Фізика. 9 клас. Головко

§ 3. Магнітне поле Землі

• Магнітне поле Землі

• Значення земного магнетизму для живих організмів

МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ. Найпростішим індикатором магнітного поля є магнітна стрілка, що вільно обертається на вертикальному виступі. Як ви переконалися на дослідах, вона взаємодіє з постійними магнітами. Проте навіть якщо поруч немає постійного магніту, стрілка завжди встановлюється в певному напрямі. Це означає те, що Земля теж є магнітом, у полі якого магнітна стрілка встановлюється вздовж силових ліній. Південний полюс магнітної стрілки завжди показує в напрямку Північний географічний полюс Землі, а інший — на Південний. Припущення про те, що Земля є велетенським магнітом, вперше висловив В. Гільберт.

Це явище помітили ще в давнину та стали використовувати його для орієнтації в просторі (на суходолі та на морі). Постійний магніт у вигляді маленької магнітної стрілки є основним елементом компаса — приладу, який дає можливість визначати сторони горизонту незалежно від погодних умов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Основним робочим елементом компаса є маленький магніт — магнітна стрілка, яка взаємодіє з магнітним полем Землі

Винайдення компаса стало визначною подією в історії людства та започаткувало епоху Великих географічних відкриттів. Вважається, що один із перших компасів було сконструйовано в Китаї декілька тисячоліть тому. Сьогодні компас допомагає геологам, мандрівникам і туристам орієнтуватися в просторі.

Магнітне поле Землі складне за структурою. Проте найпотужнішою є його постійна складова. Період її зміни дуже великий і становить сотні років. Тому Землю можна вважати велетенським постійним магнітом (рис. 3.2, а). Силові лінії магнітного поля Землі виходять приблизно з центру планети через Південну півкулю та, огинаючи її, знову спрямовуються до центру через Північну півкулю. Таким чином, поблизу Північного географічного полюса розміщується Південний магнітний полюс, до якого входять силові магнітні лінії, а поблизу Південного географічного полюса — Північний магнітний полюс, із якого ці лінії виходять.

Рис. 3.2. Магнітне поле Землі: а) силові лінії магнітного поля Землі; б) магнітні полюси Землі не збігаються з географічними і віддалені від них

У наш час Південний магнітний полюс віддалений від Північного географічного полюса приблизно на 2100 км. Магнітна вісь становить кут у 11° 53' з віссю обертання Землі (земною віссю) (рис. 3.2, б).

Дослідження гірських порід показали, що магнітні полюси, а разом із ними і все магнітне поле Землі з часом переміщуються, причому це переміщення досить складне. За останні 100 років магнітні полюси змістилися майже на 900 км. Швидкість дрейфу магнітних полюсів Землі постійно збільшується.

Магнітне поле Землі називають також геомагнітним. Його першу карту опублікував у 1701 р. відомий астроном Е. Галлей. Вивчення геомагнітного поля є важливим напрямом сучасних фізичних досліджень, які виконуються спеціалізованими науковими установами. З 1926 р. в Україні працює Полтавська гравіметрична обсерваторія, де досліджуються геомагнітні явища. У I960 р. було створено Інститут геофізики ПАН України. Його співробітники створили магнітну модель земної кори для Українського щита, досліджують зв’язки намагніченості верхньої і нижньої частин земної кори, закономірності зміни магнітних та електричних параметрів мінеральних речовин, проводять магнітометричні вимірювання.

З. М. Аксентьєва (1900-1969), український фізик, член-кореспондент НАН України, багаторічний директор Полтавської гравіметричної обсерваторії, яка під її керівництвом установа стала однією з провідних у Європі

Ученими Карпатського відділення Інституту геофізики вперше в історії виконано унікальні дослідження динаміки магнітного поля Землі на антарктичній станції України «Академік Вернадський».

У 2016 р. відзначалося 20-ліття досліджень України в Арктиці.

ЗНАЧЕННЯ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМУ ДЛЯ ЖИВИХ ОРГАНІЗМІВ. Магнітне поле Землі відіграє надзвичайно важливу роль у функціонуванні біосфери та підтримці її розвитку. Ще в XIX ст. учені зробили припущення, що тварини використовують його для навігації. Із часом експериментально встановлено, що птахи орієнтуються в просторі за магнітними полюсами. Частинки магнетиту — природного магніту — були виявлені в лапках голубів, у носовій частині дельфінів, у черевцях бджіл. За допомогою мініатюрних магнітних стрілок тварини та комахи безпомилково орієнтуються в магнітному полі Землі. Виявлено бактерії, які орієнтуються за геомагнітним полем.

Магнітне поле Землі на відстані до 60 тисяч кілометрів від центру планети є майже сферично симетричним і утворює магнітосферу (область замкнених силових ліній магнітного поля Землі). На більших відстанях воно викривляється сонячним вітром — потоком заряджених частинок, що викидаються з поверхні Сонця. Ці частинки рухаються з величезною швидкістю і є джерелом магнітного поля, яке взаємодіє з магнітним полем Землі. Сонячний вітер «притискає» магніто-сферу Землі із сонячного боку. З іншого боку утворюється довгий шлейф, який простягається за Землею в напрямку сонячного вітру на більш ніж 5,5 млн км (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Магнітне поле захищає Землю від сонячної радіації

Магнітосфера Землі утримує значну кількість мікрочастинок сонячного вітру та захищає все живе на нашій планеті від космічної радіації, утворюючи так звані радіаційні пояси Землі. Серед планет земної групи, до якої також входять Меркурій, Венера, Марс, тільки у Землі є потужне магнітне поле — своєрідний захисний екран для всього живого. Відсутність магнітосфери, наприклад, у Марсу вважають однією з важливих перешкод на шляху його освоєння людством.

Проте в періоди підвищеної сонячної активності з поверхні Сонця викидаються особливо потужні потоки заряджених мікрочастинок, зокрема електронів і протонів, які впливають на магнітне поле Землі — виникає магнітне збурення, або так звана магнітна буря. Магнітні бурі тривають короткий час. У цей час геомагнітне поле змінюється, на що вказують стрілка компаса, збої в роботі радіоелектронних пристроїв, систем зв’язку, виникнення полярних сяйв.

Магнітні бурі спостерігаються через один — два дні після сонячного спалаху, коли заряджені мікрочастинки сонячної речовини досягають Землі. Встановлено вплив магнітних бур на самопочуття та здоров’я людини. Можливе загострення хронічних захворювань серцево-судинної та нервової систем. Підвищуються втомлюваність організму, напруженість регуляторних механізмів серцебиття та дихання.

Вплив магнітних бур на організм пояснюється, зокрема, тим, що власні фізичні поля біологічних об’єктів, які взаємодіють із магнітним полем Землі, реагують на його збурення. Кров, що завдяки вмісту заліза має магнітні властивості, змінює свої характеристики — стає густішою, що призводить до гіршого постачання клітин киснем. Це, у свою чергу, може спричиняти головні болі, втомлюваність, сонливість. Геомагнітне поле впливає на проникність біологічних мембран клітин, що призводить до змін у живих організмах.

! Головне в цьому параграфі

Навколо Землі існує магнітне поле, яке має досить складну структуру. Період зміни його постійної складової становить сотні років, тому Землю можна вважати велетенським постійним магнітом.

Основним елементом компаса, за допомогою якого визначають сторони горизонту незалежно від погодних умов, є магнітна стрілка стрілка на вістрі — найпростіший індикатор магнітного поля.

Поблизу Північного географічного полюса розміщується південний магнітний полюс, до якого входять силові магнітні лінії, а поблизу Південного географічного полюса — північний магнітний полюс, з якого ці лінії виходять.

Магнітні полюси, а разом із ними все магнітне поле Землі з часом переміщуються.

Магнітне поле Землі відіграє надзвичайно важливу роль для біосфери, життєдіяльності та розвитку живих організмів.

Магнітосфера утримує значну кількість заряджених мікрочастинок сонячного вітру та захищає все живе на нашій планеті від космічної радіації, утворюючи так звані радіаційні пояси Землі.

У період підвищеної активності Сонця в атмосферу Землі потрапляє значна кількість заряджених частинок (електронів, протонів), які зумовлюють магнітного поля Землі — магнітні бурі. Магнітні бурі впливають на самопочуття та здоров’я людини, роботу радіоелектронних пристроїв та систем зв’язку.

? Запитання для самоперевірки

1. За допомогою якого приладу виявляють магнітне поле Землі? Чому магнітна стрілка на Землі встановлюється у певному напрямі?
2. Чому Землю можна вважати постійним магнітом?
3. Яку особливість мають магнітні полюси Землі? Яким чином вони розміщені відносно географічних полюсів?
4. З якою метою вивчають магнітне поле Землі? Де в Україні проводять такі дослідження?
5. Що називають магнітосферою Землі?
6. Яка роль магнітосфери у забезпеченні життя на Землі?
7. Що таке магнітні бурі та як вони впливають на людину?

Вправа до § 3

1 (п). Що є основним елементом компаса?
2 (п). Чому стрілку компаса закріплюють на вістрі тонкої голки, а не жорстко?
3 (с). Чому корпус компаса не виготовляють зі сталі?
4 (с). Чому компас не можна зберігати разом із магнітами?
5 (д). Чому стрілка компаса вказує на північ північним полюсом? Відповідь поясніть.
6 (д). Як розташується стрілка компаса: а) на Південному географічному полюсі; б) на Північному географічному полюсі? Відповідь обґрунтуйте.
7 (в). На рис. 3.3 схематично зображено магнітне поле Землі та його взаємодію із сонячним вітром. Зобразіть взаємодію сонячного вітру з Марсом, у якого магнітосфера практично відсутня.
8 (в). Запропонуйте та опишіть технологію виготовлення моделі компаса в домашніх умовах. За допомогою саморобного компаса визначте лінії горизонту відносно вашого робочого місця в кімнаті та зобразіть їх у зошиті.

Зміст