Магнитное поле Земли

Определения и обозначения

Магнитное поле Земли — поле, создаваемое внутри Земли и окружающее её; оно действует на магниты и проводники с током. Проще говоря, это невидимая область действия магнитных сил нашей планеты. Понять её существование можно по повороту стрелки компаса. Это определение нужно, чтобы отличать поле Земли от полей отдельных магнитов и электрических цепей.

Магнитные полюса Земли — области, где магнитное поле направлено к поверхности почти вертикально. Они не совпадают с географическими полюсами и со временем перемещаются. Вблизи таких областей стрелка компаса сильнее наклоняется к поверхности. Положение полюсов помогает описывать общую структуру земного магнитного поля.

Магнитное склонение — угол между географическим и магнитным меридианами в данной точке Земли. Географический меридиан проходит через географические полюса, а магнитный задаётся направлением стрелки компаса. Поэтому склонение показывает, насколько компас отклоняется от истинного направления на север. При ориентировании это отклонение приходится учитывать.

Магнитное наклонение — угол между направлением магнитного поля и горизонтальной плоскостью. Если поле направлено строго горизонтально, наклонение равно 0°, а при вертикальном направлении оно близко к 90°. По наклонению можно узнать, какая часть поля направлена горизонтально, а какая — вертикально. Для этого используют соотношение Bₕ = B cos I.

Как это устроено

Земля обладает собственным магнитным полем, потому что во внешнем ядре движется расплавленное электропроводящее вещество. Движение таких масс создаёт электрические токи, а токи порождают магнитное поле. Процесс поддерживается вращением Земли и перемещением горячего вещества. Поэтому поле не является свойством только земной коры и не возникает из-за постоянного магнита внутри планеты.

Расположение магнитных полюсов не совпадает с географическими, поскольку ось магнитного поля наклонена к оси вращения Земли. Потоки вещества в ядре распределены несимметрично, поэтому и поле получается неоднородным. Эти движения постоянно меняются, а вместе с ними медленно меняется направление поля. Из-за этого магнитные полюса постепенно смещаются, хотя географические полюса остаются связаны с осью вращения.

Северный конец магнитной стрелки компаса направляется примерно к географическому Северу, потому что рядом с ним находится южный магнитный полюс Земли. Разноимённые магнитные полюса притягиваются, поэтому северный конец стрелки поворачивается в эту сторону. Точнее было бы сказать, что стрелка ориентируется вдоль местного направления земного магнитного поля. Поэтому её направление не является точным указанием на географический полюс.

Направление магнитного поля в разных местах описывают магнитные меридианы. Стрелка компаса устанавливается вдоль такого меридиана, когда на неё перестают заметно действовать случайные повороты. Географические меридианы задаются положением относительно оси вращения Земли. Угол между двумя направлениями и называют магнитным склонением, поэтому его величина зависит от места наблюдения.

Магнитное поле направлено не только горизонтально, поскольку силовые линии около Земли могут входить в поверхность или выходить из неё под углом. В одной точке стрелка компаса поворачивается в горизонтальной плоскости, а её ось может дополнительно наклоняться вниз или вверх. Угол этого наклона к горизонту называют магнитным наклонением. При приближении к магнитным полюсам вертикальная составляющая возрастает, а горизонтальная уменьшается.

Географические и магнитные полюса Земли

Таблицу удобно использовать, чтобы не смешивать два вида полюсов. Сначала определите, с чем связано положение полюса: с вращением Земли или с её магнитным полем. Затем проверьте, идёт ли речь о постоянном географическом направлении или о меняющемся магнитном.

Разбор задач

Почему стрелка компаса указывает примерно на географический Север?

Условие. Нужно объяснить направление северного конца магнитной стрелки. Известно, что разноимённые магнитные полюса притягиваются, а географические и магнитные полюса не совпадают. Требуется связать эти факты с наблюдением за компасом.

1. Северный конец стрелки является северным магнитным полюсом небольшого магнита.
2. Он притягивается к южному магнитному полюсу Земли.
3. Южный магнитный полюс Земли находится недалеко от географического Северного полюса, поэтому стрелка показывает направление примерно на север.

Ответ. Северный конец стрелки направляется к географическому Северу, потому что рядом с ним расположен южный магнитный полюс Земли. Направление получается лишь приблизительным из-за несовпадения полюсов.

Магнитное склонение 8° к востоку

Условие. В некотором месте магнитный меридиан отклонён от географического на 8° к востоку. Нужно определить направление стрелки компаса относительно географического меридиана. Слово «к востоку» уже указывает сторону отклонения.

1. Стрелка устанавливается вдоль магнитного меридиана.
2. Магнитный меридиан расположен восточнее географического меридиана на 8°.
3. Значит, от направления на географический север нужно повернуть на 8° в сторону востока.

Ответ. Стрелка компаса направится на 8° восточнее географического меридиана. Иными словами, её северный конец отклонится от истинного севера к востоку.

Горизонтальная составляющая магнитного поля

Условие. Модуль магнитной индукции равен B = 50 мкТл, магнитное наклонение I = 60°. Требуется найти горизонтальную составляющую поля. Используем формулу Bₕ = B cos I, потому что горизонтальная составляющая является прилежащим катетом в прямоугольном треугольнике составляющих.

1. Записываем формулу: Bₕ = B cos I.
2. Подставляем значения: Bₕ = 50 мкТл · cos 60°.
3. Так как cos 60° = ½, получаем Bₕ = 50 · ½ = 25 мкТл.

Ответ. Модуль горизонтальной составляющей магнитного поля равен 25 мкТл. Остальная часть вектора приходится на вертикальную составляющую.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Географические и магнитные полюса считают одной и той же точкой. Так происходит из-за привычки связывать слово «север» только с направлением на карте. Проверьте себя: географические полюса определяются осью вращения, а магнитные — полем, и эти оси не совпадают.

Ошибка 2. Географический Север называют северным магнитным полюсом. Путаница возникает потому, что туда направлен северный конец компаса. Вспомните правило: разноимённые полюса притягиваются, значит, возле географического Севера находится южный магнитный полюс.

Ошибка 3. Склонение путают с наклонением. Оба угла описывают магнитное поле, поэтому их названия легко смешать. Проверьте смысл: склонение сравнивает два меридиана, а наклонение показывает угол поля с горизонтом.

Ошибка 4. Направление стрелки принимают за точное направление на географический Север. Ошибка появляется, если не учитывать местное магнитное склонение. Сравните магнитный и географический меридианы: если они не совпадают, компас покажет направление с отклонением.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, как взаимодействуют полюса магнитов и как магнитное поле действует на магнитную стрелку. Именно эти знания объясняют поворот стрелки компаса.

Тема связана с магнитным полем проводника и катушки с током. Сравнение помогает увидеть, что магнитное поле Земли, как и поле токов, имеет направление и действует на магниты.

Магнитное склонение используют при ориентировании по компасу. Кроме того, сведения о поле Земли нужны при дальнейшем изучении геофизических явлений и изменений внутри планеты.

Что запомнить

• Земля обладает собственным магнитным полем.
• Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими.
• Магнитные полюса Земли со временем смещаются.
• Северный конец компаса указывает примерно на географический Север.
• Магнитное склонение — угол между магнитным и географическим меридианами.
• Магнитное наклонение — угол между направлением поля и горизонтом.