Φυσική (Β Λυκείου Γενικής Παιδείας) - Βιβλίο Μαθητή (Εμπλουτισμένο)

Το μαγνητικό πεδίο της Γης

Ο William Gilbert ήταν ένα Άγγλος γιατρός που στην προσπάθεια του να διερευνήσει τις θεραπευτικές ιδιότητες ενός μαγνήτη, περίπου το 1600, έδωσε πολύτιμες οδηγίες για την κατασκευή των πυξίδων. Ιδιαίτερη σημασία είχε η άποψή του ότι η ίδια η Γη συμπεριφέρεται σαν ραβδόμορφος μαγνήτης. Την άποψη αυτή την στήριζε στο γεγονός ότι μία μαγνητική πυξίδα, όταν είναι ελεύθερη να κινηθεί γύρω από έναν κατακόρυφο άξονα, προσανατολίζεται πάντοτε προς τη διεύθυνση Βορρά - Νότου.

 

Το άκρο της μαγνητικής πυξίδας που δείχνει το Βορρά ονομάζεται βόρειος μαγνητικός πόλος πράγμα που σημαίνει ότι στο γεωγραφικό βορρά βρίσκεται ο νότιος μαγνητικός πόλος του μαγνητικού πεδίου της Γης. Το άκρο της μαγνητικής πυξίδας που δείχνει προς νότο ονομάζεται νότιος μαγνητικός πόλος πράγμα που σημαίνει ότι στο γεωγραφικό νότο βρίσκεται ο βόρειος μαγνητικός πόλος.

Πρέπει να ξέρουμε ότι μία πυξίδα δε δείχνει ακριβώς τη γεωγραφική κατεύθυνση του βορρά, αλλά υπάρχει μία απόκλιση. Η αιτία οφείλεται στο γεγονός ότι η θέση του νότιου μαγνητικού πόλου της Γης πάνω στη γήινη σφαίρα, δε συμπίπτει με το γεωγραφικό βόρειο πόλο, αλλά βρίσκεται σ' ένα νησί κοντά στις ακτές του Καναδά. Η γωνία που σχηματίζεται από τα επίπεδα του μαγνητικού και του γεωγραφικού μεσημβρινού λέγεται απόκλιση (Εικ. 2).

Μία πυξίδα, που είναι ελεύθερη να κινηθεί, διατάσσεται παράλληλη στις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου της Γης και γι' αυτό δεν είναι οριζόντια, αλλά αποκλίνει από τον ορίζοντα. Εικόνα

Η γωνία ανάμεσα στον ορίζοντα και τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών ονομάζεται κλίση (Εικ. 3).

Η απόκλιση και η κλίση εξαρτώνται από τον τόπο και το χρόνο, συνεπώς η ένταση του γήινου μαγνητικού πεδίου αλλάζει στη διάρκεια του χρόνου.

Πρέπει να τονιστεί ότι η αναπαράσταση του πεδίου της Γης, με αυτό του ραβδόμορφου μαγνήτη, είναι μία προσέγγιση στην πολύπλοκη μορφή του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Απόκλιση ονομάζουμε τη γωνία που σχηματίζεται από τα επίπεδα του μαγνητικού και του γεωγραφικού μεσημβρινού ενός τόπου.

Κλίση ή έγκλιση ονομάζουμε τη γωνία που σχηματίζεται μεταξύ του ορίζοντα και της διεύθυνσης των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Από την ανακάλυψη του γήινου μαγνητικού πεδίου, εδώ και 400 χρόνια, αναπτύχθηκαν πολλές θεωρίες για την αιτία που το προκάλεσε. Υπήρχε η αντίληψη ότι στο εσωτερικό της Γης υπάρχει ένας μόνιμος μαγνήτης, όμως στο εσωτερικό της Γης όλα τα υλικά έχουν θερμοκρασία που υπερβαίνει το σημείο Curie. Άρα, αυτή η υπόθεση δεν ευσταθεί κι έτσι δεν μπορεί να γίνει αποδεκτή.

Το πεδίο πρέπει να προκαλείται από ηλεκτρικά ρεύματα, τα οποία πιθανώς ρέουν μεταξύ του γήινου μανδύα και του γήινου πυρήνα σε βάθος 3000m κάτω από το φλοιό της Γης. Εξαιτίας της ωμικής αντίστασης τα ρεύματα αυτά, σιγά σιγά, θα αποδυναμώνονταν αν δεν τα συγκρατούσε μία επαγωγική τάση. Εικόνα

 

Γεωγραφικός μεσημβρινός ενός τόπου ονομάζεται το επίπεδο που ορίζεται από το σημείο του τόπου και την ευθεία που συνδέει τους γεωγραφικούς πόλους της Γης. Μαγνητικός μεσημβρινός ενός τόπου ονομάζεται το κατακόρυφο επίπεδο που περιέχει το διάνυσμα της έντασης Β στον τόπο αυτό. Εικόνα 1.

Γεωγραφικός μεσημβρινός ενός τόπου ονομάζεται το επίπεδο που ορίζεται από το σημείο του τόπου και την ευθεία που συνδέει τους γεωγραφικούς πόλους της Γης.

Μαγνητικός μεσημβρινός ενός τόπου ονομάζεται το κατακόρυφο επίπεδο που περιέχει το διάνυσμα της έντασης Β στον τόπο αυτό.

Εικόνα 1.

 

Εικόνα 2.

Εικόνα 2.

 

Η μαγνητική βελόνα δείχνει την κλίση των δυναμικών γραμμών του γήινου μαγνητικού πεδίου. Εικόνα 3.

Η μαγνητική βελόνα δείχνει την κλίση των δυναμικών γραμμών του γήινου μαγνητικού πεδίου.

Εικόνα 3.

Όπως και σε μία ηλεκτρική γεννήτρια, έτσι και στο εσωτερικό της Γης, πρέπει να κινείται ένας αγωγός μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Σ' αυτόν τον αγωγό αναπτύσσεται μία επαγωγική τάση και ένα ρεύμα αρχίζει να ρέει. Αυτό το ρεύμα παράγει το μαγνητικό πεδίο. Άρα, το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο προκαλούν το ένα το άλλο και υπάρχουν εξαιτίας της ηλεκτροδυναμικής αρχής. Εξάλλου στο εσωτερικό της Γης δεν κινείται αγωγός αλλά ρευστός σίδηρος. Μπορούμε να δείξουμε ότι ταχύτητες μόλις 0,05cm/s αρκούν για να παραχθεί το μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της Γης.

Για να διατηρήσουμε τις κινήσεις στο εσωτερικό της Γης, απαιτείται ενέργεια, που προέρχεται από τη διάλυση ραδιενεργών στοιχείων από την οποία ελευθερώνεται θερμότητα. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος, το εξωτερικό του γήινου πυρήνα αρχίζει κατά κάποιο τρόπο να βράζει και μεγάλες μάζες ανεβαίνουν προς τα πάνω.

Η μαθηματική απόδειξη των θεωριών για την ύπαρξη του γήινου μαγνητικού πεδίου είναι εξαιρετικά πολύπλοκη και δεν είναι ολοκληρωμένη. Μάλιστα, η ανακάλυψη ότι οι μαγνητικοί πόλοι κατά τη διάρκεια της ιστορίας της Γης ανταλλάσσουν συνεχώς τη θέση τους (έρχονται ο ένας στη θέση του άλλου), είναι πολύ δύσκολο να εξηγηθεί. Με κάθε αναστροφή του γήινου μαγνητικού πεδίου ελαττώνεται για λίγο χρόνο η «ασπίδα» της Γης απέναντι στα ηλιακά ρεύματα και σε άλλες ακτινοβολίες, που πέφτουν πάνω στη Γη. Αυτό το γεγονός είναι καθοριστικής σημασίας για την εξέλιξη της ζωής πάνω στη Γη.