CAMPO MAGNETICO TERRESTRE: ORIGINE, CARATTERISTICHE, FUNZIONE - FISICO - 2024

Il campo magnetico terrestre è l'effetto magnetico che la Terra esercita e che si estende dal suo interno fino a centinaia di chilometri nello spazio. È molto simile a quello prodotto da una barra magnetica. Questa idea fu suggerita dallo scienziato inglese William Gilbert nel XVII secolo, il quale osservò anche che non è possibile separare i poli del magnete.

La figura 1 mostra le linee del campo magnetico terrestre. Sono sempre chiusi, attraversano l'interno e continuano all'esterno, formando una sorta di copertura.

Figura 1. Il campo magnetico terrestre assomiglia a quello di una barra magnetica. Fonte: Wikimedia Commons.

L'origine del campo magnetico terrestre è ancora un mistero. Il nucleo esterno della terra, fatto di ghisa, non può da solo produrre il campo, poiché la temperatura è tale da distruggere l'ordine magnetico. La soglia di temperatura per questo è nota come temperatura di Curie. Pertanto è impossibile che una grande massa di materiale magnetizzato sia responsabile del campo.

Escludendo questa ipotesi, dobbiamo cercare l'origine del campo in un altro fenomeno: la rotazione terrestre. Questo fa sì che il nucleo fuso ruoti in modo non uniforme, creando l'effetto dinamo, in cui un fluido genera spontaneamente un campo magnetico.

Si ritiene che l'effetto dinamo sia la causa del magnetismo degli oggetti astronomici, ad esempio quello del Sole. Ma fino ad ora non si sa perché un fluido sia in grado di comportarsi in questo modo e come le correnti elettriche prodotte riescano a rimanere.

caratteristiche

- Il campo magnetico terrestre è il risultato di tre contributi: il campo interno stesso, il campo magnetico esterno e quello dei minerali magnetici nella crosta:

1. Campo interno: assomiglia a quello di un dipolo magnetico (magnete) situato al centro della Terra e il suo contributo è di circa il 90%. Varia molto lentamente nel tempo.
2. Campo esterno: proviene dall'attività solare negli strati dell'atmosfera. Non assomiglia al dipolo e ha molte variazioni: giornaliere, annuali, tempeste magnetiche e altro ancora.
3. Le rocce magnetiche nella crosta terrestre, che creano anche il proprio campo.

- Il campo magnetico è polarizzato, presentando i poli nord e sud, proprio come una barra magnetica.

- Poiché i poli opposti si attraggono l'un l'altro, l'ago della bussola, che è il suo polo nord, punta sempre in prossimità del nord geografico, dove si trova il polo sud del magnete terrestre.

- La direzione del campo magnetico è rappresentata sotto forma di linee chiuse che lasciano il sud magnetico (polo nord del magnete) ed entrano nel nord magnetico (polo sud del magnete).

- Nel nord magnetico, e anche nel sud magnetico, il campo è perpendicolare alla superficie terrestre, mentre all'equatore il campo è radente. (vedi figura 1)

- L'intensità del campo è molto maggiore ai poli che all'equatore.

- L'asse del dipolo terrestre (figura 1) e l'asse di rotazione non sono allineati. C'è uno spostamento di 11,2º tra di loro.

Elementi geomagnetici

Poiché il campo magnetico è vettoriale, un sistema di coordinate cartesiane XYZ con un'origine O aiuta a stabilire la sua posizione.

Figura 2. Elementi geomagnetici. Fonte: F. Zapata.

L'intensità totale del campo magnetico o induzione è B e le sue proiezioni o componenti sono: Orizzontalmente e Z verticalmente. Sono correlati da:

-D, l'angolo di declinazione magnetica, formato tra H e nord geografico (asse X), positivo verso est e negativo verso ovest.

-I, l'angolo di inclinazione magnetica, tra B e H, positivo se B è inferiore all'orizzontale.

L'ago della bussola sarà orientato nella direzione di H, la componente orizzontale del campo. Il piano determinato da B e H è chiamato meridiano magnetico, mentre ZX è il meridiano geografico.

Il vettore del campo magnetico è completamente specificato se sono note tre delle seguenti quantità, chiamate elementi geomagnetici: B , H, D, I, X, Y, Z.

Funzione

Ecco alcune delle funzioni più importanti del campo magnetico terrestre:

-Gli esseri umani lo usano da centinaia di anni per orientarsi con la bussola.

-Esercita una funzione protettiva del pianeta, avvolgendolo e deviando le particelle cariche che il Sole emette continuamente.

-Anche se il campo magnetico terrestre (30-60 micro Tesla) è debole rispetto a quelli in laboratorio, è abbastanza forte che alcuni animali lo usano per orientarsi. Così come gli uccelli migratori, i piccioni viaggiatori, le balene e alcuni banchi di pesci.

-La magnetometria o misura del campo magnetico viene utilizzata per la prospezione delle risorse minerali.

Aurora boreale e meridionale

Sono conosciuti rispettivamente come aurora boreale o aurora meridionale. Appaiono alle latitudini vicine ai poli, dove il campo magnetico è quasi perpendicolare alla superficie terrestre e molto più intenso che all'equatore.

Figura 3. Aurora boreale in Alaska. Fonte: Wikimedia Commons.

Hanno la loro origine nella grande quantità di particelle cariche che il Sole invia continuamente. Quelli che sono intrappolati dal campo generalmente vanno alla deriva verso i poli a causa della maggiore intensità. Lì ne approfittano per ionizzare l'atmosfera e nel processo viene emessa luce visibile.

L'aurora boreale è visibile in Alaska, Canada e nord Europa, a causa della vicinanza del polo magnetico. Ma a causa della migrazione di questo, è possibile che nel tempo diventino più visibili verso il nord della Russia.

Tuttavia, per ora non sembra essere così, poiché le aurore non seguono esattamente il nord magnetico irregolare.

Declinazione magnetica e navigazione

Per la navigazione, soprattutto nei viaggi molto lunghi, è estremamente importante conoscere la declinazione magnetica, al fine di effettuare la correzione necessaria e trovare il vero nord.

Ciò si ottiene mediante mappe che indicano le linee di uguale declinazione (isogonale), poiché la declinazione varia notevolmente a seconda della posizione geografica. Ciò è dovuto al fatto che il campo magnetico subisce continuamente variazioni locali.

I grandi numeri dipinti sulle piste sono le direzioni in gradi rispetto al nord magnetico, divise per 10 e arrotondate.

I ragazzi del nord

Per quanto possa sembrare confuso, ci sono diversi tipi di nord, definiti da alcuni criteri particolari. Quindi, possiamo trovare:

Il nord magnetico è il punto sulla Terra in cui il campo magnetico è perpendicolare alla superficie. Lì la bussola punta e, a proposito, non è antipodale (diametralmente opposto) con il sud magnetico.

Il nord geomagnetico è il punto in cui l'asse del dipolo magnetico sale in superficie (vedi figura 1). Poiché il campo magnetico terrestre è un po 'più complesso del campo dipolare, questo punto non coincide esattamente con il nord magnetico.

Nord geografico , l'asse di rotazione terrestre passa da lì.

A nord di Lambert o della griglia , è il punto in cui convergono i meridiani delle mappe. Non coincide esattamente con il nord vero o geografico, poiché la superficie sferica della Terra è distorta quando proiettata su un piano.

Figura 4. Vari nord e loro ubicazione. Fonte: Wikimedia Commons. Cavit

Inversione del campo magnetico

C'è un fatto sconcertante: i poli magnetici possono cambiare posizione nel corso di poche migliaia di anni, e attualmente sta accadendo. In effetti, è noto che sia successo 171 volte prima, negli ultimi 17 milioni di anni.

Le prove si trovano nelle rocce che emergono da una spaccatura nel mezzo dell'Oceano Atlantico. Quando fuoriesce, la roccia si raffredda e si solidifica, impostando la direzione della magnetizzazione terrestre per il momento, che viene conservata.

Ma finora non c'è una spiegazione soddisfacente del motivo per cui questo accade, né c'è la fonte dell'energia necessaria per invertire il campo.

Come discusso in precedenza, il nord magnetico si sta attualmente muovendo rapidamente verso la Siberia e anche il sud si sta muovendo, anche se più lentamente.

Alcuni esperti ritengono che sia dovuto a un flusso ad alta velocità di ferro liquido appena sotto il Canada che indebolisce il campo. Potrebbe anche essere l'inizio di un'inversione magnetica. L'ultimo che è accaduto è stato 700.000 anni fa.

Può darsi che la dinamo che dà origine al magnetismo terrestre si spenga per un po ', spontaneamente o per qualche intervento esterno, come ad esempio l'avvicinamento di una cometa, sebbene non ci siano prove di quest'ultimo.

Quando la dinamo si riavvia, i poli magnetici hanno cambiato posizione. Ma può anche accadere che l'inversione non sia completa, ma una variazione temporanea dell'asse del dipolo, che tornerà finalmente nella sua posizione originale.

Sperimentare

Viene eseguito con bobine di Helmholtz: due bobine circolari identiche e concentriche, attraverso le quali passa la stessa intensità di corrente. Il campo magnetico delle bobine interagisce con quello della Terra, dando origine a un campo magnetico risultante.

Figura 5. Esperimento per determinare il valore del campo magnetico terrestre. Fonte: F. Zapata.

All'interno delle bobine si crea un campo magnetico approssimativamente uniforme, la cui grandezza è:

-I è l'intensità della corrente

-μ _o è la permeabilità magnetica del vuoto

-R è il raggio delle bobine

Processi

Con una bussola disposto nell'asse assiale della bobina, determinare la direzione del campo magnetico terrestre B _T .

-Oriente l'asse delle bobine sia perpendicolare B _T . Così il campo B _H generato come passa corrente, sarà perpendicolare al B _T . In questo caso:

Figura 6. Il campo risultante è ciò che l'ago della bussola segnerà. Fonte: F. Zapata.

-B _H è proporzionale alla corrente passata attraverso le bobine, per cui B _H = kI, dove k è una costante che dipende dalla geometria di dette bobine: raggio e numero di spire. Una corrente di misura, può avere il valore di B _H . Così che:

Così:

-Varie correnti vengono fatte passare attraverso le bobine e le coppie (I, tg θ) vengono registrate in una tabella.

-Il grafico I vs. tg θ. Poiché la dipendenza è lineare, ci aspettiamo di ottenere una retta la cui pendenza m sia:

-Infine, dalla retta - linea dei minimi quadrati o regolazione visiva, si procede per determinare il valore di B _T .

Riferimenti

1. Campo magnetico terrestre. Recupero da: web.ua.es
2. Gruppo Magneto-idrodinamico dell'Università di Navarra. Effetto dinamo: la storia. Estratto da: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6a edizione ridotta. Cengage Learning.
4. POT. Campo magnetico terrestre e suoi cambiamenti nel tempo. Recupero da: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. Il polo nord magnetico della Terra si sta muovendo. Estratto da: ngenespanol.com.
6. Scientific American. La Terra ha più di un Polo Nord. Estratto da: scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Polo geomagnetico. Estratto da: en.wikipedia.org.