Магнитное поле Земли - это образование, порождаемое источниками внутри планеты. Оно является объектом исследования соответствующего раздела геофизики. Далее рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле Земли, как оно образуется.
Общая информация
Недалеко от поверхности Земли, примерно на расстоянии трёх её радиусов, силовые линии от магнитного поля располагаются по системе "двух полярных зарядов". Здесь располагается область, называемая "плазменной сферой". С удалением от поверхности планеты нарастает влияние потока ионизированных частиц из солнечной короны. Это ведёт к сжатию магнитосферы со стороны Солнца, и напротив, магнитное поле Земли вытягивается с обратной, теневой стороны.
Плазменная сфера
Ощутимое воздействие на поверхностное магнитное поле Земли оказывает направленное движение заряженных частиц в верхних слоях атмосферы (ионосферы). Месторасположение последней - от ста километров и выше от поверхности планеты. Магнитное поле Земли удерживает плазмосферу. Однако её структура сильно зависит от активности солнечного ветра и взаимодействия его с удерживающим слоем. И частота магнитных бурь на нашей планете обусловлена вспышками на Солнце. 
Терминология
Существует понятие "магнитная ось Земли". Это прямая, которая проходит через соответствующие полюсы планеты. "Магнитным экватором" называется большая окружность плоскости, перпендикулярная этой оси. Вектор на ней имеет приближенное к горизонтальному направление. Усреднённая напряжённость магнитного поля Земли значительно зависима от географического положения. Приблизительно она равна 0,5 Э, то есть 40 А/м. На магнитном экваторе этот же показатель равен примерно 0,34 Э, а вблизи полюсов он близок к 0,66 Э. В некоторых аномалиях планеты, например, в пределах Курской аномалии, показатель увеличен и составляет 2 Э. Силовые линии магнитосферы Земли со сложным строением, спроецированные на её поверхность и сходящиеся на её же полюсах, носят название "магнитных меридианов". 
Природа возникновения. Предположения и догадки
Не так давно получило право на существование предположение о связи возникновения магнитосферы Земли с течением тока в жидкометаллическом ядре, находящемся на расстоянии четверти-трети радиуса нашей планеты. У учёных есть предположение и о так называемых "теллурических токах", протекающих вблизи земной коры. Следует сказать, что с течением времени происходит трансформация формирования. Магнитное поле Земли неоднократно изменялось в последние сто восемьдесят лет. Это зафиксировано в океанической коре, и об этом свидетельствуют исследования остаточной намагниченности. Путём сопоставления участков по обе стороны хребтов океана определяют время расхождения этих участков.
Сдвиг магнитных полюсов Земли
Местоположение этих участков планеты непостоянно. Регистрируется факт их смещений уже с конца девятнадцатого века. В Южном полушарии магнитный полюс сместился за это время на 900 км и оказался в акватории Индийского океана. В Северной части происходят аналогичные процессы. Здесь полюс смещается по направлению к магнитной аномалии в Восточной Сибири. С 1973 по 1994 годы расстояние, на которое сдвинулся здесь участок, составило 270 км. Эти предварительно рассчитанные данные подтвердились позже замерами. По последним данным, скорость движения магнитного полюса Северного полушария значительно увеличилась. Она выросла с 10 км/год в семидесятых годах прошлого века до 60 км/год в начале нынешнего. При этом напряжённость у земного магнитного поля неравномерно уменьшается. Так, за последние 22 года она в отдельных местах снизилась на 1.7%, а где-то на 10%, хотя есть и участки, где она, напротив, возросла. Ускорение в смещении магнитных полюсов (приблизительно на 3 км в год) даёт повод предположить, что наблюдаемое сегодня их перемещение не есть экскурс, это очередная инверсия. 
Это косвенно подтверждается и увеличением так называемых "полярных щелей" на юге и севере магнитосферы. В образовавшиеся расширения стремительно проникает ионизированный материал солнечной короны и космоса. От этого в приполярных областях Земли собирается всё большее количество энергии, что само по себе чревато дополнительным разогревом полярных ледяных шапок.
Координаты
В науке, изучающей космические лучи, используют координаты геомагнитного поля, названные в честь учёного Мак-Илвайна. Он первым предложил использовать их, поскольку они основаны на изменённых вариантах активности заряженных элементов в магнитном поле. Для точки используются две координаты (L, B). Они характеризуют магнитную оболочку (параметр Мак-Илвайна) и индукцию поля L. Последний - параметр, равный соотношению среднего удаления сферы от центра планеты к его радиусу. 
"Магнитное наклонение"
Несколько тысячелетий назад китайцы сделали удивительное открытие. Они выяснили, что намагниченные предметы способны располагаться в определённом направлении. А в середине шестнадцатого века Георг Картманн - немецкий учёный - сделал очередное открытие в этой области. Так появилось понятие "магнитное наклонение". Под этим названием подразумевается угол отклонения стрелки вверх либо вниз от горизонтальной плоскости под влиянием магнитосферы планеты.
Из истории исследований
В области северного магнитного экватора, отличного от географического, северный конец отходит вниз, а в южном, наоборот, - вверх. В 1600 году английским врачом Уильямом Гильбертом впервые были сделаны предположения о наличии магнитного поля Земли, вызывающего определённое поведение предметов, предварительно намагниченных. В своей книге он описал опыт с шаром, снабжённым железной стрелкой. В результате исследований он пришёл к выводу о том, что Земля представляет собой большой магнит. Эксперименты проводил и английский астроном Генри Геллибрант. В результате своих наблюдений он пришёл к выводу о том, что магнитное поле Земли подвержено медленным изменениям.
Хосе де Акоста описал возможность использования компаса. Он также установил, чем отличаются Магнитный и Северный полюсы, а в его знаменитой Истории (1590) была обоснована теория о линиях без магнитного отклонения. Значительный вклад в изучение рассматриваемого вопроса внес и Христофор Колумб. Ему принадлежит открытие непостоянства магнитного склонения. Трансформации поставлены в зависимость от изменения географических координат. Магнитное склонение - это угол отклонения стрелки от направления Север-Юг. В связи с открытием Колумба активизировалось исследование. Сведения о том, что собой представляет магнитное поле Земли, крайне необходимы были мореплавателям. Работал над этой проблемой и М. В. Ломоносов. Он для изучения земного магнетизма рекомендовал вести системные наблюдения, используя для этого постоянные пункты (подобие обсерваторий). Также очень важно было, по мнению Ломоносова, это осуществлять и на море. Эта мысль великого учёного была реализована в России спустя шестьдесят лет. Открытие Магнитного полюса на Канадском архипелаге принадлежит полярному исследователю англичанину Джону Россу (1831 год). А в 1841 он же открыл другой полюс планеты, но уже в Антарктиде. Гипотезу о происхождении магнитного поля Земли выдвинул Карл Гаусс. Вскоре он же доказал, что большая часть его питается из источника внутри планеты, но причина его незначительных отклонений находится во внешней среде.
Магнитное поле Земли
Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.
Источниками макроскопического магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: магнитное поле возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента.
Переменное магнитное поле возникает также при изменении во времени электрического поля. В свою очередь, при изменении во времени магнитного поля возникает электрическое поле. Полное описание электрического и магнитного полей в их взаимосвязи дают Максвелла уравнения. Для характеристики магнитного поля часто вводят понятие силовых линий поля (линий магнитной индукции).
Для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств веществ применяют различного типа магнитометры. Единицей индукции магнитного поля в системе единиц СГС является Гаусс (Гс), в Международной системе единиц (СИ) - Тесла (Тл), 1 Тл = 104 Гс. Напряжённость измеряется, соответственно, в эрстедах (Э) и амперах на метр (А/м, 1 А/м = 0,01256 Э; энергия магнитного поля - в Эрг/см 2 или Дж/м 2 , 1 Дж/м 2 = 10 эрг/см 2 .
Компас реагирует
на магнитное поле Земли
Магнитные поля в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния в 70-80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы км в противоположном направлении. У поверхности Земли магнитное поле равно в среднем 50 мкТл, на границе магнитосферы ~ 10 -3 Гс. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Влияние самого геомагнитного поля на жизнедеятельность организмов изучает магнитобиология. В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий - радиационный пояс Земли. Содержащиеся в радиационном поясе частицы представляют значительную опасность при полётах в космос. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре.
Непосредственные измерения при помощи космических аппаратов показали, что ближайшие к Земле космические тела - Луна, планеты Венера и Марс не имеют собственного магнитного поля, подобного земному. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и, по-видимому, Сатурн обладают собственными магнитными полями, достаточными для создания планетарных магнитных ловушек. На Юпитере обнаружены магнитные поля до 10 Гс и ряд характерных явлений (магнитные бури, синхротронное радиоизлучение и другие), указывающих на значительную роль магнитного поля в планетарных процессах.
© Фото: http://www.tesis.lebedev.ru
Фотография Солнца
в узком спектре
Межпланетное магнитное поле - это главным образом поле солнечного ветра (непрерывно расширяющейся плазмы солнечной короны). Вблизи орбиты Земли межпланетное поле ~ 10 -4 -10 -5 Гс. Регулярность межпланетного магнитного поля может нарушаться из-за развития различных видов плазменной неустойчивости, прохождения ударных волн и распространения потоков быстрых частиц, рожденных солнечными вспышками.
Во всех процессах на Солнце - вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей магнитное поле играет важнейшую роль. Измерения, основанные на эффекте Зеемана, показали, что магнитное поле солнечных пятен достигает нескольких тысяч Гс, протуберанцы удерживаются полями ~ 10-100 Гс (при среднем значении общего магнитного поля Солнца ~ 1 Гс).
Магнитные бури
Магнитные бури — сильные возмущения магнитного поля Земли, резко нарушающие плавный суточный ход элементов земного магнетизма. Магнитные бури длятся от нескольких часов до нескольких суток и наблюдаются одновременно на всей Земле.
Как правило, магнитные бури состоят из предварительной, начальной и главной фаз, а также фазы восстановления. В предварительной фазе наблюдаются незначительные изменения геомагнитного поля (в основном в высоких широтах), а также возбуждение характерных короткопериодических колебаний поля. Начальная фаза характеризуется внезапным изменением отдельных составляющих поля на всей Земле, а главная - большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей. В фазе восстановления магнитной бури поле возвращается к своему нормальному значению.
Влияние солнечного ветра
на магнитосферу Земли
Магнитные бури вызываются потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца, накладывающимися на спокойный солнечный ветер. Поэтому магнитные бури чаще наблюдаются вблизи максимумов 11-летнего цикла солнечной активности. Достигая Земли, потоки солнечной плазмы увеличивают сжатие магнитосферы, вызывая начальную фазу магнитной бури, и частично проникают внутрь магнитосферы Земли. Попадание частиц высоких энергий в верхнюю атмосферу Земли и их воздействие на магнитосферу приводят к генерации и усилению в ней электрических токов, достигающих наибольшей интенсивности в полярных областях ионосферы, с чем связано наличие высокоширотной зоны магнитной активности. Изменения магнитосферно-ионосферных токовых систем проявляются на поверхности Земли в виде иррегулярных магнитных возмущений.
В явлениях микромира роль магнитного поля столь же существенна, как и в космических масштабах. Это объясняется существованием у всех частиц - структурных элементов вещества (электронов, протонов, нейтронов), магнитного момента, а также действием магнитного поля на движущиеся электрические заряды.
Применение магнитных полей в науке и технике. Магнитные поля обычно подразделяют на слабые (до 500 Гс), средние (500 Гс - 40 кГс), сильные (40 кГс - 1 МГс) и сверхсильные (свыше 1 МГс). На использовании слабых и средних магнитных полей основана практически вся электротехника, радиотехника и электроника. Слабые и средние магнитные поля получают при помощи постоянных магнитов, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, сверхпроводящих магнитов.
Источники магнитного поля
Все источники магнитных полей можно разделить на искусственные и естественные. Основными естественными источниками магнитного поля являются собственное магнитное поле планеты Земля и солнечный ветер. К искусственным источникам можно отнести все электромагнитные поля, которыми так изобилует наш современный мир, и наши дома в частности. Более подробно об , и читайте на нашем .
Транспорт на электроприводе является мощным источником магнитного поля в диапазоне от 0 до 1000 Гц. Железнодорожный транспорт использует переменный ток. Городской транспорт - постоянный. Максимальные значения индукции магнитного поля в пригородном электротранспорте достигают 75 мкТл, средние значения - около 20 мкТл. Средние значения на транспорте с приводом от постоянного тока зафиксированы на уровне 29 мкТл. У трамваев, где обратный провод - рельсы, магнитные поля компенсируют друг друга на гораздо большем расстоянии, чем у проводов троллейбуса, а внутри троллейбуса колебания магнитного поля невелики даже при разгоне. Но самые большие колебания магнитного поля - в метро. При отправлении состава величина магнитного поля на платформе составляет 50-100 мкТл и больше, превышая геомагнитное поле. Даже когда поезд давно исчез в туннеле, магнитное поле не возвращается к прежнему значению. Лишь после того, как состав минует следующую точку подключения к контактному рельсу, магнитное поле вернется к старому значению. Правда, иногда не успевает: к платформе уже приближается следующий поезд и при его торможении магнитное поле снова меняется. В самом вагоне магнитное поле еще сильнее - 150-200 мкТл, то есть в десять раз больше, чем в обычной электричке.
Значения индукции магнитных полей, наиболее часто встречаемых нами в повседневной жизни приведены на диаграмме ниже. Глядя на эту диаграмму становится ясно, что мы подвергаемся воздействию магнитных полей постоянно и повсеместно. По мнению некоторых ученых, вредными считаются магнитные поля с индукцией свыше 0,2 мкТл. Ествественно, что следует предпринимать определенные меры предосторожности, чтобы обезопасить себя от пагубного воздействия окружающих нас полей. Просто выполняя несколько несложных правил Вы можете в значительной мере снизить воздействие магнитных полей на свой организм.
В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» сказано следующее: "Предельно допустимый уровень ослабления геомагнитного поля в помещениях жилых зданий устанавливается равным 1,5". Также установлены предельно допустимые значения интенсивности и напряжённости магнитного поля частотой 50 Гц:
- в жилых помещениях — 5 мкТл или 4 А/м ;
- в нежилых помещениях жилых зданий, на селитебной территории, в том числе на территории садовых участков — 10 мкТл или 8 А/м .
Исходя из указанных нормативов каждый может рассчитать какое количество электрических приборов может находиться во включённом состоянии и в состоянии ожидания в каждом конкретном помещении или же , на основании которого будут выданы рекомендации по нормализации жилого пространства.
Видеоматериалы по теме
Небольшой научный фильм о магнитном поле Земли
Использованная литература
1. Большая Советская Энциклопедия.
Магнитные явления, как и электрические, известны с древних времен. Известно свойство магнитного железняка притягивать железные предметы, в древнем Китае было известно свойство магнитной стрелки устанавливаться вдоль меридиана. Конец магнитной стрелки, указывающий на север, назовем северным, противоположный конец – южным. Стрелка должна вращаться без трения (свободно), поскольку магнитное поле земли весьма слабое. Вырезанный из магнитного материала стержень приобретает аналогичные свойства. Как бы его ни вырезали, один конец его становится северным полюсом, другой – южным. Два таких стержня будут взаимодействовать. Одноименные полюса отталкиваются друг от друга, разноименные – притягиваются. Причем сила их взаимодействия уменьшается при увеличении расстояния между ними. Это общее свойство сил в физике.
Изучение магнитных явлений шло отдельно от изучения электрических до 1820 года, когда ученый Эрстед обнаружил влияние проводника с током на магнитную стрелку.
Суть открытия состояла в том, что магнитные стрелки ориентировались вдоль окружностей, охватывающих прямой провод с током. Чем больше была сила тока в проводе, тем сильнее он влиял на стрелки. Чем дальше были стрелки от провода, тем слабее было влияние. Возникла идея. В случае если ток оказывает действие, аналогичное магниту, то токи должны взаимодействовать между собой. Причем эта сила – не электрическая.
Ведь в проводнике не накапливаются заряды одного знака – он электрически нейтрален. Чтобы изучать магнитные свойства тока стали использовать виток. Протекающие по подводящим к нему проводам токи противоположны, что эквивалентно нулевому суммарному току. По этой причине действие будет оказывать только замкнутый ток витка. Было выяснено, что два витка с сонаправленными токами взаимодействуют аналогично тому, как магниты с противоположными полюсами. Чтобы было понятно, в каком направлении на рисунке изображен ток витка, его ближняя к нам часть изображена жирной линией. Самое интересное то, что, изменив направление тока в одном витке, мы наблюдаем отталкивание витков. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, выяснено, что
- Полосовые магниты взаимодействуют аналогично виткам с током, то есть, у витка тоже можно определить северный и южный полюс
- Сонаправленные токи притягиваются, противоположно направленные - отталкиваются.
То есть, это взаимодействие не электрическое . Электрическое не зависит от направления движения зарядов, а лишь от их величины. Это взаимодействие назвали магнитным . При увеличении силы тока в проводнике, его магнитное действие возрастает.
Когда мы рассматривали электрическое поле, мы изображали его геометрически с помощью линий напряженности. Οʜᴎ проводились так, чтобы сила, действующая со стороны поля на помещенный в эту точку заряд, была направлена вдоль этой линии (по касательной). Магнитное взаимодействие тоже характеризуется полем. Свойства магнитного поля отличаются от электрического. Магнитное поле создается постоянными магнитами или проводниками с током. Математической характеристикой электрического поля была напряженность, то есть сила, действующая в данной точке поля на единичный заряд, помещенный в эту точку. Описание магнитного поля сложнее. Линиями магнитного поля назовем линии, вдоль которых выстраиваются маленькие магнитные стрелочки.
На рисунке показаны линии магнитной индукции витка с током и постоянного полосового магнита. Величина поля характеризуется вектором магнитной индукции . С помощью него можно вычислить силу, действующую со стороны магнитного поля на магнитную стрелку или проводник с током, помещенный в эту точку. Но это правило сложнее, чем для электрического поля. Линии напряженности электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Линии магнитной индукции всегда замкнуты (в магните они замыкаются внутри него). Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линиям.
Мы пришли к определению нового физического взаимодействия – магнитного, и описанию его с помощью вектора магнитной индукции. Магнитное поле создается движущимися зарядами. Пространство, в котором оно создано, отличается тем, что в каждой точке пространства на магнитную стрелку действует сила, устанавливающая ее в определенном направлении – магнитная сила.
Чтобы связать направление вектора индукции магнитного поля в центре витка с направлением тока в витке, используют правило буравчика (с правой нарезкой) . Вращая его в направлении тока в витке, мы будем вкручивать его в направлении вектора индукции B. В этом направлении установится северный конец стрелочки. Для определения направления B прямого тока нужно использовать буравчик несколько иначе.
Величину вектора B вычислить сложно. Пока мы будем пользоваться формулой для величины B в центре витка с током. Эта величина пропорциональна силе тока и обратно пропорциональна радиусу витка (чем дальше источник поля, тем меньше поле), и вычисляется по формуле . Коэффициент μ 0 определяется выбором единицы силы тока, в системе СИ он равен μ 0 =4π‣‣‣10 -7 =1.257‣‣‣10 -6 единиц СИ .
Прямой ток создает поле, убывающее по мере удаления от него. В случае если точка находится на расстоянии x от очень длинного прямого провода, то индукция вычисляется по формуле .
Как увеличить магнитное поле витка? Для этого можно намотать несколько близко расположенных витков. Их поля сонаправлены, в связи с этим будут усиливать друг друга. Во сколько раз поле двух близких витков с одинаковым током больше поля одного? Каждый ответит, что в два раза, хотя доказать это невозможно. Просто векторный характер нашего мира укоренился в подсознании. Ведь это – проявление принципа суперпозиции. Каждый виток создает поле независимо от другого, а потом два поля просто складываются.
Намотав большое количество витков, мы получим катушку – соленоид . Поля витков сложатся, и максимально усилят друг друга внутри катушки.
Внутри катушки поле будет однородным – одинаковым по величине и направлению во всех точках. Оно вычисляется по формуле . . Здесь I – сила тока в катушке, N – число ее витков, L – ее длина. То есть, n – число витков на единицу длины , их ʼʼгустотаʼʼ.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, постоянный магнит или проводник с током изменяют свойства пространства вокруг себя. В этом измененном пространстве на другой магнит или ток начинает действовать сила. Математически это действие описывается с помощью вектора магнитной индукции и линий магнитного поля. Магнитное поле движущихся зарядов намного слабее электрического поля этих зарядов , заметить его не так просто. К концу XIX века электрические и магнитные явления были объяснены единой теорией. По этой причине с современной точки зрения, электрическое и магнитное поле есть проявления единого поля , создаваемого зарядами. В тех или иных условиях проявляется то или иное поле. К примеру, в проводнике с током, заряд электронов в точности равен заряду ионов решетки (проводник электрически нейтрален), в связи с этим его магнитное действие становится заметным.
