آهنرباها و خواص مغناطیسی ماده مغناطیس زمین مغناطیس زمین ویژگی های آن شدت مغناطیسی

دو نوع مختلف آهنربا وجود دارد. برخی از آنها به اصطلاح آهنرباهای دائمی هستند که از مواد "مغناطیسی سخت" ساخته شده اند. خواص مغناطیسی آنها به استفاده از منابع یا جریان خارجی مربوط نمی شود. نوع دیگر شامل آهنرباهای الکترومغناطیسی با هسته آهن "نرم مغناطیسی" است. میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط آنها عمدتاً به این دلیل است که یک جریان الکتریکی از سیم سیم پیچی که هسته را می پوشاند عبور می کند.

قطب های مغناطیسی و میدان مغناطیسی

خواص مغناطیسی یک آهنربای میله ای در نزدیکی انتهای آن قابل توجه است. اگر چنین آهنربایی از قسمت میانی آویزان شود تا بتواند آزادانه در یک صفحه افقی بچرخد، آنگاه موقعیتی تقریباً مطابق با جهت شمال به جنوب خواهد گرفت. انتهای میله که به سمت شمال است را قطب شمال و به انتهای آن قطب جنوب می گویند. قطب های مخالف دو آهنربا یکدیگر را جذب می کنند، در حالی که قطب های مشابه یکدیگر را دفع می کنند.

اگر یک میله آهن مغناطیسی نشده به یکی از قطب های آهنربا بیاورید، دومی به طور موقت مغناطیسی می شود. در این صورت، قطب میله مغناطیسی شده نزدیک به قطب آهنربا از نظر نام مخالف و دور به همین نام خواهد بود. جاذبه بین قطب آهنربا و قطب مخالف القا شده توسط آن در میله، عمل آهنربا را توضیح می دهد. برخی از مواد (مانند فولاد) پس از قرار گرفتن در نزدیکی آهنربای دائمی یا الکترومغناطیس، خود به آهنربای دائمی ضعیف تبدیل می شوند. یک میله فولادی را می توان با عبور دادن انتهای آهنربای دائمی از انتهای آن مغناطیسی کرد.

بنابراین آهنربا سایر آهنرباها و اجسام ساخته شده از مواد مغناطیسی را بدون تماس با آنها جذب می کند. چنین عملی در فاصله با وجود میدان مغناطیسی در فضای اطراف آهنربا توضیح داده می شود. مقداری از شدت و جهت این میدان مغناطیسی را می توان با ریختن براده های آهن بر روی ورقه مقوا یا شیشه ای که روی آهنربا قرار داده شده است به دست آورد. خاک اره به صورت زنجیره ای در جهت مزرعه قرار می گیرد و تراکم خطوط خاک اره با شدت این میدان مطابقت دارد. (در انتهای آهنربا، جایی که شدت میدان مغناطیسی بیشتر است، ضخیم‌ترین آنهاست.)

M. Faraday (1791-1867) مفهوم خطوط القایی بسته برای آهنرباها را معرفی کرد. خطوط القایی از آهنربا در قطب شمال خود به فضای اطراف خارج می شوند، در قطب جنوب وارد آهنربا می شوند و از داخل ماده آهنربا از قطب جنوب به سمت شمال عبور می کنند و یک حلقه بسته را تشکیل می دهند. به مجموع خطوط القایی که از آهنربا خارج می شوند، شار مغناطیسی می گویند. چگالی شار مغناطیسی یا القای مغناطیسی ( که در) برابر است با تعداد خطوط القایی که در امتداد نرمال از یک ناحیه ابتدایی با اندازه واحد عبور می کنند.

القای مغناطیسی نیرویی را تعیین می کند که میدان مغناطیسی بر روی هادی حامل جریان واقع در آن اثر می گذارد. اگر هادی حامل جریان من، عمود بر خطوط القاء قرار دارد، سپس طبق قانون آمپر، نیرو افبر روی رسانا، هم بر میدان و هم بر هادی عمود است و با القای مغناطیسی، قدرت جریان و طول هادی متناسب است. بنابراین، برای القای مغناطیسی بمی توانید یک عبارت بنویسید

جایی که افنیرو در نیوتن است، من- جریان بر حسب آمپر، ل- طول بر حسب متر واحد اندازه گیری القای مغناطیسی تسلا (T) است.

گالوانومتر.

گالوانومتر وسیله ای حساس برای اندازه گیری جریان های ضعیف است. گالوانومتر از گشتاور تولید شده از برهمکنش یک آهنربای دائمی نعل اسبی با یک سیم پیچ کوچک حامل جریان (مغناطیس الکتریکی ضعیف) که در شکاف بین قطب های آهنربا معلق است، استفاده می کند. گشتاور و در نتیجه انحراف سیم پیچ، متناسب با جریان و القای مغناطیسی کل در شکاف هوا است، به طوری که مقیاس ابزار تقریباً خطی با انحرافات کوچک سیم پیچ است.

نیروی مغناطیسی و قدرت میدان مغناطیسی.

در مرحله بعد، یک کمیت دیگر باید معرفی شود که اثر مغناطیسی جریان الکتریکی را مشخص می کند. فرض کنید جریان از سیم سیم پیچ بلندی عبور می کند که مواد مغناطیسی داخل آن قرار دارد. نیروی مغناطیسی حاصل ضرب جریان الکتریکی در سیم پیچ و تعداد دورهای آن است (این نیرو با آمپر اندازه گیری می شود، زیرا تعداد چرخش ها کمیتی بدون بعد است). قدرت میدان مغناطیسی اچبرابر با نیروی مغناطیسی در واحد طول سیم پیچ است. بنابراین، ارزش اچبر حسب آمپر بر متر اندازه گیری می شود. مغناطش به دست آمده توسط مواد داخل سیم پیچ را تعیین می کند.

در یک القای مغناطیسی خلاء بمتناسب با شدت میدان مغناطیسی اچ:

جایی که متر 0 - به اصطلاح. ثابت مغناطیسی با مقدار جهانی 4 پ Ch 10 -7 H/m. در بسیاری از مواد، ارزش بتقریباً متناسب اچ. با این حال، در مواد فرومغناطیسی، نسبت بین بو اچتا حدودی پیچیده تر (که در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت).

روی انجیر 1 یک آهنربای الکتریکی ساده را نشان می دهد که برای گرفتن بار طراحی شده است. منبع انرژی یک باتری DC است. شکل همچنین خطوط نیروی میدان یک آهنربای الکتریکی را نشان می دهد که با روش معمول براده های آهن قابل تشخیص است.

الکترومغناطیس های بزرگ با هسته های آهنی و تعداد بسیار زیادی پیچ های آمپر که در حالت پیوسته کار می کنند، نیروی مغناطیسی زیادی دارند. آنها یک القای مغناطیسی تا 6 T در شکاف بین قطب ها ایجاد می کنند. این القاء تنها توسط تنش های مکانیکی، گرم شدن سیم پیچ ها و اشباع مغناطیسی هسته محدود می شود. تعدادی الکترومغناطیس غول پیکر (بدون هسته) با خنک کننده آب و همچنین تاسیساتی برای ایجاد میدان های مغناطیسی پالسی توسط موسسه فناوری ماساچوست P.L. طراحی شده است. در چنین آهنرباهایی امکان دستیابی به القایی تا 50 T وجود داشت. یک آهنربای الکترومغناطیس نسبتاً کوچک که میدان هایی تا 6.2 T تولید می کند، توان الکتریکی 15 کیلووات مصرف می کند و توسط هیدروژن مایع خنک می شود، در آزمایشگاه ملی لوسالاموس ساخته شد. میدان های مشابه در دماهای برودتی به دست می آیند.

نفوذپذیری مغناطیسی و نقش آن در مغناطیس

نفوذپذیری مغناطیسی مترمقداری است که خواص مغناطیسی ماده را مشخص می کند. فلزات فرومغناطیسی Fe، Ni، Co و آلیاژهای آنها حداکثر نفوذپذیری بسیار بالایی دارند - از 5000 (برای آهن) تا 800000 (برای سوپرمالوی). در چنین موادی با قدرت میدان نسبتاً کم اچالقاء بزرگ رخ می دهد ب، اما رابطه بین این کمیت ها به طور کلی به دلیل پدیده های اشباع و هیسترزیس غیرخطی است که در زیر به آنها پرداخته می شود. مواد فرومغناطیسی به شدت توسط آهنربا جذب می شوند. آنها خواص مغناطیسی خود را در دمای بالاتر از نقطه کوری از دست می دهند (770 درجه سانتیگراد برای آهن، 358 درجه سانتیگراد برای نیکل، 1120 درجه سانتیگراد برای Co) و مانند پارامغناطیس رفتار می کنند، که برای آن القا می شود. بتا مقادیر کشش بسیار بالا اچمتناسب با آن است - دقیقاً همان چیزی است که در خلاء اتفاق می افتد. بسیاری از عناصر و ترکیبات در تمام دماها پارامغناطیس هستند. مواد پارامغناطیسی با مغناطیسی شدن در یک میدان مغناطیسی خارجی مشخص می شوند. اگر این فیلد خاموش باشد، پارامغناطیس ها به حالت غیر مغناطیسی باز می گردند. مغناطش در فرومغناطیس ها حتی پس از خاموش شدن میدان خارجی نیز حفظ می شود.

روی انجیر شکل 2 یک حلقه هیسترزیس معمولی را برای یک ماده فرومغناطیسی سخت مغناطیسی (با تلفات زیاد) نشان می دهد. این وابستگی مبهم مغناطش کردن یک ماده مغناطیسی مرتب شده را به قدرت میدان مغناطیسی مشخص می کند. با افزایش قدرت میدان مغناطیسی از نقطه اولیه (صفر) 1 ) مغناطش در امتداد خط چین پیش می رود 1 –2 ، و ارزش متربا افزایش مغناطیسی نمونه به طور قابل توجهی تغییر می کند. در نقطه 2 به اشباع رسیده است، یعنی با افزایش بیشتر شدت، مغناطش دیگر افزایش نمی یابد. اگر اکنون به تدریج مقدار را کاهش دهیم اچبه صفر، سپس منحنی ب(اچ) دیگر همان مسیر را دنبال نمی کند، بلکه از نقطه عبور می کند 3 ، همانطور که گفته شد، "حافظه" مطالب مربوط به "تاریخ گذشته" را آشکار می کند، از این رو آن را "هیسترزیس" می نامند. بدیهی است که در این حالت مقداری مغناطیس باقیمانده حفظ می شود (بخش 1 –3 ). پس از تغییر جهت میدان مغناطیسی به سمت مخالف، منحنی که در (اچ) از نقطه نظر عبور می کند 4 و بخش ( 1 )–(4 ) مربوط به نیروی اجباری است که از مغناطیس زدایی جلوگیری می کند. رشد بیشتر ارزش ها (- اچ) منحنی هیسترزیس را به ربع سوم - بخش هدایت می کند 4 –5 . کاهش بعدی در مقدار (- اچ) به صفر و سپس افزایش مقادیر مثبت اچحلقه پسماند را از طریق نقاط می بندد 6 , 7 و 2 .

مواد از نظر مغناطیسی سخت با یک حلقه پسماند گسترده مشخص می شوند که منطقه قابل توجهی را در نمودار پوشش می دهد و بنابراین مربوط به مقادیر زیادی مغناطیس باقی مانده (القای مغناطیسی) و نیروی اجباری است. یک حلقه پسماند باریک (شکل 3) مشخصه مواد مغناطیسی نرم مانند فولاد ملایم و آلیاژهای خاص با نفوذپذیری مغناطیسی بالا است. چنین آلیاژهایی به منظور کاهش تلفات انرژی ناشی از هیسترزیس ایجاد شدند. اکثر این آلیاژهای ویژه مانند فریت ها دارای مقاومت الکتریکی بالایی هستند که نه تنها تلفات مغناطیسی، بلکه تلفات الکتریکی ناشی از جریان های گردابی را نیز کاهش می دهد.

مواد مغناطیسی با نفوذپذیری بالا با بازپخت، در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد و به دنبال آن گرم کردن (سرد شدن تدریجی) تا دمای اتاق تولید می شوند. در این مورد، عملیات مکانیکی و حرارتی اولیه و همچنین عدم وجود ناخالصی در نمونه بسیار قابل توجه است. برای هسته های ترانسفورماتور در آغاز قرن بیستم. فولادهای سیلیکونی توسعه یافتند، ارزش مترکه با افزایش محتوای سیلیکون افزایش یافت. بین سالهای 1915 و 1920، آلیاژهای دائمی (آلیاژهای نیکل با آهن) با حلقه پسماند باریک و تقریباً مستطیلی شکل ظاهر شدند. به خصوص مقادیر بالای نفوذپذیری مغناطیسی متربرای مقادیر کوچک اچآلیاژهای هایپرنیک (50 درصد نیکل، 50 درصد آهن) و موفلز (75 درصد نیکل، 18 درصد آهن، 5 درصد مس، 2 درصد کروم) آلیاژهای متفاوت هستند، در حالی که در پرمینوار (45 درصد نیکل، 30 درصد آهن، 25 درصد کو) ارزش مترعملاً در محدوده وسیعی از تغییرات قدرت میدان ثابت است. در میان مواد مغناطیسی مدرن باید به سوپرمالوی اشاره کرد، آلیاژی با بالاترین نفوذپذیری مغناطیسی (حاوی 79% نیکل، 15% آهن و 5% مولیبدن).

نظریه های مغناطیس

برای اولین بار، این ایده که پدیده های مغناطیسی در نهایت به پدیده های الکتریکی تقلیل می یابند، از آمپر در سال 1825 بوجود آمد، زمانی که او ایده ریزجریان های داخلی بسته در گردش در هر اتم آهنربا را بیان کرد. با این حال، بدون هیچ گونه تایید تجربی وجود چنین جریان هایی در ماده (الکترون توسط جی. تامسون تنها در سال 1897 کشف شد، و توصیف ساختار اتم توسط رادرفورد و بور در سال 1913 ارائه شد)، این نظریه «محو شد. ". در سال 1852، دبلیو وبر پیشنهاد کرد که هر اتم یک ماده مغناطیسی یک آهنربای کوچک یا یک دوقطبی مغناطیسی است، به طوری که مغناطیسی کامل یک ماده زمانی حاصل می شود که تمام آهنرباهای اتمی منفرد در یک ردیف قرار گیرند (شکل 4). ، ب). وبر معتقد بود که "اصطکاک" مولکولی یا اتمی به این آهنرباهای ابتدایی کمک می کند تا نظم خود را با وجود تاثیر مخرب ارتعاشات حرارتی حفظ کنند. نظریه او قادر به توضیح مغناطیس شدن اجسام در تماس با آهنربا و همچنین مغناطیس زدایی آنها در اثر ضربه یا حرارت بود. در نهایت، "تکثیر" آهنرباها نیز هنگامی که یک سوزن مغناطیسی یا میله مغناطیسی به قطعات بریده شد توضیح داده شد. و با این حال این نظریه نه منشأ خود آهنرباهای ابتدایی و نه پدیده های اشباع و پسماند را توضیح نمی دهد. نظریه وبر در سال 1890 توسط جی. ایوینگ بهبود یافت، او فرضیه خود را در مورد اصطکاک اتمی با ایده نیروهای محدود کننده بین اتمی جایگزین کرد که به حفظ نظم دوقطبی های ابتدایی که آهنربای دائمی را تشکیل می دهند کمک می کند.

رویکرد به این مسئله که زمانی توسط آمپر پیشنهاد شد، در سال 1905 حیات دوم یافت، زمانی که پی. لانگوین رفتار مواد پارامغناطیس را با نسبت دادن به هر اتم یک جریان الکترونی جبران نشده داخلی توضیح داد. به گفته لانگوین، این جریان‌ها هستند که آهن‌رباهای کوچکی را تشکیل می‌دهند که به‌طور تصادفی در صورت عدم وجود میدان خارجی جهت‌گیری می‌کنند، اما پس از اعمال آن، جهت‌گیری منظمی پیدا می‌کنند. در این مورد، تقریب به ترتیب کامل مطابق با اشباع مغناطیسی است. علاوه بر این، لانگوین مفهوم گشتاور مغناطیسی را معرفی کرد که برای یک آهنربای اتمی منفرد برابر است با حاصل ضرب "بار مغناطیسی" قطب و فاصله بین قطب ها. بنابراین، مغناطیس ضعیف مواد پارامغناطیس به دلیل کل گشتاور مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان های الکترونی جبران نشده است.

در سال 1907، پی ویس مفهوم "دامنه" را معرفی کرد، که سهم مهمی در نظریه مدرن مغناطیس شد. وایس حوزه‌ها را به‌عنوان «مستعمرات» کوچک اتم‌ها تصور می‌کرد که درون آن‌ها گشتاورهای مغناطیسی همه اتم‌ها، به دلایلی، مجبور می‌شوند جهت یکسانی را حفظ کنند، به طوری که هر حوزه تا حد اشباع مغناطیسی می‌شود. یک دامنه جداگانه می‌تواند ابعاد خطی در حد 0.01 میلی‌متر و بر این اساس، حجمی از مرتبه 10-6 میلی‌متر مکعب داشته باشد. دامنه ها توسط دیوارهای به اصطلاح بلوخ از هم جدا می شوند که ضخامت آنها از 1000 بعد اتمی تجاوز نمی کند. "دیوار" و دو حوزه مخالف به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است. 5. چنین دیوارهایی "لایه های انتقالی" هستند که جهت مغناطش دامنه در آنها تغییر می کند.

در حالت کلی، سه بخش را می توان در منحنی مغناطیسی اولیه تشخیص داد (شکل 6). در قسمت ابتدایی، دیوار، تحت تأثیر میدان خارجی، در ضخامت ماده حرکت می کند تا زمانی که با نقص شبکه کریستالی مواجه می شود که آن را متوقف می کند. با افزایش قدرت میدان، دیوار را می توان مجبور به حرکت بیشتر در بخش میانی بین خطوط چین کرد. اگر پس از آن دوباره قدرت میدان به صفر کاهش یابد، دیوارها دیگر به موقعیت اصلی خود باز نمی‌گردند، به طوری که نمونه تا حدی مغناطیسی باقی می‌ماند. این هیسترزیس آهنربا را توضیح می دهد. در انتهای منحنی، فرآیند با اشباع مغناطیسی نمونه به دلیل نظم مغناطیسی در آخرین حوزه های بی نظم به پایان می رسد. این فرآیند تقریباً کاملاً برگشت پذیر است. سختی مغناطیسی توسط آن دسته از مواد به نمایش گذاشته می شود که در آنها شبکه اتمی دارای عیوب بسیاری است که از حرکت دیواره های بین دامنه جلوگیری می کند. این را می توان با پردازش مکانیکی و حرارتی، به عنوان مثال با فشرده سازی و سپس تف جوشی مواد پودری به دست آورد. در آلیاژهای آلنیکو و آنالوگهای آنها، همین نتیجه با ذوب فلزات در یک ساختار پیچیده حاصل می شود.

علاوه بر مواد پارامغناطیس و فرومغناطیسی، موادی وجود دارند که به اصطلاح دارای خواص ضد فرومغناطیسی و فرومغناطیسی هستند. تفاوت بین این نوع مغناطیس در شکل 1 نشان داده شده است. 7. بر اساس مفهوم حوزه ها، پارامغناطیس را می توان به عنوان پدیده ای به دلیل وجود گروه های کوچکی از دوقطبی های مغناطیسی در مواد در نظر گرفت که در آن دوقطبی های منفرد بسیار ضعیف با یکدیگر برهمکنش می کنند (یا اصلا برهم کنش ندارند) و بنابراین ، در غیاب میدان خارجی، آنها فقط جهت گیری های تصادفی می گیرند (شکل 7، آ). در مواد فرومغناطیسی، در داخل هر حوزه، یک برهمکنش قوی بین دوقطبی های منفرد وجود دارد که منجر به هم ترازی موازی منظم آنها می شود (شکل 7، ب). در مواد ضد فرومغناطیسی، برعکس، برهمکنش بین دوقطبی های منفرد منجر به هم ترازی منظم ضد موازی آنها می شود، به طوری که گشتاور مغناطیسی کل هر حوزه صفر است (شکل 7، V). در نهایت، در مواد فرومغناطیسی (به عنوان مثال، فریت ها) هم ترتیب موازی و هم ضد موازی وجود دارد (شکل 7، جی) منجر به مغناطیس ضعیف می شود.

دو تایید تجربی قانع کننده در مورد وجود دامنه ها وجود دارد. اولین مورد از آنها به اصطلاح اثر Barkhausen است، دوم روش شکل پودری است. در سال 1919، G. Barkhausen ثابت کرد که وقتی یک میدان خارجی به نمونه ای از یک ماده فرومغناطیسی اعمال می شود، مغناطش آن در بخش های گسسته کوچک تغییر می کند. از نقطه نظر تئوری دامنه، این چیزی نیست جز یک پیشرفت پرش مانند دیوار بین دامنه، که با نقص های فردی مواجه می شود که آن را در مسیر خود باز می دارد. این اثر معمولاً با استفاده از سیم پیچی که در آن میله یا سیم فرومغناطیسی قرار می گیرد، تشخیص داده می شود. اگر یک آهنربای قوی به تناوب به نمونه آورده شود و از آن خارج شود، نمونه مغناطیسی و دوباره مغناطیس می شود. تغییرات جهشی مانند در مغناطیسی نمونه، شار مغناطیسی را از طریق سیم پیچ تغییر می دهد و یک جریان القایی در آن برانگیخته می شود. ولتاژی که در این حالت در سیم پیچ ایجاد می شود تقویت شده و به ورودی یک جفت هدفون آکوستیک تغذیه می شود. کلیک‌هایی که از طریق هدفون درک می‌شوند نشان‌دهنده تغییر ناگهانی در مغناطیس‌سازی است.

برای آشکار کردن ساختار دامنه آهنربا با روش شکل های پودری، یک قطره از یک سوسپانسیون کلوئیدی از یک پودر فرومغناطیسی (معمولا Fe 3 O 4) به یک سطح خوب صیقل خورده از یک ماده مغناطیسی زده می شود. ذرات پودر عمدتاً در مکان های حداکثر ناهمگنی میدان مغناطیسی - در مرزهای دامنه ها - می نشینند. چنین ساختاری را می توان در زیر میکروسکوپ مطالعه کرد. روشی نیز بر اساس عبور نور پلاریزه از یک ماده فرومغناطیسی شفاف ارائه شده است.

نظریه اصلی ویس از مغناطیس در ویژگی های اصلی آن اهمیت خود را تا به امروز حفظ کرده است، با این حال، با دریافت تفسیر به روز شده بر اساس مفهوم اسپین های الکترون جبران نشده به عنوان یک عامل تعیین کننده مغناطیس اتمی. فرضیه وجود گشتاور ذاتی یک الکترون در سال 1926 توسط S. Goudsmit و J. Uhlenbeck مطرح شد و در حال حاضر این الکترون ها به عنوان حامل اسپین هستند که به عنوان "آهنربای اولیه" در نظر گرفته می شوند.

برای روشن شدن این مفهوم، (شکل 8) یک اتم آزاد آهن، یک ماده فرومغناطیسی معمولی را در نظر بگیرید. دو پوسته آن ( کو L)، نزدیکترین به هسته، پر از الکترون است که دو الکترون در اولی آنها و هشت عدد در دومی قرار دارند. که در کپوسته، اسپین یکی از الکترون ها مثبت و دیگری منفی است. که در Lپوسته (به طور دقیق تر، در دو لایه فرعی آن)، چهار الکترون از هشت الکترون دارای اسپین مثبت و چهار الکترون دیگر دارای اسپین منفی هستند. در هر دو مورد، اسپین های الکترون های درون یک پوسته به طور کامل خنثی می شوند، به طوری که گشتاور مغناطیسی کل صفر می شود. که در م-شل، وضعیت متفاوت است، زیرا به دلیل شش الکترون در لایه فرعی سوم، پنج الکترون اسپین در یک جهت دارند و فقط الکترون ششم در سمت دیگر. در نتیجه، چهار اسپین جبران نشده باقی می ماند که خواص مغناطیسی اتم آهن را تعیین می کند. (در قسمت بیرونی ن-شل فقط دو الکترون ظرفیت دارد که در مغناطیس اتم آهن نقشی ندارند. از آنجایی که اتم‌های همسایه در یک نمونه آهن به شدت با یکدیگر برهمکنش می‌کنند و الکترون‌های آنها تا حدی جمع‌آوری شده‌اند، این توضیح را باید تنها به عنوان یک طرح توصیفی، اما بسیار ساده‌شده از وضعیت واقعی در نظر گرفت.

تئوری مغناطیس اتمی، بر اساس اسپین الکترون، توسط دو آزمایش ژیرو مغناطیسی جالب پشتیبانی می شود که یکی از آنها توسط A. Einstein و W. de Haas و دیگری توسط S. Barnett انجام شده است. در اولین آزمایش، یک استوانه از مواد فرومغناطیسی معلق شد، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 9. اگر جریانی از سیم سیم پیچ عبور کند، سیلندر حول محور خود می چرخد. هنگامی که جهت جریان (و در نتیجه میدان مغناطیسی) تغییر می کند، در جهت مخالف می چرخد. در هر دو مورد، چرخش استوانه به دلیل ترتیب اسپین های الکترون است. در آزمایش بارنت، برعکس، یک استوانه معلق که به شدت در حالت چرخش قرار می گیرد، در غیاب میدان مغناطیسی مغناطیسی می شود. این اثر با این واقعیت توضیح داده می شود که در طول چرخش آهنربا یک گشتاور ژیروسکوپی ایجاد می شود که تمایل دارد ممان های اسپین را در جهت محور چرخش خود بچرخاند.

برای توضیح کامل‌تر ماهیت و منشأ نیروهای کوتاه‌برد که به آهن‌رباهای اتمی همسایه نظم می‌دهند و با اثر اختلال حرکت حرارتی مقابله می‌کنند، باید به مکانیک کوانتومی روی آورد. توضیح مکانیک کوانتومی ماهیت این نیروها در سال 1928 توسط دبلیو. هایزنبرگ پیشنهاد شد که وجود برهمکنش های تبادلی بین اتم های همسایه را فرض کرد. بعدها G. Bethe و J. Slater نشان دادند که نیروهای مبادله با کاهش فاصله بین اتم ها به طور قابل توجهی افزایش می یابد، اما پس از رسیدن به حداقل فاصله بین اتمی مشخص، به صفر می رسد.

خواص مغناطیسی مواد

یکی از اولین مطالعات گسترده و سیستماتیک در مورد خواص مغناطیسی ماده توسط پی کوری انجام شد. او دریافت که با توجه به خواص مغناطیسی آنها، همه مواد را می توان به سه دسته تقسیم کرد. اولی شامل موادی با خواص مغناطیسی مشخص، مشابه آهن است. چنین موادی فرومغناطیسی نامیده می شوند. میدان مغناطیسی آنها در فواصل قابل توجه قابل توجه است ( سانتی متر. بالاتر). موادی به نام پارامغناطیس در دسته دوم قرار می گیرند. خواص مغناطیسی آنها به طور کلی شبیه به مواد فرومغناطیسی است، اما بسیار ضعیف تر است. به عنوان مثال، نیروی جاذبه به قطب های یک آهنربای الکتریکی قدرتمند می تواند یک چکش آهنی را از دستان شما بیرون بکشد و برای تشخیص جاذبه یک ماده پارامغناطیس به همان آهنربا، معمولاً به تعادل های تحلیلی بسیار حساسی نیاز است. . آخرین طبقه سوم شامل مواد به اصطلاح دیامغناطیس می شود. آنها توسط یک آهنربای الکتریکی دفع می شوند، یعنی. نیرویی که بر دیامغناطیس‌ها وارد می‌شود، برخلاف نیروی وارد بر فرومغناطیس‌ها و پارامغناطیس‌ها است.

اندازه گیری خواص مغناطیسی

در مطالعه خواص مغناطیسی، اندازه گیری دو نوع از اهمیت بیشتری برخوردار است. اولین مورد اندازه گیری نیروی وارد بر نمونه نزدیک آهنربا است. به این ترتیب مغناطیسی نمونه تعیین می شود. دومی شامل اندازه گیری فرکانس های "رزونانسی" مرتبط با مغناطش شدن ماده است. اتم‌ها «ژیروسکوپ‌های» کوچکی هستند که در یک میدان مغناطیسی قرار دارند (مانند یک چرخش معمولی تحت تأثیر گشتاور ایجاد شده توسط گرانش) در فرکانس قابل اندازه‌گیری. علاوه بر این، یک نیرو بر روی ذرات باردار آزاد که در زوایای قائم با خطوط القای مغناطیسی حرکت می کنند و همچنین بر جریان الکترونی در یک رسانا وارد می شود. باعث حرکت ذره در مدار دایره‌ای می‌شود که شعاع آن توسط

آر = mv/eB,

جایی که مترجرم ذره است، v- سرعت او هشارژ آن است و بالقای مغناطیسی میدان است. فرکانس چنین حرکت دایره ای برابر است با

جایی که fبا هرتز اندازه گیری می شود ه- در آویزها، متر- بر حسب کیلوگرم ب- در تسلا این فرکانس حرکت ذرات باردار در یک ماده را در میدان مغناطیسی مشخص می کند. هر دو نوع حرکت (پیشرفت و حرکت در مدارهای دایره‌ای) می‌توانند با میدان‌های متناوب با فرکانس‌های تشدید برابر با فرکانس‌های "طبیعی" مشخصه یک ماده معین تحریک شوند. در حالت اول رزونانس مغناطیسی و در حالت دوم سیکلوترون (با توجه به شباهت با حرکت چرخه ای یک ذره زیر اتمی در سیکلوترون) نامیده می شود.

در مورد خواص مغناطیسی اتم ها، لازم است به تکانه زاویه ای آنها توجه ویژه ای شود. میدان مغناطیسی روی یک دوقطبی اتمی در حال چرخش عمل می کند و سعی می کند آن را بچرخاند و موازی با میدان قرار دهد. در عوض، اتم شروع به پیشروی در اطراف جهت میدان (شکل 10) با فرکانس بسته به گشتاور دوقطبی و قدرت میدان اعمالی می کند.

تقدم اتم ها را نمی توان مستقیما مشاهده کرد، زیرا تمام اتم های نمونه در فاز متفاوتی حرکت می کنند. با این حال، اگر یک میدان متناوب کوچک عمود بر میدان مرتب سازی ثابت اعمال شود، آنگاه یک رابطه فاز مشخص بین اتم‌های پیش‌فرض برقرار می‌شود و گشتاور مغناطیسی کل آنها با فرکانس برابر با فرکانس تقدم یک فرد شروع به پیشروی می‌کند. لحظات مغناطیسی سرعت زاویه ای تقدیم از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان یک قاعده، این مقدار برای مغناطش مرتبط با الکترون ها از مرتبه 10 10 هرتز / T و برای مغناطش مرتبط با بارهای مثبت در هسته اتم ها از مرتبه 10 7 هرتز / T است.

یک نمودار شماتیک از تاسیسات برای مشاهده تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) در شکل نشان داده شده است. 11. ماده مورد مطالعه به یک میدان ثابت یکنواخت بین قطب ها وارد می شود. اگر یک میدان RF سپس با یک سیم پیچ کوچک در اطراف لوله آزمایش برانگیخته شود، رزونانس می‌تواند در فرکانس مشخصی برابر با فرکانس تقدیمی تمام «ژیروسکوپ‌های» هسته‌ای نمونه حاصل شود. اندازه گیری ها مشابه تنظیم یک گیرنده رادیویی با فرکانس یک ایستگاه خاص است.

روش‌های تشدید مغناطیسی این امکان را فراهم می‌آورد که نه تنها خواص مغناطیسی اتم‌ها و هسته‌های خاص، بلکه ویژگی‌های محیط آن‌ها را نیز بررسی کنیم. نکته این است که میدان‌های مغناطیسی در جامدات و مولکول‌ها ناهمگن هستند، زیرا توسط بارهای اتمی تحریف می‌شوند و جزئیات سیر منحنی تشدید تجربی توسط میدان محلی در ناحیه‌ای که هسته پیش‌فرض قرار دارد تعیین می‌شود. این امکان مطالعه ویژگی های ساختار یک نمونه خاص را با روش های رزونانس فراهم می کند.

محاسبه خواص مغناطیسی

القای مغناطیسی میدان زمین 0.5×10 -4 T است، در حالی که میدان بین قطب های یک آهنربای الکتریکی قوی در حد 2 T یا بیشتر است.

میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط هر پیکربندی جریان را می توان با استفاده از فرمول Biot-Savart-Laplace برای القای مغناطیسی میدان ایجاد شده توسط عنصر جریان محاسبه کرد. محاسبه میدان ایجاد شده توسط خطوط شکل های مختلف و سیم پیچ های استوانه ای در بسیاری از موارد بسیار پیچیده است. در زیر فرمول هایی برای تعدادی از موارد ساده آورده شده است. القای مغناطیسی (در تسلا) میدان ایجاد شده توسط یک سیم بلند مستقیم با جریان من

میدان یک میله آهنی مغناطیسی شبیه میدان خارجی یک شیر برقی بلند است که تعداد دورهای آمپر در واحد طول مربوط به جریان اتم های سطح میله مغناطیسی شده است، زیرا جریان های داخل میله هر یک را خنثی می کند. دیگر خارج (شکل 12). با نام آمپر، چنین جریان سطحی آمپر نامیده می شود. قدرت میدان مغناطیسی H a، که توسط جریان آمپر ایجاد می شود، برابر با گشتاور مغناطیسی واحد حجم میله است م.

اگر یک میله آهنی به شیر برقی وارد شود، علاوه بر این که جریان برقی یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. اچ، ترتیب دوقطبی های اتمی در مواد مغناطیسی میله باعث ایجاد مغناطیس می شود م. در این حالت، شار مغناطیسی کل با مجموع جریان های واقعی و آمپر تعیین می شود، به طوری که ب = متر 0(اچ + H a)، یا ب = متر 0(H+M). نگرش م/اچتماس گرفت حساسیت مغناطیسی و با حرف یونانی نشان داده می شود ج; جیک کمیت بدون بعد است که توانایی یک ماده برای مغناطیسی شدن در میدان مغناطیسی را مشخص می کند.

ارزش ب/اچکه ویژگی های مغناطیسی ماده را مشخص می کند، نفوذپذیری مغناطیسی نامیده می شود و با نشان داده می شود. m a، و m a = متر 0متر، جایی که m aمطلق است و متر- نفوذپذیری نسبی،

در مواد فرومغناطیسی، مقدار جمی تواند مقادیر بسیار بزرگی داشته باشد - تا 10 4 ё 10 6. ارزش جمواد پارامغناطیس کمی بیشتر از صفر و مواد دیامغناطیس کمی کمتر دارند. فقط در خلاء و در میدان های بسیار ضعیف مقادیر هستند جو مترثابت هستند و به میدان خارجی وابسته نیستند. القای وابستگی باز جانب اچمعمولاً غیر خطی است و نمودارهای آن به اصطلاح. منحنی های مغناطیسی برای مواد مختلف و حتی در دماهای مختلف می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد (نمونه هایی از این منحنی ها در شکل های 2 و 3 نشان داده شده است).

خواص مغناطیسی ماده بسیار پیچیده است و درک کامل ساختار آنها مستلزم تجزیه و تحلیل کامل ساختار اتم ها، برهم کنش آنها در مولکول ها، برخورد آنها در گازها و تأثیر متقابل آنها در جامدات و مایعات است. خواص مغناطیسی مایعات هنوز کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است.

در ادامه مبحث قبلی مغناطیس ستارگان می خواهم در مورد سیاره ای چیزی بگویم. شاخه خاصی از ژئوفیزیک که به مطالعه منشأ و ماهیت میدان مغناطیسی زمین می پردازد، ژئومغناطیس نام دارد. او منشا میدان مغناطیسی سیارات را اینگونه توضیح می دهد:
"میدان مغناطیسی اولیه در نتیجه حرکات (معمولاً همرفتی یا متلاطم) ماده رسانای الکتریکی در هسته مایع سیاره یا در پلاسمای ستاره تقویت می شود.".
این به اصطلاح " دینام مغناطیسیهمانطور که از تعریف می بینید، ما دوباره در مورد نوعی میدان مغناطیسی اولیه عرفانی صحبت می کنیم که عامل ایجاد الکترومغناطیس است. اما در هیچ کجا صحبتی در مورد اینکه این میدان اولیه از کجا آمده است وجود ندارد. و این توضیح در نظر گرفته شده است. صحیح ترین

عجیب است، زیرا مقاله در مورد دینام مغناطیسی مستقیماً می گوید: در شرایط واقعی، دینام مغناطیسی به دست نیامده است". برای ایجاد آن، شرایط و تاسیسات بسیار پیچیده ای مورد نیاز است. پس چنین نصبی از کجا می تواند از داخل خورشید و سیارات آمده باشد؟ علاوه بر این، تقریباً همه سیارات به یک درجه یا دیگری دارای مغناطیس هستند، به این معنی که هیچ چیز ماوراء طبیعی در منشا آن وجود ندارد. و شرایط وقوع آن باید بسیار ساده باشد.

سپس بیایید به تک تک سیاره ها نگاه کنیم:
"در کاهش گشتاور مغناطیسی دوقطبی، مشتری و زحل در رتبه اول و پس از آن زمین، عطارد و مریخ قرار دارند و در رابطه با گشتاور مغناطیسی زمین، مقدار گشتاورهای آنها 20000، 500، 1، 3/5000، 3/10000 است.".

اولین چیزی که جلب توجه می کند عدم حضور زهره در لیست است. زهره و زمین دارای اندازه، چگالی متوسط ​​و حتی ساختار داخلی مشابهی هستند، با این حال، زمین دارای میدان مغناطیسی نسبتاً قوی است، در حالی که زهره اینطور نیست. فرضیات مدرن در مورد میدان مغناطیسی ضعیف زهره این است که هیچ جریان همرفتی در هسته احتمالاً آهنی زهره وجود ندارد. اما چرا؟ اگر ساختار مشابه زمین باشد و دما بالاتر باشد، هسته نیز باید مایع و با جریان های یکسان باشد.
علاوه بر این، معلوم شد که میدان مغناطیسی عطارد 2 برابر بیشتر از میدان مغناطیسی مریخ است، اگرچه بسیار کوچکتر و در عین حال تقریباً 2000 برابر ضعیفتر از زمین است. معلوم شد که نه دما و نه اندازه سیاره مهم است. شاید تفاوتی در هسته ها وجود داشته باشد؟
زمین، مریخ، زهره و عطارد سیارات سنگی با هسته فلزی هستند. اعتقاد بر این است که هسته مریخ می توانست سرد و جامد شده باشد. هیچ آتشفشانی روی آن وجود ندارد، همرفتی وجود ندارد و بنابراین میدان مغناطیسی ضعیف شده است. با این حال، به دلایلی در تمام این مدت مغناطیس زدایی نشده است. در مورد زهره، برعکس است. اینجا هم دما دارید و هم آتشفشان، اما میدانی وجود ندارد.
میدان های مغناطیسی اورانوس و نپتون، بر خلاف سایر سیارات منظومه شمسی، دوقطبی نیستند، بلکه چهار قطبی هستند، یعنی. آنها 2 قطب شمال و 2 قطب جنوب دارند. این به هیچ وجه در هیچ نظریه همرفتی نمی گنجد.
در عین حال، اعتقاد بر این است که سیارات غول های گازی اصلاً هسته فلزی ندارند. پس میدان مغناطیسی از کجا می آید؟ و نسبت ها باز هم هیچ جوابی نمی دهند. مشتری و زحل تقریباً به یک اندازه و ترکیب هستند، اما میدان مغناطیسی آنها 40 برابر متفاوت است!
فاصله تا خورشید و تأثیر احتمالی آن نیز باید کنار گذاشته شود. پس چه چیزی باقی می ماند؟ و چیز زیادی باقی نمانده است. ما یک سرنخ مستقیم داریم - ارتباط بین توضیح مغناطیس ستاره ای و سیاره ای. ماهیت مشترک آنها و اگرچه این ماهیت هنوز روشن نیست و توضیح علمی دقیقی ندارد، کلیت فرآیندها بدون ابهام است.
ظاهراً هنوز باید به اشتباه بودن نظریه منشأ سیارات از غبار بپذیریم. چنین اشتراکی از فرآیندها می تواند نتیجه گیری من را تأیید کند که سیارات گسیل ستارگان هستند و اشتراکات زیادی با آنها دارند، یعنی در اعماق خود ذره ای از ستاره ای را حمل می کنند که آنها را به دنیا آورده است، که خود بخشی از سفیدچاله است. . چنین اختلافی در قدرت میدان مغناطیسی سیارات مشابه می تواند به دلیل تفاوت سنی آنها رخ دهد که من بارها در مورد آن نوشته ام. سیارات مختلف پس از پرتاب مقادیر متفاوتی از ماده ستاره‌ای نسوخته دریافت کردند، جایی که قبلاً مصرف شد و بنابراین میدان مغناطیسی ضعیف شد، اما در جایی هنوز نه. یک هسته فلزی سرد شده مغناطش خود را به همان سرعتی از دست می دهد که یک هسته مایع که یک ذره ستاره در آن دیگر نمی سوزد. هیچ دینام مغناطیسی وجود ندارد - بسیار دشوار است که یک پدیده طبیعی باشید و مغناطیس بدون شارژ مجدد به سرعت ناپدید می شود.

من احساس می کنم که به زودی علم با یک انقلاب بزرگ در درک فرآیندهای تکاملی سیارات و ستارگان روبرو خواهد شد. زندگی خواهد کرد.

هنگامی که زمین حول محور خود می چرخد، لایه مایع هسته بیرونی به گوشته و پوسته جامد اجازه می دهد تا سریعتر از هسته داخلی بچرخد. در نتیجه، الکترون های هسته نسبت به الکترون های گوشته و پوسته حرکت می کنند. این حرکت الکترون ها یک دینام طبیعی را تشکیل می دهد. میدان مغناطیسی مشابه میدان ایجاد می کند سلف ها.

محور مغناطیسی زمین با زاویه حدود 11 درجه نسبت به محور جغرافیایی آن متمایل است. به طور مداوم زاویه تمایل خود را تغییر می دهد، اما به آرامی که برای چندین ده هزار سال تقریباً موقعیت نسبی خود را حفظ می کند.

فلش روی قطب نما تا حدودی از قطب های جغرافیایی منحرف می شود. زاویه بین نصف النهار مغناطیسی و نصف النهار جغرافیایی از یک منطقه به منطقه دیگر متفاوت است. انحرافات کوچک میدان مغناطیسی احتمالاً به دلیل موضعی است حرکات گردابی در هسته بیرونی، در محل اتصال هسته و گوشته. اثر مشابهی می تواند توسط اجسام بزرگ سنگ های مغناطیسی و سنگ معدن در پوسته زمین ایجاد شود.

میدان ژئومغناطیسی تحت تأثیر قرار می گیرد باد خورشیدی- جریان ذرات باردار الکتریکی که از خورشید ساطع می شود. این ذرات با ورود به اتمسفر بیرونی زمین، تغییرات کوچکی در میدان مغناطیسی آن در نزدیکی سطح زمین ایجاد می‌کنند که در طبیعت سیستماتیک (مانند شب و روز) یا نامنظم (مانند طوفان‌های مغناطیسی) هستند.

میدان مغناطیسی زمین در گذشته

تحت تأثیر میدان مغناطیسی سیاره، سنگ ها در طول شکل گیری مغناطیسی شدند و این مغناطیسی را در دوره های بعدی حفظ کردند. این پدیده نامیده می شود دیرینه مغناطیس. هنگامی که سنگ ها گرم می شوند، مانند یک آهنربای دائمی، مغناطش خود را از دست می دهند. سنگ های سرد شده دوباره توسط میدان زمین مغناطیسی می شوند. این پسماند طبیعی موازی با خطوط نیروی میدان ژئومغناطیسی است که در زمان تشکیل سنگ وجود داشته است. بنابراین جهت میدانی که در زمان انجماد آنها وجود داشته است برای همیشه در سنگ ها نقش بسته است که می توان از آن برای مطالعه استفاده کرد. تاریخچه زمین شناسی میدان مغناطیسی زمین.

تکنیک تحقیق دیرینه مغناطیسی اندازه گیری مغناطیس باقیمانده طبیعی در ستون های استوانه ای حفر شده از توده سنگ است. مختصات دیرینه مغناطیسی به دست آمده از نمونه ها امکان تعیین محل اولیه سنگ ها را فراهم می کند. مختصات دیرینه مغناطیسی، که در عرض های جغرافیایی مغناطیسی بیان می شود، مشابه عرض های جغرافیایی (اما فقط در رابطه با قطب مغناطیسی) هستند و به موقعیت قطب مغناطیسی در طول دوره مغناطیسی سنگ اشاره دارند. داده های به دست آمده در نتیجه چنین اندازه گیری ها نشان می دهد که برای مدت طولانی قطب های مغناطیسی "سرگردان" می شوند و موقعیت خود را تغییر می دهند. سرگردانی قطب ها در قاره ها به روش های مختلف ثابت می شود. اما برای یک دوره معین از تاریخ زمین شناسی، اگر این قاره ها در موقعیت هایی غیر از امروز تصور شوند، جهت های قطبی ایجاد شده در قاره های مختلف را می توان در یک خط ترکیب کرد. از این طریق بود که امکان تأسیس و نقشه برداری فراهم شد مسیر رانش قاره. نتایج به دست آمده با این روش با سایر شواهد مطابقت نسبتا خوبی دارد. رانش قاره- گسترش بستر دریا و داده‌های به‌دست‌آمده از مطالعه سنگ‌ها و فسیل‌های مشخص‌کننده شرایط دیرینه‌اقلیمی.

قطبیت مغناطیسی باقیمانده (میدان مغناطیسی "فسیلی") سنگ هایی که در دوره های زمانی کوتاه تشکیل شده اند، معکوس شده است. این واقعیت با چرخش 180 درجه قاره توضیح داده نمی شود (این کار زمان زیادی می برد)، بلکه تغییر در قطبیت میدان ژئومغناطیسی. چنین تغییری در جهت میدان مغناطیسی زمین، وارونگی یا وارونگی نامیده می شود. وارونگی ها مرزهای دوره هایی از تاریخ زمین شناسی را مشخص می کنند که در طی آن میدان ژئومغناطیسی قطبیت ثابتی را حفظ کرده است. این دوره ها مدت زمان متفاوتی داشتند. سن یابی معکوس ها (با مطالعه واپاشی ایزوتوپ های رادیواکتیو در سنگ ها) امکان ایجاد یک مقیاس زمانی زمین شناسی دیرینه مغناطیسی را فراهم کرده است. از این مقیاس می توان برای تعیین سن سنگ ها با تجزیه و تحلیل ماندگاری آنها استفاده کرد. مقایسه مقیاس زمانی دیرینه مغناطیسی با "ناهنجاری های مغناطیسی" بستر دریا، فرضیه گسترش را تایید کرد.

اکتشافات مغناطیسی و الکتریکی

بسیاری از کانه ها و سنگ های غنی از مواد معدنی مغناطیسی یک میدان مغناطیسی محلی قوی ایجاد می کنند. از این ویژگی در اکتشاف ژئوفیزیک و اکتشاف ذخایر معدنی استفاده می شود. با کمک ابزارهای حساس - مغناطیس سنج ها، انباشته های با ارزش صنعتی مواد معدنی شناسایی می شوند. همچنین روشی وجود دارد که در آن از جریان های الکتریکی طبیعی که بین سطح زمین و بدنه سنگ به دلیل تراوش آب های زیرزمینی ایجاد می شود، استفاده می شود. تعامل چنین جریان هایی با میدان ژئومغناطیسی قابل اندازه گیری است و به عنوان مبنایی برای کشف نهشته ها عمل می کند.

زمین دارای میدان مغناطیسی است که دلایل وجود آن مشخص نشده است. میدان مغناطیسی دارای دو قطب مغناطیسی و یک محور مغناطیسی است. موقعیت قطب های مغناطیسی با موقعیت قطب های جغرافیایی منطبق نیست. قطب های مغناطیسی در نیمکره شمالی و جنوبی به طور نامتقارن نسبت به یکدیگر قرار دارند. در این راستا، خط اتصال آنها - محور مغناطیسی زمین با محور چرخش خود زاویه ای تا 11 درجه تشکیل می دهد.

مغناطیس زمین با شدت، انحراف و تمایل مغناطیسی مشخص می شود. قدرت مغناطیسی بر حسب ارستد اندازه گیری می شود.

انحراف مغناطیسی زاویه انحراف سوزن مغناطیسی از نصف النهار جغرافیایی در یک مکان معین است. از آنجایی که سوزن مغناطیسی جهت نصف النهار مغناطیسی را نشان می دهد، انحراف مغناطیسی با زاویه بین نصف النهار مغناطیسی و جغرافیایی مطابقت دارد. انحراف می تواند شرقی یا غربی باشد. خطوطی که انحرافات یکسان را روی نقشه به هم متصل می کنند ایزوگون نامیده می شوند. ایزوگون انحراف برابر با صفر را نصف النهار مغناطیسی صفر می گویند. ایزوگون ها از قطب مغناطیسی در نیمکره جنوبی تابش می کنند و در قطب مغناطیسی در نیمکره شمالی همگرا می شوند.

شیب مغناطیسی زاویه میل سوزن مغناطیسی به افق است. خطوطی که نقاط با شیب مساوی را به هم متصل می کنند، همسایه می گویند. ایزوکلاین صفر استوای مغناطیسی نامیده می شود. ایزوکلین ها مانند موازی ها در جهت عرضی کشیده می شوند و از 0 تا 90 درجه متغیر هستند.

مسیر هموار ایزوگون ها و ایزوکلاین ها در برخی نقاط سطح زمین کاملاً به هم می خورد که با وجود ناهنجاری های مغناطیسی همراه است. انباشته های بزرگ سنگ آهن می تواند به عنوان منبع چنین ناهنجاری ها باشد. بزرگترین ناهنجاری مغناطیسی کورسک است. ناهنجاری های مغناطیسی همچنین می تواند ناشی از شکستگی در پوسته زمین باشد - گسل ها، گسل های معکوس که در نتیجه آن سنگ هایی با ویژگی های مغناطیسی مختلف در تماس هستند و غیره. زیر خاک

مقادیر شدت مغناطیسی، انحرافات و تمایلات، نوسانات روزانه و سکولار (تغییرات) را تجربه می کنند.

تغییرات روزانه ناشی از آشفتگی های خورشیدی و قمری در یونوسفر است و در تابستان بیشتر از زمستان و در روز بیشتر از شب آشکار می شود. خیلی شدیدتر

تغییرات قرن اعتقاد بر این است که آنها به دلیل تغییراتی هستند که در لایه های بالایی هسته زمین رخ می دهد. تغییرات سکولار در نقاط مختلف جغرافیایی متفاوت است.

نوسانات مغناطیسی (طوفان های مغناطیسی) ناگهانی و چند روزه به طول می انجامد و با فعالیت خورشیدی مرتبط است و در عرض های جغرافیایی بالا بسیار شدید است.

§ 4. گرمای زمین

زمین از دو منبع گرما دریافت می کند: از خورشید و از روده های خود. وضعیت حرارتی سطح زمین تقریباً به طور کامل به گرم شدن آن توسط خورشید بستگی دارد. با این حال، تحت تأثیر بسیاری از عوامل، توزیع مجدد گرمای خورشیدی که روی سطح زمین افتاده است، وجود دارد. نقاط مختلف سطح زمین به دلیل موقعیت شیب دار محور چرخش زمین نسبت به صفحه دایره البروج، گرمای نابرابر دریافت می کنند.

برای مقایسه شرایط دمایی، مفاهیم میانگین دمای روزانه، متوسط ​​ماهانه و میانگین سالانه در بخش‌های خاصی از سطح زمین معرفی شده است.

بیشترین نوسانات دما توسط لایه بالایی زمین تجربه می شود. از عمق سطح، نوسانات دمایی روزانه، ماهانه و سالانه به تدریج کاهش می یابد. ضخامت پوسته زمین که سنگ ها در داخل آن تحت تأثیر گرمای خورشید قرار می گیرند، منطقه گرمابی نامیده می شود. عمق این زون از چند متر تا 30 متر متغیر است.

در زیر منطقه حرارتی خورشیدی یک کمربند دمای ثابت وجود دارد که در آن نوسانات دمای فصلی تأثیری ندارد. در منطقه مسکو، در عمق 20 متری قرار دارد.

زیر کمربند دمای ثابت منطقه زمین گرمایی است. در این منطقه، درجه حرارت با عمق به دلیل گرمای داخلی زمین افزایش می یابد - به طور متوسط ​​​​1 درجه سانتیگراد برای هر 33 متر. این فاصله عمقی "گام زمین گرمایی" نامیده می شود. افزایش دما در عمق 100 متری زمین را گرادیان زمین گرمایی می نامند. مقادیر گام و گرادیان زمین گرمایی نسبت معکوس و برای مناطق مختلف زمین متفاوت است. حاصل ضرب آنها یک مقدار ثابت و برابر با 100 است. اگر مثلاً گام 25 متر باشد، شیب 4 درجه سانتیگراد است.

تفاوت در مقادیر گام زمین گرمایی می تواند به دلیل رادیواکتیویته و هدایت حرارتی مختلف سنگ ها، فرآیندهای هیدروشیمیایی در روده ها، ماهیت وقوع سنگ ها، دمای آب های زیرزمینی و دور بودن از اقیانوس ها و دریاها باشد.

مقدار گام زمین گرمایی در محدوده وسیعی متفاوت است. در منطقه پیاتیگورسک 1.5 متر، لنینگراد - 19.6 متر، مسکو - 38.4 متر، در کارلیا - بیش از 100 متر، در منطقه منطقه ولگا و باشکریا - 50 متر، و غیره است.

منبع اصلی گرمای داخلی زمین، تجزیه رادیواکتیو موادی است که عمدتاً در پوسته زمین متمرکز شده اند. فرض بر این است که گرما در آن مطابق با مرحله زمین گرمایی تا عمق 15-20 کیلومتر افزایش می یابد. عمیق تر یک افزایش شدید در ارزش گام زمین گرمایی وجود دارد. کارشناسان معتقدند دمای مرکز زمین از 4000 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند. اگر مقدار گام زمین گرمایی تا مرکز زمین یکسان می ماند، آنگاه دما در عمق 900 کیلومتری 27000 درجه سانتیگراد و در مرکز زمین تقریباً به 193000 درجه سانتیگراد می رسید.

مغناطیس زمینی (ژئومغناطیس)، میدان مغناطیسی زمین و فضای بیرونی نزدیک به زمین؛ شاخه‌ای از ژئوفیزیک که میدان مغناطیسی زمین و پدیده‌های مرتبط با آن (مغناطیس سنگ، جریان‌های تلوریک، شفق‌های قطبی، جریان‌های یونوسفر زمین و مگنتوسفر) را مطالعه می‌کند.

تاریخچه مطالعه میدان مغناطیسی زمین. وجود مغناطیس از زمان های قدیم شناخته شده است. اعتقاد بر این است که اولین قطب نما در چین ظاهر شد (تاریخ ظهور قابل بحث است). در پایان قرن پانزدهم، در طول سفر H. Columbus، مشخص شد که انحراف مغناطیسی برای نقاط مختلف سطح زمین متفاوت است. این کشف سرآغاز توسعه علم مغناطیس زمینی بود. در سال 1581، كاوشگر انگليسي R. Norman پيشنهاد كرد كه سوزن قطب نما توسط نيروهايي كه منبع آنها در زير سطح زمين است به روشي خاص چرخانده شود. گام مهم بعدی ظهور در سال 1600 کتاب W. Gilbert "درباره آهنربا، اجسام مغناطیسی و آهنربای بزرگ - زمین" بود، جایی که ایده ای در مورد علل مغناطیس زمینی ارائه شد. در سال 1785، توسعه روشی برای اندازه گیری قدرت میدان مغناطیسی، بر اساس روش گشتاور پیشنهاد شده توسط S. Coulomb آغاز شد. در سال 1839، K. Gauss به طور نظری روشی را برای اندازه گیری مولفه افقی بردار میدان مغناطیسی سیاره اثبات کرد. در آغاز قرن بیستم، رابطه بین میدان مغناطیسی زمین و ساختار آن مشخص شد.

در نتیجه مشاهدات، مشخص شد که مغناطش کره زمین کم و بیش یکنواخت است و محور مغناطیسی زمین نزدیک به محور چرخش آن است. علیرغم حجم نسبتاً زیاد داده های تجربی و مطالعات نظری متعدد، مسئله منشأ مغناطیس زمینی در نهایت حل نشده است. با آغاز قرن بیست و یکم، خواص مشاهده شده میدان مغناطیسی زمین با مکانیسم فیزیکی دینام هیدرومغناطیسی مرتبط شد (به هیدرودینامیک مغناطیسی مراجعه کنید)، که بر اساس آن، میدان مغناطیسی اولیه که از فضای بین سیاره ای به هسته زمین نفوذ کرد. می تواند در نتیجه حرکت ماده در هسته مایع سیاره تقویت و ضعیف شود. برای تقویت میدان کافی است که عدم تقارن خاصی از چنین حرکتی وجود داشته باشد. فرآیند تقویت تا زمانی ادامه می یابد که رشد تلفات برای گرم کردن محیط، که به دلیل افزایش قدرت جریان ها رخ می دهد، هجوم انرژی حاصل از حرکت هیدرودینامیکی آن را متعادل کند. اثر مشابهی هنگام تولید یک جریان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی در یک دینام خود تحریک‌شده مشاهده می‌شود.

شدت میدان مغناطیسی زمین.مشخصه هر میدان مغناطیسی بردار قدرت آن H است - مقداری که به محیط بستگی ندارد و از نظر عددی برابر با القای مغناطیسی در خلاء است. میدان مغناطیسی خود زمین (میدان ژئومغناطیسی) مجموع میدان هایی است که توسط منابع مختلف ایجاد می شود. به طور کلی پذیرفته شده است که میدان مغناطیسی H T در سطح سیاره شامل: میدان ایجاد شده توسط مغناطش یکنواخت کره زمین (میدان دوقطبی، H 0) است. زمینه مرتبط با ناهمگونی لایه های عمیق کره زمین (حوزه ناهنجاری های جهان، H a)؛ میدان ناشی از مغناطش بخش های بالایی پوسته زمین (H به)؛ میدان ناشی از علل خارجی (H B)؛ میدان تغییرات (δH)، همچنین با منابع واقع در خارج از کره زمین مرتبط است: H T = H o + H c + H a + H c + δH. مجموع میدان های H 0 + H k میدان مغناطیسی اصلی زمین را تشکیل می دهد. سهم آن در میدان مشاهده شده در سطح سیاره بیش از 95٪ است. میدان غیرعادی H a (سهم Ha به Ht حدود 4٪ است) به یک میدان با ویژگی منطقه ای (ناهنجاری منطقه ای) که در مناطق وسیعی پخش می شود و یک میدان با ویژگی محلی (ناهنجاری محلی) تقسیم می شود. . مجموع فیلدهای H 0 + H k + H و اغلب به آن میدان معمولی (H n) می گویند. از آنجایی که H در مقایسه با H o و H k کوچک است (حدود 1٪ از H t)، میدان طبیعی عملاً با میدان مغناطیسی اصلی منطبق است. میدان واقعی مشاهده شده (منهای میدان تغییرات δH) مجموع میدان های مغناطیسی طبیعی و غیرعادی است: Ht = Hn + Ha. وظیفه تقسیم میدان روی سطح زمین به این دو قسمت نامشخص است، زیرا تقسیم را می توان به روش های بی نهایت انجام داد. برای حل بدون ابهام این مشکل، اطلاعاتی در مورد منابع هر یک از اجزای میدان مغناطیسی زمین مورد نیاز است. در آغاز قرن بیست و یکم، مشخص شد که منابع میدان مغناطیسی غیرعادی، سنگ های مغناطیسی هستند که در اعماق کوچکی در مقایسه با شعاع زمین قرار دارند. منبع میدان مغناطیسی اصلی در عمق بیش از نیمی از شعاع زمین قرار دارد. داده های تجربی متعدد ساخت یک مدل ریاضی از میدان مغناطیسی زمین را بر اساس مطالعه رسمی ساختار آن ممکن می سازد.

عناصر مغناطیس زمینیبرای تجزیه بردار H t به اجزاء، معمولاً از یک سیستم مختصات مستطیلی با مبدا در نقطه اندازه گیری میدان O استفاده می شود (شکل). در این سیستم، محور Ox در جهت نصف النهار جغرافیایی به سمت شمال، محور Oy در جهت موازی به شرق، محور Oz از بالا به پایین به سمت مرکز کره هدایت می شود. . برآمدگی H T بر روی محور Ox را جزء شمالی میدان، برآمدگی بر روی محور Oy را مولفه شرقی، برآمدگی در محور Oz را مولفه عمودی می نامند. آنها به ترتیب با X، Y، Z نشان داده می شوند. طرح ریزی H t بر روی صفحه xy با H نشان داده می شود و جزء افقی میدان نامیده می شود. صفحه عمودی که از بردار H t و محور Oz می گذرد، صفحه نصف النهار مغناطیسی نامیده می شود و زاویه بین نصف النهار جغرافیایی و مغناطیسی را میل مغناطیسی می نامند که با D نشان داده می شود. اگر بردار H از جهت منحرف شود. از محور Ox به سمت شرق، شیب مثبت (میل شرقی) و اگر به سمت غرب منفی (انحراف غربی) خواهد بود. زاویه بین بردارهای H و H t در صفحه نصف النهار مغناطیسی، میل مغناطیسی نامیده می شود و با I نشان داده می شود. شیب I زمانی مثبت است که بردار H t از سطح زمین به سمت پایین هدایت شود، که در سطح زمین اتفاق می افتد. نیمکره شمالی زمین و زمانی که H t به سمت بالا یعنی در نیمکره جنوبی هدایت شود منفی است. مولفه های میل، شیب، افقی، عمودی، شمالی، شرقی را عناصر مغناطیس زمینی می نامند که می توان آنها را مختصات انتهای بردار H t در سیستم های مختصات مختلف (مستطیل، استوانه و کروی) در نظر گرفت.

هیچ یک از عناصر مغناطیس زمینی در زمان ثابت نمی ماند: اندازه آنها از ساعتی به ساعت دیگر و از سالی به سال دیگر متفاوت است. چنین تغییراتی تغییرات عناصر مغناطیس زمینی نامیده می شود (به تغییرات مغناطیسی مراجعه کنید). تغییراتی که در یک دوره زمانی کوتاه (حدود یک روز) رخ می دهد دوره ای هستند. دوره ها، دامنه ها و مراحل آنها بسیار متنوع است. تغییرات در مقادیر متوسط ​​سالانه عناصر یکنواخت است. تناوب آنها فقط در مدت زمان بسیار طولانی مشاهدات (از مرتبه دهها و صدها سال) آشکار می شود. تغییرات آهسته القای مغناطیسی سکولار نامیده می شود. ارزش آنها حدود 10 -8 تن در سال است. تغییرات سکولار عناصر مربوط به منابع میدان است که در داخل کره زمین قرار دارند و به دلایلی مشابه خود میدان مغناطیسی زمین ایجاد می شوند. تغییرات سریع ماهیت دوره ای به دلیل جریان های الکتریکی در محیط نزدیک به زمین است (به یونوسفر، مگنتوسفر مراجعه کنید) و از نظر دامنه بسیار متفاوت است.

مطالعات مدرن میدان مغناطیسی زمین.در آغاز قرن بیست و یکم، مرسوم است که دلایل زیر را که باعث مغناطیس زمینی می شوند، مشخص کنیم. منبع میدان مغناطیسی اصلی و تغییرات سکولار آن در هسته سیاره قرار دارد. میدان غیرعادی به دلیل ترکیبی از منابع در لایه بالایی نازک به نام پوسته فعال مغناطیسی زمین است. میدان خارجی با منابعی در فضای نزدیک به زمین مرتبط است. میدان منشأ خارجی میدان الکترومغناطیسی متناوب زمین نامیده می شود، زیرا نه تنها مغناطیسی، بلکه الکتریکی نیز هست. میدان های اصلی و غیرعادی اغلب با اصطلاح مشروط مشترک "میدان ژئومغناطیسی دائمی" ترکیب می شوند.

روش اصلی برای مطالعه میدان ژئومغناطیسی، مشاهده مستقیم توزیع فضایی میدان مغناطیسی و تغییرات آن در سطح زمین و در فضای نزدیک به زمین است. مشاهدات به اندازه گیری عناصر مغناطیس زمینی در نقاط مختلف فضا خلاصه می شود و به آن پیمایش مغناطیسی می گویند. بسته به محل فیلمبرداری، آنها به زمین، دریا (هیدرومغناطیس)، هوا (هوا مغناطیسی) و ماهواره تقسیم می شوند. بسته به اندازه قلمرو تحت پوشش نظرسنجی ها، نظرسنجی های جهانی، منطقه ای و محلی متمایز می شوند. با توجه به عناصر اندازه گیری شده، پیمایش ها به مدولار (T-surveys که در آن مدول بردار میدان اندازه گیری می شود) و جزء (فقط یک یا چند جزء از این بردار اندازه گیری می شود) تقسیم می شوند.

میدان مغناطیسی زمین تحت تأثیر جریان پلاسمای خورشیدی - باد خورشیدی است. در نتیجه برهمکنش باد خورشیدی با میدان مغناطیسی زمین، مرز بیرونی میدان مغناطیسی نزدیک زمین (مگنتوپاوز) تشکیل می شود که مگنتوسفر زمین را محدود می کند. شکل مگنتوسفر تحت تأثیر باد خورشیدی دائماً در حال تغییر است که بخشی از انرژی آن به داخل آن نفوذ می کند و به سیستم های فعلی که در فضای نزدیک به زمین وجود دارد منتقل می شود. تغییرات میدان مغناطیسی زمین در طول زمان، ناشی از عملکرد این سیستم‌های فعلی، تغییرات ژئومغناطیسی نامیده می‌شوند و هم از نظر مدت زمان و هم از نظر محلی متفاوت هستند. انواع مختلفی از تغییرات زمانی وجود دارد که هر کدام مورفولوژی خاص خود را دارند. تحت تأثیر باد خورشیدی، میدان مغناطیسی زمین منحرف می‌شود و یک "دم" در جهت خورشید به دست می‌آورد که صدها هزار کیلومتر امتداد دارد و از مدار ماه فراتر می‌رود.

گشتاور مغناطیسی دوقطبی زمین در حدود 8·10 22·m 2 است و دائماً در حال کاهش است. میانگین القای میدان ژئومغناطیسی در سطح سیاره حدود 5·10 -5 T است. میدان مغناطیسی اصلی زمین (در فاصله کمتر از سه شعاع زمین از مرکز آن) از نظر شکل نزدیک به میدان یک دوقطبی مغناطیسی معادل است که مرکز آن نسبت به مرکز زمین جابجا شده است. حدود 500 کیلومتر در جهت نقطه ای با مختصات 18 درجه عرض شمالی و 147.8 درجه طول شرقی. محور این دوقطبی 11.5 درجه به محور چرخش زمین متمایل است. در همین زاویه، قطب های ژئومغناطیسی از قطب های جغرافیایی مربوطه جدا می شوند. در همان زمان، قطب ژئومغناطیسی جنوبی در نیمکره شمالی قرار دارد.

مشاهدات در مقیاس بزرگ از تغییرات عناصر مغناطیس زمینی در رصدخانه های مغناطیسی که یک شبکه جهانی را تشکیل می دهند انجام می شود. تغییرات میدان ژئومغناطیسی توسط ابزارهای ویژه ثبت می شود، داده های اندازه گیری پردازش و به مراکز جمع آوری داده های جهان ارسال می شود. برای نمایش بصری تصویر توزیع فضایی عناصر مغناطیس زمینی، نقشه های کانتور ساخته می شوند، یعنی منحنی هایی که نقاط اتصال روی نقشه را با مقادیر یکسان یکی از عناصر مغناطیس زمینی ایجاد می کنند (نقشه ها را ببینید). . منحنی‌های اتصال دهنده انحرافات مغناطیسی یکسان را ایزوگون، منحنی‌های تمایلات مغناطیسی یکسان را ایزوکلاین، اجزای افقی یا عمودی یکسان، شمالی یا شرقی بردار Ht را ایزودینامیک اجزای مربوطه می‌گویند. خطوط تغییرات میدان مساوی معمولاً ایزوپور نامیده می شوند. خطوط با مقادیر میدان مساوی (در نقشه های میدان غیرعادی) - ایزوآنومالی.

نتایج مطالعات مربوط به مغناطیس زمین برای مطالعه زمین و فضای نزدیک به زمین استفاده می شود. اندازه گیری شدت و جهت مغناطش سنگ ها، قضاوت در مورد تغییر میدان ژئومغناطیسی را در طول زمان ممکن می کند، که به عنوان اطلاعات کلیدی برای تعیین سن آنها و توسعه نظریه صفحات لیتوسفر عمل می کند. داده های مربوط به تغییرات ژئومغناطیسی در اکتشافات مغناطیسی برای مواد معدنی استفاده می شود. در فضای نزدیک به زمین، در فاصله هزار کیلومتری یا بیشتر از سطح زمین، میدان مغناطیسی آن پرتوهای کیهانی را منحرف می کند و از تمام حیات روی این سیاره در برابر تشعشعات سخت محافظت می کند.

متن: Yanovsky B. M. مغناطیس زمینی. L., 1978; Kalinin Yu. D. تغییرات ژئومغناطیسی سکولار. Novosib., 1984; Kolesova VI روشهای تحلیلی نقشه برداری مغناطیسی. م.، 1985; پارکینسون دبلیو. مقدمه ای بر ژئومغناطیس. م.، 1986.