§ 61 Магнитное поле Земли

Определения и обозначения

Магнитное поле Земли — область вокруг Земли, в которой обнаруживается действие магнитных сил. Оно действует на магниты и на проводники с током, то есть на проводники, по которым движутся электрические заряды. Благодаря этому полю магнитная стрелка компаса поворачивается и помогает определить направление.

Магнитные полюса Земли — области, где направление магнитного поля почти вертикально к поверхности. Они находятся рядом с географическими полюсами, но не совпадают с ними. Это различие объясняет, почему направление, которое показывает компас, может не совпадать с направлением на географический север.

Магнитная стрелка — небольшой магнит, который может свободно поворачиваться. Под действием магнитного поля она разворачивается и устанавливается вдоль его направления. В компасе стрелка показывает направление поля в месте наблюдения, поэтому её показание зависит не только от устройства компаса, но и от местности.

Магнитное склонение — угол между направлением на географический север и направлением горизонтально установленной магнитной стрелки. Его указывают в градусах и описывают, например, как склонение к востоку или к западу. Зная склонение, можно уточнить показание компаса и найти географический север.

Как это устроено

Существование магнитного поля Земли обнаруживают по поведению свободно подвешенной магнитной стрелки. Если рядом нет других сильных магнитов, стрелка поворачивается и устанавливается примерно вдоль направления север—юг. Это происходит потому, что поле действует на её полюса и создаёт поворачивающее действие, пока стрелка не займёт устойчивое положение. Так Земля проявляет себя как источник магнитного поля даже без прямого контакта со стрелкой.

Стрелка компаса направлена не точно на географический север, потому что географические и магнитные полюса находятся в разных местах. Географические полюса задаются осью вращения Земли, а магнитные связаны с её магнитным полем. Поэтому направление на магнитный север и направление на географический Северный полюс различаются. Угол между ними в горизонтальной плоскости и называют магнитным склонением.

Для наглядности Землю можно условно представить большим магнитом, а линии её магнитного поля — такими же, как у обычного стержневого магнита. Это упрощённая модель: она помогает представить общую форму поля, но не означает, что внутри Земли находится гигантский постоянный магнит. Магнитная ось — воображаемая линия, проходящая через магнитные полюса; она наклонена к оси вращения Земли. Поэтому географические и магнитные ориентиры не совпадают.

Направление магнитного поля меняется от места к месту: линии поля не идут везде параллельно поверхности Земли. Магнитная стрелка в компасе обычно может вращаться только в горизонтальной плоскости, поэтому показывает направление горизонтальной составляющей поля. Если же стрелке позволить свободно наклоняться, она может отклониться от горизонта. Такое поведение связано с тем, что поле в этой точке направлено под углом к поверхности.

Магнитное поле Земли помогает ориентироваться: компас поворачивается вдоль местного направления поля, и по нему можно определить стороны света. Для точного ориентирования учитывают магнитное склонение — иначе показание компаса может привести к небольшому отклонению от географического направления. Само магнитное поле Земли не остаётся совершенно неизменным: его направление и характеристики со временем меняются. Поэтому показания магнитного компаса — это полезный ориентир, а не неизменная отметка географического севера.

Географические и магнитные ориентиры Земли

Сначала определите, к какому ориентиру относится нужное направление: географический задаётся вращением Земли, магнитный — показанием стрелки. Затем сравните их и учтите магнитное склонение. Таблица помогает не смешивать географические координаты с показанием компаса.

Разбор задач

Почему стрелка компаса в покое устанавливается примерно вдоль направления север—юг?

Нужно объяснить не устройство стрелки само по себе, а причину её поворота. Компасная стрелка является магнитом, а Земля создаёт магнитное поле. Поле действует на стрелку и разворачивает её, пока она не займёт устойчивое положение.

1. Определяем, что стрелка компаса — магнит и может свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости.
2. Учитываем, что на неё действует магнитное поле Земли. В результате стрелка разворачивается вдоль направления поля в данной местности.
3. У поверхности Земли это направление обычно близко к северо-южному, поэтому стрелка компаса располагается примерно вдоль этой линии.

Ответ: поле Земли действует на магнитную стрелку и устанавливает её примерно вдоль направления север—юг.

Компас показывает направление на север, но оно не совпадает с направлением на географический Северный полюс. Объясните причину.

Слово «север» здесь может обозначать два разных ориентира. Географический север связан с осью вращения Земли, а компас указывает вдоль местного магнитного поля. Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, эти направления могут различаться.

1. Разделяем географический Северный полюс и магнитный северный ориентир: это не одна и та же точка.
2. Вспоминаем, что стрелка реагирует на магнитное поле, а не на ось вращения Земли.
3. Называем угол между направлением на географический север и направлением горизонтальной стрелки магнитным склонением.

Ответ: компас показывает направление магнитного поля, поэтому из-за несовпадения магнитных и географических полюсов оно отклоняется от направления на географический Северный полюс. Угол отклонения — магнитное склонение.

В некоторой местности магнитная стрелка отклонена от направления на географический север на 8° к востоку. На какой угол и в какую сторону нужно скорректировать показание компаса, чтобы найти географический север?

Сначала представим направления на одной линии горизонта. Если стрелка отклонена к востоку от географического севера, значит, её показание лежит восточнее нужного направления. Чтобы вернуться к географическому северу, нужно отсчитать такой же угол в обратную сторону.

1. Записываем данное: магнитное направление находится на 8° восточнее географического севера.
2. Определяем требуемое направление: географический север расположен западнее показания стрелки.
3. Корректируем показание на величину склонения, 8°, в противоположную сторону — к западу.

Ответ: от показания компаса нужно повернуть на 8° к западу, чтобы найти географический север.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что магнитный северный полюс совпадает с географическим Северным полюсом. Их часто смешивают, потому что оба связывают со словом «север», но это разные ориентиры. Географический полюс задаётся осью вращения, а магнитные полюса — направлением поля. Проверьте себя: если речь идёт о показании компаса, это магнитное направление, которое может иметь склонение.

Ошибка: утверждать, что компас всегда точно показывает на географический север. Компас ориентируется в магнитном поле, а его стрелка не «знает» направления оси вращения Земли. Такое упрощение кажется удобным при обычном ориентировании, но не подходит для точных измерений. Проверьте себя: спросите, учитывается ли магнитное склонение в данной местности.

Ошибка: путать названия магнитных полюсов с географическими. Названия магнитных полюсов связаны с тем, как они взаимодействуют с полюсами магнитной стрелки, а географические — с осью вращения. Путаница возникает, если переносить названия с компаса на карту без уточнений. Проверьте себя: отличайте северный конец стрелки и магнитный полюс от географического Северного полюса.

Ошибка: считать магнитное поле одинаковым во всех местах. Поле меняет направление в пространстве, а магнитная стрелка может не только поворачиваться по горизонтали, но и наклоняться. Заблуждение возникает потому, что обычный компас показывает только горизонтальное направление. Проверьте себя: помните, что местное направление поля может быть наклонено к поверхности Земли.

Связь с другими темами

Чтобы понять эту тему, нужно знать, что магниты действуют на магнитные стрелки, а магнитное поле можно изображать линиями. Это помогает представить, почему компас поворачивается и почему в разных местах стрелка ориентируется по-разному. В практической жизни эти знания применяют при работе с компасом и ориентировании на местности. Представление о поле Земли также пригодится при дальнейшем изучении магнитных явлений и воздействия магнитных полей на приборы.

Что запомнить

• Земля обладает магнитным полем.
• Магнитная стрелка ориентируется под действием магнитного поля Земли.
• Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими.
• Магнитная ось Земли наклонена к оси её вращения.
• Направление компаса может отличаться от направления на географический север.
• Отклонение между этими направлениями называют магнитным склонением.