Магниттер және заттардың магниттік қасиеттері. Жер магнетизмі Жер магнетизмі оның сипаттамалары магниттік қарқындылық

Магниттердің екі түрі бар. Кейбіреулері «қатты магнитті» материалдардан жасалған тұрақты магниттер деп аталады. Олардың магниттік қасиеттері сыртқы көздерді немесе токтарды пайдаланумен байланысты емес. Басқа түрге өзегі «жұмсақ магнитті» темірден тұратын электромагниттер жатады. Олар жасаған магнит өрістері, негізінен, электр тогының ядроны жабатын орамның сымы арқылы өтуіне байланысты.

Магниттік полюстер және магнит өрісі.

Штангалық магниттің магниттік қасиеттері оның ұштарында көбірек байқалады. Егер мұндай магнит көлденең жазықтықта еркін айнала алатындай етіп ортаңғы бөліктен ілулі болса, онда ол солтүстіктен оңтүстікке қарай шамамен сәйкес келетін позицияны алады. Таяқшаның солтүстікке бағытталған ұшын солтүстік полюс, ал қарама-қарсы шеті оңтүстік полюс деп аталады. Екі магниттің қарама-қарсы полюстері бір-бірін тартады, ал полюстері бір-бірін тебеді.

Магниттелмеген темірді магниттің полюстерінің біріне жақындатса, соңғысы уақытша магниттеледі. Бұл жағдайда магнит полюсіне жақын орналасқан магниттелген жолақтың полюсі атауында қарама-қарсы, ал алыстағысы бір аттас болады. Магниттің полюсі мен оның жолақта индукцияланған қарама-қарсы полюс арасындағы тартылыс магниттің әрекетін түсіндіреді. Кейбір материалдар (мысалы, болат) тұрақты магниттің немесе электромагниттің жанында болғаннан кейін әлсіз тұрақты магнитке айналады. Болат шыбықты тұрақты магниттің ұшын оның ұшынан өткізу арқылы магниттелуге болады.

Сонымен, магнит басқа магниттер мен магниттік материалдардан жасалған заттарды олармен байланыссыз тартады. Қашықтықтағы мұндай әрекет магниттің айналасындағы кеңістікте магнит өрісінің болуымен түсіндіріледі. Бұл магнит өрісінің қарқындылығы мен бағыты туралы кейбір идеяны магнитке орналастырылған картон немесе шыны парағына темір үгінділерін құю арқылы алуға болады. Үгінділер егістік бағыт бойынша тізбектеледі, ал үгінді сызықтарының тығыздығы осы өрістің қарқындылығына сәйкес келеді. (Олар магнит өрісінің қарқындылығы ең үлкен болатын магниттің ұштарында ең қалың.)

М.Фарадей (1791–1867) магниттер үшін тұйық индукциялық сызықтар түсінігін енгізді. Индукция сызықтары оның солтүстік полюсіндегі магниттен қоршаған кеңістікке шығып, оңтүстік полюсте магнитке енеді және магнит материалының ішіне оңтүстік полюстен солтүстікке қарай өтіп, тұйық контурды құрайды. Магниттен шығатын индукция сызықтарының жалпы саны магнит ағыны деп аталады. Магнит ағынының тығыздығы немесе магнит индукциясы ( IN) өлшем бірлігінің элементар ауданы арқылы нормаль бойымен өтетін индукция сызықтарының санына тең.

Магниттік индукция магнит өрісінің онда орналасқан ток өткізгішке әсер ететін күшін анықтайды. Егер ток өткізетін өткізгіш I, индукция түзулеріне перпендикуляр орналасқан, онда Ампер заңы бойынша күш Ф, өткізгішке әсер ететін, өріске де, өткізгішке де перпендикуляр және магнит индукциясына, ток күші мен өткізгіштің ұзындығына пропорционал. Осылайша, магниттік индукция үшін Бөрнек жазуға болады

Қайда ФНьютондағы күш, I- ампердегі ток, л- метрмен ұзындығы. Магниттік индукцияның өлшем бірлігі – тесла (Т).

Гальванометр.

Гальванометр - әлсіз токтарды өлшеуге арналған сезімтал құрылғы. Гальванометрде жылқы тәрізді тұрақты магниттің магнит полюстерінің арасындағы саңылауда ілінген шағын ток өткізгіш катушкамен (әлсіз электромагнит) әрекеттесу нәтижесінде пайда болатын момент қолданылады. Айналу моменті, демек, катушканың ауытқуы ток күшіне және ауа саңылауындағы жалпы магнит индукциясына пропорционалды, сондықтан аспаптың масштабы катушканың шағын ауытқуларымен дерлік сызықты болады.

Магниттеу күші және магнит өрісінің кернеулігі.

Әрі қарай, электр тогының магниттік әсерін сипаттайтын тағы бір шаманы енгізу керек. Ток ішінде магниттелетін материал орналасқан ұзын катушканың сымы арқылы өтеді делік. Магниттеу күші катушкадағы электр тогының және оның айналу санының көбейтіндісі болып табылады (бұл күш ампермен өлшенеді, өйткені айналымдар саны өлшемсіз шама). Магнит өрісінің күші Хкатушканың ұзындығы бірлігіндегі магниттеу күшіне тең. Осылайша, құндылық Хметрге ампермен өлшенеді; ол катушка ішіндегі материалмен алынған магниттелуді анықтайды.

Вакуумдық магниттік индукцияда Бмагнит өрісінің күшіне пропорционал Х:

Қайда м 0 - деп аталады. әмбебап мәні 4 болатын магниттік тұрақты б Ch 10 –7 H/m. Көптеген материалдарда құндылық Бшамамен пропорционалды Х. Алайда ферромагниттік материалдарда арасындағы қатынас БЖәне Хбіршама күрделірек (бұл төменде талқыланады).

Суретте. 1 жүктерді түсіруге арналған қарапайым электромагнитті көрсетеді. Қуат көзі тұрақты ток батареясы болып табылады. Сондай-ақ суретте темір үгінділерінің әдеттегі әдісімен анықталатын электромагнит өрісінің күш сызықтары көрсетілген.

Үздіксіз режимде жұмыс істейтін темір өзектері және өте көп ампер-бұрылымдары бар үлкен электромагниттердің магниттеу күші үлкен. Олар полюстер арасындағы саңылауда 6 Т-ге дейін магнит индукциясын жасайды; бұл индукция тек механикалық кернеулермен, катушкалардың қызуымен және ядроның магниттік қанығуымен шектеледі. Массачусетс технологиялық институтында сумен салқындатылатын бірқатар алып электромагниттер (ядросыз), сондай-ақ импульстік магнит өрістерін құруға арналған қондырғылар жобаланған. Мұндай магниттерде 50 Т дейін индукцияға қол жеткізуге болады. Лосаламос ұлттық зертханасында 15 кВт электр қуатын тұтынатын және сұйық сутегімен салқындатылатын 6,2 Т-ға дейінгі өрістерді шығаратын салыстырмалы түрде шағын электромагнит жасалды. Ұқсас өрістер криогендік температурада алынады.

Магниттік өткізгіштік және оның магнетизмдегі рөлі.

Магниттік өткізгіштік мматериалдың магниттік қасиеттерін сипаттайтын шама болып табылады. Fe, Ni, Co ферромагниттік металдар және олардың қорытпалары өте жоғары максималды өткізгіштікке ие - 5000-ден (Fe үшін) 800 000-ға дейін (супермаллой үшін). Мұндай материалдарда салыстырмалы түрде төмен өріс күшінде Хүлкен индукциялар пайда болады Б, бірақ бұл шамалар арасындағы байланыс, жалпы айтқанда, төменде талқыланатын қанығу және гистерезис құбылыстарына байланысты сызықты емес. Ферромагниттік материалдар магнитпен күшті тартылады. Олар Кюри нүктесінен жоғары температурада магниттік қасиеттерін жоғалтады (Fe үшін 770°C, Ni үшін 358°C, Co үшін 1120°С) және өздерін парамагнетиктер сияқты ұстайды, олар үшін индукция Бөте жоғары кернеу мәндеріне дейін Хоған пропорционал – вакуумде өтетінімен дәл солай. Көптеген элементтер мен қосылыстар барлық температурада парамагниттік болып табылады. Парамагниттік заттар сыртқы магнит өрісінде магниттелуімен сипатталады; егер бұл өріс өшірілсе, парамагнетиктер магниттелмеген күйге оралады. Ферромагнетиктерде магниттелу сыртқы өрісті өшіргеннен кейін де сақталады.

Суретте. 2 магниттік қатты (жоғары жоғалту) ферромагниттік материал үшін типтік гистерезис контурын көрсетеді. Ол магнитті реттелген материалдың магниттелуінің магниттелу өрісінің күшіне екі жақты тәуелділігін сипаттайды. Бастапқы (нөлдік) нүктеден магнит өрісінің кернеулігінің жоғарылауымен ( 1 ) магниттелу үзік сызық бойымен жүреді 1 –2 , және мәні мүлгінің магниттелуі артқан сайын айтарлықтай өзгереді. Нүктеде 2 қанығуға жетеді, яғни. қарқындылығының одан әрі жоғарылауымен магниттелу бұдан былай өспейді. Егер біз қазір құндылықты біртіндеп төмендететін болсақ Хнөлге, содан кейін қисық Б(Х) енді сол жолмен жүрмейді, нүкте арқылы өтеді 3 , «өткен тарих» туралы материалдың «есте сақтауын» ашады, сондықтан «гистерезис» атауын алады. Әлбетте, бұл жағдайда кейбір қалдық магниттелу сақталады (сегмент 1 –3 ). Магниттеу өрісінің бағытын керісінше өзгерткеннен кейін қисық IN (Х) нүктеден өтеді 4 , және сегмент ( 1 )–(4 ) магнитсізденуді болдырмайтын мәжбүрлеу күшіне сәйкес келеді. Құндылықтардың одан әрі өсуі (- Х) гистерезис қисығын үшінші квадрантқа – кесіндіге апарады 4 –5 . Құнның кейінгі төмендеуі (- Х) нөлге, содан кейін оң мәндерді арттыру Хнүктелер арқылы гистерезис циклін жабады 6 , 7 Және 2 .

Магниттік қатты материалдар диаграммадағы айтарлықтай аумақты қамтитын кең гистерезис контурымен сипатталады, сондықтан қалдық магниттелудің (магниттік индукция) және коэрцив күшінің үлкен мәндеріне сәйкес келеді. Тар гистерезис контуры (3-сурет) жұмсақ болат және магниттік өткізгіштігі жоғары арнайы қорытпалар сияқты жұмсақ магнитті материалдарға тән. Мұндай қорытпалар гистерезис әсерінен энергия шығынын азайту мақсатында жасалған. Бұл арнайы қорытпалардың көпшілігі, ферриттер сияқты, жоғары электр кедергісіне ие, бұл магниттік жоғалтуларды ғана емес, сонымен қатар құйынды токтардың әсерінен электрлік шығындарды да азайтады.

Өткізгіштігі жоғары магниттік материалдар жасыту арқылы шығарылады, шамамен 1000 ° C температурада жүргізіледі, содан кейін бөлме температурасына дейін шынықтыру (біртіндеп салқындату). Бұл жағдайда алдын ала механикалық және термиялық өңдеу, сонымен қатар үлгідегі қоспалардың болмауы өте маңызды. 20 ғасырдың басындағы трансформатор өзектері үшін. кремнийлі болаттар әзірленді, құнды мкремний құрамының жоғарылауымен өсті. 1915-1920 жылдар аралығында пермаллойлар (Fe бар Ni қорытпалары) өзіне тән тар және тікбұрышты дерлік гистерезис ілмегімен пайда болды. Магниттік өткізгіштіктің әсіресе жоғары мәндері мшағын мәндер үшін Хгиперникалық (50% Ni, 50% Fe) және му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) қорытпалары ерекшеленеді, ал перминварда (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) мән мөріс күші өзгерістерінің кең ауқымында іс жүзінде тұрақты. Қазіргі заманғы магниттік материалдардың ішінде ең жоғары магниттік өткізгіштігі бар қорытпа (оның құрамында 79% Ni, 15% Fe және 5% Mo бар) супермаллойды атап өткен жөн.

Магнитизм теориялары.

Алғаш рет магниттік құбылыстар ақырында электрлік құбылыстарға дейін азаяды деген идея Амперден 1825 жылы магниттің әрбір атомында айналатын тұйық ішкі микротоктардың идеясын айтқан кезде пайда болды. Алайда, материяда мұндай токтардың болуын тәжірибе жүзінде растаусыз (электронды тек 1897 жылы Дж. Томсон ашты, ал атомның құрылымының сипаттамасын 1913 жылы Резерфорд пен Бор берді) бұл теория «өшіп қалды. ». 1852 жылы В.Вебер магниттік заттың әрбір атомы кішкентай магнит немесе магниттік диполь болып табылады, сондықтан заттың толық магниттелуі барлық жеке атомдық магниттер белгілі бір ретпен тізілгенде орындалады (4-сурет) , б). Вебер молекулалық немесе атомдық «үйкеліс» бұл қарапайым магниттерге жылу тербелістерінің қоздырғыш әсеріне қарамастан олардың ретін сақтауға көмектеседі деп есептеді. Оның теориясы магнитпен жанасу кезінде денелердің магниттелуін, сондай-ақ олардың әсер ету немесе қыздыру кезінде магнитсізденуін түсіндіре алды; ақырында, магниттердің «көбеюі» магниттелген инені немесе магниттік таяқшаны кесектерге кескенде де түсіндірілді. Бірақ бұл теория элементар магниттердің шығу тегін де, қанығу мен гистерезис құбылыстарын да түсіндірмеді. Вебер теориясын 1890 жылы Дж. Эвинг жетілдірді, ол өзінің атомдық үйкеліс гипотезасын тұрақты магнитті құрайтын элементар дипольдердің ретін сақтауға көмектесетін атомаралық шектейтін күштер идеясымен ауыстырды.

Бір кездері Ампер ұсынған мәселеге көзқарас 1905 жылы П.Лангевин әрбір атомға ішкі компенсацияланбаған электронды токты жатқызу арқылы парамагниттік материалдардың әрекетін түсіндірген кезде екінші өмірге ие болды. Лангевиннің пікірінше, дәл осы токтар сыртқы өріс жоқ кезде кездейсоқ бағытталған, бірақ оны қолданғаннан кейін реттелген бағдарға ие болатын кішкентай магниттерді құрайды. Бұл жағдайда толық ретке келтіруге жуықтау магниттелудің қанықтылығына сәйкес келеді. Сонымен қатар, Лангевин бір атомдық магнит үшін полюстің «магниттік зарядының» және полюстер арасындағы қашықтықтың көбейтіндісіне тең болатын магниттік момент ұғымын енгізді. Осылайша, парамагниттік материалдардың әлсіз магнетизмі компенсацияланбаған электронды токтармен жасалған жалпы магниттік моментке байланысты.

1907 жылы П.Вайс «домен» ұғымын енгізді, ол қазіргі магнетизм теориясына маңызды үлес болды. Вайсс домендерді атомдардың шағын «колониялары» ретінде елестетеді, олардың ішінде барлық атомдардың магниттік моменттері қандай да бір себептермен бірдей бағдарды сақтауға мәжбүр болады, осылайша әрбір домен қанығуға дейін магниттеледі. Бөлек домен 0,01 мм ретті сызықтық өлшемдерге және тиісінше 10–6 мм 3 реттік көлемге ие болуы мүмкін. Домендер қалыңдығы 1000 атомдық өлшемнен аспайтын Блох қабырғалары деп аталатын қабырғалармен бөлінген. «Қабырға» және екі қарама-қарсы бағытталған домен схемалық түрде суретте көрсетілген. 5. Мұндай қабырғалар доменнің магниттелу бағыты өзгеретін «өтпелі қабаттар» болып табылады.

Жалпы жағдайда бастапқы магниттелу қисығында үш секцияны ажыратуға болады (6-сурет). Бастапқы бөлімде қабырға сыртқы өрістің әсерінен заттың қалыңдығы бойынша кристалдық тор ақауына тап болғанша қозғалады, ол оны тоқтатады. Өрістің күшін арттыру арқылы қабырғаны үзік сызықтар арасындағы ортаңғы бөлік арқылы әрі қарай жылжытуға мәжбүрлеуге болады. Егер осыдан кейін өріс кернеулігі қайтадан нөлге дейін төмендесе, онда қабырғалар бұдан былай бастапқы орнына оралмайды, осылайша үлгі ішінара магниттелген күйде қалады. Бұл магниттің гистерезисін түсіндіреді. Қисықтың соңында процесс соңғы ретсіз домендер шегінде магниттелудің реттілігіне байланысты үлгінің магниттелуінің қанығуымен аяқталады. Бұл процесс дерлік толығымен қайтымды. Магниттік қаттылықты атом торында доменаралық қабырғалардың қозғалысына кедергі келтіретін көптеген ақаулары бар материалдар көрсетеді. Бұған механикалық және термиялық өңдеу арқылы қол жеткізуге болады, мысалы, ұнтақты материалды сығымдау, содан кейін агломерациялау. Альнико қорытпаларында және олардың аналогтарында металдарды күрделі құрылымға біріктіру арқылы бірдей нәтижеге қол жеткізіледі.

Парамагниттік және ферромагниттік материалдардан басқа антиферромагниттік және ферромагниттік қасиеттер деп аталатын материалдар бар. Магнитизмнің осы түрлерінің арасындағы айырмашылық суретте көрсетілген. 7. Домендер түсінігіне сүйене отырып, парамагнетизмді материалда магниттік дипольдердің шағын топтарының болуына байланысты құбылыс ретінде қарастыруға болады, оларда жеке дипольдер бір-бірімен өте әлсіз әрекеттеседі (немесе мүлдем әрекеттеспейді), сондықтан , сыртқы өріс болмаған жағдайда олар тек кездейсоқ бағдарларды қабылдайды (Cурет 7, А). Ферромагниттік материалдарда әрбір доменде жеке дипольдар арасында күшті өзара әрекеттесу бар, бұл олардың реттелген параллельді туралануына әкеледі (Cурет 7, б). Антиферромагниттік материалдарда, керісінше, жеке дипольдер арасындағы өзара әрекеттесу олардың антипараллельді реттелген туралануына әкеледі, сондықтан әрбір доменнің жалпы магниттік моменті нөлге тең болады (7-сурет, В). Соңында, ферримагниттік материалдарда (мысалы, ферриттер) параллельді де, параллельге қарсы орналасу да бар (Cурет 7, Г), нәтижесінде әлсіз магнетизм.

Домендердің бар екендігінің екі сенімді эксперименттік растауы бар. Олардың біріншісі - Бархаузен эффектісі, екіншісі - ұнтақ фигура әдісі. 1919 жылы Г.Бархаусен ферромагниттік материалдың үлгісіне сыртқы өрісті қолданғанда оның магниттелуі шағын дискретті бөліктерде өзгеретінін анықтады. Домен теориясы тұрғысынан бұл доменаралық қабырғаның секіру тәрізді ілгерілеуінен басқа ештеңе емес, ол оны өз жолында ұстап тұратын жеке ақауларға тап болады. Бұл әсер әдетте ферромагниттік таяқша немесе сым орналастырылған катушка арқылы анықталады. Егер үлгіге кезекпен күшті магнит әкелінсе және одан алып тасталса, үлгі магниттеледі және қайта магниттеледі. Үлгінің магниттелуіндегі секіріс тәрізді өзгерістер катушкалар арқылы өтетін магнит ағынын өзгертеді және онда индукциялық ток қозғалады. Бұл жағдайда катушкада пайда болатын кернеу күшейтіліп, акустикалық құлақаспаптар жұбының кірісіне беріледі. Құлаққаптар арқылы қабылданатын шертулер магниттелудің күрт өзгеруін көрсетеді.

Магниттің домендік құрылымын ұнтақ фигуралар әдісімен ашу үшін магниттелген материалдың жақсы жылтыратылған бетіне ферромагниттік ұнтақтың (әдетте Fe 3 O 4) коллоидты суспензиясының тамшысын тамызады. Ұнтақ бөлшектері негізінен магнит өрісінің максималды біртекті емес жерлерінде – домендердің шекараларында орналасады. Мұндай құрылымды микроскоппен зерттеуге болады. Поляризацияланған жарықтың мөлдір ферромагниттік материал арқылы өтуіне негізделген әдіс де ұсынылды.

Вейсстің магнетизмнің бастапқы теориясы өзінің негізгі белгілері бойынша бүгінгі күнге дейін өзінің маңыздылығын сақтап қалды, алайда атомдық магнетизмді анықтайтын фактор ретінде өтелмеген электрон спиндері тұжырымдамасына негізделген жаңартылған түсіндірме алды. Электронның меншікті моментінің болуы туралы гипотезаны 1926 жылы С.Гудсмит пен Дж.Уленбек ұсынған болатын және қазіргі уақытта «элементар магниттер» ретінде қарастырылатын спиндік тасымалдаушылар ретінде электрондар болып табылады.

Бұл ұғымды нақтылау үшін (8-сурет) темірдің бос атомын, типтік ферромагниттік материалды қарастырайық. Оның екі қабығы ( ҚЖәне Л), ядроға ең жақын электрондармен толтырылған, олардың біріншісінде екеуі, екіншісінде сегізі бар. IN Қ-қабық, электрондардың бірінің спині оң, екіншісі теріс. IN Л-қабық (дәлірек айтқанда, оның екі ішкі қабатында) сегіз электронның төртеуі оң, ал қалған төртеуі теріс спинге ие. Екі жағдайда да бір қабықтағы электрондардың спиндері толығымен жойылады, осылайша жалпы магниттік момент нөлге тең болады. IN М-қабықша, жағдай басқаша, үшінші ішкі қабатта алты электрон болғандықтан, бес электронның спиндері бір бағытта, ал алтыншысында ғана - екіншісінде бағытталған. Нәтижесінде темір атомының магниттік қасиеттерін анықтайтын төрт компенсацияланбаған спин қалады. (Сыртқы жағында Н-қабықшада темір атомының магнетизміне ықпал етпейтін екі валенттік электрон ғана бар.) Никель мен кобальт сияқты басқа ферромагнетиктердің магнетизмі дәл осылай түсіндіріледі. Темір үлгісіндегі көрші атомдар бір-бірімен күшті әрекеттесетіндіктен және олардың электрондары ішінара ұжымдастырылғандықтан, бұл түсініктеме тек нақты жағдайдың сипаттамалық, бірақ өте жеңілдетілген схемасы ретінде қарастырылуы керек.

Электрондық спинге негізделген атомдық магнетизм теориясы екі қызықты гиромагниттік тәжірибемен расталады, олардың бірін А.Эйнштейн мен В.де Хаас, екіншісін С.Барнетт жүргізді. Осы тәжірибелердің біріншісінде ферромагниттік материал цилиндрі суретте көрсетілгендей ілулі болды. 9. Егер орама сым арқылы ток өткізілсе, онда цилиндр өз осінің айналасында айналады. Токтың бағыты (демек, магнит өрісі) өзгергенде, ол қарама-қарсы бағытта айналады. Екі жағдайда да цилиндрдің айналуы электрон спиндерінің реттілігіне байланысты. Барнетт тәжірибесінде, керісінше, күрт айналу күйіне келтірілген аспалы цилиндр магнит өрісі болмаған кезде магниттеледі. Бұл әсер магниттің айналуы кезінде спиндік моменттерді өз айналу осінің бағытымен айналдыруға бейім гироскопиялық моменттің пайда болуымен түсіндіріледі.

Көрші атом магниттерін реттейтін және жылулық қозғалыстың ретсіз әсеріне қарсы тұратын қысқа қашықтықтағы күштердің табиғаты мен шығу тегін толық түсіндіру үшін кванттық механикаға жүгіну керек. Бұл күштердің табиғатының кванттық механикалық түсіндірмесін 1928 жылы В.Гейзенберг ұсынды, ол көрші атомдар арасында алмасу әрекетінің болуын болжайды. Кейінірек Г.Бете мен Дж.Слейтер алмасу күштері атомдар арасындағы қашықтық азайған сайын айтарлықтай өсетінін, бірақ белгілі бір минималды атомаралық қашықтыққа жеткеннен кейін олар нөлге дейін төмендейтінін көрсетті.

ЗАТТЫҢ МАГНИТТІК ҚАСИЕТТЕРІ

Заттың магниттік қасиеттерін алғашқы ауқымды және жүйелі зерттеулердің бірін П.Кюри қолға алды. Ол магниттік қасиеттері бойынша барлық заттарды үш класқа бөлуге болатынын анықтады. Біріншісіне темірдікіне ұқсас айқын магниттік қасиеттері бар заттар жатады. Мұндай заттар ферромагниттік деп аталады; олардың магнит өрісі айтарлықтай қашықтықта байқалады ( см. жоғарырақ). Екінші класқа парамагниттік деп аталатын заттар жатады; олардың магниттік қасиеттері негізінен ферромагниттік материалдарға ұқсас, бірақ әлдеқайда әлсіз. Мысалы, қуатты электромагниттің полюстеріне тартылу күші темір балғаны қолыңыздан суырып алуы мүмкін, ал парамагниттік заттың сол магнитке тартылуын анықтау үшін, әдетте, өте сезімтал аналитикалық таразылар қажет. . Соңғы, үшінші класқа диамагниттік деп аталатын заттар жатады. Олар электромагнитпен итеріледі, яғни. диамагнетиктерге әсер ететін күш ферро- және парамагнетиктерге әсер ететін күшке қарама-қарсы бағытталған.

Магниттік қасиеттерді өлшеу.

Магниттік қасиеттерді зерттеуде екі түрдегі өлшемдер ең маңызды болып табылады. Олардың біріншісі магнитке жақын үлгіге әсер ететін күшті өлшеу; үлгінің магниттелуі осылай анықталады. Екіншісі материяның магниттелуімен байланысты «резонанстық» жиіліктерді өлшеуді қамтиды. Атомдар кішкентай «гироскоптар» болып табылады және өлшенетін жиілікте магнит өрісінің прецессінде (гравитацияның әсерінен жасалған айналу моментінің әсерінен қалыпты айналмалы топ сияқты). Сонымен қатар, магниттік индукция сызықтарына тік бұрыш жасап қозғалатын бос зарядталған бөлшектерге, сондай-ақ өткізгіштегі электронды токқа күш әсер етеді. Ол бөлшектің радиусы берілген дөңгелек орбитада қозғалуына әкеледі

Р = mv/eB,

Қайда мбөлшектің массасы, v- оның жылдамдығы eоның заряды болып табылады және Бөрістің магниттік индукциясы болып табылады. Мұндай айналмалы қозғалыстың жиілігі тең

Қайда fгерцпен өлшенеді e- кулондарда, м- килограммда, Б- Теслада. Бұл жиілік магнит өрісіндегі заттағы зарядталған бөлшектердің қозғалысын сипаттайды. Қозғалыстың екі түрі де (дөңгелек орбиталардағы прецессия және қозғалыс) берілген материалға тән «табиғи» жиіліктерге тең резонанстық жиіліктермен ауыспалы өрістер арқылы қоздырылуы мүмкін. Бірінші жағдайда резонанс магниттік, ал екіншісінде циклотрон (циклотрондағы субатомдық бөлшектің циклдік қозғалысымен ұқсастығын ескере отырып) деп аталады.

Атомдардың магниттік қасиеттері туралы айтқанда, олардың бұрыштық импульсіне ерекше назар аудару керек. Магнит өрісі айналатын атомдық дипольге әсер етіп, оны айналдыруға және өріске параллель орнатуға тырысады. Оның орнына атом дипольдік моментке және қолданылатын өрістің күшіне байланысты жиілікпен өріс бағыты бойынша прецесс жасай бастайды (10-сурет).

Атомдардың прецессиясын тікелей байқау мүмкін емес, өйткені үлгінің барлық атомдары басқа фазада прецесс жасайды. Дегенмен, тұрақты реттелген өріске перпендикуляр бағытталған шағын айнымалы өріс қолданылса, онда прецессиялық атомдар арасында белгілі бір фазалық байланыс орнатылады және олардың жалпы магниттік моменті жеке прецессия жиілігіне тең жиілікпен прецесс жасай бастайды. магниттік моменттері. Прецессияның бұрыштық жылдамдығы үлкен маңызға ие. Әдетте, бұл мән электрондармен байланысты магниттелу үшін 10 10 Гц/Т ретті, ал атомдар ядроларындағы оң зарядтармен байланысты магниттелу үшін 10 7 Гц/Т ретті.

Ядролық магниттік резонансты (ЯМР) бақылауға арналған қондырғының схемалық диаграммасы күріш. 11. Зерттелетін зат полюстер арасындағы біркелкі тұрақты өріске енгізіледі. Егер РЖ өрісі пробирканың айналасындағы кішкене катушкамен қоздырылса, резонанс үлгінің барлық ядролық «гироскоптарының» прецессиялық жиілігіне тең белгілі бір жиілікте қол жеткізуге болады. Өлшемдер радиоқабылдағышты белгілі бір станцияның жиілігіне реттеуге ұқсас.

Магниттік резонанс әдістері нақты атомдар мен ядролардың магниттік қасиеттерін ғана емес, сонымен қатар олардың қоршаған ортасының қасиеттерін де зерттеуге мүмкіндік береді. Мәселе мынада: қатты денелер мен молекулалардағы магнит өрістері біртекті емес, өйткені олар атомдық зарядтармен бұрмаланады және тәжірибелік резонанс қисығының жүруінің егжей-тегжейлері прецессиялық ядро ​​орналасқан аймақтағы жергілікті өріспен анықталады. Бұл резонанстық әдістермен белгілі бір үлгінің құрылымының ерекшеліктерін зерттеуге мүмкіндік береді.

Магниттік қасиеттерді есептеу.

Жер өрісінің магниттік индукциясы 0,5×10 -4 Т, ал күшті электромагниттің полюстері арасындағы өріс 2 Т немесе одан да көп.

Токтардың кез келген конфигурациясымен жасалған магнит өрісін ағымдағы элемент жасаған өрістің магниттік индукциясы үшін Биот-Саварт-Лаплас формуласы арқылы есептеуге болады. Әртүрлі пішіндегі контурлар мен цилиндрлік катушкалар арқылы жасалған өрісті есептеу көп жағдайда өте күрделі. Төменде бірнеше қарапайым жағдайларға арналған формулалар берілген. Тогы бар ұзын түзу сым арқылы жасалған өрістің магниттік индукциясы (теслада). I

Магниттелген темір шыбықтың өрісі ұзын соленоидтың сыртқы өрісіне ұқсас, ұзындығы бірлігіне ампер айналымдар саны магниттелген өзек бетіндегі атомдардағы токқа сәйкес келеді, өйткені өзек ішіндегі токтар әрбір басқалары (Cурет 12). Ампер атымен мұндай беттік ток Ампер деп аталады. Магнит өрісінің күші H а, Ампер тогы арқылы жасалған, стерженнің бірлік көлемінің магниттік моментіне тең М.

Егер соленоидқа темір таяқша кіргізілсе, онда соленоидтық ток магнит өрісін жасайтындығынан басқа Х, өзекшенің магниттелген материалындағы атомдық дипольдердің реті магниттелуді тудырады М. Бұл жағдайда жалпы магнит ағыны нақты және ампер токтарының қосындысымен анықталады, осылайша Б = м 0(Х + H а), немесе Б = м 0(H+M). Қатынас М/Хшақырды магниттік сезімталдық және грек әрпімен белгіленеді в; вматериалдың магнит өрісінде магниттелу қабілетін сипаттайтын өлшемсіз шама.

Мән Б/Х, материалдың магниттік қасиеттерін сипаттайтын, магниттік өткізгіштік деп аталады және келесі түрде белгіленеді. м а, және м а = м 0м, Қайда м аабсолютті және м- салыстырмалы өткізгіштік,

Ферромагниттік заттарда мәні вөте үлкен мәндерге ие болуы мүмкін - 10 4 ё 10 6 . Мән впарамагниттік материалдарда нөлден сәл артық, ал диамагниттік материалдарда азырақ болады. Тек вакуумда және өте әлсіз өрістерде шамалар болады вЖәне мтұрақты және сыртқы өріске тәуелді емес. Тәуелділік индукциясы Ббастап Хәдетте сызықты емес және оның графиктері деп аталады. әртүрлі материалдар үшін және тіпті әртүрлі температураларда магниттелу қисықтары айтарлықтай ерекшеленуі мүмкін (мұндай қисықтардың мысалдары 2 және 3-суреттерде көрсетілген).

Заттың магниттік қасиеттері өте күрделі, олардың құрылысын жете түсіну үшін атомдардың құрылысын, олардың молекулалардағы өзара әрекеттесулерін, газдардағы соқтығыстарын, қатты және сұйықтардағы өзара әсерлерін жан-жақты талдау қажет; сұйықтықтардың магниттік қасиеттері әлі де аз зерттелген.

Алдыңғы жұлдыздық магнетизм тақырыбын жалғастыра отырып, мен планеталық туралы бірдеңе айтқым келеді. Жердің магнит өрісінің пайда болуы мен табиғатын зерттейтін геофизиканың ерекше саласы геомагнетизм деп аталады. Ол планеталардың магнит өрісінің пайда болуын былай түсіндіреді:
"бастапқы магнит өрісі планетаның сұйық ядросындағы немесе жұлдыздың плазмасындағы электр өткізгіш заттардың қозғалысы (әдетте конвективті немесе турбулентті) нәтижесінде күшейеді".
Бұл « магниттік динамо". Анықтамадан көріп отырғаныңыздай, біз қайтадан электромагнетизмнің қоздырғышы болып табылатын мистикалық бастапқы магнит өрісінің қандай да бір түрі туралы айтып отырмыз. Бірақ бұл бастапқы өрістің қайдан шыққаны туралы еш жерде сөз жоқ. Және бұл түсініктеме қарастырылады. ең дұрысы.

Біртүрлі, өйткені магниттік динамо туралы мақалада тікелей былай делінген: « нақты жағдайда магниттік динамо алынған жоқ". Оны жасау үшін өте күрделі жағдайлар мен қондырғылар қажет. Сонда мұндай қондырғы Күннің және планеталардың ішінен қайдан пайда болуы мүмкін? Оның үстіне планеталардың барлығы дерлік белгілі бір дәрежеде магнетизмге ие, яғни оның шығу тегі табиғаттан тыс ештеңе жоқ дегенді білдіреді. және оның пайда болу шарттары өте қарапайым болуы керек.

Содан кейін жеке планеталарды қарастырайық:
"Дипольді магниттік моменттің кемуінде бірінші орында Юпитер мен Сатурн, одан кейін Жер, Меркурий және Марс, ал Жердің магниттік моментіне қатысты олардың моменттерінің мәні 20 000, 500, 1, 3/5000, 3/10000.".

Көзге түсетін бірінші нәрсе - тізімде Венера жоқ. Венера мен Жердің өлшемдері, орташа тығыздығы және тіпті ішкі құрылымы ұқсас, дегенмен Жердің жеткілікті күшті магнит өрісі бар, ал Венера жоқ. Венераның әлсіз магнит өрісі туралы қазіргі болжамдар Венераның темір өзегінде конвективтік токтар жоқ дегенді білдіреді. Бірақ неге? Егер құрылымы Жердікімен бірдей болса және температурасы жоғары болса, онда ядро ​​да сұйық және бірдей ағынмен болуы керек.
Әрі қарай, Меркурийдің магнит өрісі Марстың магнит өрісінен 2 есе үлкен екені белгілі болды, бірақ ол әлдеқайда аз және сонымен бірге Жерден 2000 есе әлсіз. Жер шарының температурасы да, көлемі де маңызды емес екен. Мүмкін ядролардағы айырмашылық бар ма?
Жер, Марс, Венера және Меркурий - металл ядросы бар жартасты планеталар. Марстың өзегі салқындап, қатып қалуы мүмкін деген болжам бар. Онда жанартау жоқ, конвекция жоқ, сондықтан магнит өрісі әлсіреген. Дегенмен, қандай да бір себептермен ол осы уақыт бойы магнитсізденген жоқ. Венера жағдайында керісінше. Мұнда сізде температура да, вулканизм де бар, бірақ өріс жоқ.
Уран мен Нептунның магнит өрістері, Күн жүйесінің барлық басқа планеталарынан айырмашылығы, диполь емес, төрт полюсті, яғни. олардың 2 солтүстік және 2 оңтүстік полюстері бар. Бұл конвекция теориясына мүлдем сәйкес келмейді.
Сонымен қатар, газ алыптарының планеталарында металл өзегі мүлде жоқ деген пікір бар. Сонымен, магнит өрісі қайдан пайда болады? Ал пропорциялар қайтадан жауап бермейді. Юпитер мен Сатурн мөлшері мен құрамы бірдей, бірақ олардың магнит өрістері 40 есе ерекшеленеді!
Күнге дейінгі қашықтықты және оның ықтимал әсерін де алып тастау керек. Сонда не қалады? Ал көп нәрсе қалған жоқ. Бізде тікелей анықтама бар - жұлдыздық және планеталық магнетизмді түсіндіру арасындағы байланыс. олардың ортақ табиғаты. Және бұл табиғат әлі анық емес және нақты ғылыми түсіндірмесі болмаса да, процестердің жалпылығы бір мәнді.
Шамасы, біз әлі күнге дейін планеталардың шаңнан пайда болуы туралы теорияның қателігін мойындауымыз керек. Процестердің мұндай ортақтығы менің тұжырымдарымды растай алады: планеталар жұлдыздардың сәулеленуі және олармен көп ортақ нәрсе бар, атап айтқанда, олардың тереңдігінде олар өздерін тудырған жұлдыздың бір бөлігін алып жүреді, оның өзі Ақ тесіктің бөлігі болып табылады. . Ұқсас планеталардың магнит өрісінің күшіндегі мұндай сәйкессіздік олардың жас айырмашылығына байланысты болуы мүмкін, бұл туралы мен бірнеше рет жазғанмын. Эжекциядан кейін әртүрлі планеталар жанбаған жұлдыздық заттардың әртүрлі мөлшерін алды, бір жерде ол бұрын қолданылған, сондықтан магнит өрісі әлсіреген, бірақ бір жерде әлі жоқ. Салқындатылған металл ядросы жұлдызды бөлшек жануды тоқтатқан сұйық ядро ​​сияқты өзінің магниттелуін тез жоғалтады. Магниттік динамо жоқ - табиғи құбылыс болу өте қиын және магнетизм зарядсыз тез жоғалады.

Менің ойымша, жақын арада ғылым планеталар мен жұлдыздардың эволюциялық процестерін түсінуде үлкен революцияға тап болады. өмір сүрер еді.

Жер өз осінің айналасында айналғанда, сыртқы ядроның сұйық қабаты мантия мен қатты жер қыртысының ішкі ядроға қарағанда жылдам айналуына мүмкіндік береді. Нәтижесінде ядродағы электрондар мантия мен жер қыртысындағы электрондарға қатысты қозғалады. Электрондардың бұл қозғалысы табиғи динамоны құрайды. Ол өріске ұқсас магнит өрісін жасайды индукторлар.

Жердің магниттік осі оның географиялық осіне шамамен 11° бұрыш жасайды. Ол өзінің көлбеу бұрышын үздіксіз өзгертеді, бірақ баяу болғаны сонша, бірнеше ондаған мың жылдар бойы өзінің салыстырмалы орнын дерлік сақтайды.

Компастағы көрсеткі географиялық полюстерден біршама ауытқиды. Магниттік меридиан мен географиялық меридиан арасындағы бұрыш әр аймақта өзгереді. Магниттік өрістің шамалы ауытқулары жергілікті болуы мүмкін сыртқы ядродағы құйынды қозғалыстар, ядро ​​мен мантияның түйіскен жерінде. Ұқсас әсер магниттелген тау жыныстары мен жер қыртысындағы кендердің үлкен денелерінен туындауы мүмкін.

Геомагниттік өріс әсер етеді күн желі- Күн шығаратын электрлік зарядталған бөлшектердің ағыны. Жердің сыртқы атмосферасына еніп, бұл бөлшектер жер бетіне жақын магнит өрісінде табиғатта жүйелі (түнгі және күндізгі сияқты) немесе тұрақты емес (магниттік дауылдар сияқты) шамалы өзгерістерді тудырады.

Бұрынғы Жердің магнит өрісі

Планетаның магнит өрісінің әсерінен жыныстар түзілу кезінде магниттелді, бұл магниттелуді келесі дәуірлерде сақтайды. Бұл құбылыс деп аталады палеомагнетизм. Қыздыру кезінде тау жыныстары тұрақты магнит сияқты өзінің магниттелуін жоғалтады. Салқындатылған тау жыныстары жер өрісімен қайтадан магниттеледі. Бұл табиғи реманенттілік тау жыныстарының пайда болуы кезінде болған геомагниттік өрістің күш сызықтарына параллель бағытталған. Сондықтан олардың қатаю сәтінде әрекет еткен кен орнының бағыты тау жыныстарында мәңгі сақталады, оны зерттеу үшін пайдалануға болады. жердің магнит өрісінің геологиялық тарихы.

Палеомагниттік зерттеудің әдістемесі – тау жыныстарынан бұрғыланған цилиндрлік бағаналардағы табиғи қалдық магнетизмді өлшеу. Үлгілердің алынған палеомагниттік координаталары тау жыныстарының бастапқы орнын анықтауға мүмкіндік береді. Палеомагниттік координаттар, магниттік ендіктерде көрсетілген, географиялық ендіктерге ұқсас (бірақ тек магниттік полюске қатысты) және тау жыныстарының магниттелу кезеңінде магниттік полюстің жағдайына жатады. Осындай өлшеулер нәтижесінде алынған деректер магниттік полюстердің ұзақ уақыт бойы өз орнын өзгерте отырып, «қыдырғанын» көрсетеді. Материктердегі полюстердің айналуы әртүрлі тәсілдермен бекітілген. Бірақ геологиялық тарихтың белгілі бір кезеңі үшін әртүрлі континенттерде белгіленген полярлық бағыттарды бір сызыққа біріктіруге болады, егер бұл континенттер бүгінгіден басқа позицияларда елестетсе. Осылайша орнату және картаға түсіру мүмкін болды континенттік дрейф жолы. Бұл әдіспен алынған нәтижелер басқа дәлелдермен жақсы сәйкес келеді. континенттік дрейф- теңіз түбінің таралуы және палеоклиматтық жағдайларды сипаттайтын тау жыныстары мен қазбаларды зерттеу нәтижесінде алынған мәліметтер.

Қысқа уақыт аралығында пайда болған тау жыныстарының қалдық магниттелуінің («қазбалы» магнит өрісінің) полярлығы кері болып шығады. Бұл факт материктің 180° айналуымен түсіндіріледі (бұл тым көп уақытты алады), бірақ геомагниттік өрістің полярлығының өзгеруі. Жердің магнит өрісі бағытының мұндай өзгеруін кері немесе инверсия деп атайды. Инверсиялар геомагниттік өріс тұрақты полярлықты сақтаған геологиялық тарих кезеңдерінің шекараларын белгілейді. Бұл кезеңдердің ұзақтығы әртүрлі болды. Реверстердің жасын анықтау (жыныстардағы радиоактивті изотоптардың ыдырауын зерттеу арқылы) палеомагниттік геологиялық уақыт шкаласын жасауға мүмкіндік берді. Бұл шкаланың көмегімен тау жыныстарының жасын олардың сақталуын талдау арқылы анықтауға болады. Палеомагниттік уақыт шкаласын теңіз түбінің «магниттік аномалияларымен» салыстыру таралу гипотезасын растады.

Магниттік және электрлік барлау

Магниттік минералдарға бай көптеген кен денелері мен тау жыныстары күшті жергілікті магнит өрісін жасайды. Бұл қасиет пайдалы қазбалар кен орындарын геофизикалық барлау мен барлауда қолданылады. Сезімтал аспаптар – магнитометрлердің көмегімен пайдалы қазбалардың өнеркәсіптік құнды жинақталуы анықталады. Сондай-ақ жер асты суларының ағып кетуіне байланысты жер беті мен кен массиві арасында пайда болатын табиғи электр тогын қолданатын әдіс бар. Мұндай токтардың геомагниттік өріспен әрекеттесуі өлшенетін және кен орындарын ашу үшін негіз болады.

Жерде магнит өрісі бар, оның пайда болу себептері анықталмаған. Магнит өрісінің екі магниттік полюсі және магниттік осі бар. Магниттік полюстердің орналасуы географиялық полюстердің орналасуымен сәйкес келмейді. Магниттік полюстер солтүстік және оңтүстік жарты шарда бір-біріне қатысты асимметриялық түрде орналасқан. Осыған байланысты оларды байланыстыратын сызық - Жердің магниттік осі оның айналу осімен 11 ° дейін бұрыш жасайды.

Жердің магнетизмі магнит қарқындылығымен, ауытқуымен және көлбеуімен сипатталады. Магниттік күш эрстедтерде өлшенеді.

Магниттік ауытқу – магниттік иненің берілген жердегі географиялық меридианнан ауытқу бұрышы. Магниттік ине магниттік меридианның бағытын көрсететіндіктен, магниттік ауытқу магниттік және географиялық меридиандар арасындағы бұрышқа сәйкес болады. Декленация шығыс немесе батыс болуы мүмкін. Картадағы бірдей ауытқуларды қосатын сызықтар изогондар деп аталады. Изогонның нөлге тең ауытқуы нөлдік магниттік меридиан деп аталады. Изогондар оңтүстік жарты шарда магниттік полюстен сәулеленіп, солтүстік жарты шарда магниттік полюске жақындайды.

Магниттік бейімділік – магниттік иненің көкжиекке еңкею бұрышы. Бірдей көлбеу нүктелерді қосатын сызықтар изоклиналдар деп аталады. Нөлдік изоклинді магниттік экватор деп атайды. Изоклиналдар, параллельдер сияқты, ендік бағытта созылады және 0-ден 90°-қа дейін өзгереді.

Жер бетінің кейбір жерлерінде изогондар мен изоклиндердің тегіс ағымы айтарлықтай күрт бұзылған, бұл магниттік аномалиялардың болуымен байланысты. Темір рудаларының үлкен жинақталуы мұндай ауытқулардың көзі бола алады. Ең үлкен магниттік аномалия – Курск. Магниттік аномалиялар жер қыртысының үзілулерінен де туындауы мүмкін - жарықтар, кері жарықтар, нәтижесінде магниттік сипаттамалары әртүрлі тау жыныстары жанасады және т. жер қойнауы.

Магниттік қарқындылықтардың, ауытқулардың және бейімділіктердің мәндері күнделікті және зайырлы ауытқуларды (вариацияларды) бастан кешіреді.

Тәуліктік вариациялар ионосфераның күн мен айдың бұзылуынан туындайды және қыста қарағанда жазда, түнге қарағанда күндіз көбірек байқалады. Әлдеқайда қарқынды

ғасырлық вариациялар. Олар жер ядросының жоғарғы қабаттарында болатын өзгерістерге байланысты деп есептеледі. Әртүрлі географиялық нүктелердегі зайырлы вариациялар әртүрлі.

Кенеттен, бірнеше күнге созылатын магниттік ауытқулар (магниттік дауылдар) күн белсенділігімен байланысты және жоғары ендіктерде ең қарқынды болады.

§ 4. Жердің жылуы

Жер жылуды екі көзден алады: Күннен және өз ішектерінен. Жер бетінің жылулық күйі толығымен дерлік оның Күннің қызуына байланысты. Бірақ көптеген факторлардың әсерінен жер бетіне түскен күн жылуының қайта бөлінуі жүреді. Жер бетінің әртүрлі нүктелері эклиптика жазықтығына қатысты Жердің айналу осінің көлбеу орналасуына байланысты жылуды тең емес мөлшерде алады.

Температуралық жағдайларды салыстыру үшін Жер бетінің жекелеген бөліктеріндегі орташа тәуліктік, орташа айлық және орташа жылдық температура ұғымдары енгізілген.

Температураның ең жоғары ауытқуы Жердің жоғарғы қабатында байқалады. Жер бетінен тереңірек температураның тәуліктік, айлық және жылдық ауытқуы біртіндеп төмендейді. Жер қыртысының қалыңдығы, оның ішінде тау жыныстары күн жылуы әсер етеді, гелиотермиялық аймақ деп аталады. Бұл аймақтың тереңдігі бірнеше метрден 30 м-ге дейін өзгереді.

Күн жылу аймағының астында температураның маусымдық ауытқуы әсер етпейтін тұрақты температура белдеуі бар. Мәскеу ауданында ол 20 м тереңдікте орналасқан.

Тұрақты температура белдеуінен төмен геотермиялық аймақ орналасқан. Бұл аймақта температура Жердің ішкі жылуына байланысты тереңдікпен көтеріледі - әрбір 33 м үшін орта есеппен 1 ​​° C. Бұл тереңдік аралығы «геотермиялық қадам» деп аталады. Жерге 100 м тереңдеген кезде температураның жоғарылауы геотермиялық градиент деп аталады. Геотермиялық қадам мен градиенттің мәндері кері пропорционалды және Жердің әртүрлі аймақтары үшін әртүрлі. Олардың туындысы тұрақты мән болып табылады және 100-ге тең. Егер, мысалы, қадам 25 м болса, онда градиент 4 ° C болады.

Геотермиялық қадамның мәндеріндегі айырмашылықтар тау жыныстарының әртүрлі радиоактивтілігі мен жылу өткізгіштігіне, ішектердегі гидрохимиялық процестерге, тау жыныстарының пайда болу сипатына, жер асты суларының температурасына, мұхиттар мен теңіздерден қашықтығына байланысты болуы мүмкін.

Геотермиялық қадамның мәні кең ауқымда өзгереді. Пятигорск ауданында 1,5 м, Ленинградта - 19,6 м, Мәскеуде - 38,4 м, Карелияда - 100 м-ден астам, Еділ бойы мен Башкирия аймағында - 50 м, т.б. 14.

Жердің ішкі жылуының негізгі көзі негізінен жер қыртысында шоғырланған заттардың радиоактивті ыдырауы болып табылады. Ондағы жылу геотермиялық қадамға сәйкес 15-20 км тереңдікке дейін артады деп болжанады. Неғұрлым тереңірек геотермиялық қадам құнының күрт өсуі байқалады. Мамандар Жердің орталығындағы температура 4000 ° C-тан аспайды деп есептейді. Егер геотермиялық қадамның мәні Жердің центріне дейін өзгермейтін болса, онда 900 км тереңдікте температура 27 000 ° C, ал Жердің орталығында шамамен 193 000 ° C жетеді.

ЖЕРЛІК МАГНЕТИЗМ (геомагнитизм), Жердің магнит өрісі және Жерге жақын ғарыш кеңістігі; геофизиканың жердің магнит өрісін және соған байланысты құбылыстарды (тау жыныстарының магнетизмі, теллурлық токтар, полярлық сәулелер, жер ионосферасындағы және магнитосферасындағы токтар) зерттейтін бөлімі.

Жердің магнит өрісінің зерттелу тарихы. Магнитизмнің бар екендігі ерте заманнан белгілі. Алғашқы компас Қытайда пайда болды деп есептеледі (пайда болған күні даулы). 15 ғасырдың аяғында Х.Колумбтың саяхаты кезінде жер бетінің әртүрлі нүктелері үшін магниттік ауытқу әр түрлі болатыны анықталды. Бұл жаңалық жер магнетизмі туралы ғылымның дамуының бастамасы болды. 1581 жылы ағылшын зерттеушісі Р.Норман компас инесін қайнар көзі жер бетінің астында жатқан күштер белгілі бір түрде айналдырады деп ұсынды. Келесі маңызды қадам 1600 жылы В.Гильберттің «Магнит, магниттік денелер және ұлы магнит – Жер туралы» кітабының пайда болуы болды, онда жердегі магнетизмнің себептері туралы түсінік берілді. 1785 жылы С.Кулон ұсынған айналу моменті әдісіне негізделген магнит өрісінің күшін өлшеу әдісінің дамуы басталды. 1839 жылы К.Гаусс планетаның магнит өрісі векторының горизонталь құраушысын өлшеу әдісін теориялық тұрғыдан негіздеді. 20 ғасырдың басында Жердің магнит өрісі мен оның құрылымы арасындағы байланыс анықталды.

Бақылаулар нәтижесінде глобустың магниттелуі азды-көпті біркелкі, ал Жердің магниттік осі оның айналу осіне жақын екені анықталды. Эксперименттік деректердің салыстырмалы түрде үлкен көлеміне және көптеген теориялық зерттеулерге қарамастан, жердегі магнетизмнің пайда болуы туралы мәселе түпкілікті шешілген жоқ. 21 ғасырдың басына қарай Жердің магнит өрісінің байқалатын қасиеттері гидромагниттік динамоның физикалық механизмімен байланысты бола бастады (Магниттік гидродинамика қараңыз), оған сәйкес планетааралық кеңістіктен Жердің ядросына енген бастапқы магнит өрісі планетаның сұйық ядросындағы материяның қозғалысы нәтижесінде күшейіп, әлсіреуі мүмкін. Өрісті күшейту үшін мұндай қозғалыстың белгілі бір асимметриясы болуы жеткілікті. Күшейту процесі ағындар күшінің артуына байланысты пайда болатын ортаны қыздыру шығындарының өсуі оның гидродинамикалық қозғалысынан келетін энергия ағынын теңестіргенше жалғасады. Өздігінен қозғалатын динамода электр тогы мен магнит өрісін генерациялау кезінде де осындай әсер байқалады.

Жердің магнит өрісінің қарқындылығы.Кез келген магнит өрісінің сипаттамасы оның күшінің векторы Н – ортаға тәуелді емес және сан жағынан вакуумдағы магнит индукциясына тең шама. Жердің меншікті магнит өрісі (геомагниттік өріс) – әртүрлі көздерден пайда болған өрістердің қосындысы. Ғаламшар бетіндегі H T магнит өрісі мыналардан тұрады деп жалпы қабылданған: глобустың біркелкі магниттелуінен пайда болатын өріс (диполь өрісі, Н 0); жер шарының терең қабаттарының гетерогенділігімен байланысты өріс (әлемдік аномалиялар өрісі, H a); жер қыртысының жоғарғы бөліктерінің магниттелуіне байланысты өріс (Н-дан); сыртқы себептерден туындаған өріс (H B); вариация өрісі (δH), сонымен қатар жер шарынан тыс орналасқан көздермен байланысты: H T = H o + H c + H a + H c + δH. H 0 + H k өрістерінің қосындысы Жердің негізгі магнит өрісін құрайды. Оның планета бетінде байқалатын өріске қосқан үлесі 95%-дан астам. H a аномальді өріс (H a-ның H t үлесі шамамен 4%) үлкен аумақтарға таралатын аймақтық сипаттағы өріске (аймақтық аномалия) және жергілікті сипаттағы өріске (жергілікті аномалия) бөлінеді. . H 0 + H k + H өрістерінің қосындысы және жиі қалыпты өріс (H n) деп аталады. H o және H k (H t шамамен 1%) салыстырғанда H аз болғандықтан, қалыпты өріс іс жүзінде негізгі магнит өрісімен сәйкес келеді. Іс жүзінде байқалатын өріс (δH вариация өрісін алып тастағанда) қалыпты және аномальды магнит өрістерінің қосындысы: Ht = Hn + Ha. Жер бетіндегі өрісті осы екі бөлікке бөлу міндеті белгісіз, өйткені бөлуді шексіз көптеген жолдармен жасауға болады. Бұл мәселені бір мағыналы шешу үшін Жердің магнит өрісінің құрамдастарының әрқайсысының көздері туралы ақпарат қажет. 21 ғасырдың басына қарай аномальді магнит өрісінің көздері Жердің радиусымен салыстырғанда шағын тереңдікте жатқан магниттелген тау жыныстары екені анықталды. Негізгі магнит өрісінің көзі Жер радиусының жартысынан астам тереңдігінде орналасқан. Көптеген тәжірибелік деректер оның құрылымын формальды зерттеу негізінде Жердің магнит өрісінің математикалық моделін құруға мүмкіндік береді.

Жердегі магнетизмнің элементтері. H t векторын құрамдас бөліктерге ыдырату үшін әдетте О өрісінің өлшеу нүктесінде координаталар координаттарының тік бұрышты жүйесі қолданылады (сурет). Бұл жүйеде Ox осі географиялық меридиан бағыты бойынша солтүстікке, Oy осі шығысқа параллель бағытқа, Oz осі жоғарыдан төменге қарай глобустың ортасына бағытталған. . Ox осіне H T проекциясы өрістің солтүстік компоненті, Ой осіне проекциясы шығыс компонент, Oz осіне проекциясы вертикаль құраушы деп аталады; олар сәйкесінше X, Y, Z деп белгіленеді. H t-тің xy жазықтығына проекциясы Н деп белгіленеді және өрістің горизонталь компоненті деп аталады. H t векторы мен Oz осі арқылы өтетін тік жазықтықты магниттік меридиан жазықтығы деп атайды, ал географиялық және магниттік меридиандар арасындағы бұрышты магниттік ауытқу деп атайды, оны D деп белгілейді.Егер H векторы бағыттан ауытқыса. Ох осінің шығысқа қарай ауытқуы оң (шығыс ауытқуы), ал батысқа қарай болса теріс (батыс ауытқуы) болады. Магниттік меридиан жазықтығындағы H және H t векторларының арасындағы бұрыш магниттік көлбеу деп аталады және I арқылы белгіленеді. H t векторы жер бетінен төмен бағытталған кезде I көлбеу оң болады, ол жер бетінде орын алады. Жердің солтүстік жарты шары, ал H t жоғары бағытталған кезде теріс, яғни оңтүстік жарты шарда. Әртүрлі координаталар жүйесінде (тік бұрышты, цилиндрлік және сфералық) H t векторының соңының координаталары ретінде қарастыруға болатын көлбеу, көлбеу, көлденең, тік, солтүстік, шығыс компоненттер жер магнетизмінің элементтері деп аталады.

Жердегі магнетизм элементтерінің ешқайсысы уақыт бойынша тұрақты болып қалмайды: олардың шамасы сағаттан сағатқа және жылдан жылға өзгеріп отырады. Мұндай өзгерістер жердегі магнетизм элементтерінің вариациялары деп аталады (Магниттік өзгерістерді қараңыз). Қысқа уақыт кезеңінде (шамамен бір тәулікте) болатын өзгерістер кезеңді болып табылады; олардың периодтары, амплитудалары мен фазалары өте әртүрлі. Элементтердің орташа жылдық мәндерінің өзгеруі монотонды; олардың кезеңділігі бақылаулардың өте ұзақ уақытында ғана (көп ондаған және жүздеген жылдар ретімен) анықталады. Магниттік индукцияның баяу вариациялары секулярлық деп аталады; олардың құны шамамен 10 -8 Т/жыл. Элементтердің зайырлы вариациялары жер шарының ішінде жатқан өріс көздерімен байланысты және Жердің магнит өрісінің өзі сияқты себептерден туындайды. Периодтық сипаттағы жылдам өзгерулер Жерге жақын ортадағы (Ионосфераны, Магнитосфераны қараңыз) электр тогының әсерінен болады және амплитудасы бойынша айтарлықтай өзгереді.

Жердің магнит өрісінің қазіргі заманғы зерттеулері. 21 ғасырдың басына қарай жердегі магнетизмді тудыратын келесі себептерді бөліп көрсету әдеттегідей. Негізгі магнит өрісінің және оның зайырлы вариациясының көзі планетаның өзегінде орналасқан. Аномальді өріс Жердің магниттік белсенді қабығы деп аталатын жұқа жоғарғы қабаттағы көздердің қосындысынан туындайды. Сыртқы өріс Жерге жақын кеңістіктегі көздермен байланысты. Сыртқы шығу өрісі Жердің айнымалы электромагниттік өрісі деп аталады, өйткені ол тек магниттік емес, сонымен қатар электрлік. Негізгі және аномальді өрістер көбінесе «тұрақты геомагниттік өріс» жалпы шартты терминімен біріктіріледі.

Геомагниттік өрісті зерттеудің негізгі әдісі магнит өрісінің кеңістікте таралуын және оның Жер бетіндегі және Жерге жақын кеңістіктегі өзгерістерін тікелей бақылау болып табылады. Бақылаулар ғарыштың әр түрлі нүктелеріндегі жер магнетизмінің элементтерін өлшеуге дейін қысқартылады және магниттік түсірулер деп аталады. Түсірілім орнына қарай жердегі, теңіздік (гидромагниттік), ауалық (аэромагниттік) және спутниктік болып бөлінеді. Зерттеулермен қамтылған аумақтың көлеміне байланысты ғаламдық, аймақтық және жергілікті зерттеулер бөлінеді. Өлшенетін элементтер бойынша түсірулер модульдік (Т-түсірілімдер, онда өріс векторының модулі өлшенеді) және құрамдас (осы вектордың тек бір немесе бірнеше құрамдас бөліктері өлшенеді) болып бөлінеді.

Жердің магнит өрісіне күн плазмасының ағыны – күн желі әсер етеді. Күн желінің Жердің магнит өрісімен әрекеттесуі нәтижесінде Жердің магнитосферасын шектейтін жерге жақын магнит өрісінің сыртқы шекарасы (магнитопаузасы) пайда болады. Магнитосфераның пішіні күн желінің әсерінен үнемі өзгеріп отырады, оның энергиясының бір бөлігі оған еніп, Жерге жақын кеңістікте бар ағымдағы жүйелерге беріледі. Осы ток жүйелерінің әрекетінен болатын уақыт бойынша Жердің магнит өрісінің өзгеруі геомагниттік вариациялар деп аталады және олардың ұзақтығымен де, локализациясымен де ерекшеленеді. Уақытша вариацияның көптеген түрлері бар, олардың әрқайсысының өзіндік морфологиясы бар. Күн желінің әсерінен Жердің магнит өрісі бұрмаланып, Айдың орбитасынан шығып, жүздеген мың километрге созылатын Күннен бағыт бойынша «құйрық» алады.

Жердің дипольдік магниттік моменті шамамен 8·10 22 Ам·м 2 және үнемі азаяды. Ғаламшар бетіндегі геомагниттік өрістің орташа индукциясы шамамен 5·10 -5 Т. Жердің негізгі магнит өрісі (оның центрінен Жердің үш радиусынан кем қашықтықта) центрі Жердің центріне қатысты ығысқан эквивалентті магниттік диполь өрісіне пішіні бойынша жақын. координаталары солтүстік ендік 18 ° және шығыс бойлық 147,8 ° болатын нүкте бағытында шамамен 500 км. Бұл дипольдің осі Жердің айналу осіне 11,5° көлбеу. Бір бұрышта геомагниттік полюстер сәйкес географиялық полюстерден бөлінген. Сонымен бірге оңтүстік геомагниттік полюс Солтүстік жарты шарда орналасқан.

Жердегі магнетизм элементтерінің өзгерістерін ауқымды бақылаулар дүниежүзілік желіні құрайтын магниттік обсерваторияларда жүргізіледі. Геомагниттік өрістің вариациялары арнайы аспаптармен жазылады, өлшеу деректері өңделеді және әлемдік мәліметтерді жинау орталықтарына жіберіледі. Жер магнетизмі элементтерінің кеңістікте таралуының суретін көрнекі түрде бейнелеу үшін контурлық карталар, яғни жер магнетизмінің сол немесе басқа элементтерінің бірдей мәндері бар картадағы нүктелерді қосатын қисық сызықтар құрастырылады (карталарды қараңыз) . Магниттік бейімділіктері бірдей нүктелерді қосатын қисықтар изогондар деп аталады, бірдей магниттік бейімділіктегі қисықтар изоклиндер, Ht векторының бірдей көлденең немесе тік, солтүстік немесе шығыс құраушылары сәйкес компоненттердің изодинамикасы деп аталады. Бірдей өріс өзгерістерінің сызықтары әдетте изокеуектер деп аталады; тең өріс мәндерінің сызықтары (аномальды өріс карталарында) - изоаномалиялар.

Жердегі магнетизмді зерттеу нәтижелері Жерді және Жерге жақын кеңістікті зерттеу үшін қолданылады. Тау жыныстарының магниттелу қарқындылығы мен бағытын өлшеу геомагниттік өрістің уақыт бойынша өзгеруін бағалауға мүмкіндік береді, бұл олардың жасын анықтау және литосфералық плиталар теориясын дамыту үшін негізгі ақпарат болып табылады. Геомагниттік ауытқулар туралы мәліметтер пайдалы қазбаларды магниттік барлауда қолданылады. Жерге жақын кеңістікте, жер бетінен мың немесе одан да көп шақырым қашықтықта оның магнит өрісі ғарыштық сәулелерді бұрып жібереді, планетадағы барлық тіршілікті қатты сәулеленуден қорғайды.

Лит.: Яновский B. M. Жердегі магнетизм. Л., 1978; Калинин Ю.Д. Зайырлы геомагниттік вариациялар. Новосиб., 1984; Колесова В.И.Магниттік картографияның аналитикалық әдістері. М., 1985; Паркинсон В. Геомагнитизмге кіріспе. М., 1986 ж.