Pole magnetyczne magnesu i Ziemi

Pole magnetyczne magnesu

Magnesy trwałe. Oddziaływanie magnesów.

Już bardzo dawno temu ludzie zauważyli, że niektóre rudy, a zwłaszcza magnetyt wykazują zadziwiające właściwości. Zawsze, w każdych warunkach wskazują ściśle określony kierunek. Tę właściwość magnetytu wykorzystali już starożytni Chińczycy, budując pierwszy kompas, który pozwalał im na wyprawy morskie. Do Europy wiadomość o niezwykłych właściwościach magnetytu przywiózł Marco Polo (1254-1323). Z czasem nauczono się magnesować sztabki stalowe przez pocieranie ich kawałkiem magnetytu (w jedną stronę), które zachowują swoje właściwości magnetyczne przez długi czas. Stąd nazwa – magnes trwały.

Sztabka magnesu zawieszone na nitce ustawia się zawsze w taki sposób, że jeden z jego końców skierowany jest w stronę północnego bieguna geograficznego (jest to północny biegun N magnesu), drugi – w stronę bieguna południowego (południowy biegun S magnesu). Bieguny magnesów oddziaływają wzajemnie na siebie; bieguny jednoimienne dwóch magnesów odpychają się (rys. 1), a różnoimienne – przyciągają.

Pole magnetyczne magnesu.

Igła magnetyczna podobnie jak zawieszona na nitce magnesowana sztabka stalowa ustawi się w kierunku północ – południe. Co ją do tego zmusza? Jaka siła działa na igłę magnetyczną? Nie ma w pobliżu igły magnetycznej pola elektrycznego, więc nie działają na nią ładunki elektryczne. Widocznie w otoczeniu igły istnieje inne pole, które działa na jej bieguny magnetyczne. Ziemia jest przyczyną takiego zachowania się igły. Ziemia wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, które działa na bieguny igły magnetycznej.

Pole magnetyczne Ziemi

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Magnetyczny biegun północny leży w pobliżu bieguna geograficznego południowego, a magnetyczny biegun południowy leży w pobliżu bieguna geograficznego północnego.

Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech podstawowych warstw: stałego jądra wewnętrznego z niemal czystego żelaza, z płynnego płaszcza zewnętrznego również składającego się głównie z żelaza, skalistego płaszcza i cienkiej skorupy obejmującej kontynenty i dna oceanów. Łączny ciężar płaszcza i skorupy wytwarza w jądrze ciśnienie średnio dwa miliony razy większe od tego, jakie panuje na powierzchni planety. Temperatura jądra wynosi około 5000 C i wytworzyła się podczas formowania Ziemi na skutek kurczenia się materii.

Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które płyną w stopionym jądrze naszej planety. Fizycy ustalili, że planeta może wytwarzać własne pole magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecność wewnątrz dużej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne żelazo znajdujące się w płaszczu zewnętrznym. Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu w ruch. Źródłem energii dymana ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja żelaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W pobliżu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyższa niż wyżej i ciepłe warstwy wędrują ku górze. Gdy gorący strumień dociera do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła. Schłodzone żelazo staje się gęstsze od otoczenia i spływa z powrotem.

Trzecim czynnikiem jest rotacja w wyniku ruchu obrotowego Ziemi. Na płynne żelazo działa wtedy siła Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug płynnego żelaza i torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie pola magnetycz nego Ziemi (geodynama) jest więc przede wszystkim zasługą istnienia płynnego, metalicznego żelaza, zasobów energii wystarczających do podtrzymania konwekcji oraz siły Coriolisa. Jest to tylko niestety uproszczenie. Pole magnetyczne jako całość podobne jest do pola magnesu sztabkowego, ale ruch wirowy powoduje, że w wielu miejscach powstają obszary o przeciwnej biegunowości zwane anomaliami magnetycznymi.