Проектная работа. Исследование магнитного поля Земли

Приложение к методическому семинару. Тема: «Магнитное поле Земли и других планет»

Учащиеся 10 класса Ибрагимов Д. и Зотов Ж.

Учитель Тимиргалиева Н.Г.

Вопросы, направляющие проект

Основополагающий вопрос

Что такое Земной магнетизм? Есть ли других планетах магнитное поле?

Проблемные вопросы

1. Каковы свойства магнитного поля Земли?

2. Что является источником магнитного поля Земли ?

Учебные вопросы

1. Выясните исторические факты магнитного поля.

2. Магнитное поле Земли и его природа

3. Замечает ли наш организм магнитного поля Земли?

4. Есть ли других планетах магнитное поле?

План проведения проекта

1. Ознакомиться с историей магнитного поля

2. Экспериментальные опыты получение спектров магнитного поля.

3. Магнитное поле Земли и его природа

4. Как действует магнитное поле на климат и наш организм.

5. Магнитное поле других планет

Визитная карточка проекта

Презентация

Магнитное поле Земли и других планетах.

1. Изучение геомагнитного поля прошлых эпох производится по остаточной намагниченности горных пород (см. Палеомагнетизм), а для исторического периода - по намагниченности изделий из обожжённой глины (кирпичи, керамическая посуда и т.д.). Палеомагнитные исследования показывают, что направление основного магнитного поля Земли в прошлом многократно изменялось на противоположное. Последнее такое изменение имело место около 0,7 млн. лет назад.

Происхождение основного геомагнитного поля. Для объяснения происхождения основного геомагнитного поля выдвигалось много различных гипотез, в том числе даже гипотезы о существовании фундаментального закона природы, согласно которому всякое вращающееся тело обладает магнитным моментом. Делались попытки объяснить основное геомагнитное поле присутствием ферромагнитных материалов в коре Земли или в её ядре; движением электрических зарядов, которые, участвуя в суточном вращении Земли, создают электрический ток; наличием в ядре Земли токов, вызываемых термоэлектродвижущей силой на границе ядра и мантии и т.д., и, наконец, действием так называемого гидромагнитного динамо в жидком металлическом ядре Земли. Современные данные о вековых вариациях и многократных изменениях полярности геомагнитного поля удовлетворительно объясняются только гипотезой о гидромагнитном динамо (ГД). Согласно этой гипотезе, в электропроводящем жидком ядре Земли могут происходить достаточно сложные и интенсивные движения, приводящие к самовозбуждению магнитного поля, аналогично тому, как происходит генерация тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. Действие ГД основано на электромагнитной индукции в движущейся среде, которая в своём движении пересекает силовые линии магнитного поля.

2.

Магнитное поле постоянного магнита.

3. Магнитные полюса Земли не совпадают с истинными географическими полюсами - северным и южным. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами. Между магнитным и географическим меридианом образуется некоторый угол (около 11,5°), называемый магнитным склонением. Поэтому намагниченная стрелка компаса точно показывает направление магнитных меридианов, а направление на северный географический полюс - лишь приблизительно.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением. На Северном магнитном полюсе (77° с.ш. и 102° з.д.) свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе (65° ю.ш. и 139° в.д.) её южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного поля над земной поверхностью.

Считается, что постоянное магнитное поле наша планета генерирует сама. Оно образуется из-за сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и перемещении жидкого вещества в её внешнем ядре. Положение магнитных полюсов и распределение магнитного поля по земной поверхности со временем меняются. Магнитное поле Земли простирается до высоты около 100 тыс. км. Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой.

Солнце посылает к Земле огромный поток энергии, состоящий из электромагнитного излучения (видимого света, инфракрасного и радиоизлучения); ультрафиолетового и рентгеновского излучений; солнечных космических лучей, возникающих только во время очень сильных вспышек; и солнечного ветра - постоянного потока плазмы, образованного главным образом протонами (ионы водорода). Электромагнитное излучение Солнца приходит к Земле через 8 мин., а потоки частиц, приносящие основную часть возмущения от Солнца, двигаются со скоростью около 1000 км/с и задерживаются на двое-трое суток.

Основной причиной возмущений солнечного ветра, существенно влияющих на земные процессы, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури - нарушают радиосвязь, вызывают интенсивные полярные сияния.
4. Электростатическое влияние на волосяной покров человека и животных

Исследования проводились в связи с гипотезой о том, что влияние поля, ощущаемое поверхностью кожи, вызвано действием электростатических сил на волосы. В результате получено, что при напряженности поля в 50 кВ/м испытуемый ощущал зуд, связанный с вибрацией волос, что зарегистрировано специальными приборами.

Влияние электрического поля на растения

Опыты проводились в специальной камере в неискаженном поле с напряженностью от 0 до 50 кВ/м. Было выявлено небольшое повреждение ткани листьев при экспозиции от 20 до 50 кВ/м, зависящее от конфигурации растения и первоначального содержания влаги в нем. Омертвление ткани наблюдалось в частях растений с острыми краями. Толстые, с гладкой закругленной поверхностью растения не повреждались при напряженности 50 кВ/м. Повреждения являются следствием короны на выступающих частях растений. У наиболее слабых растений повреждения наблюдались уже через 1 - 2 ч после экспозиции. Важно, что у сеянцев пшеницы, имеющих очень острые концы, корона и повреждения были заметны при сравнительно низкой напряженности, равной 20 кВ/м. Это был самый низкий порог появления повреждений в исследованиях.

Наиболее вероятный механизм повреждения ткани растений - тепловой. Поражение ткани появляется тогда, когда напряженность поля становится достаточно высокой, чтобы вызвать коронирование, и через кончик листка течет ток короны высокой плотности. Тепло, выделяемое при этом на сопротивлении ткани листа, приводит к гибели узкого слоя клеток, которые сравнительно быстро теряют воду, высыхают и сжимаются. Однако этот процесс имеет предел и процент высохшей поверхности растения невелик.

Влияние электрического поля на животных

Исследования проводились по двум направлениям: изучение на уровне биосистемы и изучение порогов обнаруженных влияний. Среди цыплят, помещенных в поле с напряженностью 80 кВ/м, отмечалась прибавка массы, жизнеспособность, низкая смертность. Порог восприятия поля измерялся на домашних голубях. Было показано, что голуби обладают каким-то механизмом для обнаружения электрических полей малой напряженности. Генетических изменений не наблюдалось. Отмечено, что животные, пребывающие в электрическом поле большой напряженности, могут испытывать мини-шок из-за посторонних факторов, зависящих от условий эксперимента, которые могут привести к некоторому беспокойству и возбуждению испытываемых.

В ряде стран имеются нормативные документы, ограничивающие предельные значения напряженности поля в зоне трасс воздушных ЛЭП. Максимальная напряженность 20 кВ/м была рекомендована в Испании, и такое же значение рассматривается в настоящее время как предельное в Германии.

Общественная осведомленность о влиянии электромагнитного поля на живые организмы продолжает расти, и некоторый интерес и беспокойство в связи с этим влиянием будут приводить к продолжению соответствующих медицинских исследований, особенно на людях, проживающих вблизи воздушных линий электропередачи.

5.Магнитное поле, сравнимое по силе с земным, существовало на Марсе 4 миллиарда лет назад. Однако оно присутствовало сравнительно недолго, а потом довольно резко "выключилось".

Основная версия, объясняющая это исчезновение, - охлаждение ядра, в котором ослабли конвективные потоки и, соответственно, остановилась гигантская "динамо-машина". Неясными тут остаётся немало моментов, так что споры продолжаются.

Аркани-Хамед, выполнивший новое моделирование совместно со своими коллегами из канадских университетов Летбриджа и Нью-Йорка полагает, что для решения загадки пропавшего поля нужно сначала объяснить его появление.

Учёные из Канады говорят, что движущей силой для потоков внутри жидкого ядра, создававших магнитное поле, была вовсе не конвекция, а приливное воздействие огромного астероида, захваченного Марсом в пору его юности.

Расчёты Джафара показывают, что при "содействии" Солнца и Юпитера большой астероид мог выйти на стабильную орбиту вокруг Марса на расстоянии 100 тысяч километров. Далее он постепенно приближался к поверхности планеты. На расстоянии 50-75 тысяч километров он мог уже вызывать нестабильность в ядре Марса, достаточно сильную, чтобы возникшие потоки начали генерировать магнитное поле. На запуск этой "машины" у астероида ушло бы всего 5-15 тысяч лет.

Затем астероид продолжал снижение, обеспечивая функционирование "динамо-машины" внутри Марса на протяжении нескольких миллионов лет, если небесное тело обращалось в ту же сторону, что и направление вращения самого Марса, или даже все 400 миллионов лет, если астероид обращался по обратной орбите.

Далее небесная гора вошла в предел Роша, разрушилась, и, в конце концов, её части упали на Марс, породив всем известные крупные ударные бассейны.

Тут собственно магнитное поле Марса и исчезло (если точно - ослабло в сотни раз) - его ведь нечему было поддерживать - приливное воздействие столь недолговечной луны исчезло, а обычной конвекции в ядре для генерации сильного поля и раньше не хватало.

Потеря магнитного поля могла сыграть важную роль в переходе климата Марса от сравнительно тёплого и влажного к сухому и холодному, каким мы его знаем сегодня.

Правда, некоторые специалисты находят изъяны в версии канадцев. В частности, вопросы всё же вызывают и механизм захвата весьма крупного тела Марсом, а также - достаточно ли окажется приливных сил для должного "раскачивания" ядра.

Магнитное поле на Солнце.