TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT: NGUỒN GỐC, ĐẶC ĐIỂM, CHỨC NĂNG - VẬT LÝ - 2024

Từ trường của Trái đất là hiệu ứng từ trường mà Trái đất tác động và kéo dài từ bên trong của nó đến hàng trăm km trong không gian. Nó rất giống với nam châm được tạo ra. Ý tưởng này được đề xuất bởi nhà khoa học người Anh William Gilbert vào thế kỷ 17, người cũng quan sát thấy rằng không thể tách các cực của nam châm.

Hình 1 cho thấy các đường sức từ của Trái đất. Chúng luôn được đóng lại, đi qua bên trong và tiếp tục ở bên ngoài, tạo thành một loại vỏ bọc.

Hình 1. Từ trường của Trái đất giống từ trường của nam châm thanh. Nguồn: Wikimedia Commons.

Nguồn gốc của từ trường Trái đất vẫn còn là một bí ẩn. Lõi bên ngoài của trái đất, được làm bằng gang, không thể tự nó tạo ra từ trường, vì nhiệt độ đến mức nó phá hủy trật tự từ trường. Ngưỡng nhiệt độ cho điều này được gọi là nhiệt độ Curie. Do đó không thể có một khối lượng lớn vật liệu nhiễm từ chịu trách nhiệm về trường.

Đã loại trừ giả thuyết này, chúng ta phải tìm nguồn gốc của trường trong một hiện tượng khác: sự quay của trái đất. Điều này làm cho lõi nóng chảy quay không đồng đều, tạo ra hiệu ứng động lực học, trong đó chất lỏng tự phát sinh ra từ trường.

Người ta tin rằng hiệu ứng động lực học là nguyên nhân gây ra từ tính của các vật thể thiên văn, ví dụ như của Mặt trời. Nhưng cho đến nay người ta vẫn chưa biết tại sao một chất lỏng có khả năng hoạt động theo cách này và làm thế nào các dòng điện được tạo ra có thể tồn tại.

nét đặc trưng

- Từ trường trái đất là kết quả của ba đóng góp: từ trường bên trong, từ trường bên ngoài và từ trường của các khoáng chất trong vỏ:

1. Trường bên trong: nó giống như của một lưỡng cực từ (nam châm) nằm ở trung tâm Trái đất và đóng góp của nó là khoảng 90%. Nó thay đổi rất chậm theo thời gian.
2. Trường ngoài: xuất phát từ hoạt động của mặt trời trong các lớp của khí quyển. Nó không giống lưỡng cực và có nhiều biến thể: bão từ hàng ngày, hàng năm, v.v.
3. Đá từ tính trong vỏ trái đất, cũng tạo ra từ trường của chúng.

- Từ trường phân cực, có mặt cực bắc và nam, giống như nam châm thanh.

- Khi các cực trái dấu hút nhau, kim la bàn, là cực bắc của nó, luôn hướng về vùng lân cận của cực bắc địa lý, nơi có cực nam của nam châm Trái đất.

- Chiều của đường sức từ được biểu diễn dưới dạng các đường sức khép kín rời khỏi nam châm (cực bắc của nam châm) và đi vào từ bắc (cực nam của nam châm).

- Ở từ trường phía bắc - và cả ở phía nam từ trường -, trường vuông góc với bề mặt trái đất, trong khi ở đường xích đạo, trường hướng tâm. (xem hình 1)

- Cường độ của trường ở hai cực lớn hơn nhiều so với ở xích đạo.

- Trục của lưỡng cực trên cạn (hình 1) và trục quay không thẳng hàng. Giữa chúng có độ dịch chuyển 11,2º.

Các yếu tố địa từ

Vì từ trường là véc tơ nên hệ tọa độ Descartes XYZ với gốc tọa độ O giúp xác định vị trí của nó.

Hình 2. Các yếu tố địa từ. Nguồn: F. Zapata.

Tổng cường độ của từ trường hoặc cảm ứng là B và các hình chiếu hoặc thành phần của nó là: H theo phương ngang và Z theo phương thẳng đứng. Chúng có liên quan bởi:

-D, góc nghiêng của từ trường, hình thành giữa H và hướng bắc địa lí (trục X), dương về phía đông và âm về phía tây.

- Góc nghiêng của từ trường giữa B và H là dương nếu B nằm dưới phương ngang.

Kim la bàn sẽ được định hướng theo hướng H, thành phần nằm ngang của trường. Mặt phẳng xác định bởi B và H được gọi là kinh tuyến từ, còn ZX là kinh tuyến địa lý.

Vectơ từ trường được xác định đầy đủ nếu biết ba đại lượng sau đây, được gọi là đại lượng địa từ: B , H, D, I, X, Y, Z.

Chức năng

Dưới đây là một số chức năng quan trọng nhất của từ trường Trái đất:

-Con người đã sử dụng nó để định hướng bằng la bàn trong hàng trăm năm.

-Thực hiện chức năng bảo vệ hành tinh, bằng cách bao bọc nó và làm lệch hướng các hạt tích điện mà Mặt trời liên tục phát ra.

-Mặc dù từ trường của Trái Đất (30 - 60 micro Tesla) yếu so với từ trường trong phòng thí nghiệm, nhưng nó đủ mạnh để một số loài động vật sử dụng nó để định hướng. Các loài chim di cư, chim bồ câu, cá voi và một số trường cá cũng vậy.

-Magnetometry hoặc đo từ trường được sử dụng để khảo sát tài nguyên khoáng sản.

Đèn phía bắc và phía nam

Chúng được gọi là đèn phía Bắc hoặc phía Nam, tương ứng. Chúng xuất hiện ở các vĩ độ gần các cực, nơi từ trường gần như vuông góc với bề mặt Trái đất và cường độ mạnh hơn nhiều so với ở xích đạo.

Hình 3. Đèn phương Bắc ở Alaska. Nguồn: Wikimedia Commons.

Chúng có nguồn gốc từ một lượng lớn các hạt mang điện mà Mặt trời gửi liên tục. Những con bị giữ lại bởi trường thường trôi về phía các cực do cường độ cao hơn. Ở đó, họ lợi dụng nó để ion hóa bầu khí quyển và trong quá trình này, ánh sáng nhìn thấy được phát ra.

Các ánh sáng phía bắc có thể nhìn thấy ở Alaska, Canada và Bắc Âu, do các cực từ gần nhau. Nhưng do sự di cư này, có thể theo thời gian, chúng trở nên rõ ràng hơn về phía bắc nước Nga.

Tuy nhiên, điều này dường như không phải là trường hợp hiện tại, vì các cực quang không chính xác theo hướng bắc từ trường thất thường.

Từ tính và Điều hướng

Đối với việc điều hướng, đặc biệt là trong những chuyến đi dài, điều cực kỳ quan trọng là phải biết độ nghiêng của từ trường, để thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết và tìm ra phương bắc thực sự.

Điều này đạt được nhờ các bản đồ chỉ ra các đường có độ nghiêng bằng nhau (đường đẳng giác), vì độ nghiêng thay đổi rất nhiều theo vị trí địa lý. Điều này là do thực tế là từ trường trải qua các biến thể cục bộ liên tục.

Các con số lớn được sơn trên đường băng là các hướng theo độ so với hướng bắc từ tính, chia cho 10 và làm tròn.

Các bạn bắc

Nghe có vẻ khó hiểu, có một số loại phương bắc, được xác định theo một số tiêu chí cụ thể. Do đó, chúng ta có thể tìm thấy:

Bắc Từ là điểm trên Trái đất có từ trường vuông góc với bề mặt. Ở đó la bàn chỉ, và nhân tiện, nó không đối cực (ngược chiều theo đường kính) với nam từ.

Địa từ Bắc , là nơi mà trục của lưỡng cực từ trồi lên bề mặt (xem hình 1). Vì từ trường của Trái đất phức tạp hơn một chút so với trường lưỡng cực, điểm này không hoàn toàn trùng với từ trường phía bắc.

Địa lý bắc , trục quay trái đất đi qua đó.

Phía bắc của Lambert hoặc của lưới , là điểm mà các đường kinh tuyến của bản đồ hội tụ. Nó không hoàn toàn trùng với phương bắc thực hoặc địa lý, vì bề mặt hình cầu của Trái đất bị bóp méo khi chiếu lên một mặt phẳng.

Hình 4. Các miền bắc khác nhau và vị trí của chúng. Nguồn: Wikimedia Commons. Cavit

Đảo ngược của từ trường

Có một sự thật khó hiểu: các cực từ có thể thay đổi vị trí trong quá trình vài nghìn năm, và nó đang diễn ra hiện nay. Trên thực tế, nó được biết là đã xảy ra 171 lần trước đây, trong 17 triệu năm qua.

Bằng chứng được tìm thấy trong những tảng đá nổi lên từ một khe nứt ở giữa Đại Tây Dương. Khi nó đi ra ngoài, đá nguội đi và đông đặc lại, đặt hướng từ hóa của Trái đất vào thời điểm này, điều này được bảo toàn.

Nhưng cho đến nay vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng về lý do tại sao điều này xảy ra, cũng như không có nguồn năng lượng cần thiết để đảo ngược trường.

Như đã thảo luận trước đây, từ trường phía bắc hiện đang di chuyển nhanh chóng về phía Siberia và phía nam cũng đang di chuyển, mặc dù chậm hơn.

Một số chuyên gia tin rằng đó là do dòng chảy sắt lỏng với tốc độ cao ngay bên dưới Canada đã làm suy yếu lĩnh vực này. Nó cũng có thể là sự khởi đầu của sự đảo ngược từ tính. Lần cuối cùng xảy ra là 700.000 năm trước.

Có thể động cơ tạo ra từ tính của Trái đất sẽ tắt trong một thời gian, tự nhiên hoặc do một số can thiệp bên ngoài, chẳng hạn như sự tiếp cận của một sao chổi chẳng hạn, mặc dù không có bằng chứng về điều này.

Khi máy nổ khởi động lại, các cực từ đã đổi chỗ cho nhau. Nhưng nó cũng có thể xảy ra rằng sự đảo ngược không hoàn toàn, mà là một sự biến đổi tạm thời của trục lưỡng cực, cuối cùng sẽ trở lại vị trí ban đầu của nó.

Thí nghiệm

Nó được thực hiện với cuộn Helmholtz: hai cuộn tròn đồng tâm và giống hệt nhau, có cùng cường độ dòng điện chạy qua. Từ trường của các cuộn dây tương tác với từ trường của Trái đất, tạo ra từ trường.

Hình 5. Thí nghiệm xác định giá trị của từ trường Trái Đất. Nguồn: F. Zapata.

Một từ trường xấp xỉ đều được tạo ra bên trong các cuộn dây, có độ lớn là:

-Ta là cường độ dòng điện

-μ _o là độ từ thẩm của chân không

-R là bán kính của các cuộn dây

Quá trình

Với một la bàn đặt ở trên trục trục của cuộn dây, xác định hướng của từ trường trái đất B _T .

-Oriente trục của cuộn dây phải vuông góc với B _T . Vì vậy, các lĩnh vực B _H tạo ra như hiện nay được thông qua, sẽ là vuông góc với B _T . Trong trường hợp này:

Hình 6. Trường kết quả là những gì kim la bàn sẽ đánh dấu. Nguồn: F. Zapata.

-B _H tỉ lệ với cường độ dòng điện chạy qua các cuộn dây, sao cho B _H = kI, trong đó k là hằng số phụ thuộc vào dạng hình học của các cuộn dây nói trên: bán kính và số vòng. Một sự đo lường hiện nay, có thể có giá trị của B _H . Vậy nên:

Như vậy:

- Các dòng điện chạy qua các cuộn dây và các cặp (I, tg θ) được ghi vào bảng.

- Đồ thị I vs. tg θ. Vì sự phụ thuộc là tuyến tính, chúng tôi mong đợi thu được một đường có hệ số góc m là:

-Cuối cùng, từ thẳng - đường phù hợp nhất hình vuông hoặc điều chỉnh hình ảnh, nó tiến hành để xác định giá trị của B _T .

Người giới thiệu

1. Từ trường Trái đất. Được khôi phục từ: web.ua.es
2. Nhóm Magneto-hydrodynamics của Đại học Navarra. Hiệu ứng Dynamo: lịch sử. Đã khôi phục từ: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. Phiên bản rút gọn thứ 6. Học tập Cengage.
4. NỒI. Từ trường của Trái đất và những thay đổi của nó theo thời gian. Đã khôi phục từ: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Cực Bắc từ trường của Trái đất đang chuyển động. Được khôi phục từ: ngenespanol.com.
6. Người Mỹ khoa học. Trái đất có nhiều hơn một cực Bắc. Phục hồi từ: Scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Địa từ cực. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.