное напряжение конденсатора.
Саморезонансный
Увеличение числа витков также увеличивает паразитную емкость C _P (рис. 5) . Высшее С _P снижает собственную резонансную частоту катушки. В целом рабочая частота должна быть в 2-5 раз ниже собственной резонансной частоты (см. таблицу ниже) . Более низкая собственная резонансная частота из-за C _P ограничит максимальную рабочую частоту катушки.
5. Модель дросселя с паразитными R и C _P .
Уменьшение радиуса катушки
Как правило, уменьшение радиуса катушки не изменяет магнитное поле для длинных соленоидов, но уменьшает индуктивность и C _Р . Уменьшение C _P увеличит собственную резонансную частоту. Поэтому при проектировании катушки старайтесь, чтобы радиус был как можно меньше.
В случае с катушкой Гельмгольца уменьшение радиуса даст три положительных преимущества. Меньший радиус увеличит магнитное поле, увеличит собственную резонансную частоту и уменьшит индуктивность. Низкая индуктивность имеет первостепенное значение, как обсуждалось в разделе «Практическое ограничение максимальной частоты» выше. Опять же, держите радиус как можно меньше.
Повышение проницаемости
Для научных экспериментов, отличных от катушки с воздушным сердечником, в катушку можно вставить магнитный сердечник для увеличения магнитного поля. Не все основные материалы одинаковы. Некоторые магнитные материалы обладают высокой магнитной проницаемостью, но в приложениях с низкими частотами и малым насыщением. Выберите магнитный материал для скорости работы частоты, которая не достигает насыщения при желаемой напряженности магнитного поля. Магнитопровод также увеличивает индуктивность.
Таким образом, используйте следующие критерии для проектирования магнитных катушек переменного тока:
Катушка должна быть рассчитана на ток и мощность (нагрев).
— Низкое сопротивление для уменьшения нагрева и обеспечения более высокого тока.
-Учитывайте увеличение сопротивления при высокой частоте из-за скин-эффекта.
Рассмотрите возможность уменьшения количества витков, но увеличения тока для снижения индуктивности.
Убедитесь, что собственная резонансная частота катушки в 2-5 раз выше рабочей частоты.
Старайтесь, чтобы радиус катушки был как можно меньше, чтобы уменьшить сопротивление, индуктивность и паразитную емкость.
При желании выберите магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью, но рассчитанный на рабочую частоту и высокое поле насыщения.
Разработайте катушку так, чтобы она выдерживала высокое напряжение (избегайте электрической дуги).
Результаты моделирования
Используя модель катушки индуктивности на рис. 5, катушка приводится в действие синусоидальным сигналом ±1 В. В этом примере L = 1 мГн; С _Р = 125 пФ; R = 0,5 Ом; Cs = 470 пФ; и рабочая частота такая же, как и резонансная частота серии 206 кГц. Собственная резонансная частота катушки 450 кГц.
6. Дроссель работает на последовательном резонансе 206 кГц. Примерно на половине собственной резонансной частоты ток дросселя уменьшается из-за «утечки» тока в паразитном конденсаторе C _P .
На рис. 6 показан ток катушки индуктивности. Пиковый ток катушки индуктивности составляет 1,56 А, а пиковый ток C _P — 328 мА при 180 град. не в фазе. Сравните это с собственным резонансом 2299 кГц в таблице: пиковый ток дросселя составляет 1,96 А при токе C _P всего 20 мА. Поэтому, когда рабочая последовательно-резонансная частота близка к собственной резонансной частоте, это уменьшает ток дросселя. Глядя на данные моделирования в таблице, допустимо использовать катушку примерно до половины собственной резонансной частоты. На этой частоте ток катушки уменьшается примерно на 25%. Не рекомендуется, чтобы резонансная частота рабочего ряда была выше половины собственной резонансной частоты.
Внимание! Возможность поражения электрическим током
Сильноточная электромагнитная катушка, о которой говорилось выше, может накапливать достаточно энергии, чтобы вызвать поражение электрическим током. Убедитесь, что все электрические соединения изолированы высоковольтными изоляторами. Провода должны быть рассчитаны на указанные выше напряжения. Всегда отключайте выход усилителя перед подключением или отключением катушки и конденсатора.
Заключение
Драйвер сильноточного усилителя необходим для создания сильного переменного магнитного поля. Когда требуется высокочастотное магнитное поле, резонансный метод уменьшит импеданс катушки и позволит использовать большой ток для управления катушкой с помощью низковольтного функционального генератора-усилителя.
Резонансная техника — самый мощный способ создания высокочастотного переменного поля. На высокой частоте практическим ограничением является наличие высоковольтных конденсаторов. Другим ограничением является собственная резонансная частота магнитной катушки. При этом собственная резонансная частота должна быть в 2-5 раз выше рабочей резонансной частоты.
Каталожные номера:
Усилитель сигнала для функционального генератора
Катушка Гельмгольца
Высокочастотный электромагнит, использующий резонансную технику
Составление карты магнитного поля Земли · Границы для юных умов
Реферат
Земля имеет твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро, состоящее из железа и никеля. Металл несет электрический ток, который питается от движения жидкости. Электрический ток создает магнитное поле, которое простирается от ядра до поверхности Земли и за ее пределы. Ожидается, что магнитное поле, сформированное ядром Земли, выровняется с осью вращения, но оно немного отклоняется по причинам, которые не совсем понятны. Стрелка компаса обычно указывает не на истинный север (ось вращения Земли), а на северный магнитный полюс. Угол между истинным севером и магнитным севером в любом конкретном положении на Земле называется углом склонения. Карты угла склонения очень сложны, и из-за течения внешнего ядра положение магнитного севера со временем меняется.
Введение
Внешнее ядро Земли
Планету Земля можно разделить на четыре слоя: твердое внутреннее ядро в центре, жидкое внешнее ядро  , каменистая мантия и кора на поверхности, на которой мы живем. Ядро Земли имеет ширину около 6800 км и начинается примерно на полпути к центру планеты (рис. 1b). Он состоит примерно на девять десятых из железа и никеля [1]. Внутреннее ядро размером с Луну. Он очень горячий (> 5000 ° C) и является твердым из-за чрезвычайно высокого давления от веса материала над ним.
Рисунок 1 — (a) Иллюстрация линий магнитного поля от простого стержневого магнита, аналогичного магнитному полю Земли.
Как и у Земли, южный полюс (обозначенный буквой S) на самом деле находится в северном полушарии. (b) Ядро Земли видно в центре планеты. Каменистая мантия и кора на этом снимке прозрачны. Внешнее ядро показано оранжевым цветом, а внутреннее ядро показано более темной сферой в центре. Магнитное поле (синие линии) создается во внешнем ядре. Справа — художественный взгляд на магнитный спутник Swarm, который чувствует изменение направления компаса, когда он пролетает через магнитное поле Земли по своей орбите (серая линия). ^© ESA/ATG Medialab. Рисунок 1а, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth’s_ Magnetic_field_pole.svg
Еще дальше от самого центра Земли находится жидкое внешнее ядро размером примерно с Марс. Металл все еще очень горячий (> 3000 ° C), но, несмотря на высокое давление, внешнее ядро на самом деле очень жидкое, поскольку тепло преодолевает воздействие давления. Внешнее ядро течет так же легко, как вода на поверхности Земли. Это означает, что металл постоянно движется и течет, как океаны. Подобно тому, что происходит, когда вы быстро размешиваете чашку чая, быстрое вращение Земли один раз в день заставляет вращаться и жидкость во внешнем ядре.
Ядро пытается охладиться. Однако скалистая мантия между ядром и поверхностью действует как одеяло, не давая ядру слишком быстро остывать. Ядро пытается найти другие способы избавиться от избыточного тепла и энергии. Один из способов сделать это — создать магнитное поле. Магнитное поле может проходить вплоть до поверхности Земли, позволяя ядру высвобождать небольшое количество энергии.
Электричество создает магнитное поле
Магнетизм и электричество физически связаны — обычно вы получаете одно при создании другого, и это также происходит внутри ядра. Жидкий металл ядра слишком горячий, чтобы быть постоянным магнитом, как магнит на холодильник, но это электропроводный материал , такой как медная проволока. Подобно проводам в вашем доме, жидкое ядро несет очень большой электрический ток, который, в свою очередь, создает сильное магнитное поле.
Электричество вырабатывается из движения жидкого металла, аналогично ветряной турбине, которая вырабатывает электричество из движения лопастей. Электричество течет по экватору планеты по очень большой петле и создает сильное магнитное поле, которое выходит за пределы внешнего ядра. Магнитное поле проходит весь путь до поверхности Земли и уходит в космос.
Создает магнитное поле в форме стержневого магнита (рис. 1а). Магнитное поле распространяется в космос, образуя «пузырь», в котором находится Земля. Этот магнитный пузырь защищает атмосферу планеты от магнитного поля Солнца, которое в противном случае разрушило бы атмосферу Земли за миллиарды лет.
Механизм создания магнитного поля Земли очень сложен и до конца не изучен учеными. Считается, что петля электрического тока в ядре не образует идеальный круг, огибающий экватор, поэтому магнитное поле на самом деле несколько «наклонено» примерно на 11° в сторону от оси вращения Земли. Сила электрического тока также меняется со временем, что приводит к изменению магнитного поля на поверхности Земли. Наконец, поток жидкого металла «увлекает» магнитное поле на запад. Сочетание всех этих различных процессов делает магнитное поле очень сложным, и трудно предсказать, как оно изменится с течением времени. Примерно четыре раза в миллион лет магнитное поле переворачивается, когда полюса «переворачиваются», хотя для этого требуются тысячи лет.
Магнитное поле на поверхности Земли
Хотя общая форма магнитного поля Земли похожа на простой стержневой магнит, если вы посмотрите на магнитное поле в деталях, оно будет намного сложнее. Обычно стрелка компаса указывает примерно на север, но не указывает на истинный север (точку, вокруг которой вращается Земля). Угол между истинным севером и направлением, которое указывает стрелка компаса, называется склонением . Стрелка компаса указывает на место под названием 9.0035 магнитный северный полюс.
Магнитное поле очень полезно для навигации. Китайцы использовали простые компасы еще в 1100-х годах, чтобы найти направление. Первая карта была составлена Эдмундом Галлеем, прославившимся кометой Галлея, для использования кораблями, плывущими по Атлантическому океану, в 1699 году. Он понял, что магнитное поле постоянно меняется, и предположил, что в центре Земли существует слой жидкости. Северный магнитный полюс был открыт Джеймсом Клерком Россом в 1831 году в Канаде. Однако, чтобы еще больше усложнить ситуацию, магнитный северный полюс не остается на одном и том же месте, а вместо этого все время перемещается из-за потока внешнего ядра.
В настоящее время (в 2019 г.) магнитный Северный полюс все еще находится на севере Канады, но он движется со скоростью около 50 км в год и где-то в следующем десятилетии пересечет север России. На Рисунке 2 показано расположение Северного и Южного магнитных полюсов с 1900 по 2020 год. Обратите внимание, как быстро Северный полюс сместился с 2000 года, в то время как Южный полюс по сравнению с ним не сильно сдвинулся.
Рисунок 2 – Расположение магнитных полюсов показано каждые пять лет (красные точки) с 1900 до 2020, для магнитного Северного полюса (a) и магнитного Южного полюса (b) .
Обратите внимание, что северный магнитный полюс перемещался намного дальше и быстрее, чем южный магнитный полюс с 1900 года.
Создание карты
Теоретически составить карту магнитного поля достаточно просто. Все, что вам нужно, это устройство GPS (например, смартфон), чтобы определить ваше точное местоположение и помочь вам найти направление на истинный север. Вам также понадобится компас. Во-первых, используйте GPS, чтобы определить направление истинного севера. Это можно сделать, вонзив в землю две палки вдоль линии постоянной долготы. Встаньте между палочками и определите угол между стрелкой компаса и линией истинного севера, которую вы провели с помощью двух палочек. Поздравляем, вы измерили склонение! Чтобы составить карту, повторите это измерение в другом месте и еще раз. Сделайте это несколько миллионов раз по всему миру, включая океаны и пустыни, и ваша работа будет завершена… по крайней мере, на несколько лет, пока магнитный Север не сдвинется с места. Очевидно, что это невозможно для человека, но возможно для спутника.
С 1999 года было осуществлено три миссии европейских спутников для проведения очень точных измерений магнитного поля Земли. На рис. 1b показано, как спутник воспринимает магнитное поле, исходящее от внешнего ядра. Текущее трио спутников, называемое Swarm, летает на высоте от 450 до 500 км над поверхностью Земли и движется со скоростью 8 км в секунду. Им требуется около 90 минут, чтобы облететь Землю, и они совершают 15 оборотов в день. Через 4 месяца они делают достаточно измерений по всему миру, чтобы создать карту [2].
Спутниковые измерения собираются на компьютере, где математический процесс, называемый инверсией, используется для создания карты (или снимка) магнитного поля в фиксированный момент времени. На рисунке 3 показана карта угла склонения за январь 2019 года, иллюстрирующая, насколько сложным на самом деле является магнитное поле.
Рисунок 3. Угол склонения для 2019 года (в градусах) по модели Международного эталонного геомагнитного поля (IGRF-12).
Цвета показывают угол между магнитным севером и истинным севером. Белые области — это места, где компас указывает почти точно на север. Синие цвета показывают области, где компас указывает на запад от истинного севера, а красные цвета показывают, где компас указывает на восток от истинного севера. Вы можете увидеть очень сложную картину углов склонения по всему миру [3].
Поскольку изменение магнитного поля невозможно предсказать более чем через 10 лет, эти карты магнитного поля регулярно обновляются каждые 5 лет. Некоторые карты создаются бесплатно группой ученых со всего мира и известны как Международное геомагнитное эталонное поле или IGRF [3]. Создание хорошей карты требует больших усилий и требует нескольких месяцев работы. Последняя версия была выпущена в 2015 году, а следующая будет готова к 2020 году.
Магнитная карта на вашем смартфоне
Вы, вероятно, больше всего знакомы с использованием магнитного поля Земли для навигации — представьте корабли, плывущие по океану, или люди, идущие по горам. Однако, если вы когда-либо использовали карту на смартфоне, чтобы найти, куда вы хотите отправиться, то вы также использовали карту магнитного поля Земли.
Когда вы открываете приложение карты, ваше местоположение обычно отображается в виде маленькой точки со стрелкой или треугольником, указывающим направление, в котором вы смотрите. Смартфоны используют встроенный цифровой компас для определения направления магнитного севера. Однако, поскольку карты ориентированы на истинный север, программное обеспечение телефона должно скорректировать разницу в склонении. Телефон использует ваше местоположение GPS для определения правильного угла по карте склонения, такой как IGRF. Из рисунка 3 видно, что в некоторых частях мира этот угол может достигать 45°.
Заключение
Составление карт магнитного поля Земли — сложный процесс, который необходимо повторять не реже одного раза в 5 лет, чтобы поддерживать актуальность карт. Карты могут рассказать нам о внешнем ядре Земли, и они также полезны для многих практических приложений, которые вы, вероятно, испытали, например, для навигации по городу с помощью смартфона.
Глоссарий
Внешнее ядро  : ↑ Слой жидкого металла внутри Земли, начинающийся примерно на полпути к центру.
Электропроводящий материал : ↑ Материал, через который легко проходит электричество.
Склонение : ↑ Угол между магнитным севером и истинным севером.
Магнитный север : ↑ Точка на поверхности Земли, где магнитное поле направлено прямо к центру Земли.
Заявление о конфликте интересов
Автор заявляет, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Ссылки
[1] ↑ Лоури, В. 2007. Основы геофизики, 2-е изд. . Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
[2] ↑ Олсен, Н., Юло, Г., Лесур, В., Финлей, К.С., Бегган, К., Чуллиат, А., и др. 2015. Модель начального поля Swarm для геомагнитного поля 2014 года. Геофиз. Рез. Письмо . 42:1092–8.