CAMP MAGNÈTIC TERRESTRE: ORIGEN, CARACTERÍSTIQUES, FUNCIÓ - FÍSICA - 2025

El camp magnètic terrestre és l'efecte magnètic que la Terra exerceix i que s'estén des del seu interior fins a centenars de quilòmetres en l'espai. És molt semblant a què produeix un imant de barra. Aquesta idea va ser suggerida pel científic anglès William Gilbert al segle XVII, que també va observar que no és possible separar els pols de l'imant.

La figura 1 mostra les línies de camp magnètic terrestre. Sempre són tancades, travessen l'interior i prossegueixen per l'exterior, formant una mena de cobertura.

Figura 1. El camp magnètic de la Terra s'assembla a el d'un imant de barra. Font: Wikimedia Commons.

L'origen de el camp magnètic de la Terra és encara un misteri. El nucli terrestre extern, de ferro colat, no pot per si sol produir el camp, ja que la temperatura és tal que destrueix l'ordenament magnètic. El llindar de temperatura per això es coneix com temperatura de Curie. Per tant és impossible que una gran massa de material magnetitzat sigui responsable de camp.

Descartada aquesta hipòtesi, cal buscar l'origen de camp en un altre fenomen: la rotació terrestre. Aquesta provoca que el nucli fos giri de manera no uniforme, creant l'efecte dinamo, en el qual un fluid genera espontàniament un camp magnètic.

Es creu que l'efecte dinamo és el causant de l'magnetisme dels objectes astronòmics, per exemple el de el Sol. Però fins ara es desconeix el per què un fluid és capaç de comportar-se d'aquesta forma i com els corrents elèctrics produïdes aconsegueixen mantenir-se.

Característiques

- El camp magnètic terrestre és el resultat de tres contribucions: el camp intern pròpiament dit, el camp magnètic extern i el dels minerals magnètics en l'escorça:

1. Camp intern: s'assembla a el d'un dipol magnètic (imant) situat al centre de la Terra i la seva contribució és de prop de l'90%. Varia molt lentament en el temps.
2. Camp extern: prové de l'activitat solar en les capes de l'atmosfera. No s'assembla a el de l'dipol i presenta nombroses variacions: diària, anual, tempestes magnètiques i més.
3. Les roques magnètiques en l'escorça terrestre, que també creen el seu propi camp.

- El camp magnètic està polaritzat, presentant pols nord i sud, a l'igual que un imant de barra.

- Com els pols contraris s'atrauen, l'agulla de la brúixola, que és el seu pol nord, sempre apunta a les rodalies de nord geogràfic, on hi ha el pol sud de l'imant terrestre.

- La direcció de el camp magnètic es representa en forma de línies tancades que surten de sud magnètic (pol nord de l'imant) i entren a el nord magnètic (pol sud de l'imant).

- Al nord magnètic -i al sud magnètic també-, el camp és perpendicular a la superfície terrestre, mentre que a l'equador, el camp és rasant. (Veure figura 1)

- La intensitat de camp és molt més gran en els pols que a l'equador.

- L'eix de l'dipol terrestre (figura 1) i l'eix de rotació no estan alineats. Hi ha un desplaçament de 11,2º entre ells.

elements geomagnéticos

Ja que el camp magnètic és vectorial, un sistema cartesià de coordenades XYZ amb un origen O ajuda a establir la seva posició.

Figura 2. Elements geomagnéticos. Font: F. Zapata.

La intensitat total de camp o inducció magnètica és B i les seves projeccions o components són: H en el horitzontal i Z en el vertical. Es relacionen mitjançant:

-D, l'angle de declinació magnètica, format entre H i el nord geogràfic (eix X), positiu cap a l'est i negatiu cap a l'oest.

-I, l'angle d'inclinació magnètica, entre B i H, positiu si B està sota de l'horitzontal.

L'agulla de la brúixola s'orientarà en la direcció d'H, la component horitzontal de camp. El pla determinat per B i H s'anomena meridià magnètic, mentre que el ZX és el meridià geogràfic.

El vector camp magnètic queda totalment especificat si es coneixen tres de les següents quantitats, les quals reben el nom d'elements geomagnéticos: B, H, D, I, X, Y, Z.

funció

Heus aquí algunes de les funcions més importants de el camp magnètic terrestre:

-Els éssers humans l'han utilitzat per orientar-se mitjançant la brúixola durant centenars d'anys.

-Ejerce una funció protectora de la planeta, a l'embolicar i desviar les partícules carregades que el Sol emet contínuament.

-Encara que el camp magnètic de la Terra (30 - 60 micro Tesla) és feble en comparació amb els de el laboratori, és prou intens com perquè certs animals el facin servir per orientar-se. Així ho fan les aus migratòries, els coloms missatgers, les balenes i alguns bancs de peixos.

-La magnetometria o mesurament de camp magnètic s'empra per a la prospecció de recursos minerals.

Aurores boreals i australs

Es coneixen com els llums de nord o de sud, respectivament. Apareixen en les latituds properes als pols, on el camp magnètic és gairebé perpendicular a la superfície terrestre i molt més intens que a l'equador.

Figura 3. Aurora boreal a Alaska. Font: Wikimedia Commons.

Tenen el seu origen en la una gran quantitat de partícules carregades que el Sol envia contínuament. Les que són atrapades pel camp, generalment es desvien cap als pols, a causa de la major intensitat. Allà aprofiten per ionitzar l'atmosfera i en el procés s'emet llum visible.

Els llums de nord són visibles a Alaska, Canadà i el nord d'Europa, per la proximitat de l'pol magnètic. Però a causa de la migració d'aquest, és possible que amb el temps es facin més visibles cap al nord de Rússia.

Encara que per ara no sembla ser el cas, ja que les aurores no segueixen exactament a l'erràtic nord magnètic.

La declinació magnètica i la navegació

Per a la navegació, sobretot en viatges molt llargs, és summament important conèixer la declinació magnètica, per tal de realitzar la correcció necessària i trobar el nord veritable.

Això s'aconsegueix mitjançant mapes que indiquin les línies d'igual declinació (isògones), ja que la declinació varia moltíssim segons la ubicació geogràfica. Això és a causa que el camp magnètic experimenta variacions locals de manera contínua.

Els nombres grans que apareixen pintats a les pistes d'aterratge són les adreces en graus pel que fa a el nord magnètic, dividides entre 10 i arrodonides.

Els tipus de nord

Per més confús que sembli, hi ha diversos tipus de nord, definits mitjançant algun criteri particular. Així, podem trobar:

Nord magnètic, és el punt de la Terra on el camp magnètic és perpendicular a la superfície. Allà apunta la brúixola, i per cert, no és antipodal (diametralment oposat) amb el sud magnètic.

Nord geomagnètic, és el lloc per on l'eix de l'dipol magnètic treu el cap a la superfície (veure la figura 1). Com el camp magnètic terrestre és una mica més complex que el camp de l'dipol, aquest punt no coincideix exactament amb el nord magnètic.

Nord geogràfic, per allà passa l'eix de rotació terrestre.

Nord de Lambert o de la quadrícula, és el punt on convergeixen els meridians dels mapes. No coincideix exactament amb el nord geogràfic o veritable, ja que la superfície esfèrica de la Terra es distorsiona a l'ésser projectada sobre un pla.

Figura 4. Diversos nords i la seva ubicació. Font: Wikimedia Commons. Cavit

Inversió de el camp magnètic

Hi ha un fet desconcertant: els pols magnètics poden canviar de posició en el curs d'uns pocs milers d'anys, i actualment està succeint. De fet se sap que ha passat unes 171 vegades abans, en els últims 17 milions d'anys.

L'evidència es troba en les roques que emergeixen d'una esquerda al mig de l'oceà Atlàntic. A mesura que surt, la roca es refreda i solidifica, fixant la direcció de la magnetització terrestre per al moment, la qual es conserva.

Però fins ara no hi ha una explicació satisfactòria de per què succeeix, ni tampoc d'on procedeix l'energia necessària per invertir el camp.

Com es va comentar prèviament, el nord magnètic actualment s'està movent acceleradament cap a Sibèria, i el sud també es mou, encara que més a poc a poc.

Alguns experts creuen que es deu a un flux de ferro líquid a alta velocitat, just a sota del Canadà, que debilita el camp. Potser també es tracti dels començaments d'una inversió magnètica. L'última que va succeir va ser fa 700.000 anys.

Pot ser que la dinamo que dóna origen a l'magnetisme terrestre s'apagui per un temps, ja sigui espontàniament o per alguna intervenció externa, com l'acostament d'un cometa per exemple, encara que d'això últim no es té evidència.

Quan la dinamo es reinicia, els pols magnètics han canviat de lloc. Però també pot passar que la inversió no sigui completa, sinó una variació temporal de l'eix de l'dipol, que finalment tornarà a la seva posició original.

experiment

Es porta a terme amb les bobines de Helmholtz: dues bobines circulars idèntiques i concèntriques, per les quals passa una mateixa intensitat de corrent. El camp magnètic de les bobines interactua amb el de la Terra, donant lloc a un camp magnètic resultant.

Figura 5. Experiment per determinar el valor de camp magnètic terrestre. Font: F. Zapata.

A l'interior de les bobines es crea un camp magnètic aproximadament uniforme, la magnitud és:

-I és la intensitat del corrent

-μ _o és la permeabilitat magnètica de l'buit

-R és el radi de les bobines

procediment

-Amb una brúixola col·locada en l'eix axial de les bobines, determini la direcció de el camp magnètic terrestre B _T.

-Oriente l'eix de les bobines perquè sigui perpendicular a B _T. D'aquesta forma el camp B _H generat quant es faci passar el corrent, serà perpendicular a B _T. En aquest cas:

Figura 6. El camp resultant és el que marcarà l'agulla de la brúixola. Font: F. Zapata.

-B _H és proporcional al corrent que es fa passar per les bobines, de manera que B _H = kI, on k és una constant que depèn de la geometria d'aquestes bobines: ràdio i nombre de voltes. A l'mesurar el corrent, es pot tenir el valor de B _H. De manera que:

Per tant:

-Per les bobines es fan passar diverses intensitats i en una taula s'anoten les parelles (I, tg θ).

-Es elabora la gràfica I vs. tg θ. Com la dependència és lineal, s'espera obtenir una recta, el pendent m és:

-Per últim, a partir de l'ajust de la recta per mínims quadrats o per ajust visual, es procedeix a determinar el valor de B _T.

referències

1. Earth Magnetic Field. Recobrat de: web.ua.es
2. Grup de Magneto-hidrodinàmica de la Universitat de Navarra. Efecte dinamo: història. Recobrat de: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada a l'món. 6ta Edició abreujada. Cengage Learning.
4. NASA. Earth 's Magnetic Field and its Changes in Time. Recuperat de: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. El pol nord magnètic de la Terra s'està movent. Recobrat de: ngenespanol.com.
6. Scientific American. The Earth Has More Than One North Pole. Recobrat de: scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Geomagnetic pole. Recobrat de: en.wikipedia.org.