sir willam gilbert          (1603-1544)یکی از فیزیکدانان پیشگامی بود که پی به وجود میدان مغنا طیسی زمین برد وی نشان داد که اگر میله اهنی را در راستای شمال وجنوب قرار دهیم وبررویش بکوبیم ان میله اهن ربا خواهد شد.وی همچنین برای اثبات وجودمیدان مغنا طیسی زمین یک اهنربا را درون کره ای قرار داد ونام ان راTerrllaکه به لاتین به معنای زمین کو چک بود گذاشت و سپس یک قطب نما را بر روی ان حرکت داد که مشاهده نمود اگر قطب نما بموازات سطح ترلا قرار گیرد جهت عقربه مغنا طیسی همواره ثا بت است . که نشان میداد عقربه تحت تاثیر میدان مغنا طیسی اهن ربای درون کره است.

 در واقع کره زمین ما نند یک اهنربا ی قوی عمل می کند که قطب N ان در جنوب جغرا فیا ئی قرار دارد( که می تواند قطب S اهن ربا ها را به سمت خود منحرف کند ) و قطب S اهن ربای درون زمین در شمال جغرافیا یی قرار دارد (که قطب N اهن ربا را به سمت خود منحرف سا زد).

همه خطوط میدان مغناطیسی در نیمکره شمالی در نقطه ای با مختصات 75⁰50Nو96⁰wاست که به ان قطب جنوب مغناطیسی گفته می شود به هم میرسند .این خطوط در نیمکره جنوبی در نقطه ا ی با مختصا ت 150⁰45E70⁰ 10SR

 به هم می رسند که به ان نقطه قطب شمال مغناطیسی زمین گفته میشود.

از انجا که محور مغنا طیسی زمین ( خطی که بطور مستقیم ازدو قطب مغناطیسی
زمین می گذرد) کا ملا بر محور دوران زمین ( خطی که از دو قطب شمال و جنوب جغرافیایی می گذرد) منطبق نیست بنا بر این یک عقربه مغنا طیسی که مما س بر محور مغنا طیسی زمین می ایستد نمی تواند جهت شمال و جنوب جغرافیا یی زمین را دقیقا تعیین  نماید.

میدان مغنا طیسی زمین رابا سه مولفه مغنا طیسی مشخص میکنند

1-- میل مغناطیسی:   از انجایی که خطوط  میدان مغنا طیسی زمین بر سطح زمین منطبق نیستند همواره بین شدت میدان مغنا طیسی زمین و سطح افقی زاویه وجود دارد که به ان زاویه میل مغنا طیسی گفته می شود.که حرف i ان را نشان میدهند.

2- زاویه انحراف مغناطیسی:

به صفحهای که بر روی ان عقربه مغناطیسی قرار دارد صفحه  نصف النهارمغناطیسی وبه زاویه بین ان وصفحه نصف النهار جغرافیایی زاویه انحراف مغنا طیسی گویند که در هر منطقه متفاوت خواهد بود . دانستن مقدار زاویه انحراف مغناطیسی برای دریانوردان وخلبانان بسیار مهم است

زیرا انها در مسیر یابی به نصف انهار جغرافیایی ااحتیاج دارند درحالیه بوسیله قطب نما جهت نصف انهار مغنا طیسی را پیدا میکنند بنابراین اگر از میزان انحراف اگاه باشند با تصحییح بر روی جهت نصف النهار مغناطیسی به نصف النهار جغرافیایی دست می یابند 

3-مولفه افقی میدان مغنا طیسی: که با تجزیه میدان مغنا طیسی بدست می اید 

منشاء میدان مغناطیسی زمین

در قلب سیاره ما گلوله سخت ویکپارجه ای از اهن وجود دارد که به اندازه سطح خورشید داغ است و به ان هسته زمین میگوییم که پهنای ان 70درصدکره ماه   است( 1216کیلومتر)وبه اندازه 2/. طول جغرافیایی در سال سریعتر از زمین می چرخد. اقیانوسی از اهن مایع  دور هسته درونی وجود دارد که به ان هسته خارجی گویندوشعاعش حدودا نصف شعاع زمین است در حدود 3486  کیلومتر محققان منشاء  میدان مغنا طیسی زمین  را هسته خارجی میدانندکه لایه عمیقی از اهن مایع است و  بدور هسته می گردد اثر نیروی کریولیس دوران زمین آن  ایجاد طوفان و گرداب میکند  .در واقع هسته خارجی مانند اب روی اجاق بر روی هسته داخلی در جوش وخروش است.

در دمای بسیار زیاد زمین میتوان تصور کرد که هسته جامد متحمل واکنش شیمیایی   شد ه و بدین ترتیب تبدیل به یک مولد جریان الکتریکی مثل یک باطری خواهد شد   وچون مواد مذاب  هسته خارجی در حال چرخش است میتوان آن  مانند یک سیملوله (القا گر )تصور نمود.

بدین ترتیب در درون زمین مدار ی متشکل از یک باطری و یک القاگر داریم مسلما جریان الکتریکی از این القاگر عبور خواهد کرد  وطبق قانون لنز  در اطراف القاگر میدان مغناطیسی تولید میشود که همان میدان مغناطیسی زمین است خطو طمیدان مغناطیسی درون هسته همانند خطوط میدان مغناطیسی سیملوله موازی است که آزمایشات تجربی نیز موید موازی بودن خطوط میدان مغناطیسی زمین است واز طرفی چون هسته خارجی مانند القاگر است میتواند در آن پدیده خودالقایی نیز رخ دهد یعنی هرگاه واکنش شیمیایی و در نتیجه جریان الکتریکی هسته داخلی در حال کاهش بود جهت خطوط میدان خود را تغییر دهد بگونه ای که نیروی محرکه ای هم جهت با نیروی مولد و سبب تقویت شدت میدان مغناطیسی گردد و برعکس .

علاوه بر پدیده های داخلی پدیده خارجی به نام بادهای خورشیدی نیز روی افزایش شدت میدان مغناطیسی زمین موثر  است . باد خورشیدی حاصل انفجارهای واقع در تاج خورشید است که دمای بسیار زیاد سبب اعمال  فشار  بر ذرات و جریان شدید ذرات منفجره خواهد شد که سرعتشان بطور متوسط در حدود 500 کیلومتر برثانیه است و حدود 5 روز طول میکشد که به زمین برسند  این ذرات شامل الکترون و پروتون و آلفا و بعضی از یونهای دیگر هستند  .. مطالعه لکه های خورشیدی نشان دهنده شدت انفجارات درون تاج خورشید است . در سال 1980 میلادی دانشمندان اعلام کردند که در اثر بادهای خورشیدی ذرات الکتریکی باردار فراوانی(پلاسما) با سرعت 1700 برابر بیشتر از طوفانهای خورشیدی  معمولی به سوی زمین میآیند و ممکن است این مقدار پلاسما با این جریان قوی شدت میدان مغناطیسی زمین را طوری تقویت کند که تمامی فیوزهای سیستمهای الکتریکی از کار بیافتند . .اگرچه در آن دوران بعضی از فرکانسهای رادیویی دچار اختلال گردید ولی خوشبختانه آن حجم عظیم پلاسما به زمین نرسید . 

 جابجایی قطبهای مغناطیسی زمین

دانشمندان ا ز دیرباز میدانستند که قطب مغناطیسی زمین حرکت میکند. جیمز روس(james ross نخستینن فردی بود که محل قطب شمال را تعیین نمود وی اینکار را در طی سفری خطرناک که سبب شده بود چهار سال در یخهای قطب به دام بیافتد انجام داده بود . در سال 1904روالد اماند سون دوباره محل قطب شمال را تعیین نمود ومتوجه شد که محل قطب شمال به اندازه50 کیلومتر جابجا شده است در نقشه زیرجابجایی محل قطب در طی سالهای مختلف نشان داده شده است.همانطور که در نقشه هم معلوم است سرعت حرکت قطب اوایل هر10کیلومتر در یک سال بود و بعدها به 40کیلومتر در سال رسید.

ایا  روزی ممکن است  میدان مغناطیسی زمین کا ملا از بین برود؟

وقتی انجمن زمین شناسی ایالت متحده امریکا از کم شدن دور زدن عقربه مغنا طیسی در افریقا به اندازه 1/. درجه کم شده و میدان مغنا طیسی 10درصد از قرن نوزدهم ضعیفتر شده برای جراید این سوال پیش امد که ایا ممکن است روزی میدان مغناطیسی زمین از بین برود.

در جواب این سوال پروفسور گری گلاتز مایر (gary Gratsmaier) از دانشگاه کالیفرنیا میگوید با توجه به مطالعه مغناطیس در زمانهای گذ شته (علمpaleomagnetism) می بینیم که میدان مغناطیسی در اعصار گذشته گاهی در حال افزایش وگاهی در حال کاهش است ودر واقع امروزه کره زمین دارای بیشترین شدت میدان مغناطیسی خوددر تاریخش است.

هرگاه در نقطه ای از کره زمین مقدار کمیتهای مغناطیسی (انحراف مغناطیسی-میل مغناطیسیـ مولفه افقی بردار مغناطیسی) بطور فاحشی با نقا ط مجاورش فرق کند اصطلاحا گفته می شود که نا هنجاری مغنا طیسی اتفاق افتاده و احتمالادر ان نقطه از زمین مخازن ارزشمندی از سنگهای معدن مغنا طیسی مانند سنگ اهن وجود دارد. استفاده از این روش در کشف ذخایر معدنی بسیار مفید است.

معمولا مقدار سه کمیت مغنا طیسی  در طی روز وسال تغییرات جزئی دارند . ولی گاهی اوقات در میدان مغناطیسی ودر نتیجه در مولفه های ان(سه کمیت) به مدت 6 یا 12 ساعت تغییرات ناگهانی رخ می دهد که اصطلاحا به ان توفان مغناطیسی می گویند این توفانها معمولا هر 5/11سال تکرار می شوند .و بسیار جالب است که پدیده هایی مانند شفقهای قطبی و لکه های خورشیدی و انتشار موجهای رادیویی نیز دارای دوره های 5/11 ساله هستند.که نشان دهنده ارتبا ط بین انها است. 

اثر میدان مغناطیسی زمین در ایجاد کمربند ون الن(van allen)یا پدیده شفق قطبی:

هرگا ه ذره بارداری در میدان مغنا طیسی زمین قرار گیرد از طرف میدان بر ان ذره نیروی لورنتس اعمال میشود

  الفا F=qvBSIN
F=نیروی لورنتس
q=با ر ذره
v= سرعت ذره
B= شدت میدان مغنا طیسی زمین
الفا = زاویه بین میدان و سرعت ذره


میدانیم که در نتیجه اندرکنش هسته ای درون خورشید طو فانهای خورشیدی بطور مداوم ذرات پر انرژی با سرعت 500KM/S در فضاگسیل میشوندودا امر سبب می گردد که سیلی از این ذرات به سمت زمین بیا ید ودر دام حوزه های مغنا طیسی زمین فتند


از انجا ئی که در قطبین  شد ت میدان مغنا طیسی بیشینه است نیروی لورنتس وارد بر ذرات بنیادی بسیار بزرگ است .


اگر یک گروه پروتون یا الکترون یطور عمود وارد میدان مغنا طیسی شونداز طرف میدان بر ذرات یک نیرو ی عمودی ومرکز گرا بنام نیروی لو رنتس وارد خواهد شد
 که سبب حرکت دورانی پروتونها می شود.



f=m.V²/r
F=qvb


با برابر گرفتن دو رابطه فوق خواهیم داشت: r=mv/qB


یعنی ذرات درمسیر دورانی به شعاعr شروع به حرکت میکنندو مسیر حرکتشان
بدورخطوط میدان مغنا طیسی زمین خواهد بود بعضی از
ذرات که بطور موازی با میدان به زمین می رسند( الفا=صفر) هیچ نیروئی بر انها از طرف
میدان مغنا طیسی زمین وارد نمی شود و نیروی لورنتس وارد بر ا نها صفر
میشود و بر می گردند بنابراین تعداد بیشما ری ذره در حوزه های قطبی
زمین در رفت و امد هستند وچون در قطبین ما نند سا یرنقا ط مختلف زمین
هوا موجود است این ذرات به مولکولهای هوا بر خورد می کنند وچون حامل
انر ژیهای زیادی هسند با جذب مولکولهای هوا انها رایونیزه کرده ودذرات جدید و پرتوهای گاما تولید می کنند و ما نقا ط در خشانی را در قطب
شاهدخواهیم بود که به ان کمر بند تشعشعی و یاکمر بند وان الن گفته می شود .


لا زم به ذکر است که ا ولین بار این پدیده در سال 1958 مشا هده گردید و
سپس بشرتوانست در سال 1962 در اثر انفجا را تمی ان را بطور مصنو عی ایجا د کند.

کمربند ون الن دار  مطابق شکل زیر دارایدو لایه داخلی و خارجی میباشد که برروی خطوط مغناطیسی زمین منطبق است

.

شکلهای ترسیم توسط سوپر کامپیوتر از جابحایی قطبهای مغناطیسی زمین که در طی سا لهای طولانی  چندین بار جابجا شده اند

 منابع:

1-دوره درسی فیزیک(جلد 2)نوشته لندسبرگ

2-فیزیک پیش دانشگاهی اثر سکسل.راب.استریرویتس

3-principles of physicsنوشته فرانک.ج.بلات

 4-http://science.nasa.gov

5-http://csep10.phys.utk.edu

6-http://www.phy6.org

7-http://www.phys.ufl.edu