ERDMAGNETFELD: URSPRUNG, EIGENSCHAFTEN, FUNKTION - KÖRPERLICH - 2025

Das Erdmagnetfeld ist der magnetische Effekt, den die Erde ausübt und der sich von ihrem Inneren bis zu Hunderten von Kilometern im Weltraum erstreckt. Es ist dem eines Stabmagneten sehr ähnlich. Diese Idee wurde vom englischen Wissenschaftler William Gilbert im 17. Jahrhundert vorgeschlagen, der auch feststellte, dass es nicht möglich ist, die Pole des Magneten zu trennen.

Abbildung 1 zeigt die Magnetfeldlinien der Erde. Sie sind immer geschlossen, gehen durch das Innere und setzen sich außen fort und bilden eine Art Abdeckung.

Abbildung 1. Das Erdmagnetfeld ähnelt dem eines Stabmagneten. Quelle: Wikimedia Commons.

Der Ursprung des Erdmagnetfeldes ist immer noch ein Rätsel. Der äußere Erdkern aus Gusseisen kann das Feld nicht selbst erzeugen, da die Temperatur so ist, dass er die magnetische Ordnung zerstört. Die Temperaturschwelle hierfür ist als Curie-Temperatur bekannt. Daher ist es unmöglich, dass eine große Masse magnetisierten Materials für das Feld verantwortlich ist.

Nachdem wir diese Hypothese ausgeschlossen haben, müssen wir nach dem Ursprung des Feldes in einem anderen Phänomen suchen: der Erdrotation. Dies bewirkt, dass sich der geschmolzene Kern ungleichmäßig dreht, wodurch der Dynamoeffekt erzeugt wird, bei dem eine Flüssigkeit spontan ein Magnetfeld erzeugt.

Es wird angenommen, dass der Dynamoeffekt die Ursache für den Magnetismus astronomischer Objekte ist, beispielsweise der Sonne. Bisher ist jedoch nicht bekannt, warum sich eine Flüssigkeit auf diese Weise verhalten kann und wie die erzeugten elektrischen Ströme bleiben.

Eigenschaften

- Das Erdmagnetfeld ist das Ergebnis von drei Beiträgen: dem inneren Feld selbst, dem äußeren Magnetfeld und dem der magnetischen Mineralien in der Kruste:

1. Internes Feld: Es ähnelt dem eines magnetischen Dipols (Magneten) im Erdmittelpunkt und trägt etwa 90% bei. Es ändert sich sehr langsam in der Zeit.
2. Äußeres Feld: kommt von der Sonnenaktivität in den Schichten der Atmosphäre. Es sieht nicht wie der Dipol aus und hat viele Variationen: täglich, jährlich, magnetische Stürme und mehr.
3. Die magnetischen Gesteine ​​in der Erdkruste, die auch ihr eigenes Feld erzeugen.

- Das Magnetfeld ist polarisiert und zeigt Nord- und Südpole wie ein Stabmagnet.

- Da sich die entgegengesetzten Pole anziehen, zeigt die Kompassnadel, die ihr Nordpol ist, immer in die Nähe des geografischen Nordens, wo sich der Südpol des Erdmagneten befindet.

- Die Richtung des Magnetfeldes wird in Form geschlossener Linien dargestellt, die den magnetischen Süden (Nordpol des Magneten) verlassen und in den magnetischen Norden (Südpol des Magneten) eintreten.

- Im magnetischen Norden - und auch im magnetischen Süden - ist das Feld senkrecht zur Erdoberfläche, während das Feld am Äquator weidet. (siehe Abbildung 1)

- Die Feldstärke ist an den Polen viel größer als am Äquator.

- Die Achse des terrestrischen Dipols (Abbildung 1) und die Rotationsachse sind nicht ausgerichtet. Es gibt eine Verschiebung von 11,2º zwischen ihnen.

Geomagnetische Elemente

Da das Magnetfeld ein Vektor ist, hilft ein kartesisches Koordinatensystem XYZ mit einem Ursprung O, seine Position zu bestimmen.

Abbildung 2. Geomagnetische Elemente. Quelle: F. Zapata.

Die Gesamtintensität des Magnetfelds oder der Induktion beträgt B und seine Projektionen oder Komponenten sind: H horizontal und Z vertikal. Sie sind verwandt mit:

-D, der Winkel der magnetischen Deklination, der zwischen H und dem geografischen Norden (X-Achse) gebildet wird, positiv nach Osten und negativ nach Westen.

-I, der magnetische Neigungswinkel zwischen B und H ist positiv, wenn B unter der Horizontalen liegt.

Die Kompassnadel wird in Richtung H, der horizontalen Komponente des Feldes, ausgerichtet. Die durch B und H bestimmte Ebene wird als magnetischer Meridian bezeichnet, während der ZX der geografische Meridian ist.

Der Magnetfeldvektor ist vollständig spezifiziert, wenn drei der folgenden Größen bekannt sind, die als geomagnetische Elemente bezeichnet werden: B , H, D, I, X, Y, Z.

Funktion

Hier sind einige der wichtigsten Funktionen des Erdmagnetfeldes:

- Menschen haben es seit Hunderten von Jahren benutzt, um sich am Kompass zu orientieren.

- Übt eine Schutzfunktion des Planeten aus, indem er ihn umhüllt und die geladenen Teilchen ablenkt, die die Sonne kontinuierlich emittiert.

- Obwohl das Erdmagnetfeld (30 - 60 Mikro-Tesla) im Vergleich zu denen im Labor schwach ist, ist es stark genug, dass bestimmte Tiere es verwenden, um sich zu orientieren. Zugvögel, Brieftauben, Wale und einige Fischschwärme auch.

-Magnetometrie oder Messung des Magnetfeldes wird zur Prospektion von Bodenschätzen verwendet.

Nordlichter und Südlichter

Sie sind als Nord- bzw. Südlichter bekannt. Sie treten in Breiten nahe den Polen auf, wo das Magnetfeld fast senkrecht zur Erdoberfläche ist und viel intensiver als am Äquator.

Abbildung 3. Nordlichter in Alaska. Quelle: Wikimedia Commons.

Sie haben ihren Ursprung in der großen Menge geladener Teilchen, die die Sonne kontinuierlich sendet. Diejenigen, die vom Feld gefangen werden, driften aufgrund der höheren Intensität im Allgemeinen zu den Polen. Dort nutzen sie es, um die Atmosphäre zu ionisieren und dabei sichtbares Licht zu emittieren.

Das Nordlicht ist in Alaska, Kanada und Nordeuropa aufgrund der Nähe des Magnetpols sichtbar. Aufgrund dieser Migration ist es jedoch möglich, dass sie im Laufe der Zeit im Norden Russlands sichtbarer werden.

Dies scheint jedoch vorerst nicht der Fall zu sein, da die Auroren nicht genau dem unregelmäßigen magnetischen Norden folgen.

Magnetische Deklination und Navigation

Für die Navigation, insbesondere auf sehr langen Reisen, ist es äußerst wichtig, die magnetische Deklination zu kennen, um die notwendige Korrektur vorzunehmen und den wahren Norden zu finden.

Dies wird durch Karten erreicht, die die Linien gleicher Deklination (isogonal) anzeigen, da die Deklination je nach geografischem Standort stark variiert. Dies liegt an der Tatsache, dass das Magnetfeld kontinuierlich lokalen Schwankungen ausgesetzt ist.

Die großen Zahlen auf den Landebahnen sind die Richtungen in Grad relativ zum magnetischen Norden, geteilt durch 10 und gerundet.

Die Nordjungs

So verwirrend es auch scheinen mag, es gibt verschiedene Arten von Norden, die durch bestimmte Kriterien definiert sind. So können wir finden:

Der magnetische Norden ist der Punkt auf der Erde, an dem das Magnetfeld senkrecht zur Oberfläche ist. Dort zeigt der Kompass, und übrigens ist er nicht antipodal (diametral entgegengesetzt) ​​zum magnetischen Süden.

Der geomagnetische Norden ist der Ort, an dem die Achse des magnetischen Dipols zur Oberfläche ansteigt (siehe Abbildung 1). Da das Erdmagnetfeld etwas komplexer ist als das Dipolfeld, fällt dieser Punkt nicht genau mit dem magnetischen Norden zusammen.

Geografischer Norden verläuft dort die Erdrotationsachse.

Nördlich von Lambert oder des Gitters liegt der Punkt, an dem die Meridiane der Karten zusammenlaufen. Es stimmt nicht genau mit dem wahren oder geografischen Norden überein, da die sphärische Oberfläche der Erde verzerrt ist, wenn sie auf eine Ebene projiziert wird.

Abbildung 4. Verschiedene Norden und ihre Lage. Quelle: Wikimedia Commons. Cavit

Inversion des Magnetfeldes

Es gibt eine rätselhafte Tatsache: Magnetpole können im Laufe einiger tausend Jahre ihre Position ändern, und dies geschieht derzeit. Tatsächlich ist bekannt, dass es in den letzten 17 Millionen Jahren 171 Mal zuvor passiert ist.

Der Beweis findet sich in Felsen, die aus einem Riss mitten im Atlantik hervorgehen. Wenn es herauskommt, kühlt sich das Gestein ab und verfestigt sich, wodurch die Richtung der Erdmagnetisierung für den Moment festgelegt wird, die erhalten bleibt.

Bisher gibt es jedoch keine zufriedenstellende Erklärung dafür, warum dies geschieht, und es gibt auch keine Energiequelle, die zur Umkehrung des Feldes benötigt wird.

Wie bereits erwähnt, bewegt sich der magnetische Norden derzeit schnell in Richtung Sibirien, und der Süden bewegt sich ebenfalls, wenn auch langsamer.

Einige Experten glauben, dass es auf einen schnellen Fluss von flüssigem Eisen direkt unter Kanada zurückzuführen ist, der das Feld schwächt. Es kann auch der Beginn einer magnetischen Umkehrung sein. Das letzte Mal war es vor 700.000 Jahren.

Es kann sein, dass der Dynamo, der den Erdmagnetismus hervorruft, für einige Zeit entweder spontan oder aufgrund eines externen Eingriffs, wie beispielsweise der Annäherung eines Kometen, ausgeschaltet wird, obwohl es keine Hinweise auf letzteren gibt.

Beim Neustart des Dynamos haben die Magnetpole die Plätze gewechselt. Es kann aber auch vorkommen, dass die Inversion nicht vollständig ist, sondern eine vorübergehende Variation der Achse des Dipols, die schließlich in ihre ursprüngliche Position zurückkehrt.

Experiment

Es wird mit Helmholtz-Spulen durchgeführt: zwei identischen und konzentrischen Kreisspulen, durch die die gleiche Stromstärke fließt. Das Magnetfeld der Spulen interagiert mit dem der Erde, wodurch ein resultierendes Magnetfeld entsteht.

Abbildung 5. Experimentieren Sie, um den Wert des Erdmagnetfelds zu bestimmen. Quelle: F. Zapata.

Innerhalb der Spulen wird ein annähernd gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt, dessen Größe ist:

-Ich bin die Intensität des Stroms

-μ _o ist die magnetische Permeabilität des Vakuums

-R ist der Radius der Spulen

Prozess

Mit einem Kompass in der axialen Achse der Spule angeordnet ist , bestimmt die Richtung des Erdmagnetfeldes B _T .

-Oriente der Achse der Spulen zu sein , die senkrecht B _T . Somit ist das Feld B _H erzeugt , wie Strom geleitet wird, wird auf seine senkrecht B _T . In diesem Fall:

Abbildung 6. Das resultierende Feld wird von der Kompassnadel markiert. Quelle: F. Zapata.

-B _H ist proportional zu dem Strom durch die Spulen, so dass B _H = kI, wobei k eine Konstante ist, die von der Geometrie der Spulen abhängt: Radius und die Anzahl der Umdrehungen. A Der Messstrom kann den Wert _{BH haben} . Damit:

So:

- Verschiedene Ströme werden durch die Spulen geleitet und die Paare (I, tg & thgr;) werden in einer Tabelle aufgezeichnet.

-Die Grafik I vs. tg θ. Da die Abhängigkeit linear ist, erwarten wir eine Linie, deren Steigung m ist:

-Schließlich von der geraden - Linie der kleinsten Quadrate oder visuelle Anpassung paßt, geht es den Wert von B zu bestimmen , _T .

Verweise

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