To ciekawe

Pewnie wiesz, co to jest kompas. To niewielkich rozmiarów przyrząd (zobacz Rys. a.), który służy do wyznaczenia kierunku północy geograficznej. Pewnie częściej, niż takiego kompasu, używa się obecnie aplikacji telefonicznej (Rys. b.).

R1KfAFsXe6RoW Rys. a. Ilustracja przedstawia kompas ze złoconą obudową i złotą tarczą z wrysowaną w nią brązową różą wiatrów oraz ciemno‑brązową igłą.	RREGmZ15RwL0k Rys. b. Rysunek schematyczny przedstawia kompas na ciemno‑szarym tle z biało‑czerwoną igłą.

„Prawdziwy” kompas dokonuje swojego rodzaju pomiaru. Jego główną częścią jest igła magnetyczna, która ustawia się wzdłuż linii obecnego wokół pola magnetycznego i wskazuje geograficzny biegun północny Ziemi.

Domyślasz się zapewne, że chodzi o ziemskie pole magnetyczne. Tak, znajdujemy się stale w polu magnetycznym, którego źródłem jest Ziemia. To pole ma charakter dipolowy, czyli „wygląda” tak, jakby jego źródłem był magnes umieszczony wewnątrz Ziemi, co można symbolicznie wyobrazić sobie tak, jak na Rys. c.

RvN2f0JSid1S8

Rys. c. Rysunek przedstawia symbolicznie namalowany na niebiesko szkic ziemi, w której wnętrzu znajduje się czerwony magnes sztabkowy z biegunem magnetycznym południowym oznaczonym dużą czarną literą S skierowanym ku północnemu biegunowi geograficznemu Ziemi oraz biegunem magnetycznym północnym oznaczonym dużą czarną literą N skierowanym ku południowemu biegunowi geograficznemu Ziemi. Linie pola magnetycznego przestawiono w postaci czarnych łukowatych linii ze strzałkami, występujących poza Ziemią. Linie te wychodzą z magnetycznego bieguna północnego i wchodzą do magnetycznego bieguna południowego.

Przyjęło się, by biegunem północnym igły magnetycznej nazywać ten z jej końców, który wskazuje geograficzną północ. Jest on przyciągany przez odwrotnie spolaryzowany biegun magnetyczny Ziemi, skąd wynika, iż na północnej półkuli Ziemi znajduje się południowy biegun jej pola magnetycznego a na półkuli południowej - jej  biegun północny. W geografii bieguny magnetyczne Ziemi nazywa się odwrotnie.

Co jest źródłem ziemskiego pola magnetycznego? Jak jest ono silne (ściślej: jaka jest wartość jego indukcji magnetycznej)? Spróbujemy tutaj udzielić odpowiedzi na te pytania.

Warto przeczytać

Zacznijmy od tego, co jest źródłem ziemskiego pola magnetycznegoPole magnetycznepola magnetycznego. Nie może to być żaden materiał ferromagnetycznyFerromagnetyzmferromagnetyczny we wnętrzu Ziemi. Najbardziej dziś uznana teoria głosi, że ziemski magnetyzm jest skutkiem prądów w płynnym żelazie, z którego składa się zewnętrzne jądro Ziemi, znajdujące się ok. 3,5 tys. km pod powierzchnią naszej planety. Jednak ten mechanizm nie jest dla nas do końca jasny. W szczególności, nie wiadomo, co jest powodem zmian ziemskiego pola magnetycznego. Bo wcale nie jest ono stałe.

Okazuje się, że północny biegun geograficzny i północny biegun magnetyczny Ziemi (używając nazw z geografii)Północny biegun magnetyczny Ziemi (w geografii)północny biegun magnetyczny Ziemi (używając nazw z geografii) nie leżą w tym samym miejscu (tak samo jest z biegunami na południu). Są w stosunku do siebie w pewnej odległości, która w dodatku zmienia się w czasie. Bieguny magnetyczne wędrują, ostatnio bardzo szybko (zobacz Rys. 1.).

Rey39gOO1hbL7

Rys. 1. Rysunek przedstawia położenie południowego bieguna magnetycznego znajdującego się w okolicach północnego bieguna geograficznego Ziemi. Na mapie przedstawiono pięć rejonów czarnym tekstem: Rosja, Norwegia, Grenlandia, Kanada, Alaska. Dodatkowo zaznaczono czarną linią międzynarodową linię daty występującą między Azją i Ameryką. Dodatkowo w postaci czarnego okręgu wrysowano koło podbiegunowe. Położenie bieguna magnetycznego przedstawiono dla sześciu dat za pomocą czerwonych punktów, które połączono ze sobą czerwoną linią. Daty te zapisano czarnym tekstem: tysiąc osiemset trzydzieści jeden, tysiąc dziewięćset czterdzieści osiem, tysiąc dziewięćset osiemdziesiąt cztery, dwa tysiące jeden, dwa tysiące siedem, dwa tysiące dwadzieścia. Im bliżej roku dwa tysiące dwudziestego tym bardziej biegun magnetyczny przesuwa się od Kanady w kierunku Rosji.

Uwaga: mamy spore zamieszanie z nazwami. Północny biegun magnetyczny (na rysunku zaznaczony na czerwono) oznacza w geografii biegun magnetyczny na półkuli północnej. Wiemy, że naprawdę, z fizycznego punktu widzenia, to magnetyczny biegun południowy (ku niemu zbiegają się linie pola, co pokazuje igła magnetyczna). Powszechnie, w odniesieniu do Ziemi używa się nazw geograficznych, a nie fizycznych.

O zmianach pola magnetycznego i o tym, jak się je bada dowiesz się więcej z e‑materiału „Czy pole magnetyczne Ziemi jest stałe w czasie?”.

Obecnie oś ziemskiego pola magnetycznego jest odchylona do osi obrotu Ziemi o około 11°. W związku z tym, kompas na Ziemi nie pokazuje (na ogół) dokładnie północy geograficznej. W Polsce, to odchylenie kątowe kierunku magnetycznego od geograficznego, które nazywa się deklinacją, wynosi średnio 5°.

R5PT8mhkMyvNS

Rys. 2. Rysunek przedstawia symbolicznie niebieski kompas przedstawiony w postaci koła na którym zaznaczono kąty. Kompas został ustawiony w taki sposób aby zero na jego skali wskazywało na północ geograficzną oznaczono dużą czarną literą N z indeksem dolnym w postaci małej litery g. Kompas zawiera biało‑czerwoną igłę magnetyczną, której czerwony koniec wskazuje kierunek, w którym znajduje się biegun magnetyczny położony w pobliżu północnego bieguna geograficznego. Kierunek ten oznaczony jest dużą czarną literą N z indeksem dolnym w postaci małej litery m. Między tymi kierunkami wrysowano przerywaną czarną linią kąt który oznaczono czarnymi symbolem plus i małą literą delta. Kąt ten na rysunku wynosi około trzydzieści stopni.

Jak silne jest ziemskie pole magnetyczne?

W zależności od położenia na Ziemi, waha się od 30 μmuT do 60 μmuT. To bardzo mała wartość, wziąwszy pod uwagę, że potrafimy wytwarzać dużo silniejsze pola (o milion razy większej wartości indukcji). Średnia wartość indukcji magnetycznej w Polsce, to około 47 μmuT.

Dokładniejsze informacje o pomiarze indukcji ziemskiego pola magnetycznego za pomocą tzw. busoli stycznych znajdziesz w materiale „Badanie wpływu przewodników z prądem na zachowanie igły magnetycznej”.

Linie pola magnetycznegoLinie pola magnetycznegoLinie pola magnetycznego w Polsce, ze względu na nasze położenie geograficzne, skierowane są pod pewnym kątem do poziomu. Ten kąt nazywa się inklinacją i mierzy się go za pomocą igły magnetycznej zawieszonej na poziomej osi (zobacz Rys. 3.). Inklinacja dla Polski jest spora i wynosi 66°.

RZhxphbEy6ugy

Rys. 3. Rysunek przedstawia szkic pola magnetycznego Ziemi. Na rysunku widać szkic Ziemi w kolorze jasno‑niebieskim. Na rysunku Ziemi narysowano czerwony magnes sztabkowy z południowym biegunem oznaczonym dużą literą S a północnym oznaczonym dużą literą N. Magnes jest ułożony w taki sposób, że jego biegun południowy jest ustawiony w kierunku północnego bieguna geograficznego ziemi a północny biegun magnetyczny w kierunku południowego geograficznego. Z północnego bieguna magnesu wychodzą łukowate czarne linie wchodzące do jego bieguna południowego symbolizujące linie pola magnetycznego wytwarzanego przez Ziemię. Na powierzchni Ziemi ustawiono pięć czerwono‑niebieskich igieł magnetycznych. Igła ustawiona na biegunie magnetycznym występującym w pobliżu północnego bieguna geograficznego wskazuje stroną czerwoną kierunek środka planety. Im bliżej równika tym bardziej poziome stają się igły aż w końcu na równiku magnetycznym przedstawionym w postaci czarnej linii, prostopadłym do osi biegunów magnesu wewnątrz Ziemi, igła układa się równolegle do jej powierzchni stroną czerwoną w kierunku północy geograficznej. Na rysunku przedstawiono też równik geograficzny przedstawiony w postaci czarnej linii. Kąt między równikiem magnetycznym i geograficznym jest taki sam jak kąt między biegunem magnetycznym i geograficznym.

Na Rys. 4. Pokazano przyrząd do badania inklinacji magnetycznej.

R1Mx12MjseEXk

Rys. 4. Rysunek przedstawia zdjęcie przyrządu do badania inklinacji magnetycznej, czyli nachylenia magnetycznego w danym punkcie powierzchni Ziemi. Zdjęcie przedstawia okrągłą mosiężną podstawę z noniuszem i poziomicą. Do podstawy przyczepiono mosiężną obręcz. Stoi ona na środku podstawy. Wewnątrz obręczy zamontowana jest igła magnetyczna. W ten sposób można badać kąt zawarty pomiędzy płaszczyzną poziomą a osią swobodnie zawieszonej igły magnetycznej. Wartość inklinacji zmienia się wraz ze zmianą szerokości geograficznej.

Słowniczek