สนามแม่เหล็กโลก: ต้นกำเนิดลักษณะฟังก์ชัน - กายภาพ - 2026

สนามแม่เหล็กของโลกเป็นผลแม่เหล็กว่าออกแรงโลกและที่ยื่นออกมาจากภายในไปหลายร้อยกิโลเมตรในพื้นที่ คล้ายกับที่ผลิตโดยแท่งแม่เหล็ก แนวคิดนี้ได้รับการเสนอแนะโดยวิลเลียมกิลเบิร์ตนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษในศตวรรษที่ 17 ซึ่งสังเกตว่าไม่สามารถแยกขั้วของแม่เหล็กออกจากกันได้

รูปที่ 1 แสดงเส้นสนามแม่เหล็กโลก พวกเขาจะปิดตลอดเวลาผ่านเข้าไปด้านในและต่อไปด้านนอกเป็นฝาครอบชนิดหนึ่ง

รูปที่ 1. สนามแม่เหล็กของโลกมีลักษณะคล้ายกับแม่เหล็กแท่ง ที่มา: Wikimedia Commons

ต้นกำเนิดของสนามแม่เหล็กโลกยังคงเป็นปริศนา แกนโลกชั้นนอกที่ทำจากเหล็กหล่อไม่สามารถผลิตสนามได้ด้วยตัวเองเนื่องจากอุณหภูมิสูงจนทำลายคำสั่งแม่เหล็ก เกณฑ์อุณหภูมิสำหรับสิ่งนี้เรียกว่าอุณหภูมิคูรี ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่วัสดุแม่เหล็กจำนวนมากจะรับผิดชอบสนาม

เมื่อตัดสมมติฐานนี้ออกไปแล้วเราต้องมองหาจุดกำเนิดของสนามในปรากฏการณ์อื่นนั่นคือการหมุนของโลก สิ่งนี้ทำให้แกนหลอมเหลวหมุนไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดผลของไดนาโมซึ่งของเหลวจะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นเองตามธรรมชาติ

เชื่อกันว่าเอฟเฟกต์ไดนาโมเป็นสาเหตุของแม่เหล็กของวัตถุทางดาราศาสตร์เช่นของดวงอาทิตย์ แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่ทราบสาเหตุว่าทำไมของไหลจึงมีพฤติกรรมในลักษณะนี้ได้และกระแสไฟฟ้าที่ผลิตออกมานั้นสามารถดำรงอยู่ได้อย่างไร

ลักษณะเฉพาะ

- สนามแม่เหล็กของโลกเป็นผลมาจากการมีส่วนร่วมสามประการ ได้แก่ สนามภายในสนามแม่เหล็กภายนอกและของแร่ธาตุแม่เหล็กในเปลือกโลก:

1. สนามภายใน: คล้ายกับไดโพลแม่เหล็ก (แม่เหล็ก) ที่อยู่ตรงกลางโลกและมีส่วนร่วมประมาณ 90% เวลาแปรผันช้ามาก
2. สนามภายนอก: มาจากกิจกรรมแสงอาทิตย์ในชั้นบรรยากาศ มันไม่เหมือนไดโพลและมีหลายรูปแบบ: รายวันรายปีพายุแม่เหล็กและอื่น ๆ
3. หินแม่เหล็กในเปลือกโลกซึ่งสร้างสนามของตัวเองด้วย

- สนามแม่เหล็กมีขั้วมีขั้วเหนือและขั้วใต้เช่นเดียวกับแม่เหล็กแท่ง

- ในขณะที่ขั้วตรงข้ามดึงดูดซึ่งกันและกันเข็มของเข็มทิศซึ่งเป็นขั้วเหนือของมันจะชี้ไปที่บริเวณใกล้เคียงของภูมิศาสตร์ทางเหนือเสมอโดยที่ขั้วใต้ของแม่เหล็กโลกอยู่

- ทิศทางของสนามแม่เหล็กแสดงในรูปแบบของเส้นปิดที่ออกจากทิศใต้ของแม่เหล็ก (ขั้วเหนือของแม่เหล็ก) และเข้าสู่ทิศเหนือของแม่เหล็ก (ขั้วใต้ของแม่เหล็ก)

- ในทิศเหนือของแม่เหล็กและในทิศใต้แม่เหล็กเช่นกัน - สนามจะตั้งฉากกับพื้นผิวโลกในขณะที่เส้นศูนย์สูตรสนามกำลังแทะเล็ม (ดูรูปที่ 1)

- ความเข้มของสนามมีมากกว่าที่เสามากกว่าที่เส้นศูนย์สูตร

- แกนของไดโพลบก (รูปที่ 1) และแกนของการหมุนไม่อยู่ในแนวเดียวกัน มีการกระจัด11.2ºระหว่างพวกเขา

องค์ประกอบ Geomagnetic

เนื่องจากสนามแม่เหล็กเป็นเวกเตอร์ระบบพิกัดคาร์ทีเซียน XYZ ที่มีจุดกำเนิด O จึงช่วยสร้างตำแหน่ง

รูปที่ 2. องค์ประกอบทางภูมิศาสตร์ ที่มา: F. Zapata

ความเข้มรวมของสนามแม่เหล็กหรือการเหนี่ยวนำคือBและเส้นโครงหรือส่วนประกอบคือ H ในแนวนอนและ Z ในแนวตั้ง พวกเขาเกี่ยวข้องโดย:

-D มุมของการลดลงของแม่เหล็กเกิดขึ้นระหว่าง H และทางภูมิศาสตร์เหนือ (แกน X) เป็นบวกไปทางทิศตะวันออกและลบไปทางทิศตะวันตก

-I มุมเอียงแม่เหล็กระหว่างBและ H เป็นบวกถ้าBอยู่ต่ำกว่าแนวนอน

เข็มของเข็มทิศจะวางในทิศทาง H ซึ่งเป็นองค์ประกอบแนวนอนของสนาม ระนาบที่กำหนดโดยBและ H เรียกว่าเมริเดียนแม่เหล็กในขณะที่ ZX คือเส้นเมริเดียนทางภูมิศาสตร์

เวกเตอร์สนามแม่เหล็กจะถูกระบุอย่างครบถ้วนหากทราบปริมาณสามอย่างต่อไปนี้ซึ่งเรียกว่าองค์ประกอบ geomagnetic: B , H, D, I, X, Y, Z

ฟังก์ชัน

ฟังก์ชั่นที่สำคัญที่สุดของสนามแม่เหล็กโลกมีดังนี้

- มนุษย์ใช้มันเพื่อปรับทิศทางตัวเองด้วยเข็มทิศมาหลายร้อยปีแล้ว

- ฝึกฟังก์ชั่นการป้องกันของดาวเคราะห์โดยการห่อหุ้มและเบี่ยงเบนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่อง

- แม้ว่าสนามแม่เหล็กโลก (30 - 60 ไมโครเทสลา) จะอ่อนแอเมื่อเทียบกับในห้องปฏิบัติการ แต่ก็มีความแข็งแรงเพียงพอที่สัตว์บางชนิดใช้เพื่อปรับทิศทางตัวเอง เช่นเดียวกับนกอพยพนกพิราบกลับบ้านปลาวาฬและปลาบางโรงเรียน

-Magnetometry หรือการวัดสนามแม่เหล็กใช้สำหรับการสำรวจแหล่งแร่

แสงเหนือและแสงใต้

พวกเขาเรียกว่าแสงเหนือหรือแสงใต้ตามลำดับ พวกมันปรากฏที่ละติจูดใกล้ขั้วซึ่งสนามแม่เหล็กเกือบจะตั้งฉากกับพื้นผิวโลกและรุนแรงกว่าที่เส้นศูนย์สูตรมาก

รูปที่ 3. แสงเหนือในอลาสก้า ที่มา: Wikimedia Commons

พวกมันมีต้นกำเนิดจากอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจำนวนมากที่ดวงอาทิตย์ส่งมาอย่างต่อเนื่อง ผู้ที่ถูกขังโดยสนามโดยทั่วไปจะลอยเข้าหาเสาเนื่องจากความรุนแรงที่สูงขึ้น พวกเขาใช้ประโยชน์จากมันเพื่อทำให้ชั้นบรรยากาศแตกตัวเป็นไอออนและในกระบวนการจะเปล่งแสงที่มองเห็นได้

แสงเหนือสามารถมองเห็นได้ในอลาสก้าแคนาดาและยุโรปตอนเหนือเนื่องจากอยู่ใกล้ขั้วแม่เหล็ก แต่เนื่องจากการอพยพนี้เป็นไปได้ว่าเมื่อเวลาผ่านไปพวกมันจะมองเห็นได้ชัดเจนขึ้นทางตอนเหนือของรัสเซีย

ตอนนี้ดูเหมือนจะไม่เป็นเช่นนั้นเนื่องจากออโรราไม่ได้เป็นไปตามทิศเหนือแม่เหล็กที่ผิดปกติอย่างแน่นอน

การลดลงของแม่เหล็กและการนำทาง

สำหรับการนำทางโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเดินทางที่ยาวนานเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องทราบการลดลงของแม่เหล็กเพื่อทำการแก้ไขที่จำเป็นและค้นหาทิศเหนือที่แท้จริง

สิ่งนี้ทำได้โดยใช้แผนที่ที่ระบุเส้นของการลดลงที่เท่ากัน (isogonal) เนื่องจากการลดลงจะแตกต่างกันอย่างมากตามที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ เนื่องจากสนามแม่เหล็กมีการเปลี่ยนแปลงในท้องถิ่นอย่างต่อเนื่อง

ตัวเลขขนาดใหญ่ที่วาดบนรันเวย์คือทิศทางในองศาที่สัมพันธ์กับทิศเหนือแม่เหล็กหารด้วย 10 และปัดเศษ

พวกทางเหนือ

อาจดูเหมือนสับสนมีทิศเหนือหลายประเภทซึ่งกำหนดโดยเกณฑ์เฉพาะบางประการ ดังนั้นเราสามารถค้นหา:

แม่เหล็กเหนือเป็นจุดบนโลกที่สนามแม่เหล็กตั้งฉากกับพื้นผิว ที่นั่นเข็มทิศชี้และโดยวิธีนี้มันไม่ใช่แอนติโพดัล (ตรงข้ามกับ diametrically) กับทิศใต้แม่เหล็ก

Geomagnetic Northเป็นสถานที่ที่แกนของไดโพลแม่เหล็กขึ้นสู่พื้นผิว (ดูรูปที่ 1) เนื่องจากสนามแม่เหล็กโลกซับซ้อนกว่าสนามไดโพลเล็กน้อยจุดนี้จึงไม่ตรงกับทิศเหนือแม่เหล็ก

ทางภูมิศาสตร์เหนือแกนของการหมุนของโลกเคลื่อนผ่านตรงนั้น

ทางเหนือของแลมเบิร์ตหรือเส้นตารางเป็นจุดที่เส้นเมอริเดียนของแผนที่มาบรรจบกัน มันไม่ได้ตรงกับทิศเหนือจริงหรือทางภูมิศาสตร์เนื่องจากพื้นผิวทรงกลมของโลกบิดเบี้ยวเมื่อฉายลงบนระนาบ

รูปที่ 4. ทิศเหนือต่างๆและที่ตั้ง ที่มา: Wikimedia Commons Cavit

การผกผันของสนามแม่เหล็ก

มีความจริงที่น่างงคือขั้วแม่เหล็กสามารถเปลี่ยนตำแหน่งได้ภายในเวลาไม่กี่พันปีและกำลังเกิดขึ้นในปัจจุบัน ในความเป็นจริงเป็นที่ทราบกันดีว่าเกิดขึ้น 171 ครั้งก่อนในช่วง 17 ล้านปีที่ผ่านมา

พบหลักฐานเป็นหินที่โผล่ออกมาจากรอยแยกกลางมหาสมุทรแอตแลนติก เมื่อมันออกมาหินจะเย็นตัวและแข็งตัวกำหนดทิศทางการดึงดูดของโลกในขณะนี้ซึ่งได้รับการอนุรักษ์ไว้

แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีคำอธิบายที่น่าพอใจว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้นและไม่มีแหล่งพลังงานที่จำเป็นในการพลิกกลับสนาม

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ทิศเหนือแม่เหล็กกำลังเคลื่อนตัวไปยังไซบีเรียอย่างรวดเร็วและทางใต้ก็เคลื่อนตัวไปด้วยแม้ว่าจะช้ากว่าก็ตาม

ผู้เชี่ยวชาญบางคนเชื่อว่าเกิดจากการไหลของเหล็กเหลวด้วยความเร็วสูงซึ่งอยู่ต่ำกว่าแคนาดาซึ่งทำให้สนามอ่อนตัวลง นอกจากนี้ยังอาจเป็นจุดเริ่มต้นของการกลับตัวของแม่เหล็ก ครั้งสุดท้ายที่เกิดขึ้นเมื่อ 700,000 ปีที่แล้ว

อาจเป็นไปได้ว่าไดนาโมที่ก่อให้เกิดแม่เหล็กของโลกจะดับลงชั่วขณะทั้งตามธรรมชาติหรือเนื่องจากการแทรกแซงจากภายนอกเช่นการเข้าใกล้ของดาวหางเป็นต้นแม้ว่าจะไม่มีหลักฐานอย่างหลังก็ตาม

เมื่อไดนาโมรีสตาร์ทขั้วแม่เหล็กจะเปลี่ยนตำแหน่ง แต่อาจเกิดขึ้นได้เช่นกันที่การผกผันยังไม่สมบูรณ์ แต่เกิดการแปรผันชั่วคราวของแกนไดโพลซึ่งสุดท้ายจะกลับสู่ตำแหน่งเดิม

การทดลอง

ดำเนินการด้วยขดลวด Helmholtz: ขดลวดวงกลมสองเส้นที่เหมือนกันและมีศูนย์กลางซึ่งความเข้มของกระแสไหลผ่านเท่ากัน สนามแม่เหล็กของขดลวดมีปฏิสัมพันธ์กับโลกทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้น

รูปที่ 5. การทดลองเพื่อหาค่าของสนามแม่เหล็กโลก ที่มา: F. Zapata

สนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอโดยประมาณถูกสร้างขึ้นภายในขดลวดซึ่งมีขนาด:

- ฉันคือความเข้มของกระแส

-μ _oคือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของสูญญากาศ

-R คือรัศมีของขดลวด

กระบวนการ

กับเข็มทิศที่วางอยู่ในแกนแกนของขดลวดที่กำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็กบกB T

-Oriente แกนของขดลวดที่จะตั้งฉากกับB T ดังนั้นสนามB _Hสร้างขึ้นเป็นปัจจุบันถูกส่งผ่านไปจะตั้งฉากกับB T ในกรณีนี้:

รูปที่ 6. ช่องผลลัพธ์คือสิ่งที่เข็มของเข็มทิศจะทำเครื่องหมาย ที่มา: F. Zapata

-B _Hเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลผ่านขดลวดดังนั้น B _H = kI โดยที่ k เป็นค่าคงที่ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของขดลวดดังกล่าว: รัศมีและจำนวนรอบ ต่อ A วัดในปัจจุบันสามารถมีค่าของบีเอช ดังนั้น:

ดังนั้น:

- ความเข้มหลายอย่างถูกส่งผ่านขดลวดและคู่ (I, tg θ) จะถูกบันทึกไว้ในตาราง

- กราฟที่ฉันเทียบกับ tg θ. เนื่องจากการพึ่งพาเป็นเชิงเส้นเราจึงคาดว่าจะได้เส้นที่มีความชัน m คือ:

-Finally จากตรง - สายพอดีน้อยสแควร์หรือการปรับภาพจะดำเนินการกำหนดมูลค่าของบีที

อ้างอิง

1. สนามแม่เหล็กโลก กู้คืนจาก: web.ua.es
2. Magneto-hydrodynamics Group ของ University of Navarra เอฟเฟกต์ไดนาโม: ประวัติศาสตร์ กู้คืนจาก: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage
4. หม้อ. สนามแม่เหล็กโลกและการเปลี่ยนแปลงของเวลา กู้คืนจาก: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo ขั้วเหนือแม่เหล็กของโลกกำลังเคลื่อนที่ สืบค้นจาก: ngenespanol.com.
6. วิทยาศาสตร์อเมริกัน โลกมีขั้วโลกเหนือมากกว่าหนึ่งขั้ว สืบค้นจาก: Scientamerican.com.
7. วิกิพีเดีย ขั้ว Geomagnetic สืบค้นจาก: en.wikipedia.org.