Земной магнетизм и его элементы. Формы и размеры Земли. Внутреннее строение Земли. Физико-химические особенности слоев Земли. Земной магнетизм и его значение. Элементы земного магнетизма
§ 15. Земной магнетизм и его элементы. Магнитные карты
Пространство, в котором действуют магнитные силы Земли, называют магнитным полем Земли. Принято считать, что магнитные силовые линии земного поля выходят из южного магнитного полюса и сходятся в северном, образуя замкнутые кривые.Положение магнитных полюсов не остается неизменным, координаты их медленно меняются. Приближенные координаты магнитных полюсов в 1950 г. были следующие:
Северного - φ ~ 76°N; Л ~ 96°W;
Южного - φ ~ 75°S; Л ~ 150° O st .
Магнитная ось Земли - прямая, соединяющая магнитные полюса, проходит вне центра Земли, и составляет с ее осью вращения приближенно угол около 1Г,5.
Сила магнитного поля Земли характеризуется вектором напряженности Т, который в любой точке земного магнитного поля направлен по касательным к силовым линиям. На рис. 18 сила земного магнетизма в точке А изображена по величине и направлению вектора AF. Вертикальную плоскость NmAZF, в которой располагается вектор AF, а следовательно, и ось свободно подвешенной магнитной стрелки, называют плоскостью магнитного меридиана. Эта плоскость составляет с плоскостью истинного меридиана NuAZM угол РАН, который называют магнитным склонением и обозначают буквой d.
Рис. 18.
Магнитное склонение d отсчитывается от северной части истинного меридиана к востоку и западу от 0 до 180°. Восточному магнитному склонению приписывают знак «плюс», а западному - знак «минус». Например: d=+4°, 6 или d = -11°,0.
Угол NmAF, образуемый вектором AF с плоскостью истинного горизонта NuAH, называют магнитным наклонением и обозначают буквой в.
Магнитное наклонение в отсчитывают от горизонтальной плоскости вниз от 0 до 90° и считают положительным, если опущен северный конец магнитной стрелки, и отрицательным, - если опущен южный конец.
Точки на земной поверхности, в которых вектор Т направлен горизонтально, образуют замкнутую линию, дважды пересекающую географический экватор и называемую магнитным экватором. Полную силу земного магнетизма - вектор Т - можно разложить на горизонтальную Н и вертикальную Z составляющие в плоскости магнитного меридиана. Из рис. 18 имеем:
H = TcosO, Z=Tsin O или Z = HtgO.
Величины d, Н, Z и O, определяющие магнитное поле Земли в данной точке, называют элементами земного магнетизма.
Распределение элементов земного магнетизма по поверхности земного шара принято изображать на специальных картах в виде кривых линий, соединяющих точки с одинаковым значением того или иного элемента. Такие линии называют изолиниями. Кривые равного магнитного склонения - изогоны наносят на карты изогон (рис. 19); кривые, соединяющие точки с равным магнитным напряжением, называют изодинами , или изодинамами. Кривые, соединяющие точки с равным магнитным наклонением - изоклины, наносят на карты изоклин.
Рис. 19.
Магнитное склонение - наиболее важный элемент для судовождения, поэтому его, помимо специальных магнитных карт, указывают на навигационных морских картах, на которых записывают, например, так: «Скл. к. 16°,5 W».
Все элементы земного магнетизма в любой точке земной поверхности подвержены изменениям, носящим название вариаций. Изменения элементов земного магнетизма делятся на периодические и непериодические (или возмущения).
К периодическим относятся вековые, годовые (сезонные) и суточные изменения. Из них суточные и годовые вариации невелики и для судовождения во внимание не принимаются. Вековые же вариации представляют собой сложное явление с периодом, равным нескольким столетиям. Величина векового изменения магнитного склонения колеблется в различных точках земной поверхности в пределах от 0 до 0,2-0°,3 в год. Поэтому на морских картах магнитное склонение компаса приводится к определенному году с указанием величины годового увеличения или уменьшения.
Чтобы привести склонение к году плавания, надо рассчитать его изменение за истекшее время и на полученную поправку увеличить или уменьшить склонение, указанное на карте в районе плавания.
Пример 18. Плавание происходит в 1968 г. Склонение компаса, снято с карты, d = 11°, 5 О st приведено к 1960 г. Годовое увеличение склонения 5" .Привести склонение к 1968 г.
Решение. Промежуток времени с 1968 по 1960 г. равен восьми годам; изменение Аd = 8 х 5 = 40" ~0°,7. Склонение компаса в 1968 г. d = 11°.5 + 0°,7 = - 12°, 2 O st
Внезапные кратковременные изменения элементов земного магнетизма (возмущения) называются магнитными бурями, возникновение которых обусловлено северными сияниями и количеством пятен на Солнце. При этом наблюдаются изменения склонения в умеренных широтах до 7°, а в полярных областях - до 50°.
В некоторых районах земной поверхности склонение резко отличается по величине и знаку от его значений в прилегающих точках. Это явление носит название магнитной аномалии. На морских картах указывают границы районов магнитной аномалии. При плавании в этих районах необходимо внимательно следить за работой магнитного компаса, так как точность работы нарушается.
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.
Лабораторная работа 230ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Теоретическая
частьI. Элементы земного магнетизма. Земля представляет собой огромный
шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности
обнаруживается действие магнитных сил, т.е. создается магнитное поле, которое
подобно полю магнитного диполя “ав” помещенного в центре Земли (рис.I). Магнитные
полюса Земли лежат вблизи географических полюсов:вблизи северного географического полюса С расположен
южный магнитный S, а вблизи южного географического Ю " северный магнитный
N. Магнитное поле Земли на магнитном экваторе направлено горизонтально (точка
В), а у магнитных полюсов - вертикально (точка А). В остальных точках земной по-
верхности магнитное поле Земли поправлено под некоторым углом к поверхности (точка
К). Убедиться в существовании магнитного поля Земли можно с помощью магнитной
стрелки. Если подвесить стрелку на нити так,Рис.1
чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то она установится по
направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.
Ознакомиться с основами теории
Максвелла , свойствами электромагнитных волн и механизмом распространения
электромагнитных волн в двухпроводной линии
Магнетизм - раздел физики,
изучающий взаимодействие между электрическими токами , между токами и
магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами.
Взаимодействие двух параллельных
проводников с током. Законы Био – Савара – Лапласа и Ампера применяются
для определения силы взаимодействия двух параллельных проводников с током.
Поток вектора магнитной
индукции . Теорема Гаусса для магнитного поля.
Магнитные моменты атомов .
Для полного описания атома необходимы знания квантовой механики, которую
мы будем изучать позднее. Однако магнитные свойства вещества хорошо объясняются
с помощью простой и наглядной планетарной модели атома, предложенной Э.Резерфордом.
Намагниченность вещества.
Ранее мы предполагали, что провода, несущие ток и создающие магнитное поле,
находятся в вакууме. Если же провода находятся в какой-либо среде, то величина
создаваемого ими магнитного поля изменится.
Виды магнетиков . Проведем
опыт с сильным магнитным полем, создаваемым, например, соленоидом. Соленоид
(цилиндр с намотанным на него проводом, по которой течет ток) может создать
внутри себя магнитное поле в 100000 раз больше магнитного поля Земли. Будем
помещать в такое магнитное поле различные вещества и наблюдать, как действует
на них сила магнитного поля. Качественные результаты подобных опытов получаются
довольно разнообразными.
Доменная структура ферромагнетиков .
Классическая теория ферромагнетизма была развита французским физиком П.Вейсом
(1907 г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца, находящегося
при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области – домены,–
которые самопроизвольно намагничены до насыщения.
Основной закон электромагнитной
индукции . Величайший физик XIX века Майкл Фарадей считал, что между
электрическими и магнитными явлениями существует тесная взаимосвязь. Ампер,
Био и другие ученые выяснили одну сторону этой взаимосвязи, с которой мы
уже знакомы, а именно – магнитное действие тока.
Явление взаимной индукции
Теория Максвелла для электромагнитного
поля . В 60-х годах XIX столетия Д.К. Максвелл, ознакомившись с работами
Фарадея, решил придать теории электричества и магнетизма математическую
форму. Обобщив законы, установленные экспериментальным путем – закон полного
тока, закон электромагнитной индукции и теорему Остроградского-Гаусса, -
Максвелл дал полную картину электромагнитного поля
Второе уравнение Максвелла.
Максвелл ввел понятие полного тока. Плотность полного тока
Вертикальная плоскость, в которой располагается
стрелка, 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. Угол, образованный плоскостями магнитного и географического
меридианов называется углом склонения (на рис.1 - угол β). Угол, образованный
направлением магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью, называется углом
наклонения (на рис.2 – угол α).Вектор напряженности магнитного поля
Земли можно разложить на две составляющие:
горизонтальную и вертикальную . На рис.2 показано положение магнитной стрелки
NS подвешенной на нити L в магнитном поле Земли. Направление северного конца N
стрелки совпадает с направлением напряженности магнитного поля Земли. Плоскость
чертежа совпадает с плоскостью магнитного меридиана. Знание углов склонения и
на-
клонения, а также горизонтальной составляющей дает возможность определить величину
и направление напряженности магнитного поля Земли в определенной точке поверхности.
Горизонтальная составляющая ,угол склонения β и угол
наклонения α являются основными элементами земного магнетизма. С течением
времени все элемента земного маг-нетизма, а также положение магнитных полюсов
изменяются. Происхождение земного магнетизма в настоящее время до конца не выяснено.
По последним гипотезам магнитное поле Земли связано с токами, циркулирующими по
поверхности ядра Земли, а также с намагниченностью горных пород. 2. Метод
тангенс-гальванометра. Если магнитная стрелка может вращаться лишь вокруг вертикальной
оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного
поля Землив плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки
используется в тангенс-гальванометре. Рассмотрим круговой проводник из N витков,
плотно прилегающих друг к другу, которые расположены вертикально в плоскости магнитного
меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, способную поворачиваться
вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток I. то возникает магнитное
поле с напряженностью , перпендикулярной к плоскости витков катушки
(рис.З). На магнитную стрелку N1 S1, в этом случае будут действовать два взаимно
перпендикулярных магнитных поля: горизонтальная составляющая магнитного поля Земли
и магнитное поле тока . На рис.3 изображены сечения
витка катушки (А и В) горизонтальной плоскостью. В сечении А ток направлен "из-за"
плоскости чертежа перпендикулярно к ней. В сочетай В ток направлен за плоскость
чертежа перпендикулярно к ней. Пунктирные кривые выражают силовые линии магнитного
поля тока. Стрелкой NS показано направление магнитного меридиана.
Рис.З
ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА - проекции полного вектора напряженности земного магнитного поля Т (см. Поле Земли магнитное) па. оси координат и горизонтальную пл., а также углы склонения и наклонения. Проекция вектора Т на горизонтальную пл. называется горизонтальной составляющей (H) - на вертикальную ось - вертикальной составляющей (Z), на ось X (направленную по географическому меридиану на С) - сев. составляющей (X) и на ось Y (направленную по географической параллели на В) - вост. составляющей (Y). Углом склонения (D) называется угол между географическим меридианом и горизонтальной составляющей H (склонение считается положительным при отклонении H к В). Углом наклонения (I) называется угол между вектором Т и горизонтальной пл. (наклонение считается положительным при отклонении Т вниз) . Напряженность магнитного поля Земли (Т, Н, X, Y, Z) измеряется в эрстедах, миллиэрстедах и гаммах. Углы склонения и наклонения измеряются в градусах. В зависимости от используемой при расчетах системы координат для полной характеристики величины и построения в пространстве вектора Т достаточно 3-х Э. з. м.: в прямоугольной системе координат - X, Y, Z; в цилиндрической - H, Z, D; в сферической - Т, D, I.
Между Э. з. м. существуют следующие соотношения: X = H cos D; Y
= H sin D; Z
= H tg I; Т
= H sec I = Z
cosec I; H 2 = X 2 + Y 2 ; Т 2
= H 2 + Z 2
= X 2 + Y 2 + Z 2 ;
Э.
з. м. не остаются неизмененными во времени, а непрерывно меняют свои значения (см. Вариации магнитные).
Для совр. эпохи на поверхности Земли H изменяется в пределах от 0,4 э на магнитном экваторе (в р-не Зондских островов) до нуля на магнитных полюсах. Z
изменяется от 0,6 э в р-не магнитных полюсов до нуля на магнитном экваторе. Склонение изменяется в пределах от нуля на экваторе до ± 180° (на магнитных и географических полюсах). Наклонение - в пределах от нуля (на экваторе) до ±90° (на магнитных полюсах). В магниторазведке используются Т, Z
и Н,
поскольку напряженность аномального магнитного поля функционально связана с параметрами возмущающих тел. Иногда для характеристики положения аномальной горизонтальной составляющей измеряют также и D.
См. Магниторазведка. Ю. П. Тафеев.
Геологический словарь: в 2-х томах. - М.: Недра . Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др. . 1978 .
Смотреть что такое "ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА" в других словарях:
КАРТА ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА - магнитная карта, справочная морская карта с на несенными на нее элементами земного магнетизма, составляется в меркаторской проекции с общей карто графич. основой для всех элементов. Карта предназначена для общего изучения состояния магнитного… … Морской энциклопедический справочник
Геомагнетизм, магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий распределение в пространстве и изменения во времени геомагнитного поля, а также связанные с ним геофизические процессы в Земле и… … Большая советская энциклопедия
Магнитное поле Земли, существование которого обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли (см. Гидромагнитное динамо) и создающих основной компонент поля (99%), а также переменных источников (электрических токов) в… … Энциклопедический словарь
1976 года. Содержание … Википедия
Прибор для измерения магнитного поля Земли в воздухе. Устанавливается на самолете или вертолете, может входить в состав аэрогеофизической станции. Чаще всего в воздухе измеряется полный вектор напряженности земного магнитного поля Т или его… … Геологическая энциклопедия
Географические исследования Российской империи и развитие географической науки в России. Первые географические сведения о пространстве, составляющем в настоящее время Российскую империю, мы находим у иностранных писателей. Иностранцы были и… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
- (Magnetic charts) карты, на которых указывается величина склонения в виде линий равных склонений или другие элементы земного магнетизма. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
Магн. поле Земли, существование к рого обусловлено действием пост. источников, расположенных внутри Земли (см. Гидромагнитное динамо) и создающих осн. компонент поля (99%), а также переменных источников (электрич. токов) в магнитосфере и… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Наука о магнитном поле Земли. Г. изучает структуру и изменения во времени магнитного поля Земли, происхождение этого поля и способы его измерений. Данные Г. используются во многих науках магниторазведке, геодезии, палеомагнетизме. Син.: магнетизм … Геологическая энциклопедия
Линии, соединяющие на географической карте точки с одинаковыми значениями магнитного склонения. Положение их на магнитных картах относится к определенной эпохе. См. Элементы земного магнетизма. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под… … Геологическая энциклопедия
Книги
- Земной магнетизм , Тарасов Л.В.. В учебно-популярной форме рассказывается о земном магнетизме. Рассматриваются как геомагнитное поле на земной поверхности (элементы земного магнетизма, магнитныекарты, дрейф и инверсия…
