1-1-1 میدان مغناطیسی

   برای اولین بار در سال 1600 میلادی  توسط  گیلبرت، زمین بعنوان یک آهن‌ربای بزرگ معرفی شد. میدان مغناطیسی زمین شکلی دارد که گویی کره زمین مغناطیسی است که محورش تقریبا از شمال به جنوب قرار دارد. در نیمکره شمالی، تمام خطوط میدان مغناطیسی در نقطه‌ای به هم می‌رسند، این نقطه قطب جنوب مغناطیسی زمین نامیده می‌شود. باید توجه داشت که نقاط به هم رسیدن خطوط میدان مغناطیسی روی سطح زمین قرار ندارد بلکه قدری از آن پایین‌تر هستند. همچنین قطب‌های مغناطیسی زمین با قطب‌های جغرافیایی آن منطبق نیستند(شکل1-1). محور میدان مغناطیسی زمین، یعنی خط مستقیمی که از هر دو قطب مغناطیسی می‌گذرد، از مرکز زمین نمی‌گذرد و از این‌رو قطر زمین نیست. چندین سیاره دیگر از سیاره‌های منظومه شمسی نیز، میدان مغناطیسی دارند که از جمله آنها می‌توان از عطارد و مشتری نام برد. این خاصیت در خورشید و بسیاری ستاره‌های دیگر نیز دیده می‌شود.

شکل 1-1 – قطب‌های مغناطیسی زمین با قطب‌های جغرافیایی آن منطبق نیستند

   بر پایه‌ی نظریه‌ی دینامو، این میدان در منطقهی هستهی بیرونی که مایع است، ساخته شده ‌است. در هستهی بیرونی گرمای زیاد و رسانش گرمایی باعث جابه‌جایی مواد رسانای درون آن می‌شود که این پدیده خود باعث پدید آمدن جریان‌های الکتریکی و از آن میدان مغناطیسی زمین می‌گردد. جابه‌جایی مواد در هستهی بیرونی با هرج و مرج همراه‌ است و باعث می‌شود که قطب‌های میدان مغناطیسی در بازه‌های زمانی گوناگون جابه‌جایی‌هایی داشته باشد. از این‌رو در بازه‌های زمانی چند میلیون سال باید چشم به راه چند بار جابه‌جایی در محل قطب‌های مغناطیسی زمین باشیم. برای نمونه، تازه‌ترین جابه‌جایی دو قطب در ۷۰۰۰۰۰ سال پیش رخ داده ‌است.

1-1-2 منشاء میدان مغناطیسی زمین

   در الکترومغناطیس کلاسیک تعریف میدان مغناطیسی به‌صورت «میدان حاصل از بار الکتریکی در حال حرکت در اطراف آن» می‌باشد. میدان مغناطیسی از تک بارها، سیم‌های حامل جریان، جهت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی(آهنرباهای دایمی)، جریان سیال رسانا(میدان مغناطیسی زمین) ایجاد می‌شوند. در الکترودینامیک نسبیتی بین میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی تفاوتی وجود ندارد و تعریف میدان الکترومغناطیسی به‌صورت «اثر بار الکتریکی در اطراف آن» تعریف می‌شود. چون حرکت کاملاً نسبی در نظر گرفته می‌شود و نمی‌توان بین بار ثابت و بار متحرک تفاوتی قایل شد(متحرک بودن یا ثابت بودن برای ناظرهای مختلف تفاوت می‌کند). نیروی حاصل از این میدان را نیروی لورنتس می‌خوانند.

   به بیانی دیگر میدان مغناطیسی میدانی است که توسط یک جسم مغناطیسی یا ذرات، و یا با تغییر میدان الکتریکی، تولید شده است و توسط نیرویی که روی دیگر مواد مغناطیسی و یا حرکت بار الکتریکی اعمال می‌شود شناسایی می‌شود. میدان مغناطیسی در هر نقطه داده شده توسط هر دو پارامتر جهت و شدت مشخص می‌شود، که به‌عنوان یک میدان برداری شناخته می‌شود. اشیایی که خود میدان مغناطیسی تولید می‌کنند آهنربا نامیده می‌شوند. آهن‌رباها توسط نیروها و گشتاورهایی که توسط میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند بر یک‌دیگر تاثیر می‌گذارند. آهن‌ربا معمولاً خود را در جهت میدان مغناطیسی موضعی تراز می‌کند. قطب‌نماها از این اثر برای اندازه گیری جهت میدان مغناطیسی موضعی، تولید شده توسط زمین استفاده می‌کنند. مدلی که میدان مغناطیسی یک شیء را نشان می‌دهد با استفاده از خطوط میدان مغناطیسی نشان داده می‌شوند. این خطوط صرفا یک مفهوم ریاضی هستند و به‌صورت فیزیکی وجود ندارد. با این حال، برخی پدیده‌های فیزیکی از قبیل تراز شدن براده‌های آهن در یک میدان مغناطیسی، به مانند خطوط در یک الگوی مشابه با خطوط فرضی میدان مغناطیسی از جسم را تولید می‌کند. جهت خطوط میدان مغناطیسی که تراز دلخواهی برای براده آهنی که بر روی کاغذی که بر روی یک نوار آهنربا قرار دارد، پاشیده شده است، نشان می‌دهد. جاذبه متقابل قطب مخالف براده آهن منجر به تشکیل خوشه‌های دراز از براده در امتداد خطوط میدان شده است.

   جریان الکتریسیته و انتقال شار الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. حتی میدان مغناطیسی از یک ماده مغناطیسی را می‌توان به‌عنوان مدل حرکت شار الکتریکی الگو گرفت. میدان مغناطیسی نیز بر روی حرکت شار الکتریکی نیرو وارد می‌کند. میدان‌های مغناطیسی در داخل و با توجه به مواد مغناطیسی می‌تواند کاملا پیچیده باشد. میدان مغناطیسی با مواد دیگر اثر متقابلی دارد، بنابراین میدان مغناطیسی متقابلی با مواد دیگر ایجاد می‌کند. شرح میدان مغناطیسی در داخل آهن‌ربا شامل دو رشته جداگانه ‌است که می‌تواند هر دو به نام میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی B و میدان مغناطیسی H نامیده شود. اینها توسط یک میدان سوم که توصیف حالت مغناطیسی مواد مغناطیسی در درون آنهاست، که مغناطیس کنندگی(مغناطش) نامیده می‌شود تعریف می‌شود. انرژی مورد نیاز برای ایجاد میدان مغناطیسی می‌تواند زمانی که میدان از بین می‌رود اصلاح شود. و این انرژی می‌تواند، به‌عنوان “ذخیره شده” در میدان مغناطیسی در نظر گرفته شود. انرژی ذخیره شده در مواد مغناطیسی به مقادیر B و H بستگی دارد. میدان الکتریکی میدانی است که توسط شار الکتریکی ایجاد شده است و این میدان‌ها به‌طور تنگاتنگی به میدان‌های مغناطیسی مربوط می‌شوند؛ تغییر در میدان مغناطیسی میدان الکتریکی و تغییر در میدان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. ارتباط کامل بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و جریان و شار که آنها را ایجاد می‌کنند، توسط مجموعه‌ای از معادلات ماکسول توصیف می‌شوند. با در نظرگرفتن این ارتباط خاص، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی دو جنبه مرتبط از یک موضوع منفرد، به نام میدان الکترو مغناطیسی هستند. یک میدان الکتریکی خالص، در یک چارچوب مرجع، به‌عنوان ترکیبی از هر دو میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی که در یک چارچوب مرجع حرکت می‌کند، مشاهده می‌شود. در فیزیک کوانتومی، میدان مغناطیسی خالص(و الکتریکی) را توسط اثرات ناشی از فوتون‌های مجازی می‌توان درک کرد و در زبان مدل استاندارد، نیروی الکترومغناطیسی در تمام مظاهر توسط فوتون واقع می‌شود. در اغلب موارد  این شرح میکروسکوپی مورد نیاز نمی‌باشد چرا که نظریه کلاسیک ساده، قانع کننده‌ است؛ تفاوت تحت میدان با انرژی پایین‌تر در اکثر شرایط قابل اغماض است.

   میدان‌های مغناطیسی در جوامع قدیمی و مدرن استفاده‌های بسیار داشته‌ است. زمین میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند. که در جهت‌یابی‌ای که توسط قطب شمال قطب نما که به سمت قطب جنوب میدان مغناطیسی زمین منحرف شده ‌است،  بسیار حایز اهمیت است. از چرخش میدان مغناطیسی در موتور الکتریکی و ژنراتور بهره گرفته شده‌ است. نیروهای مغناطیسی ارائه دهنده اطلاعاتی در مورد حرکت شار از طریق اثر هال هستند. تداخل میدان‌های مغناطیسی در دستگاه‌های برقی مانند ترانسفورماتورها در نظم حوزه‌های مغناطیسی مورده مطالعه قرار گرفته‌اند. مطالعه میدان مغناطیسی به‌عنوان یک موضوع مجزا از آهنربا در قرن 13 هنگامی که Petrus Peregrinus  میدان مغناطیسی آهنربای کروی را مطالعه کرد و فرض نمود که زمین خود یک آهن‌ربا است، آغاز شد. تمایز مدرن بین میدان‌های B و H در قرن 19 کشف شد. رابطه بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در مجموعه‌ای از معادلات ماکسول در نیمه دوم قرن 19کشف شد. و مفهوم الکترومغناطیس متولد شد. روندی که در پشت معادلات ماکسول قرار داشت در نیمه اول قرن 20 مشخص شد، هنگامی که ارتباط خاص آنها نشان داده شد. شرح کاملی از الکترومغناطیس، الکترودینامیک کوانتومی و یا QED نامیده می‌شود، که شامل مکانیک کوانتومی که در اواسط قرن 20 کشف شد، است.

1-2 اندازه‌گیری میدان مغناطیسی هسته‌ی زمین

   در درون زمین فلزاتی نظیر آهن و نیكل به‌صورت مذاب و گداخته وجود دارند كه در حال حركت و جنبش هستند. حركت این مواد از هسته شروع شده و به نزدیكی سطح زمین نزدیك شده و دوباره به هسته و مركز زمین برمی‌گردند. این مواد مذاب با حركت رفت و برگشتی كه دارند باعث پیدایش جریان الكتریكی در درون زمین می‌شوند.

   از همین خاصیت الكتریكی مواد مذاب درون زمین، برای پیش‌بینی وقوع فوران آتشفشان یا زلزله استفاده می‌كنند. جریان الكتریكی كه این مواد مذاب ایجاد می‌كنند، باعث پیداش میدان مغناطیسی در اطراف زمین می‌شود. خطوط میدان مغناطیسی به این‌گونه هستند كه از هسته به قطب جنوب جغرافیایی وصل و سپس از قطب جنوب به قطب شمال و از آن‌جا دوباره به هسته وصل می‌شوند. و به این‌گونه این خطوط در اطراف زمین رسم می‌شوند. قطب‌های مغناطیسی زمین بر روی قطب‌های جغرافیایی آن منطبق نیستند و امروزه حدود ۱۱ درجه اختلاف دارند.

   بررسی‌ها و مطالعه آثار نشان می‌دهند كه میدان مغناطیسی زمین ثابت نیست و تغییر می‌كند. آثاری كه از روی سنگ‌های زمین به‌دست آمده حاكی از آنست كه میدان مغناطیسی زمین به مدت حدود ۸۰۰۰۰۰ سال وارونه بوده و حدود ۱۰۰۰۰۰ سال دچار افت شدیدی می‌شود. علت این امر آنست كه مواد مذاب و گداخته حركت رفت و برگشتی كاتوره‌ای دارند كه سرعتشان حدود ۵ سانتی‌متر در روز است و جابه‌جایی این مواد باعث تغییر جریان الكتریكی و در نتیجه میدان مغناطیسی زمین می‌شود. البته دانشمندان در تلاش هستند تا بتوانند به ساختار كاتوره‌ای تغییر میدان مغناطیسی در آینده دست یابند.

   ژئوفیزیکدانان دانشگاه برکلی آمریکا موفق شدند برای اولین بار، قدرت میدان مغناطیسی را درون هسته زمین که حدود 2900 کیلومتر زیر سطح زمین قرار دارد، اندازه‌گیری و مقدار آن‌را 25 گاوس تعیین کنند. قدرت میدان مغناطیسی هسته 25 گاوس و 50 برابر قدرتمندتر از میدان مغناطیسی در سطح زمین است. اگر چه این میزان حد وسط چیزی است که متخصصان ژئوفیزیک پیش از این حدس می‌زدند، اما همسانی منابع حرارتی محدودکننده هسته باعث می‌شود دینام داخلی برای برقراری این میدان مغناطیسی به حرکت خود ادامه دهد. وجود یک میدان مغناطیسی قدرتمند در سطح خارجی هسته به این معنی است که انتقال گرمای زیادی در آن‌جا صورت می‌گیرد و این، نشان از تولید حرارت زیاد در مرکز زمین دارد. گرمای باقی‌مانده از زمین داغ و گداخته چهار و نیم میلیارد سال پیش، آزاد شدن انرژی گرانشی در اثر سقوط عناصر سنگین به اعماق هسته مایع و تجزیه رادیواکتیو عناصر پرعمری مانند پتاسیم، فلزات و توریوم از منابع اصلی انرژی هستند. وجود میدان ضعیف مغناطیسی با قدرت مثلا 5 گاوس حاکی از این است که سهم کمی از تولید حرارت به شیوه تجزیه رادیواکتیو تامین شده، درحالی‌که وجود میدان قوی با قدرت مثلا 100 گاوس به سهم بیش‌تری از تجزیه رادیواکتیو اشاره دارد. میدان مغناطیسی زمین در دو سوم خارجی هسته متشکل از آهن و نیکل تولید می‌شود. این سطح خارجی هسته که ضخامتی در حدود 2250 کیلوتر دارد، مایع است و گردش این مواد فلزی است که میدان مغناطیسی را پدید می‌آورد؛ درحالی که داخل هسته، توپ منجمدی از آهن و نیکل با شعاعی در حدود 1290 کیلومتر(اندکی کوچک‌تر از ماه) است. اطراف هسته را نیز گوشته(جبه) داغ و چسبناک فرا گرفته که یک پوسته سطحی سفت و سخت، آن را پوشانده است. جالب این‌جاست که میدان مغناطیسی زمین در طول زمان تغییر جهت می‌دهد و قطب‌های آن جابه‌جا می‌شوند.