Магнитное поле Земли подобно полю диполя, помещенного в центр шара. Вектор магнитной индукции в точках магнитного экватора горизонтален, а на магнитных полюсах – вертикален. На северном полюсе он направлен вниз, на южном - вверх.

Следует обратить внимание на то, что в северном полушарии, т.к. вектор направлен вниз, расположен южный полюс диполя, а в южном полушарии - северный. (По физической сущности, у постоянных магнитов силу взаимного притяжения испытывают всегда разноименные полюса). Магнитное поле северного полушария принято называть северным, а южного полушария - южным. При переходе от одной точки поверхности Земли к другой вектор будет изменять величину и направление.

Рассмотрим составляющие полного вектора напряженности геомагнитного поля . Возьмем прямоугольную систему координат с началом в точке измерений, ось Z – направляем вниз, ось X – на географический север, ось Y – перпендикулярно на восток; т.о. ось Y –параллели, X – меридианы, угол D – магнитное склонение, угол I – магнитное наклонение.

Рис.1 Составляющие магнитного поля

При небольших значениях аномальная составляющая является проекцией на направление нормального поля.

,

В такой системе координат проекции вектора на направления осей X, Y, Z называют соответственно северной, восточной и вертикальной составляющими магнитного поля Земли и обозначаются буквами X, Y, Z .

Полный вектор в большинстве точек земной поверхности не совпадает ни с одной из осей.

Проекцию вектора на плоскость XOY называют горизонтальной составляющей магнитного поля и обозначают . Направление вектора определяет направление магнитного меридиана, а плоскость, в которой лежат векторы и , называется плоскостью магнитного меридиана .

Угол, между направлением магнитного меридиана в данной точке и некоторым заданным направлением, называется магнитным азимутом (он отсчитывается от направления магнитного меридиана по часовой стрелке).

Угол D – между направлениями географического и магнитного меридианов, называется магнитным склонением . Он отсчитывается от направления оси X по направлению движения часовой стрелки.

Угол I – между направлениями векторов и называется магнитным наклонением . Он отсчитывается от горизонтальной плоскости вниз; в северном полушарии вектор направлен вниз, поэтому угол I – положительный, в южном полушарии направлен вверх, поэтому угол I – отрицательный. Составляющие X, Y, Z, H, D, I являются элементами земного магнетизма . Склонения и наклонения измеряются в градусах.

В первом приближении магнитное поле Земли можно рассматривать как поле шара, намагниченного по оси, отклоняющейся от оси вращения приблизительно на 11,5 градуса. При этом магнитный потенциал шара можно определить как потенциал диполя.

Принцип работы магнитного компаса основан на свойстве магнитной стрелки устанавливаться по направлению вектора напряженности магнитного поля, в котором она находится.

Землю и околоземное пространство окружает магнитное поле, силовые линии которого выходят из южного магнитного полюса, огибают земной шар и сходятся в северном магнитном полюсе. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, их положение на 1970 г. определялось приближенно координатами: Северный - φ = = 75°N, λ = 99°W; Южный - φ = 66,5°S; λ = 140°Е. Принято считать, что на Южном магнитном полюсе сосредоточен положительный магнетизм, а на Северном - отрицательный.

Магнитное поле Земли характеризует вектор напряженности Т (полная сила земного магнетизма), который направлен по касательной к магнитным силовым линиям (рис. 9). В общем случае этот вектор составляет некоторый угол I с плоскостью истинного горизонта и не лежит в плоскости истинного меридиана.

Рис. 9. Элементы земного магнетизма

Вертикальная плоскость, проходящая через вектор напряженности магнитного поля Земли в данной точке, называется плоскостью магнитного меридиана. В этой плоскости устанавливается ось свободно подвешенной магнитной стрелки. След от пересечения плоскости магнитного меридиана плоскостью истинного горизонта называется магнитным меридианом.

Угол в плоскости истинного горизонта между истинным меридианом (полуденной линией N - S)и магнитным меридианом называется магнитным склонением (d). Склонение отсчитывается от северной части истинного меридиана к Е или W от 0 до 180°. Восточному (Е) склонению приписывают знак (+), а западному (W) - знак (-).

Угол между плоскостью истинного горизонта И вектором полной силы земного магнетизма называется магнитным наклонением (/). На магнитных полюсах наклонение максимально и равно 90°, а по мере удаления от полюсов уменьшается до нулю. Кривая на земной поверхности, образованная точками, в которых магнитное наклонение равно нулю, называется магнитным экватором.

Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную (Н) и вертикальную (Z) составляющие (см. рис. 9). Величины Т, Н, Z и I связаны соотношениями

Горизонтальная составляющая Н направлена по магнитному меридиану и удерживает в нем чувствительный элемент (стрелку, картушку) магнитного компаса. Как видно из (12), максимальное значение Н принимает при I - 0, т.е. на магнитном экваторе, и становится равным нулю на магнитных полюсах. Поэтому в близкополярных районах показания магнитного компаса не надежны, а на магнитных полюсах компас вообще не работает.

Величины d, I, H, Z называются элементами земного магнетизма. Из всех элементов наибольшее значение для судовождения имеет магнитное склонение. Распределение магнетизма на земной поверхности показывают на специальных картах элементов земного магнетизма. Кривыми линиями на карте соединены точки с одинаковыми значениями того или иного элемента. Линия, соединяющая точки с одинаковым значением склонения, называется изогоной. Изолиния нулевого склонения - агона разделяет районы с восточным и западным склонением. Величина магнитного склонения приводится также на морских навигационных картах.

Все элементы земного магнетизма подвержены изменениям по времени - вариациям. Вариации склонения различают вековые, суточные и апериодические.

Вековое изменение - это изменение среднегодовой величины склонения из года в год. Годовое изменение склонения (годовое увеличение или уменьшение) не превышает 15" и показывается на морских картах. Суточные или солнечносуточныевариации склонения имеют период, равный солнечным суткам, по величине незначительны и в судовождении не учитываются. Апериодические изменения или магнитные воз мущения происходят без определенного периода.

Магнитные возмущения большой интенсивности, когда в течение нескольких часов все элементы земного магнетизма резко изменяются, называются магнитными бурями. Возникновение магнитных бурь связано с солнечной активностью и наблюдается по всей земной поверхности. Показания компаса во время магнитных бурь ненадежны - склонение может изменяться на несколько десятков градусов.

В некоторых районах поверхности Земли величины элементов магнетизма, в том числе и склонение, резко отличаются от их значений в окружающей местности. Такое изменение связано со скоплением магнитных пород под поверхностью и называется магнитной аномалией. Районы магнитных аномалий и пределы изменения склонения в них

Рис. 10. Магнитные направления

указываются на морских навигационных картах и в лоциях. Примером аномалий являются магнитные аномалии в Повенецкой бухте Онежского озера и в южной части Ладожского озера. Показания магнитного компаса в районе аномалий использовать затруднительно, а иногда даже опасно.

Для использования в практике данные с карты о величине склонения должны быть приведены к году плавания. С этой целью умножают годовое изменение склонения на число лет, прошедших от года к которому отнесено склонение. Полученной поправкой исправляют склонение, снятое с карты. Необходимо учитывать, что термин «годовое уменьшение» или «годовое увеличение» относится к абсолютной величине склонения.

Если плавание происходит между точками, для которых указано склонение на карте, то производят интерполяцию склонения на глаз, разбивая район плавания на участки, в которых склонение принимают постоянным.

Направления в море, определенные относительно магнитного меридиана, называются магнитными (рис. 10).

Магнитный курс (МК) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и диаметральной плоскостью судна по направлению его движения.

Магнитный пеленг (МП) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и направлением из точки наблюдения на предмет.

Направление, отличающееся на 180° от магнитного пеленга называют обратным магнитным пеленгом (ОМП). Магнитные курсы, и пеленги отсчитываются в круговом счете от 0 до 360°.

Зная величину склонения, можно перейти от магнитных направлений к истинным и обратно. Из рис. 10 видно, что истинные и магнитные направления связаны зависимостями:

(13)
(14)

Формулы (13), (14) - алгебраические, где склонение d может быть величиной положительной и отрицательной.

Для определения и выдерживания курса на ВС используются магнитные курсовые приборы, принцип действия которых основан на использовании магнитного поля Земли. Земля представляет собой большой естественный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Северные магнитный полюс расположен в северной части Канады, южный – в Антарктиде. Положение магнитных полюсов медленно меняется, магнитное поле Земли в каждой точке характеризуется напряженностью, склонением и наклонением.

Напряженность – это сила, с которой магнитное поле действует в данной точке. Вектор напряженности направлен не по горизонту, а под некоторым углом к нему. Этот угол называется углом магнитного наклонения Θ. На магнитном экваторе наклонение Θ=0 0 , а на магнитных полюсах Θ=90 0 . Если стрелку магнитного компаса установить на точечную опору, то она наклонится вниз относительно плоскости истинного горизонта на угол магнитного наклонения. То есть стрелка устанавливается по направлению вектора . На магнитном экваторе, где Θ=0 0 , стрелка займет горизонтальное, а на магнитном полюсе, где Θ=90 0 , магнитная стрелка займет вертикальное положение.

Для устранения наклона магнитной стрелки в авиационных компасах в северном полушарии утяжеляют южный конец стрелки, а в южном – северный или смещают точку опоры магнитной стрелки. Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную составляющую , расположенную в плоскости истинного горизонта, и вертикальной составляющей , направленную к центру Земли.

Величины горизонтальной и вертикальной составляющих зависят от величины угла магнитного наклонения. Вертикальная составляющая =0 на магнитном экваторе и максимальна на магнитных полюсах. Горизонтальная составляющая является направляющей силой магнитной стрелки. Под действием силы стрелка устанавливается вдоль магнитной силовой линии, то есть по направлению север-юг. На магнитном экваторе сила =Max, а на магнитных полюсах равна 0. Поэтому в полярных районах, когда воздействие силы ослабевает, магнитные компасы работают неустойчиво, выдают неточные показания, что ограничивает, а порой исключает возможность их применения.

Компасные направления

Направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли приняли за исходную для отсчета магнитного курса и назвали его магнитным меридианом.

Магнитный меридиан в общем случае не совпадает с истинным (или географическим) и составляет с ним угол, называемый магнитным склонением Δ М. Магнитное склонение измеряется от 0 до ±180 0 и отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-». В зависимости от того, какой из меридианов взят за начало отсчета, различают магнитный и истинный курсы.

Истинный курс – это угол между северным направлением истинного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

Магнитный курс – это угол между северным направлением магнитного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

ИК=МК/± Δ М/

Кроме магнитного поля Земли на чувствительный элемент магнитного или индукционного компасов воздействует магнитное поле ВС, создаваемое ферромагнитными массами и токонесущими проводами. Стрелка магнитного компаса, оказываясь под воздействием магнитного поля Земли и магнитного поля ВС, устанавливается по результирующей этих магнитных полей.

Линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса, установленного на ВС, называется компасным меридианом.

Компасный курс – это угол между северным направлением компасного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС. Компасный и магнитный меридианы не совпадают.

Угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана и северным направлением компасного меридиана, называется девиацией компаса Δ К.

Девиация отсчитывается от магнитного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-».

Магнитный компас КИ-13

Магнитный компас КИ-13 является автономным дублирующим измерителем компасного курса ВС. КИ-13 установлен на каркасе фонаря кабины летчиков по продольной оси ВС. Предназначен для определения магнитного курса полета ВС.

Принцип действия основан на использовании свойств свободно подвешенного магнита, устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Чувствительный элемент прибора состоит из двух постоянных магнитов, закрепленных в картушке. На картушке закреплена шкала, отградуированная от 0 до 360 0 , с оцифровкой через 30 0 и ценой деления 5 0 . Внутренняя часть компаса заполняется лигроином, что позволяет демпфировать колебания картушки и уменьшить трение. В нижней части прибора имеется девиационное устройство для устранения полукруговой девиации. Компас имеет индивидуальный подсвет шкалы.

КИ-13 работает следующим образом. В прямолинейном горизонтальном полете картушка со шкалой с помощью двух параллельно расположенных стержней устанавливается в плоскости магнитного меридиана Земли и сохраняет относительно Земли неизменное направление. При повороте ВС относительно плоскости магнитного меридиана картушка со шкалой остаются в неизменном положении, а курсовая черта поворачивается вместе с корпусом прибора на тот же угол, что и ВС, показывая по шкале новый компасный курс.

Ошибки магнитного компаса КИ-13.

КИ-13 имеет следующие ошибки:

· застой картушки;

· увлечение картушки жидкостью;

· девиация;

· креновая девиация;

· северная поворотная ошибка.

Застой картушки – это угол, на который не доходит картушка до магнитного меридиана при медленном возвращении к нему. Причиной застоя меридиана является трение оси об опору. Застой картушки может наблюдаться при полетах в северных широтах ввиду малого значения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли .

Увлечение картушки жидкостью проходит при разворотах вследствие инерции жидкости. После прекращения разворота жидкость еще некоторое время по инерции продолжает вращение, что приводит к запаздыванию прихода картушки к меридиану. При длительных виражах увеличение картушки может достигать скорости виража. Время успокоения картушки после сильного увлечения жидкостью до 2 минут.

Девиация – это основная методическая ошибка КИ-13, которая возникает вследствие воздействия на магнитную систему компаса магнитного поля ВС. Это приводит к тому, что магнитная система устанавливается вдоль компасного меридиана и КИ-13 указывает компасный курс. Величина и характер девиации зависят от магнитного поля ВС.

Девиация ΔК представляет собой сумму 3 составляющих: круговой ΔК КР, полукруговой ΔК п / КР и четвертной ΔК ЧЕТВ:

Δ К= Δ К КР + Δ К п / КР + Δ К ЧЕТВ

Круговая девиация ΔК КР от курса ВС не зависит и имеет постоянную величину. ΔК КР называется установочной ошибкой.

ΔК КР (установочная ошибка) компенсируется поворотом КИ-13 в месте крепления.

При развороте ВС на 360 0 ΔКп/ КР два раза меняет свой знак, два раза достигает нуля и два раза максимум, то есть меняется по синусоидальному закону.

ΔК п / КР устраняется штурманом на 4 основных курсах 0; 90; 180; 270 0 с помощью девиационного устройства в нижней части компаса.

ΔК ЧЕТВ при развороте ВС на 360 0 четыре раза меняет свой знак, четыре раза достигает максимума и четыре раза приходит к нулю.

ΔК ЧЕТВ для КИ -13 не устраняется, но списывается штурманом на 8 курсах 0; 45; 90; 135; 180; 225; 270; 315 0 и заносится в график поправок, который устанавливается в кабине пилотов.

Для отсчета магнитного курса по КИ – 13 необходимо в показания компасного курса КИ -13 внести поправку из графика установленного в кабине пилотов.

Креновая девиация – это разность показаний КИ-13 при горизонтальном и наклонном положении ВС. Креновая девиация появляется в полете при поперечных и продольных кренах, когда плоскость картушки имеет угол относительно плоскости ВС. Креновая девиация на ВС в практике не учитывается.

В горизонтальном полете плоскость картушки КИ-13 горизонтальна и расположена в плоскости магнитного меридиана. На магнитную систему компаса действует только горизонтальная составляющая , которая является направляющей силой для магнитных компасов.

Вертикальная составляющая магнитного поля Земли перпендикулярна плоскости картушки и никакого воздействия на магнитную систему не оказывает. При разворотах ВС на северных или южных курсах картушка под действием центробежной силы вместе с ВС отклоняется от плоскости меридиана на угол крена. При этом магнитная система компаса, оказываясь под воздействием двух составляющих – горизонтальной и вертикальной , устанавливается по равнодействующей и измеряет курс с ошибкой ΔМК. Эта ошибка носит название северной поворотной ошибки. Величина ее особенно велика при полетах в северных широтах, где угол магнитного наклонения Θ приближается к 80 0 - 90 0. Северная поворотная ошибка зависит не только от угла магнитного наклонения Θ, но и от угла крена ВС при развороте. Учитывается северная поворотная ошибка следующим образом. При выводе ВС из крена на северных курсах надо не доводить ВС до намеченного курса на величину крена разворота, а на южных курсах, наоборот проворачивать ВС на ту же величину крена. На курсах 90 0 и 270 0 северная поворотная ошибка равна нулю, так как вертикальная составляющая совпадает с плоскостью магнитного меридиана Земли. После перехода ВС в горизонтальный полет действие вертикальной составляющей земного магнетизма прекращается и показания компаса восстанавливаются.

Использование КИ-13

Перед вылетом внешним осмотром проверить прибор – крепление, уровень лигроина. Проверить наличие в кабине графика девиации.

Перед выруливанием на старт убедится, что КИ -13 указывает магнитный курс стоянки (с учетом ΔК ЧЕТВ).

На исполнительном старте после установки ВС вдоль оси ВПП проверить соответствие показаний КИ -13 курсу ВС (также с учетом ΔК ЧЕТВ).

В полете магнитный компас КИ – 13 является дублирующим курсовым прибором и используется экипажем при отказах ГМК-1А.

Однако в полете экипаж обязан постоянно сличать показания КМ – 8, УГР – 4УК и КИ -13, что позволит своевременно обнаружить отказ курсовой системы ГМК – 1А. При полете в неспокойной атмосфере наблюдаются колебания картушки КИ -13, которые могут достигать ±15 0 ÷ 20 0 . Поэтому при отсчете курса по КИ – 13 показания необходимо усреднять. Компас работает нормально при кренах ВС до 17 0 , свыше – картушка компаса задевает за внутренние части прибора, и он становится неработоспособн

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ (геомагнетизм), магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли и связанные с ним явления (магнетизм горных пород, теллурические токи, полярные сияния, токи в ионосфере и магнитосфере Земли).

История изучения магнитного поля Земли . О существовании магнетизма было известно с глубокой древности. Считается, что первый компас появился в Китае (дата появления спорна). В конце 15 века во время плавания Х. Колумба было установлено, что склонение магнитное различно для разных точек поверхности Земли. Это открытие положило начало развитию науки о земном магнетизме. В 1581 году английский исследователь Р. Норман высказал предположение о том, что стрелку компаса разворачивают определённым образом силы, источник которых находится под поверхностью Земли. Следующим знаменательным шагом стало появление в 1600 книги У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле», где было дано представление о причинах земного магнетизма. В 1785 начались разработки способа измерения напряжённости магнитного поля, базирующегося на методе вращающего момента, предложенном Ш. Кулоном. В 1839 К. Гаусс теоретически обосновал метод измерения горизонтальной составляющей вектора магнитного поля планеты. В начале 20 века была определена связь между магнитным полем Земли и её строением.

В результате наблюдений было установлено, что намагниченность земного шара более или менее однородна, а магнитная ось Земли близка к её оси вращения. Несмотря на относительно большой объём экспериментальных данных и многочисленные теоретические исследования, вопрос о происхождении земного магнетизма окончательно не решён. К началу 21 века наблюдаемые свойства магнитного поля Земли стали связывать с физическим механизмом гидромагнитного динамо (смотри Магнитная гидродинамика), согласно которому первоначальное магнитное поле, проникшее в ядро Земли из межпланетного пространства, может усиливаться и ослабляться в результате движения вещества в жидком ядре планеты. Для усиления поля достаточно наличия определённой асимметрии такого движения. Процесс усиления продолжается до тех пор, пока рост потерь на нагрев среды, идущий за счёт увеличения силы токов, не уравновесит приток энергии, поступающей за счёт её гидродинамического движения. Сходный эффект наблюдается при генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением.

Напряжённость магнитного поля Земли. Характеристикой любого магнитного поля служит вектор его напряженности Н - величина, не зависящая от среды и численно равная магнитной индукции в вакууме. Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) является суммой полей, созданных различными источниками. Принято считать, что на поверхности планеты магнитное поле Н Т складывается из: поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара (дипольное поле, Н 0); поля, связанного с неоднородностью глубоких слоёв земного шара (поле мировых аномалий, Н а); поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры (Н к); поля, вызываемого внешними причинами (Н В); поля вариаций (δН), также связанных с источниками, расположенными вне земного шара: Н Т = Н о + Н к + Н а + Н в + δН. Сумма полей Н 0 + Н к образует главное магнитное поле Земли. Его вклад в поле, наблюдаемое на поверхности планеты, составляет более 95%. Аномальное поле Н а (вклад Н а в Н т около 4%) подразделяется на поле регионального характера (региональная аномалия), распространяющееся на большие площади, и поле местного характера (локальная аномалия). Сумму полей Н 0 + Н к + Н а часто называют нормальным полем (Н н). Так как Н в мало по сравнению с Н о и Н к (около 1% от Н т), нормальное поле практически совпадает с главным магнитным полем. Реально наблюдаемое поле (за вычетом поля вариаций δН) есть сумма нормального и аномального магнитных полей: Н т = Н н + Н а. Задача разделения поля на поверхности Земли на эти две части является неопределённой, так как разделение можно провести бесконечным числом способов. Для однозначности решения данной задачи необходимы сведения об источниках каждой из составляющих магнитного поля Земли. К началу 21 века установлено, что источниками аномального магнитного поля являются намагниченные горные породы, залегающие на глубинах, малых по сравнению с радиусом Земли. Источник главного магнитного поля находится на глубине больше половины радиуса Земли. Многочисленные экспериментальные данные позволяют построить математическую модель магнитного поля Земли, основанную на формальном изучении её структуры.

Элементы земного магнетизма. Для разложения вектора Н т на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат с началом в точке измерения поля О (рисунок). В этой системе ось Ох ориентирована по направлению географического меридиана на север, ось Оу - по направлению параллели на восток, ось Oz направлена сверху вниз к центру земного шара. Проекцию Н Т на ось Ох называют северной составляющей поля, проекцию на ось Оу - восточной составляющей, проекцию на ось Oz - вертикальной составляющей; они обозначаются соответственно через Х, Y, Z. Проекцию Н т на плоскость ху обозначают как Н и называют горизонтальной составляющей поля. Вертикальная плоскость, проходящая через вектор Н т и ось Оz, называется плоскостью меридиана магнитного, а угол между географическим и магнитным меридианами - магнитным склонением, обозначаемым через D. Если вектор Н отклонён от направления оси Ох к востоку, склонение будет положительным (восточное склонение), а если к западу - отрицательным (западное склонение). Угол между векторами Н и Н т в плоскости магнитного меридиана носит название наклонения магнитного и обозначается через I. Наклонение I положительно, когда вектор Н т направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в Северном полушарии Земли, и отрицательно, когда Н т направлен вверх, то есть в Южном полушарии. Склонение, наклонение, горизонтальная, вертикальная, северная, восточная составляющие носят название элементов земного магнетизма, которые можно рассматривать как координаты конца вектора Н т в различных системах координат (прямоугольной, цилиндрической и сферической).

Ни один из элементов земного магнетизма не остаётся постоянным во времени: их величина меняется от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма (смотри Магнитные вариации). Изменения, происходящие в течение короткого промежутка времени (около суток), носят периодический характер; их периоды, амплитуды и фазы чрезвычайно разнообразны. Изменения среднегодовых значений элементов носят монотонный характер; их периодичность выявляется лишь при очень большой длительности наблюдений (порядка многих десятков и сотен лет). Медленные вариации магнитной индукции называются вековыми; их величина составляет около 10 -8 Тл/год. Вековые вариации элементов связаны с источниками поля, лежащими внутри земного шара, и вызываются теми же причинами, что и само магнитное поле Земли. Быстротечные вариации периодического характера обусловлены электрическими токами в околоземной среде (смотри Ионосфера, Магнитосфера) и весьма различаются по амплитуде.

Современные исследования магнитного поля Земли. К началу 21 века принято выделять следующие причины, вызывающие земной магнетизм. Источник главного магнитного поля и его вековых вариаций расположен в ядре планеты. Аномальное поле обусловлено совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли. Внешнее поле связано с источниками в околоземном пространстве. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем Земли, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим. Главное и аномальное поля часто объединяют общим условным термином «постоянное геомагнитное поле».

Основной метод изучения геомагнитного поля - непосредственное наблюдение пространственного распределения магнитного поля и его вариаций на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наблюдения сводятся к измерениям элементов земного магнетизма в различных точках пространства и носят название магнитных съёмок. В зависимости от места проведения съёмок их подразделяют на наземные, морские (гидромагнитные), воздушные (аэромагнитные) и спутниковые. В зависимости от размера территории, которую охватывают съёмки, выделяют глобальные, региональные и локальные съёмки. По измеряемым элементам съёмки делятся на модульные (Т-съёмки, при которых ведётся измерение модуля вектора поля) и компонентные (измеряется только одна или несколько компонент этого вектора).

Земное магнитное поле находится под воздействием потока солнечной плазмы - солнечного ветра. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля (магнитопауза), ограничивающая земную магнитосферу. Форма магнитосферы постоянно меняется под воздействием солнечного ветра, часть энергии которого проникает внутрь неё и передаётся токовым системам, существующим в околоземном пространстве. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные действием этих токовых систем, называются геомагнитными вариациями и различаются как по своей длительности, так и по локализации. Существует множество различных типов временных вариаций, каждый из которых имеет свою морфологию. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Дипольный магнитный момент Земли составляет около 8·10 22 А·м 2 и постоянно уменьшается. Средняя индукция геомагнитного поля на поверхности планеты около 5·10 -5 Тл. Основное магнитное поле Земли (на расстоянии менее трёх радиусов Земли от её центра) по форме близко к полю эквивалентного магнитного диполя, центр которого смещён относительно центра Земли примерно на 500 км в направлении на точку с координатами 18° северной широты и 147,8° восточной долготы. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол полюсы геомагнитные отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в Северном полушарии.

Широкомасштабные наблюдения за изменениями элементов земного магнетизма ведутся в магнитных обсерваториях, образующих мировую сеть. Вариации геомагнитного поля регистрируются специальными приборами, данные измерений обрабатываются и поступают в мировые центры сбора данных. Для визуального представления картины пространственного распределения элементов земного магнетизма проводится построение карт изолиний, то есть кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями того или иного элемента земного магнетизма (смотри карты). Кривые, соединяющие точки одинаковых магнитных склонений, называются изогонами, кривые одинаковых магнитных наклонений - изоклинами, одинаковых горизонтальных или вертикальных, северных или восточных составляющих вектора Н т - изодинамами соответствующих составляющих. Линии равных изменений поля принято называть изопорами; линии равных значений поля (на картах аномального поля) - изоаномалиями.

Результаты исследований земного магнетизма применяют для изучения Земли и околоземного пространства. Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют судить об изменении геомагнитного поля во времени, что служит ключевой информацией для определения их возраста и развития теории литосферных плит. Данные о геомагнитных вариациях используются при магнитной разведке полезных ископаемых. В околоземном пространстве на расстоянии тысячи и более километров от поверхности Земли её магнитное поле отклоняет космические лучи, защищая всё живое на планете от жёсткой радиации.

Лит.: Яновский Б. М. Земной магнетизм. Л., 1978; Калинин Ю. Д. Вековые геомагнитные вариации. Новосиб., 1984; Колесова В. И. Аналитические методы магнитной картографии. М., 1985; Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М., 1986.

Лабораторная работа 230ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Теоретическая частьI. Элементы земного магнетизма. Земля представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитных сил, т.е. создается магнитное поле, которое подобно полю магнитного диполя “ав” помещенного в центре Земли (рис.I). Магнитные полюса Земли лежат вблизи географических полюсов:вблизи северного географического полюса С расположен южный магнитный S, а вблизи южного географического Ю " северный магнитный N. Магнитное поле Земли на магнитном экваторе направлено горизонтально (точка В), а у магнитных полюсов - вертикально (точка А). В остальных точках земной по- верхности магнитное поле Земли поправлено под некоторым углом к поверхности (точка К). Убедиться в существовании магнитного поля Земли можно с помощью магнитной стрелки. Если подвесить стрелку на нити так,Рис.1 чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то она установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. Ознакомиться с основами теории Максвелла , свойствами электромагнитных волн и механизмом распространения электромагнитных волн в двухпроводной линии Магнетизм - раздел физики, изучающий взаимодействие между электрическими токами , между токами и магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. Законы Био – Савара – Лапласа и Ампера применяются для определения силы взаимодействия двух параллельных проводников с током. Поток вектора магнитной индукции . Теорема Гаусса для магнитного поля. Магнитные моменты атомов . Для полного описания атома необходимы знания квантовой механики, которую мы будем изучать позднее. Однако магнитные свойства вещества хорошо объясняются с помощью простой и наглядной планетарной модели атома, предложенной Э.Резерфордом. Намагниченность вещества. Ранее мы предполагали, что провода, несущие ток и создающие магнитное поле, находятся в вакууме. Если же провода находятся в какой-либо среде, то величина создаваемого ими магнитного поля изменится. Виды магнетиков . Проведем опыт с сильным магнитным полем, создаваемым, например, соленоидом. Соленоид (цилиндр с намотанным на него проводом, по которой течет ток) может создать внутри себя магнитное поле в 100000 раз больше магнитного поля Земли. Будем помещать в такое магнитное поле различные вещества и наблюдать, как действует на них сила магнитного поля. Качественные результаты подобных опытов получаются довольно разнообразными. Доменная структура ферромагнетиков . Классическая теория ферромагнетизма была развита французским физиком П.Вейсом (1907 г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца, находящегося при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области – домены,– которые самопроизвольно намагничены до насыщения. Основной закон электромагнитной индукции . Величайший физик XIX века Майкл Фарадей считал, что между электрическими и магнитными явлениями существует тесная взаимосвязь. Ампер, Био и другие ученые выяснили одну сторону этой взаимосвязи, с которой мы уже знакомы, а именно – магнитное действие тока. Явление взаимной индукции Теория Максвелла для электромагнитного поля . В 60-х годах XIX столетия Д.К. Максвелл, ознакомившись с работами Фарадея, решил придать теории электричества и магнетизма математическую форму. Обобщив законы, установленные экспериментальным путем – закон полного тока, закон электромагнитной индукции и теорему Остроградского-Гаусса, - Максвелл дал полную картину электромагнитного поля Второе уравнение Максвелла. Максвелл ввел понятие полного тока. Плотность полного тока Вертикальная плоскость, в которой располагается стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Угол, образованный плоскостями магнитного и географического меридианов называется углом склонения (на рис.1 - угол β). Угол, образованный направлением магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью, называется углом наклонения (на рис.2 – угол α).Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную . На рис.2 показано положение магнитной стрелки NS подвешенной на нити L в магнитном поле Земли. Направление северного конца N стрелки совпадает с направлением напряженности магнитного поля Земли. Плоскость чертежа совпадает с плоскостью магнитного меридиана. Знание углов склонения и на-клонения, а также горизонтальной составляющей дает возможность определить величину и направление на­пряженности магнитного поля Земли в определенной точке поверхности. Горизонтальная составляющая ,угол склонения β и угол наклонения α являются основными элементами земного магнетизма. С течением времени все элемента земного маг-нетизма, а также положение магнитных полюсов изменяются. Происхождение земного магнетизма в настоящее время до конца не выяснено. По последним гипотезам магнитное поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, а также с намагниченностью горных пород. 2. Метод тангенс-гальванометра. Если магнитная стрелка может вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Землив плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки ис­пользуется в тангенс-гальванометре. Рассмотрим круговой проводник из N витков, плотно прилегающих друг к другу, которые расположены вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, способную поворачиваться вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток I. то возникает магнитное поле с напряженностью , пер­пендикулярной к плоскости витков катушки (рис.З). На магнитную стрелку N1 S1, в этом случае будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля: горизонтальная составляющая магнитного поля Земли и магнитное поле тока . На рис.3 изображены сечения витка катушки (А и В) горизонтальной плоскостью. В сечении А ток направлен "из-за" плоскости чертежа перпендикулярно к ней. В сочетай В ток направлен за плоскость чертежа перпендикулярно к ней. Пунктирные кривые выражают силовые линии магнитного поля тока. Стрелкой NS показано направление магнитного меридиана.Рис.З