فیزیک علم مطالعه ی قوانین حاکم بر طبیعت(جهان آفرینش) است.

بسم الله الرحمن الرحیم

بروشور آموزشی

اداره آموزش و پرورش استان کرمانشاه

گروه فیزیک ناحیه 3

اسفند ماه1388

مانیا کامروامنش

 

دبیر فیزیک ناحیه 3 کرمانشاه

آیا میدانید:

1-     چرا عقربه مغناطیسی همیشه در راستای شمال و جنوب زمین قرار می گیرد؟

2-     منشأ میدان مغناطیسی زمین از کجاست؟

3-     چرا مکان قطبهای مغناطیسی زمین تغییر می کنند؟

4-     چگونه میدان مغناطیسی زمین نقش حفاظتی از کره زمین را بر عهده دارد؟

5-     پدیده شفق قطبی چیست و چگونه تشکیل می شود؟

واژه های کلیدی:مغناطیس کره –قطبهای مغناطیسی زمین- نقش حفاظتی مغناطیس زمین-شفق قطبی.

میدان مغناطیسی زمین

از حدود 400 سال پیش مردم می دانستند که اگر یک تکه آهنربا را به وسیله تکه ای نخ از یک نقطه در  در نزدیک سطح زمین آویزان کنیم در راستای شمال وجنوب زمین قرار می گیرد.

زمین شناسان پس از گذشت زمان کوتاهی پی بردندکه کره زمین خاصیت آهنربایی داردو ازمدتها پیش قطب نماها٬ یعنی وسایلی که بر اساس استفاده از میدان مغناطیسی زمین برای سمت گیری نسبت به چهار جهت اصلی به کار گرفته می شدند.

برای اولین باردر سال 1600 میلادی ویلیام گیلبرت پی به وجود میدان مغناطیسی زمین برد. وی نشان داد که اگر میله آهنی را در راستای شمال و جنوب قرار دهیم و بر روی آن بکوبیم آن میله آهنربا خواهد شد.وی همچنین برای اثبات وجود میدان  مغناطیسی زمین یک آهنربا را درون کره ای قرار داد و نام آن  زمین کوچک گذاشت ٬ گذاشت سپس یک قطب نما را بر روی آن حرکت داد که مشاهده نمود اگر قطب نما به موازات سطح این زمین کوچک قرار گیرد ٬جهت عقربه ی مغناطیسی همواره ثابت است. که این مسئله نشاندهنده آن است که عقربه مغناطیسی تحت ﺗﺃ ثیرمیدان مغناطیسی درون کره است.گیلبرت از این آزمایش نتیجه گرفت که در واقع کره زمین مانند یک آهنربای قوی عمل می کند.بنا بر این میتوان فهمید در اطراف زمین میدان مغناطیسی وجود دارد که دارای دو قطب شمال و جنوب می باشد. مغناطیس کره٬ محیط مغناطیسی کره زمین است.

 

کاربردهای میدان مغناطیسی زمین

این واقعیت مهم که زمین میدان مغناطیسی ایجاد می کند برای مقاصد علمی و عملی از اهمیت ویژه ای برخوردار است که چند مورد آن در زیر شرح داده شده اند:

1-      از زمانهای قدیم استفاده از قطب نما  برای جهت یابی در دریانوردی و هواپیما یی متداول بوده است.

2- زمین شناسان از میدان مغناطیسی زمین جهت اکتشاف ذخایر طبیعی آهن در سطح زمین  بهره می گیرند.

3- از میدان مغناطیسی زمین نیز در مقاصد نظامی استفاده می شود از جمله در ساخت مینهای مغناطیسی که در عمق زیر سطح آب کاشته می شوند و با عبور کشتی از بالای آب منفجر می شوند.

قطب های مغناطیسی زمین

 چنانچه در هر نقطه در اطراف زمین یک عقربه ی مغناطیسی قرار دهیم ٬ این عقربه پس از چند نوسان در راستای شمال و جنوب زمین قرار می گیرد به طوری که قطب N عقربه به سمت شمال جغرافیایی و قطب S آن به سمت جنوب جغرافیایی ثابت می شود. هر گاه به کمک عقربه ی مغناطیسی به طرف قطب شمال یا جنوب برویم  به قطب شمال و جنوب واقعی نمی رسیم ٬ علت آن است که قطب شمال و جنوب جغرافیایی و مغناطیسی زمین ٬ با هم یکی نیست ٬ یعنی اینکه قطب شمال مغناطیسی زمین ٬ درست روی قطب شمال جغرافیایی زمین قرار ندارد و اگر دو قطب جغرافیایی و مغناطیسی زمین را توسط خط فرضی به نام محور به هم وصل کنیم ٬ بین دو محور مغناطیسی و محور جغرافیایی زمین زاویه ای ساخته می شود که به آن زاویه انحراف می گویند.

محور مغناطیسی زمین یعنی خط مستقیمی که از هر دو قطب مغناطیسی می گذرد ٬ از مرکز زمین نمی گذرد و از اینرو قطر زمین محسوب نمی شود.

کره ی زمین مانند یک آهنربای قوی عمل می کند که قطب N آن در جنوب جغرافیایی (که می تواند قطب  S آهنربا ها را به سمت خود منحرف کند) و قطب S آهنربای درون زمین در شمال جغرفیایی قرار دارد(که می تواند قطب N آهنربا را به سمت خود منحرف سازد).

هم اکنون قطب شمال مغناطیسی کره زمین در شمال کانادا قرار دارد.

محور مغناطیسی عقربه های مغناطیسی در مکان های مختلف استوا تا قطب نسبت به سطح افقی تغییر کرده و زاویه ای با سطح افق می سازد. این زاویه را میل مغناطیسی  می گویند.مقدار این زاویه در جهت یابی هواپیما یی و کشتیرانی نقش بسیار مهمی دارد.

مقدار زاویه میل مغناطیسی از استوا تا قطبها ی زمین افزایش می یابد.

در تدارک پرواز به سمت قطب شمال ٬ بیشترین توجه سمت گیری هواپیما در نزدیکی قطب مبذول می شود زیرا قطب های مغناطیسی معمولی در این فاصله به کلی از کار باز می ما نند و در عمل بدون استفاده هستند.

منشأ میدان مغناطیسی زمین

جالب است بدانیم که غیر از زمین در منظومه شمسی کراتی مثل عطارد و مشتری نیز دارای خاصیت مغناطیسی هستند. همچنین این خاصیت در خورشید و بسیاری ستاره های دیگر دیده می شود.

ودر باره چگونگی ایجاد و منشأ خاصیت مغناطیسی زمین ٬ نظریات مختلفی ارائه شده است که آخرین آنها این خاصیت را در ساختمان زمین جستجو و معرفی می کند.

 میدانیم که در ساختمان کره زمین 4 لایه وجود دارد:پوسته ٬جبه(گوشته) ٬ هسته خارجی ٬ هسته ددرونی.

محققان منشأ میدان مغناطیسی زمین را هسته ی خارجی می دانند.

هسته ی درونی زمین گلوله سخت و یکپارچه ای از آهن است که دمای آن به اندازه ی دمای سطح خورشید داغ است.

جنس هسته ی خارجی مایع و از آلیاژ نیکل و آهن استکه با حرکت وضعی زمین بدور هسته درونی می چرخد.

در دمای بسیار زیاد هسته درونی متحمل واکنشهای شیمیایی شده و تبدیل به یک مولد جریان الکتریکی می شود و مانند یک باتری عمل می کند و چون مواد مذاب هسته خارجی در حال چرخش است ٬ میتوان آن را شبیه یک سیملوله (القاگر)تصور نمود. به این ترتیب در درون زمین مداری متشکل از یک باتری و یک القاگر داریم .طبق قانون لنز در اطراف سیملوله ی فرضی درون زمین میدان مغناطیسی شبیه میدان در سیملوله ایجاد می شود٬و چون هسته خارجی مانند القاگر است ٬ می تواند در آن پدیده خودالقایی نیز رخ دهد. یعنی هرگاه جریان الکتریکی در هسته درونی در اثر واکنشهای شیمیایی در حال کاهش بود جهت خطوط میدان را به گونه ای تغییر می دهد که نیروی محرکه ای هم جهت با نیروی مولد و سبب تقویت شدت میدان مغناطیسی در زمین می گردد و بر عکس.

علاوه بر پدیده های داخلی٬ پدیده ی خارجی به نام بادهای خورشیدی نیز بر رفتار میدان مغناطیسی زمین مٶثر است.

باد خورشیدی حاصل انفجارهای واقع در تاج خورشید است که دمای بسیار زیاد سبب اعمال فشار و جریان شدید ذرات منفجره خواهد شد که با سرعتی معادل 500 کیلومتر بر ثانیه و پس از 5 روز به زمین می رسند. این ذرات شامل الکترون ٬پروتون٬ آلفا و بعضی یونهای دیگر هستند.گاه شدت این بادهای خورشیدی به حدی است که می توانند بر سیستمهای الکتریکی و فرکانسهای رادیویی در زمین تأ ثیر بگذارند و آنها را از کار بیندازند.

تغییرات میدان مغناطیسی زمین

شدت میدان مغناطیسی زمین در تمام نقاط یکنواخت نیست و حتی در یک نقطه نیز متغیر است .این تغییرات شامل زوایای میل و انحراف مغناطیسی نیز است .

این تغییرات را می توان به چهار دسته عمده ی زیر تقسیم کرد:

1-    تغییرات با زمان تناوب طولانی:در زمانهای طولانی معادل با دوران زمین شناسی صورت می گیرد که از آن جمله تغییر مکان قطبهای مغناطیسی و حتی معکوس شدن آنها را نیزمی توان ذکرکرد.

2-       تغییرات قرنی: دوره تناوب این تغییرات در حدود صد سال است و شامل تغییر در شدت میدان و محل زوایای انحراف و میل مغناطیسی می باشد.

3-       تغییرات روزانه: ممکن است در یک روز در یک مکان شدت میدان متغیر شود که عامل این دسته تغییرات را میتوان در تغییرات خورشید جستجو کرد.

4-       تغییرات ناگهانی:تقریبٱ هر 27 روز یکبار صورت می گیرد که  توفان های مغناطیسی از جمله این تغییرات محسوب می شوند.

لازم به ذکر است که میدان مغناطیسی زمین در حال ضعیف شدن است و از یک ثبات دائمی برخوردار نیست.بررسی های پژوهشگران نشان داده است که تقریبٱ هر 750 هزار سال یک بار ٬محل قطب های شمال و جنوب زمین وارونه می شود.علت این پدیده وﺗﺃثیرات آن بر آب و هوای کره زمین و زندگی موجودات زنده مشخص نیست.

نقش حفاظتی میدان مغناطیسی زمین

 میدان مغناطیسی زمین بر جریانهای الکتریکی خارجی در جو زمین اثر گذاشته و به این ترتیب در برابر توفانهای خورشیدی و تشعشعات زیان آورذرات الکتریکی و پرتوهای کیهانی نقش حفاظ را بازی می کند.میدان مغناطیسی زمین همانند پوست پیاز کره خاکی را در بر گرفته است. توفانهای خورشیدی آن را مورد حمله قرار داده و موجب بروز توفانهای الکتریکی در آن می گردند. این توفانها نیز بر روی سیستم های الکتریکی زمین اثر می گذارند٬اگر توفان حاصل از این ذرات پرانرژی به میدان مغناطیسی زمین برسند٬شدت جریانهای الکتریکی آنچنان زیاد خواهد بود که قادرند تمام فیوزهای سیستم های الکتریکی را از کار بیندازند.میدان مغناطیسی زمین نقش حفاظتی خود را با به دام انداختن این ذرات و پرتوهای کیهانی ایفا می کند.

پدیده شفق قطبی

هنگامی که ذرات پر انرژی حاصل از توفانهای خورشیدی در دام میدان مغناطیسی زمین گرفتار می شوند ٬ در مسیر حرکت خود در جو زمین با مولکولهای هوا برخورد می کنند و چون حامل انرژی زیاد هستند آنها را یونیزه می کنند٬ این امر سبب تولید ذرات جدید و پرتوهای گاما می شود. نقاط درخشانی را که در قطب مشاهده می کنیم٬ به آن کمربند تشعشعی یا کمربند وان آلن گفته می شود. به این پدیده شفق قطبی می گویند.

 

 

پدیده شفق قطبی در امریکا در ماه مه ۲۰۰۵

02-  شفق قطبي در Wisconsin امريکا

 

+ نوشته شده در  سه شنبه بیست و چهارم فروردین 1389ساعت 23:3  توسط حمید شرفی  |