какое нормальное магнитное поле

Геофизика

2.1. Основы теории геомагнитного поля и магниторазведки

2.1.1. Элементы геомагнитного поля и его происхождение

Рис. 2.1. Элементы земного магнитного поля. Направление координатных осей:

x — север географический; y — восток географический; z — к центру Земли

H = T cos J ; Z = T sin J ; Z = H tg J ; T 2 = H 2 + Z 2 и др. (2.1)

Единицей напряженности магнитного поля в системе СИ является ампер на метр (А / м), а в системе СГСМ — эрстед (Э). В практике магниторазведки широко применяется также внесистемная единица напряженности магнитного поля — гамма ( γ ). Перечисленные единицы измерения напряженности магнитного поля соотносятся следующим образом:

Магниторазведочная аппаратура обычно находится в немагнитной среде — воздухе или воде, для которых χ = 0, поэтому B = μ 0 T, в системе СГСМ B = T.

2.1.2. Нормальное и аномальное магнитное поле

Рис. 2.2. Нормальное магнитное поле Земли ( Т норм ) эпохи 1990 года.
Изолинии проведены через 5000 нТл

2.1.3. Вариации магнитного поля

На магнитное поле Земли также накладывается переменное магнитное поле (вариации годовые, суточные, магнитные бури), вызванное внешними процессами, происходящими в ионосфере под воздействием солнечной энергии. Годовые вариации — это изменения среднемесячных значений напряженности магнитного поля небольшой амплитуды. Суточные вариации связаны также с солнечно-суточными изменениями напряженности магнитного поля из-за изменения солнечной активности. Вариации достигают максимума в полдень по местному времени. Амплитуда суточных вариаций зависит от магнитной широты района наблюдения и изменяется от первых десятков до 200 нТл при переходе от экватора к полюсам. Годовые и суточные вариации являются плавными, периодическими. Их называют невозмущенными вариациями.

Таким образом, в общем виде полный вектор напряженности, как и любой другой параметр магнитного поля Земли, можно представить в виде

С учетом выражения (2.2) аномальное магнитное поле рассчитывают по формуле

2.1.4. Магнитные свойства горных пород

Магнитная восприимчивость большинства горных пород определяется, прежде всего, присутствием и процентным содержанием ферромагнитных минералов (табл. 2.1). Среди изверженных пород наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ультраосновные и основные породы, слабо- или умеренномагнитные кислые породы. У метаморфических пород магнитная восприимчивость обычно ниже, чем у изверженных. Осадочные породы, за исключением некоторых песчаников и глин, практически немагнитны.

Таблица 2.1. Магнитная восприимчивость основных минералов, горных пород и руд

Источник

Нормальное и аномальное магнитное поле

В 1600 году Гильберт предположил, что геомагнитное поле – следствие общей намагниченности земного шара (ранее считалось, что магнитная стрелка притягивается Полярной звездой). В 1835 году профессором Казанского университета Симоновым была предпринята первая попытка аналитического представления ГМП на основе данной модели. В 1838 году Гауссом была создана общая теория аналитического представления ГМП, позволяющая вычислять значения его компонент по данным измерений в ограниченной области земной поверхности.

В действительности ГМП имеет более сложный характер, что обусловлено его изменениями во времени (вариациями) и в пространстве (аномалиями).

— бури вызываются выбросами солнечной плазмы (протуберанцами) и представляют собой внезапные незакономерные изменения магнитного поля величиной до 1000 нТл и более, длящиеся по нескольку дней.

По результатам анализа магнитометрических карт магнитное поле Земли Т представляется векторной суммой полей:

Т = Т_о + Т_н + Т_а + Т_е + δТ (6.1)

Т_е – постоянная составляющая внешнего поля (по данным околоземных исследований), составляет менее 0,006 Т₀;

δТ – короткопериодические вариации, индуцированные токами в ионосфере (контролируются специальными наблюдениями).

Сумма первых двух составляющих Т₀ и Т_н и Т_е называется главным магнитным полем Земли или нормальным полем. Если его исключить из наблюденного, то получим аномальное поле.

Нормальное поле изучается так называемой генеральной магнитной съемкой по редкой сети точек (20×20, 20×30 км). По ее результатам для каждого элемента магнитного поля строятся карты нормального поля. В связи с тем, что поле во времени меняется (вековые вариации), карты составляются на середину определенного года и относят к определенной эпохе (рис. 5.4). Нормальное поле в пространстве меняется плавно.

Аномальное магнитное поле Т_а характеризуется резкими изменениями на незначительных расстояниях, достигающими тысяч наноТесл на метр. Причина появления аномалий заключается в изменении состава горных пород, слагающих верхнюю часть земной коры. Аномальные магнитные поля изучаются крупномасштабной магнитной съемкой (2х2, 2х3 км).

Отмечается также дрейф недипольной части главного магнитного поля на запад в среднем по 0,2º в год; предполагается, что это происходит вследствие инерционного отставания (в своем вращении вокруг земной оси) жидкого внешнего ядра от мантии.

Дата добавления: 2015-06-27 ; просмотров: 2198 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Магнитное поле

Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Без магнитного поля не функционировали бы герконы, электромагнитные реле, соленоиды, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, двигатели, динамики, генераторы электрической энергии да и вообще много чего.

Природа магнетизма

Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.

Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой — на ЮГ.

Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.

Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.

Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м 2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м 2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

Напряженность магнитного поля

Формула напряженности

Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой

H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр

B — плотность магнитного потока, Тесла

Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.

μ — это относительная магнитная проницаемость.

У разных веществ она разная

Напряженность магнитного поля проводника с током

Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.

Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой

H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр

I — сила тока, текущая через проводник, Ампер

r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр

Магнитное поле проводника с током

Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.

Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.

Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.

Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.

Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?

Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.

Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.

Соленоид

А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину. У нас должно получится что-то типа этого.

Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.

Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.

Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.

Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.

Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.

I — это сила тока в катушке, Амперы

N — количество витков катушки, штуки)

Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.

Похожие статьи по теме «магнитное поле»

Источник

Геомагнитное поле и его основные свойства

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 25.06.2018 2018-06-25

Статья просмотрена: 679 раз

Библиографическое описание:

Натрадзе, А. Т. Геомагнитное поле и его основные свойства / А. Т. Натрадзе, А. А. Ярошенко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 25 (211). — С. 132-134. — URL: https://moluch.ru/archive/211/51687/ (дата обращения: 05.11.2021).

Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутри земными источниками. Геомагнитное поле оказывает довольно глубокое воздействие на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Оно сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и защите жизни на Земле.

Геомагнитное поле пронизывает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу, на все четыре царства природы: растительное, животное, минеральное и, конечно, человеческое. Магнитное поле Земли также оказывает существенное влияние на климат и погоду. Изменения его интенсивности могут привести к значительным колебаниям в температуре, в атмосферном давлении и в частоте выпадения осадков, а также к бурям, ураганам и другим стихийным бедствиям.

Геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы. Магнитную память о древнем геомагнитном поле сохраняют входящие в состав всех горных пород ферримагнитные минералы. Их естественная остаточная намагниченность появляется во время их образования и сохраняется полностью или частично до нашего времени [1–2].

Геомагнитное поле состоит из главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре Земли, аномального, создаваемого намагниченными горными породами, и внешнего геомагнитных полей. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей. В первом приближении теории геомагнитное поле является полем диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10–12 градусов. Аномальное поле составляет около 3 % геомагнитного поля, а внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, — менее 1 %. Измерения магнитного поля Земли выполняются на магнитных обсерваториях, магнитные съемки бывают сухопутными, водными, воздушными и спутниковыми [2].

Силовые линии и напряжённость геомагнитного поля находятся в непрерывном изменении. Изменения (вариации) геомагнитного поля имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и от нескольких месяцев, до долей секунд. Кроме того, имеется тенденция смещения силовых линий геомагнитного поля на запад со скоростью 0.2 градуса в год (так называемый западный дрейф). Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются «вековыми», короткопериодные (с периодом меньше одного года) очень различны как по своим периодам, так и по своей природе. Источники вековых вариаций, по современным представлениям, находятся в ядре Земли, источники короткопериодных — в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариаций зависит от активности солнечно-земных взаимодействий.

На Земной поверхности существуют так называемые магнитные аномалии, напряженность которых существенно превышает среднее аномальное геомагнитное поле. Магнитные аномалии во многих случаях связаны с залежами полезных ископаемых. Таким образом, непосредственные измерения геомагнитного поля прямо связаны с поиском полезных ископаемых (включая алмазы) как на суше, так и на дне мирового океана.

Геомагнитное поле, в первом приближении, можно рассматривать как магнитное поле однородно намагниченного шара — планеты Земля. Такое представление утвердилось в науке с 1600 г. — со времени выхода в свет книги В. Гильберта «О магнитах, магнитных телах и большом магните Земля, новая физиология, доказываемая множеством опытов и рассуждений» и удовлетворительно отражает характер изменения магнитного поля Земли на акватории Мирового океана [3].

Для описания глобальных явлений вблизи земной поверхности и геомагнитного поля, в частности, обычно используется система ортогональных сферических географических координат, несколько отличная от сферической системы координат. В этой системе координат r — расстояние до центра Земли (на земной поверхности r  R₀ — радиус Земли), — географическая широта и  — географическая долгота, при этом = 0 на экваторе,   на северном полюсе, =-/2 на южном;    на Гринвичском меридиане и    на тихоокеанском меридиане, лежащим в одной плоскости с Гринвичским. Декартова система координат Земли ₁ ₂ ₃, с центром в центре Земли, ось ₁ которой направлена вдоль оси вращения Земли к северному полюсу, а ось ₂ в точку пересечения Гринвичского меридиана и экватора, связана с системой сферических географических координат следующими соотношениями:

.

В декартовой системе координат Земли скалярный потенциал () магнитного поля Земли, рассматриваемой как равномерно намагниченный шар, при , представляет собой потенциал точечного магнитного диполя с магнитным моментом , расположенного в начале координат:

, (1)

где _i — направляющие косинусы вектора магнитного момента ;

— его компоненты; .

который находится в Антарктиде и определяется условием ортогональности направления геомагнитного поля поверхности Земли, при этом:

,

где — географические координаты Северного магнитного полюса.

В сферической географической системе координат скалярный потенциал будет иметь вид:

(2)

где cos = sin₀ sin + cos₀ coscos ( — ₀),

Орты сферической системы координат в каждой точке пространства образуют ортогональную систему и направлены. В этих ортах напряженность геомагнитного поля, определяемого скалярным потенциалом (2) будет равна:

,

где — элементы длины вдоль направлений , соответственно. Компоненты напряженности:

(3)

Величина радиуса Земли R₀ несоизмеримо велика по сравнению с размерами зданий, кораблей и других сооружений и объектов, создаваемых человеком, поэтому для описания координат точек этих объектов обычно пользуются локальной географической системой декартовых координат, начало которой обычно помещают в центр тяжести объекта, ось х направляется на географический север по касательной к меридиану, проходящему через данную точку, ось у — на восток по касательной к широтной линии, ось z — вертикально вниз по направлению к центру Земли. Эта локальная географическая система координат является правой, и ее орты связаны с ортами глобальной сферической системы в точке расположения ее центра следующим образом:

следовательно, в локальной географической системе координат:

Формулы (3) при в локальной географической системе координат удобно представить в виде:

(4)

где коэффициенты определяются следующими выражениями:

(5)

В ряде случаев удобно пользоваться локальной геомагнитной декартовой системой координат, которая получается из локальной географической поворотом на угол D вокруг оси Z, так, что ось Х геомагнитной системы совпадает с направлением горизонтальной проекции вектора , или, как иногда говорят, с направлением магнитного меридиана.

Несмотря на простейшие предположения о геомагнитном поле как о поле равномерно намагниченного шара, на основании которых были написаны формулы (1) — (4), эти формулы позволяют описывать геомагнитное поле на акватории океана и на тех участках суши, на которых нет выходов магнитных руд, с погрешностью порядка 25 %, т. е. вполне удовлетворительно передают характер глобального изменения компонент геомагнитного поля как функции  и . Например, согласно (4), на магнитных полюсах получаем = 49.70 А/м в то время как среднее значение на полюсах составляет 50.9 А/м; на магнитном экваторе , в то время как максимальное значение на магнитном экваторе составляет 32.6 А/м (погрешность 23 %).

Следует отметить, что согласно (4) изменение при перемещении точки на 1 км составляет величину порядка 8·10– 3 А/м, таким образом, в пределах рукотворных объектов геомагнитное поле можно считать практически однородным [2–3].

Как уже отмечалось ранее, фундаментальный вклад в описание геомагнитного поля был сделан великим немецким математиком К. Ф. Гауссом, в 1839г. построившим аналитическую модель геомагнитного поля, существенно уточнившую простейшую модель, основанную на представлении магнитного потенциала Земли в виде (4).

Таким образом, Геомагнитное поле является одним из обязательных условий существования и развития жизни на Земле, потому что, как уже было сказано выше, оно, наравне с атмосферой, защищает Землю от пагубного разрушительного воздействия солнечного ветра и космических лучей. Более того, жизнь на Земле могла возникнуть только после дифференциации вещества Земли, возникновения ядра и, соответственно, геомагнитного поля.

Источник