Земной магнетизм и его элементы. Магнитные направления

Элементы земного магнетизма

Свойства магнитного поля Земли положены в основу принципа действия курсовых приборов, с помощью которых определяется и выдерживается направление полета.

Земля представляет собой естественный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими полюсами и располагаются не на поверхности Земли, а на некоторой глубине. Условно принимают, что Северный магнитный полюс, расположенный в северной части Канады, обладает южным магнетизмом, т.е. притягивает северный конец магнитной стрелки, а Южный магнитный полюс, расположенный в Антарктиде, обладает северным магнетизмом, т.е. притягивает к себе южный конец магнитной стрелки (рис. 4.1, а) . Положение магнитных полюсов очень медленно меняется.

Магнитные силовые линии выходят из Южного магнитного полюса и входят в Северный полюс, образуя замкнутые кривые. Свободно подвешенная магнитная стрелка устанавливается вдоль магнитных силовых линий. Элементами земного магнетизма являются: напряженность, наклонение и склонение .

Напряженность магнитного поля Земли ( ) – сила, с которой магнитное поле Земли действует в данной точке. Ее измеряют в эрстедах (э) и гаммах (γ = 10 -5 э). На экваторе напряженность магнитного поля Земли равна 0.34 э, на средних широтах 0.4 – 0.5 э, на магнитных полюсах 0.79 э.

а) б)

Рис. 4.1. Магнитное поле Земли:

а) магнитное поле Земли; б) элементы земного магнетизма

Вектор напряженности можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие (рис. 4.1, б). Последние определяются по формулам: ; .

Вертикальная составляющая равна 0 на магнитном экваторе и максимальной величине на магнитных полюсах. Горизонтальная составляющая является той силой, которая устанавливает магнитную стрелку в направлении магнитных силовых линий. На магнитном экваторе она наибольшая, а на магнитных полюсах равна 0.

Магнитное наклонение () – угол, на который магнитная стрелка наклоняется относительно плоскости горизонта (рис. 4.1, б). На магнитном экваторе наклонение равно нулю, а на магнитных полюсах равно 90°. Для устранения наклона магнитной стрелки в авиационных компасах в Северном полушарии утяжеляют южный конец стрелки, а в Южном – северный или смещают точку подвески магнитной стрелки.

Магнитный меридиан (С м) – линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса под действием вектора напряженности магнитного поля Земли (рис. 4.2, а).

Магнитное склонение (Δ м) – угол, заключенный между северными направлениями истинного (географического) и магнитного меридианов в данной точке (рис. 4.2, б). Оно измеряется от 0 до 180° и отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «плюс», а к западу (влево) – со знаком «минус».

Рис. 4.2. Магнитное склонение:

а) истинные и магнитные меридианы; б) магнитное склонение

Элементы земного магнетизма указываются на специальных магнитных картах, которые составляются по результатам магнитных съемок. Линии, соединяющие точки на земной поверхности с одинаковым магнитным склонением в определенную эпоху, называются изогонами . Изогоны наносятся на полетные и бортовые карты штрихованными линиями фиолетового цвета с учетом эпохи (года) измерения. Магнитное склонение имеет вековые, годовые, суточные и эпизодические изменения. Суточные и годовые изменения достигают в среднем 4 – 10", вековые 6 – 15°. Магнитные бури – внезапные изменения магнитного склонения, продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток, вызванные солнечной активностью. Величина изменения магнитного склонения при этом достигает в умеренных широтах до 7°, а в полярных областях до 50°. Кроме изогон, на полетные и бортовые карты наносят магнитные аномалии. Магнитная аномалия – район с резкими и значительными изменениями всех элементов земного магнетизма. Наличие магнитных аномалий связано с залежами магнитных руд в недрах Земли. Наиболее мощные аномалии – Курская, Криворожская, Магнитогорская, Сарбайская и др. В районах аномалий есть точки, где магнитное склонение доходит до ± 180°. Аномалия влияет на работу магнитного компаса до высоты 1500 – 2000 м, а в районе Курской магнитной аномалии отмечены случаи, когда на высоте 3600 м наблюдалось отклонение магнитной стрелки компаса на 50° .

Девиация компаса и вариация. Девиация компаса вызывается действием на стрелку компаса магнитного поля, создаваемого стальными и железными деталями воздушного судна и электромагнитного поля, возникающего при работе электро – и радиооборудования ВС. В результате на магнитную стрелку компаса, кроме магнитного поля Земли, действует еще магнитное поле ВС.

Компасный меридиан (С к) – линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса, находящегося на ВС. Компасный и магнитный меридианы не совпадают.

Девиация компаса (Δ к) – угол, заключенный между северными направлениями магнитного и компасного меридианов (рис. 4.3, а). Она отсчитывается от магнитного меридиана к востоку (вправо) со знаком «плюс», а к западу (влево) – со знаком «минус».

Рис. 4.3. Девиация компаса и вариация:

а) девиация; б) вариация

Вариация (Δ) – угол, заключенный между северными направлениями истинного и компасного меридианов (рис. 4.3, б). Она отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «плюс», а к западу (влево) – со знаком «минус». Вариация равна алгебраической сумме магнитного склонения и девиации компаса Δ = (±Δ м) + (±Δ к).

4.2. Виды курсов воздушного судна . Направление продольной оси ВС в плоскости горизонта характеризуется курсом, который является одним из основных навигационных элементов полета.

Курс воздушного судна – угол, в горизонтальной плоскости между направлением, принятым за начало отсчета, и проекцией на эту плоскость его продольной оси. Курс отсчитывается от направления, принятого за начало отсчета, до продольной оси ВС по ходу часовой стрелки от 0 до 360° (рис. 4.4). При использовании магнитного или гиромагнитного компаса за начальное направление отсчета принимают компасный или соответственно магнитный меридианы, а при использовании курсовых систем в режиме «ГПК» - условный (опорный) меридиан.

Рис. 4.4. Курсы воздушного судна

В зависимости от меридиана отсчета курсы могут быть: истинными, магнитными, компасными и условными.

Истинный курс (ИК) – угол, заключенный между северным направлением истинного меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

Магнитный курс (МК) – угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

Компасный курс (КК) – угол, заключенный между северным направлением компасного меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

Условный курс (УК) – угол, заключенный между северным направлением условного (опорного) меридиана, проходящего через ВС, и продольной осью ВС.

При выполнении различных навигационных расчетов необходимо уметь переходить от одного курса к другому. Перевод курсов выполняют аналитически или графически. Из рис. 4.4 можно получить следующие аналитические зависимости:

МК = КК + (±Δ к); КК = МК – (±Δ к);

ИК = МК + (±Δ м); МК = ИК – (±Δ м);

ИК = КК + (±Δ к) + (±Δ м); КК = ИК – (±Δ м) – (±Δ к);

ИК = КК + (±Δ); КК = ИК – (±Δ).

При переводе курсов расчет магнитного склонения, девиации компаса и вариации выполняют по формулам:

Δ м = ИК – МК; Δ к = МК – КК; Δ = ИК – КК; Δ = (±Δ м) + (±Δ к).

Зависимость между условным, истинным и магнитным курсами определяется по формулам:

УК = ИК + (±Δ а); УК = МК + (±Δ м.у) .

При аналитическом переводе курсов необходимо руководствоваться следующими правилами:

1) если определяют магнитный или истинный курс по компасному курсу, то девиацию компаса, магнитное склонение и вариацию учитывают со своим знаком, т.е. алгебраически прибавляют (рис. 4.5);

2) если определяют магнитный или компасный курс по истинному курсу, то магнитное склонение, девиацию компаса и вариацию учитывают с обратным знаком, т.е. алгебраически вычитают.

Рис. 4.5. Правила перевода курсов

Для графического перевода курсов необходимо на листе бумаги провести северное направление меридиана того курса, который дан по условию задачи, от него отложить направление продольной оси ВС (значение заданного курса). Затем проводят остальные меридианы с учетом знака девиации и магнитного склонения. Значения искомых курсов определяют по схеме.

Пример. КК = 270°; Δ к = +5°; Δ м = –10° (рис. 4.6). Определить МК, ИК и вариацию.

Решение. МК = КК + (±Δ к) = 270° + (+5°) = 275°;

ИК = МК + (±Δ м) = 275° + (–10°) = 265°;

Δ = (±Δ м) + (±Δ к) = (–10°) + (+5°)= –5°.

Рис. 4.6. Графический перевод курсов

В практике аэронавигации приходится решать навигационные задачи, связанные с пеленгованием ориентиров. Пеленгование предусматривает определение курсовых углов ориентиров и пеленгов.

Курсовой угол ориентира (КУО) – угол, заключенный между продольной осью ВС и направлением на ориентир (рис. 4.7). Его отсчитывают от продольной оси ВС до направления на ориентир по ходу часовой стрелки от 0 до 360°.

Пеленг ориентира (ПО) – угол, заключенный между северным направлением меридиана, проходящего через ВС, и направлением на ориентир. Его отсчитывают от северного направления меридиана до направления на ориентир по ходу часовой стрелки от 0 до 360°. Пеленг ориентира может быть истинным (ИПО) и магнитным (МПО). Между пеленгом, курсом и курсовым углом ориентира существует следующая зависимость:

МПО = МК + КУО; КУО = МПО – МК; МК = МПО – КУО.

Рис. 4.7. Пеленг и курсовой угол ориентира

Элементы земного магнетизма

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и ее поверхности обнаруживается действие магнитных силовых линий. Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рисунок 19.1. Северный магнитный полюс находится у южного географического, а южный магнитный – у северного. Магнитное поле Земли на экваторе направлено горизонтально, а у магнитных полюсов вертикально. В остальных точках земной поверхности магнитное поле Земли направлено под некоторым углом.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити L (рис. 19.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии южный конец будет наклонен к Земле и ось стрелки составит с горизонтом угол наклонения q (на магнитном экваторе наклонение равно 0). Вертикальная плоскость, в которой расположится ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS , а следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то ось стрелки будет отклоняться от географического меридиана.

Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через ось магнитной стрелки (магнитный меридиан) с географическим меридианом, называется магнитным склонением a (рис. 19.2). Вектор полной напряжённости магнитного поля земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную (рис. 19.3). Знание углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей даст возможность определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонение a и наклонение q называются элементами земного магнетизма.

Магнитное поле кругового тока

Согласно теории, напряженность магнитного поля в центре О , создаваемого элементом длины dl кругового витка радиусом R , по которому протекает ток I , может быть определена по закону Био-Савара- Лапласа

, (19.1)

и векторная запись этого закона имеет вид

.

В этом выражении: r – модуль радиуса-вектора , проведенного из элемента проводника dl в рассматриваемую точку поля; 1/4p - коэффициент пропорциональности для записи формулы в системе единиц СИ.

В рассматриваемом примере радиус-вектор перпендикулярен к элементу тока , а по модулю равен радиусу витка, так что

и

(19.2)

Вектор напряженности магнитного поля направлен перпендикулярно к плоскости чертежа, в которой лежат векторы и , ориентирован по правилу буравчика.

Все векторы магнитных полей, создаваемых в точке О различными участками кругового витка с током, направлены в одну сторону, перпендикулярно к плоскости чертежа.

Поэтому напряженность результирующего поля в точке О можно подсчитать так:

. (19.3)

Напряженность магнитного поля в системе СИ измеряется в А/м .

Так как магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север-юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением; его принято обозначать греческой буквой . Магнитное склонение изменяется от места к месту на земном шаре.

Магнитное склонение называют западным или восточным в зависимости от того, к западу () или к востоку () от плоскости географического меридиана отклоняется северный полюс магнитной стрелки (рис. 229). Шкала измерения склонения – от 0 до 180°. Часто восточное склонение отмечают знаком «+», а западное знаком «-».

Рис. 229. Положение магнитной стрелки относительно стран света: а) в местах с восточным магнитным склонением; б) в местах с западным магнитным склонением

Из рис. 228 видно, что линии земного магнитного поля, вообще говоря, не параллельны поверхности Земли. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некоторый угол. Этот угол называется магнитным наклонением. Магнитное наклонение часто обозначают буквой . В разных местах Земли магнитное наклонение различно.

Очень ясное представление о направлении магнитной индукции земного магнитного поля в данной точке можно получить, укрепив магнитную стрелку так, чтобы она могла свободно вращаться и вокруг вертикальной и вокруг горизонтальной оси. Это можно осуществить, например, с помощью подвеса (так называемого карданова подвеса), показанного на рис. 230. Стрелка устанавливается при этом по направлению магнитной индукции поля.

Рис. 230. Магнитная стрелка, укрепленная в кардановом подвесе, устанавливается по направлению магнитной индукции земного магнитного поля

Магнитное склонение и магнитное наклонение (углы и ) полностью определяют направление магнитной индукции земного магнитного поля в данном месте. Остается еще определить числовое значение этой величины. Пусть плоскость на рис. 231 представляет собой плоскость магнитного меридиана данного места. Лежащую в этой плоскости магнитную индукцию земного магнитного поля мы можем разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную . Зная угол (наклонение) и одну из составляющих, мы можем легко вычислить другую составляющую или сам вектор . Если, например, нам известен модуль горизонтальной составляющей , то из прямоугольного треугольника находим

Рис. 231. Разложение магнитной индукции земного магнитного поля на горизонтальную и вертикальную составляющие

На практике оказывается наиболее удобным непосредственно измерять именно горизонтальную составляющую земного, магнитного поля. Поэтому чаще всего магнитную индукцию этого поля в том или ином месте Земли характеризуют модулем ее горизонтальной составляющей.

Таким образом, три величины: склонение, наклонение и числовое значение горизонтальной составляющей полностью характеризуют магнитное поле Земли в данном месте. Эти три величины называют элементами земного магнитного поля.

129.1. Угол наклонения магнитной стрелки равен 60°. Если к ее верхнему концу прикрепить гирьку массы 0,1 г, то стрелка установится под углом 30° к горизонту. Какую гирьку нужно прикрепить к верхнему концу этой стрелки, чтобы стрелка стала горизонтально?

129.2. На рис. 232 изображен инклинатор, или буссоль наклонений, – прибор, служащий для измерения магнитного наклонения. Он представляет собой магнитную стрелку, укрепленную на горизонтальной оси и снабженную вертикальным разделенным кругом для отсчета углов наклонения. Стрелка всегда вращается в плоскости этого круга, но сама эта плоскость может поворачиваться вокруг вертикальной оси. При измерении наклонения круг устанавливается в плоскости магнитного меридиана.

Рис. 232. К упражнению 129.2

Покажите, что, если круг инклинатора установлен в плоскости магнитного меридиана, то стрелка установится под углом к плоскости горизонта, равным наклонению земного магнитного поля в данном месте. Как будет изменяться этот угол, если мы будем поворачивать круг инклинатора вокруг вертикальной оси? Как установится стрелка, когда плоскость круга инклинатора будет перпендикулярна к плоскости магнитного меридиана? 129.3. Как будет вести себя компасная стрелка, помещенная над одним из земных магнитных полюсов? Как будет вести себя там стрелка наклонения?

Точное знание величин, характеризующих земное магнитное поле, для возможно большего числа пунктов на Земле имеет чрезвычайно важное значение. Ясно, например, что, для того чтобы штурман корабля или самолета мог пользоваться магнитным компасом, он должен в каждой точке своего пути знать магнитное склонение. Ведь компас указывает ему направление магнитного меридиана, а для определения курса корабля он должен знать направление географического меридиана.

Склонение дает ему ту поправку к показаниям компаса, которую необходимо внести, чтобы найти истинное направление север-юг. Поэтому с середины прошлого века во многих странах ведется систематическое изучение земного магнитного поля. Свыше 50 специальных магнитных обсерваторий, распределенных по всему земному шару, систематически, изо дня в день, ведут магнитные наблюдения.

В настоящее время мы имеем обширные данные о распределении элементов земного магнетизма по земному шару. Данные эти показывают, что элементы земного магнетизма изменяются от точки к точке закономерно и в общем определяются широтой и долготой данного пункта.

Земной магнетизм - это свойство Земли (как космического тела), обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля. Из других планет доказательства существования магнитного поля имеются для Юпитера. Измерения на американском космическом аппарате «Маринер-4» показали, что дипольный магнитный момент Марса меньше 3 1O -4 магнитного момента Земли. На Венере и Луне магнитные поля отсутствуют. В 1912 г. было обнаружено магнитное поле Солнца, а в 1947 г. и других звезд.

По данным космических измерений на больших расстояниях магнитное поле Земли (магнитосфера) простирается за пределы планеты на несколько земных радиусов, причем на освещенной Солнцем стороне Земли оно значительно сжато.

На расстоянии 10 земных радиусов близ линии, соединяющей Солнце и Землю, регулярное магнитное поле Земли переходит в нерегулярное, или хаотическое, поле. Граница между регулярным и хаотическим полем называется магнитопаузой. Она, по-видимому, стабильна относительно потока солнечного ветра. Хаотическое поле представляет собой переходную область между магнитопаузой и невозмущенным межпланетным полем, расположенным на расстоянии около 14 земных радиусов (также близ линии Солнце - Земля). Напряженность магнитного поля Земли изменяется обратно пропорционально кубу расстояния.

С захватом магнитным полем Земли заряженных частиц (электронов и протонов) связано наличие двух радиационных поясов, обнаруженных с помощью счетчика Гейгера во время многочисленных зондирований, выполненных на космических кораблях и спутниках.

В связи с дипольным характером геомагнитного ноля радиационные пояса имеют вид рогов полумесяца (точнее, тороидальную форму вследствие дрейфа частиц по долготе, обусловленного неоднородностью магнитного поля). Внутренний радиационный пояс, по-видимому, стабилен во времени, внешний подвержен сильным изменениям, в частности во время магнитных бурь.

Нагляднее всего магнитное поле Земли проявляется своим действием на магнитную стрелку, которая в любой точке земной поверхности устанавливается в определенном направлении (на этом основано устройство компаса) при различных склонениях и наклонениях.

Склонение - угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана данного места. Склонение может быть восточным и западным, причем величина его меняется в разных районах. Линии, соединяющие на картах точки с одинаковым склонением, называются изогонами. Наклонение - угол наклона магнитной стрелки к горизонту. В северном полушарии вниз опущен северный конец стрелки, в южном - южный. Линии, соединяющие точки одинакового наклонения, называются изоклинами. Изоклина, на которой наклонение равно нулю, называется магнитным экватором. Магнитный экватор пересекает географический экватор на 169° в. д. и на 23° з. д. и отступает от него к югу в западном полушарии и к северу - в восточном. По направлению к северу и к югу наклонение увеличивается и достигает 90° в точках, называемых магнитными полюсами. В магнитных полюсах сходятся и все изогоны.

Магнитные полюса меняют свое положение из года в год. В их положении отмечаются также небольшие периодические суточные колебания. В 1970 г. положение Северного полюса определялось 78° 31" с. ш. и 70в01" з. д., а Южного - 78°31" ю. ш. и 109°59" в. д. Точно так же вековые, годичные и суточные колебания отмечаются и в магнитном склонении, причем вековые колебания достигают 30°. Кроме склонения и наклонения магнитное поле Земли характеризуется напряженностью, различной в разных участках и меняющейся во времени. Линии, соединяющие точки равной напряженности, называются изодинамами.

Напряженность магнитного поля увеличивается от магнитного экватора (0,4 э) (Э рстед (э) - единица измерения напряженности магнитного поля. Это - напряженность магнитного поля на расстоянии 2 см от бесконечно длинного прямолинейного проводника, по которому протекает ток силой в одну абсолютную электромагнитную единицу тока) к магнитным полюсам (0,7 э). Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H достигает наибольшей величины на магнитном экваторе (0,4 э) и убывает до нуля на магнитных полюсах. Вертикальная составляющая Z меняется от 0,7 э на магнитных полюсах до нуля на магнитном экваторе. Такое распределение элементов магнитного поля сближает его с полем однородно намагниченного шара, точнее, с полем магнитного диполя, расположенного в центре Земли, ось которого отклонена от оси вращения Земли на 11,5°.

Однако наблюдаемое магнитное поле Земли заметно отличается от дипольного наличием наложенных на него внешнего и недипольного полей. Внешнее поле связано с движением электрических зарядов в ионосфере и меняется в результате атмосферных приливов и солнечной деятельности (солнечных пятен). Среднеалгебраическая интенсивность его очень мала, хотя во время магнитных бурь может составлять несколько процентов от общего суммарного магнитного поля. Недипольная компонента определяется

при вычитании из наблюдаемого поля дипольной и внешней компонент. Недипольное поле состоит из неравномерно распределенных участков высокой и слабой интенсивности размером от 25 до 100°. Эти участки изменяются в размерах, и современные скорости их изменения показывают, что средний период жизни каждого из них достигает 100 лет. Недипольные элементы перемещаются по поверхности Земли к западу со скоростью 0,5° географической долготы в год.

Неустойчивое положение магнитных полюсов определяется влиянием неоднородного, быстро меняющегося недипольного поля: на магнитных полюсах недипольная горизонтальная составляющая полностью уничтожает горизонтальную составляющую дипольного поля. Точки на поверхности Земли, на которые направлен диполь, называются геомагнитными полюсами. Современные координаты северного геомагнитного полюса - 78,5° с. ш. и 69° з. д. Его положение не изменилось за период, для которого имеются измерения, тогда как положение магнитного полюса менялось относительно быстро, соответственно с изменениями недипольной составляющей.

Отклонения наблюдаемого распределения элементов земного магнетизма от среднего для данной местности называются магнитными аномалиями. По размерам аномалии делятся на региональные и местные. Региональные аномалии распространяются на огромные регионы, и действительные причины их возникновения не выяснены. Местные аномалии распространяются на области от нескольких квадратных метров до нескольких десятков тысяч квадратных километров и вызываются обычно залежами магнитных пород и руд. Крупнейшая в мире местная магнитная аномалия охватывает Курскую область и прилегающие районы.

На Курской аномалии известно несколько местных магнитных полюсов - участков, в которых магнитное наклонение равно 90°, и склонение равно нулю (стрелка компаса останавливается на любом азимуте). Значения магнитного склонения меняются от 0 до 180°, а наклонения - от 40 до 90°. Курская аномалия вызвана наличием.на некоторой глубине залежей железистых кварцитов.

Таким образом, магнитные аномалии определяются различными магнитными свойствами горных пород, в различной степени намагничивающихся в магнитном поле Земли, и, следовательно, ориентировка их намагниченности должна быть параллельна этому полю. Оказалось, однако, что горные породы часто обладают остаточной намагниченностью, которая далеко не всегда параллельна современному магнитному полю Земли и бывает сильнее современной индуцированной намагниченности.

В слабом магнитном поле Земли (0,5 э) остаточная намагниченность появляется при температуре Кюри в процессе застывания магмы и охлаждения раскаленных горных пород. Такая намагниченность называется термоостаточной. Она ориентирована параллельно силовым линиям магнитного поля Земли, существовавшего во время застывания намагниченной горной породы. Главная часть естественной остаточной намагниченности изверженных горных пород является термоостаточной намагниченностью.

При выпадении осадков ранее намагниченные ферромагнитные частицы поворачиваются в направлении магнитного поля Земли и сохраняют эту ориентировку после уплотнения осадка и превращения его в осадочную породу; т. е. и в осадочных породах остаточная намагниченность параллельна магнитному полю Земли, существовавшему во время их образования. Таким образом, направление остаточной намагниченности горных пород соответствует направлению магнитного поля Земли в момент их образования, и, зная возраст намагниченных пород, можно восстановить положение магнитного меридиана и полюсов для этого времени.

Конечно, остаточная намагниченность может образоваться и иными путями, например при ударах молний возникают сильные магнитные поля, вызывающие в горных породах изотермическую остаточную намагниченность, ориентировка которой может не совпадать с ориентировкой магнитного поля Земли. Химические изменения горных пород и минералов (например, переход гематита в магнетит) в магнитном поле Земли сопровождаются появлением остаточной намагниченности, сходной с термостатической, хотя и не столь интенсивной. Эти и некоторые другие виды намагниченности могут возникнуть значительно позднее образования горных пород, и время их появления обычно не устанавливается. Однако «намагниченности, возникающие в результате различных процессов, обладают весьма различными свойствами, которые, как правило, могут быть определены в лабораторных условиях» (А. Кокс, Р. Долл. Обзор явлений палеомагнетизма. M., 1963, с. 239).

Происхождение магнитного поля. Гипотезы, связывающие магнитное поле Земли с ее остаточной намагниченностью, встречают серьезные возражения:

1) геологические процессы в земной коре и верхней мантии протекают медленно и с ними трудно увязать большую скорость изменения недиполыюго поля и его перемещения в западном направлении со скоростями до 20 км/год;

2) для обеспечения современной интенсивности магнитного поля Земли недостаточно ферромагнитного материала, температура которого ниже точки Кюри (температура земных недр на глубине более 25 км в подавляющем большинстве случаев, вероятно, выше 750° С, и, следовательно, только внешняя оболочка планеты может обладать остаточной намагниченностью).

Поэтому в настоящее время широким признанием пользуется теория происхождения земного магнетизма, предложенная Эльзассером - Френкелем (1956 г.), согласно которой жидкое ядро во вращающейся Земле действует как самовозбуждающаяся динамо-машина. Быстрое изменение недипольного поля объясняется как результат вихревых движений жидкости у границы ядра и мантии, а перемещение его в западном направлении связывают с меньшей угловой скоростью внешней зоны ядра по сравнению с мантией. Динамометрия была успешно применена для объяснения свойств магнитных полей Солнца и некоторых звезд, была предсказана также корреляция между магнитным полем Солнца и осью его вращения. В после нее время она нашла подтверждение в отсутствии магнитного поля у медленно вращающихся планет - Венеры и Луны.

Согласно этой теории ось вращения Земли и средняя ось магнитного поля Земли должны совпадать, т. е. смещение во времени геомагнитных полюсов происходит одновременно со смещением географических полюсов - вывод чрезвычайно важный для геологии. Изучение остаточного магнетизма (палеомагнетизма) показало, что положение магнитных и близких к ним географических полюсов на протяжении геологической истории Земли менялось весьма существенно, что полностью согласуется с палеогеографическими и палеоклиматическими данными (в позднем палеозое, например, полюса находились в современной экваториальной области, где имело место мощное покровное оледенение). Мало того, определение положения полюсов одних и тех же геологических эпох, произведенное в разных точках одного материка, дает обычно хорошее совпадение. Однако данные, полученные на разных материках, систематически расходятся и расхождение увеличивается от более поздних геологических периодов к более ранним. Совмещение полюсов, определенных на разных материках, приводит к объединению этих материков в единый континентальный массив. «Так, - пишет В. Е. Хаин, - гипотеза мобилизма, совсем было уже забытая, получила неожиданное и притом весьма эффективное подтверждение» (В. Е. Хаин. «Природа», № 1, 1970, с. 7-19).

Изучение магнитных аномалий имеет большое практическое значение. Магнитометрические методы в настоящее время широко применяются в практике поисков и разведки магнитных железных руд, бокситов, полиметаллических сульфидных руд, если в них присутствуют ферромагнитные минералы, и других полезных ископаемых. Магнитометрические методы с успехом применяются также при геологической съемке для выяснения некоторых структур, подземного рельефа и др. Это наиболее дешевый и быстрый из всех геофизических методов разведки и поисков.

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра "Физика-2"

У т в е р ж д е н о

Редакционно-издательским

советом университета

Методические указания

к лабораторным работам

по физике

Работы № 20, 22, 90

Под редакцией проф. В.А Никитенко и доц. А.П. Прунцева

МОСКВА–2003

Методические указания к лабораторным работам по физике. Работы № 20, 22, 90 / Под ред. проф. Никитенко В.А.(№ 22,90), доц. Прунцев А.П.(№ 20) – М.: МИИТ, 2003. – 25 с.

Методические указания к лабораторным работам по физике предназначены для студентов всех институтов и факультетов МИИТа, обслуживаемых кафедрой «Физика-2», и соответствует программе и учебным планам по физике (раздел «Электродинамика»).

Методические указания составили преподаватели: старший преподаватель Государева Н.А. (работа № 20), доц. Прунцев А.П. (работа № 22, 90).

При составлении методических указаний к лабораторной работе № 20 использовано описание соответствующей лабораторной работы в РГОТУПС.

 Московский государственный университет путей

сообщения (МИИТ), 2003

Работа 20 определение горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля земли

Цель работы: Изучение магнитного поля кругового тока. Ознакомление с основами учения о земном магнетизме.

Приборы и принадлежности: 1.Источник постоянного тока. 2.Реостат. 3. Амперметр.4. Переключатель.5. Тангенс- гальванометр.

Элементы земного магнетизма

Земля в целом представляет собой огромный магнит. В пространстве, окружающем Землю, существует магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1.Северный магнитный полюс находится у южного географического, а южный магнитный - у северного географического. Магнитное поле земли на экваторе направлено горизонтально, а у магнитных полюсов вертикально. В остальных точках земной поверхности магнитное поле земли направлено под некоторым углом.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити L (рис. 2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

Плоскость магнитного меридиана

К центру Земли

В северном полушарии южный конец будет направлен к Земле, и ось стрелки составит с горизонтом угол наклона (на магнитном экваторе наклонение, равно 0). Вертикальная плоскость в которой расположится ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямойNS , а следы магнитных меридианов на поверхности Земли находятся в магнитных полюсах N и S . Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то ось стрелки будет отклоняться от географического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через ось магнитной стрелки (магнитный меридиан), с географическим меридианом, называется магнитным склонением (рис. 2). Вектор полной напряженности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную.Значения углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей вектора даст возможность определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонение и наклонение называется элементами земного магнетизма.

Различают восточное и западное склонение(северный полюс стрелки отклоняется вправо или влево от географического меридиана).

Наклонение бывает северное и южное (северный или южный конец стрелки располагается выше или ниже горизонтальной плоскости). Эти два угла являются магнитными координатами данной точки. Например, для Москвы = 8° (восточное склонение),=70° (северное наклонение).

Элементы земного магнетизма плавно изменяются при переходе от одной точки к другой. Если же наблюдаются нарушения в этом плавном изменении, то говорят, что в данной местности наблюдается магнитная аномалия. Аномалии связаны с большими залежами магнитных руд, например, Курская магнитная аномалия.

Напряженность магнитного поля Земли сравнительно невелика, однако, наличие земного магнетизма проявляется существенным образом в целом ряде географических и других явлений. К таким явлениям относятся полярные сияния и захват заряженных частиц из космического пространства в своеобразные ловушки, которые называются радиационными поясами Земли.

Некоторые биофизические эксперименты позволят предполагать, что пространственная ориентация птиц при дальних сезонных перелетах связана с их способностью ощущать направление магнитных силовых линий.