Исследовательская работа "Почему Земля – большой магнит?"

Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №78»

Направление: Физика

«Почему Земля – большой магнит?»

Оренбург, 2023 г

Оглавление

Введение

Ученые уверены – магнитное поле Земли играет важную роль в том, чтобы наша планета была пригодной для жизни. Магнитное поле защищает поверхность планеты от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит – без его существования атмосфера Земли была бы разрушена.

Но можно ли рассмотреть этот важный защитный механизм? Можно ли увидеть результат работы магнитного поля? И, наконец, можно ли определить наличие магнитного поля у Земли без специального оборудования и долгих наблюдений, в условиях квартиры или школьного кабинета? Попробуем ответить на эти вопросы в нашем исследовании.

Гипотеза – планета Земля представляет собой большой магнит, который взаимодействует с компасом.

Цель исследования – доказать, что воздействие магнитного поля Земли можно определить с помощью даже в домашних условиях с помощью простых опытов.

Объект исследования – магнитное поле Земли.

Предмет исследования – компас, постоянный магнит.

Задачи исследования

Изучить литературу по данной теме.

Провести опыты, доказывающие наличие у Земли магнитного поля.

Изучить взаимодействие магнитного поля Земли с компасом.

Методы исследования:

Изучение и анализ научной и учебной литературы, посвященной данной теме;

Проведение эксперимента

Теоретическая значимость работы – получить первоначальные представления о магнитном поле Земли.

Практическая значимость – научиться на практике определять наличие магнитного поля Земли с помощью компаса. А также заключается в том, что теоретические материалы, домашние эксперименты могут использоваться на уроках физики и во внеклассной работе.

Основная часть

Как устроен магнит?

Всякий магнит состоит из множества микроскопических магнитиков, северные полюсы которых смотрят в одну сторону, а южные – в другую. Эти магнитики, которые называются домены, есть даже в не намагниченном железе. Пока его не намагнитили, домены располагаются беспорядочно. А когда железо намагничивают, все его домены поворачиваются, как стрелочки, и начинают смотреть северными полюсами в одну сторону, а южными в другую.

Пространство вокруг магнита, где действуют магнитные силы, называют магнитным полем. Если поднести магниты друг к другу одинаковыми полюсами, они будут отталкиваться. А разные полюса магнитов притягиваются.

Человек не может ощутить или увидеть само магнитное поле. Но с помощью различных опытов можно рассмотреть его действие на различные предметы – компас, железные опилки, иголку.

Строение Земли

Модель внутреннего строения Земли была создана учеными на основе их наблюдения за сейсмической активностью планеты: землетрясения, взрывами, извержениями вулканов. Верхняя твердая оболочка земли – литосфера. Это «скорлупа», которая покрывает всю планету, но не цельная, а состоящая из нескольких перемещающихся крупных плит. По их границам обычно проходит большее число землетрясений. Литосферные плиты плавают в следующем полужидком слое – астеносфере. Он расположен на глубине 120-250 км под материками и 60 – 400 км под океаном. Внешнее ядро нашей планеты начинается на глубине около 2920 км, оно находится в жидком состоянии, но внутри него расположено другое, меньшее по размеру и твердое.

Во внешнем ядре Земли при вращении рождаются электрические токи, которые объясняют существование магнитного поля нашей планеты. Именно оно, взаимодействуя с солнечным ветром и верхними слоями атмосферы, вызывают уникальное явление – полярное сияние.

За миллионы лет существования нашей планеты более тяжелые элементы (железо, никель), опустились вниз, образовав ядро, а более легкие (кислород, кремний) собрались выше – в мантии. Постепенно астероиды стали реже падать на Землю, поверхность планеты остыла и затвердела, что привело к образованию земной коры. Внутри же продолжала сохраняться высокая – несколько тысяч градусов – температура. Километры земной коры блокировали выход накопившегося тепла, и мантия с ядром оставались горячими.

Гигантский магнит

Магнитное поле Земли генерируется в центре нашей планеты. Образующееся там тепло передается наружу. В жидкой части ядра эта передача проходит за счет конвекции – нагретое и более легкое вещество поднимается вверх, а остывшее тяжелое, опускается вниз, к твердой части ядра. Железо и никель в составе Земли – хорошие проводники электрического тока. Во внешнем ядре происходит движение проводника. Оно происходит в магнитном поле Солнца.

Движение проводника в магнитном поле создает электрический ток. В движущемся слое жидкого ядра возникает ток, который усиливает изначальное магнитное поле, что приводит к увеличению тока. Под действием вращения Земли конвективные потоки закручиваются в спирали точно также, как смерч, и спирали эти направлены вдоль оси вращения Земли. Каждый такой поток напоминает гигантский электромагнит, ось которого почти совпадает с осью вращения Земли, а линии магнитного поля входят ядро с одного конца этой спирали и выходят с другого. В результате получается «суммарный магнит», полюса которого расположены примерно вдоль земной оси.

2. Исследовательская часть

Мы уже разобрались, что магнитные свойства Земли происходят из-за процессов, которые бушуют внутри планеты. Наличие магнитного поля вокруг Земли означает, что оно будет обладать такими же свойствами, как и любой другой магнит, вне зависимости от размеров. Попробуем же определить наличие магнитного поля Земли и его свойств с помощью опытов.

Опыт № 1.

Оборудование: магнит, иголка, кусок пробки, миска с водой, компас.

Ход работы:

Железную иголку мы положили на некоторое время на магнит. В широкую миску налили воды. На намагниченную иголку мы нанизали кусок пробки так, чтобы он оказался в середине иглы. Эту заготовку мы положили в миску с водой. Иголка постепенно начала двигаться. Рядом с миской мы положили компас. Оказалось, что стрелка компаса и наша иголка показывают одинаковое направление – один конец на юг, другой – на север. При развороте иглы в других направлениях можно заметить, что она всегда поворачивается строго в направлении «север-юг» на компасе. Так происходит всегда, как бы мы не крутили иглу в миске (Приложение 1).

Вывод: намагниченная иголка – это тоже компас. Концы ее всегда показывают направление «север-юг», как бы ее не поворачивали. А значит, мы можем увидеть результат действия магнитного поля Земли.

Опыт № 2.

Оборудование: Оборудование: магнит, иголка, кусок пробки, миска с водой, компас.

Ход работы:

Железную иголку мы положили на некоторое время на магнит. В широкую миску налили воды. На намагниченную иголку мы нанизали кусок пробки так, чтобы он оказался в середине иглы. Эту заготовку мы положили в миску с водой. Иголка постепенно начала двигаться. Рядом с миской мы положили компас. Оказалось, что стрелка компаса и наша иголка показывают одинаковое направление – один конец на юг, другой – на север. При развороте иглы в других направлениях можно заметить, что она всегда поворачивается строго в направлении «север-юг» на компасе. Так происходит всегда, как бы мы не крутили иглу в миске. (Приложение 1)

Вывод: намагниченная иголка – это тоже компас. Концы ее всегда показывают направление «север-юг», как бы ее не поворачивали. А значит, мы можем увидеть результат действия магнитного поля Земли.

Опыт № 2.

Оборудование: лист бумаги, железные опилки, железный гвоздь, магнит.

Ход работы:

Мы насыпали железные опилки на лист бумаги. В них погружали обычный не намагниченный железный гвоздь. Мы отметили, что опилки не прилипают к острию гвоздя. Потом мы стали постепенно приближать к шляпке гвоздя магнит. Немного подняв гвоздь над опилками, мы заметили, что магнит еще не успел прикоснуться к шляпке, а крупинки опилок уже прилипли к острию. (Приложение 2)

Вывод: магнитные силы действуют на расстоянии. Пространство вокруг магнита, где действуют магнитные силы, и есть магнитное поле.

Опыт № 3.

Оборудование: лист бумаги, железные опилки, магнит.

Ход работы:

На лист бумаги мы высыпали железные опилки. Под столом, на котором находился лист, мы разместили магнит. Им стали водить в разные стороны под поверхностью стола. Опилки на листе стали собираться в узкие колючие дорожки. Убрав магнит из-под стола, мы заметили, что опилки снова опали на лист бумаги (Приложение 3).

Вывод: магнит создает вокруг себя магнитное поле. Его действие можно наблюдать по линиям железных опилок на листе.

Опыт № 4

Оборудование: лист бумаги, железные опилки, иголка, магнит.

Ход работы:

Мы положили иглу на магнит. Железные опилки высыпали на лист бумаги на столе. Намагниченную иголку мы поднесли к опилкам. Они стали прилипать к краям иголки. Подняв немного над поверхностью стола иглу, мы увидели, что опилки не падают, а крепко держатся на кончиках иглы (Приложение 4).

Вывод: на концах иглы магнитные силы действуют сильнее, чем в ее середине.

Заключение

Таким образом, мы собрали и изучили в своей исследовательской работе, посвященной магнитному полю Земли, материал и можем сделать следующие выводы:

Вращение Земли и постоянная циркуляция расплавленного вещества ее глубинных слоев создают внутри земного шара электрические токи, которые превращают нашу планету в подобие магнита. Как у любого магнита, у Земли есть магнитное поле и два магнитных полюса. Некоторые животные, например, голуби и дельфины, ориентируются в пространстве по магнитному полю Земли. Новейшие исследования показали, что птицы чувствуют направление магнитного поля Земли.

Изучив литературу по данной теме, мы убедились, что Земля представляет собой большой магнит, который взаимодействует с компасом. Провели опыты, доказывающие наличие у Земли магнитного поля. Изучили взаимодействие магнитного поля Земли с компасом.

Магнитное поле Земле – наш главный щит от солнечного ветра, электрически заряженных частиц, испускаемых в огромных количествах Солнцем. Заключенная в них энергия уничтожила бы все живое на Земле. Не будь у планеты магнитного поля, которое изменяет траекторию этих частиц, разбрасывая их по сторонам.

В нашей работе мы убедились, что даже без высокоточных приборов, длительных наблюдений и вне лабораторных условий можно определить наличие магнитного поля Земли. Увидеть или пощупать его невозможно. Но в результате его работы и процесс взаимодействия с окружающей средой мы можем убедиться даже в домашних условиях. Простой компас и несколько несложных опытов показывают нам действие этого огромного магнита.

Список литературы

Богуславская Д. Энциклопедия для детей младшего и среднего школьного возраста «Космос», научно-популярное издание,. 2017.

Константиновский М. «Почему Земля – магнит», изд. «Малыш», 1979 г.

Копа Н. Детский научно-популярный пользовательский журнал «Юный эрудит» №5(201), «Раскаленный магнит в центре Земли», май, 2019.

Леконт Э. Детский научно-популярный пользовательский журнал «Юный эрудит» № 5(213), «Спрятаться в центре Земли», май, 2020.

Мадгуик У., Керрод Р., Брукс Ф., Коллинз Ф., Тейлор Б., Рид С., Большая книга знаний, справочное издание, для среднего школьного возраста, М:, Махаон, 2014

Нико Ф. Детский научно-популярный пользовательский журнал «Юный эрудит» № 6(214), «Своенравный магнитный щит», июнь, 2020.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4