Проект по физике на тему " Магнитное поле Земли и его влияние на жизнь человека"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №4»

Магнитное поле Земли и его влияние на жизнь человека

Проект выполнил:

Гусамов Матвей,

Ученик 9в класса

Руководитель:

Карпова С.М., учитель физики

Мегион

2024

Содержание

  Введение3

    Актуальность….

    Цель исследования………….4

    Задачи

    Методы исследования

    Продукт проекта

1. Магнитиое поле5

     1.1 Условие существования магнитного поля

      1.2 Постояноство

     1.3. Протяжённость

 2. Магнитное поле Земли

    2.1 Определение

    2.2 Строение ……………………………………………………………………………………………

3. Измерение магнитного поля Земли ………………………..6

4. Взаимодействие магнитного поля с окружающей средой

5. Магнитное поле на службе человека

6. Знание о магнитном ……………………….

7. Влияние магнитных бурь на здоровье человека 7

8. Влияние магнитных бурь технику

9. Современные проекты и технологии8

Вывод 9

Приложения 12

Введение

 Жизнь, здоровье человека и работоспособность людей тесно связаны с окружающей средой их обитания. Из космоса наша Земля выглядит очень красивой планетой, окруженная воздухом, теплом и светом. Мы не чувствуем опасности из космоса, так как нас защищает магнитное поле и атмосфера.

Актуальность

В целом, магнитное поле Земли - это сложный и важный аспект нашей планеты, который оказывает влияние на различные аспекты живых организмов и работу технологических систем.

Цель исследования:  изучить, как влияет магнитное поле на условия жизни  человека и его здоровье  в 21 веке.

     Задачи исследования:

1)      Выяснить что такое магнитное поле и магнитное поле Земли;

    2) Познакомить с особенностями магнитного поля Земли;

    3) Изучить влияние магнитных бурь на организм человека;

    4) Изучить влияние магнитных бурь на технику.

Методы исследования:

•          Сбор информации

•          Анализ информации

•          Систематизация

•          Обобщение

Продукт проекта:

Буклет

1. Магнитное поле

1.1 Условие существования магнитного поля

Существование магнитного поля требует наличия заряженных частиц в движении. Основными условиями для возникновения и поддержания магнитного поля являются:

- Перемещение зарядов: Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, такими как электрические токи или электроны в атомах. Частицы должны обладать электрическим зарядом и перемещаться для создания магнитного поля.

- Замкнутый путь: Для поддержания магнитного поля заряженные частицы должны перемещаться по замкнутому пути, чтобы создать постоянный циркулирующий ток. Например, в проводнике электрического тока заряженные электроны движутся по замкнутому контуру, создавая магнитное поле вокруг провода.

- Взаимодействие магнитных диполей: Магнитное поле обусловлено взаимодействием магнитных диполей. Диполи могут возникать в результате движения электрических зарядов или спинов элементарных частиц. Взаимодействие между диполями создает магнитное поле.

1.2 Постоянство

- Постоянство заряженных частиц: чтобы поддерживать магнитное поле, заряженные частицы должны оставаться в движении. Если заряды остановятся или изменят направление движения, магнитное поле будет меняться или исчезнет.

1.3 Протяженность

 Магнитное поле может существовать как вокруг отдельных заряженных частиц, так и в пространстве вокруг магнитов или проводников, образующих магнитные системы. Магнитное поле может быть локализовано или распространяться на большие расстояния, в зависимости от характеристик источника поля. Магнитные поля существуют в различных масштабах — от магнитных полей элементарных частиц до громадных магнитных полей вокруг планет и звезд. Они играют важную роль во многих аспектах нашей жизни, от создания компасов и работы электромагнитных устройств до защиты Земли от вредного солнечного излучения.

2. Магнитное поле Земли

2.1 Определение

Магнитное поле Земли – это  магнитное поле, которое простирается из недр Земли в космос, где оно взаимодействует с солнечным ветром, потоком заряженных частиц, исходящих от солнца.  Магнитное поле генерируется электрическими токами из-за движения конвекционных токов смеси расплавленного железа и никеля во внешнем ядре Земли: эти конвекционные токи вызван теплом, выходящим из ядра, естественным процессом, называемым геодинамо.

2.2 Строение магнитного поля    и его характеристики

Собственное магнитное поле Земли можно разделить на следующие основные части: главное поле; поля мировых аномалий ,внешнее магнитное поле.

Главное поле

Главное поле – это поле, которое формируется в жидком железном внешнем ядре планеты и составляет около 90% его мощности. По сути можно представить всю планету, как огромный стержневой магнит с силовыми линиями, простирающимися в космос.

Поля мировых аномалий

Поля мировых аномалий –связанно с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности. Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии.

Внешнее магнитное поле

Внешнее магнитное поле – это поле токов, находящиеся за пределами земной поверхности в её атмосфере. В верхней части атмосферы (100 км и выше) её молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется плазмосферой. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром - потоком плазмы солнечной короны.

3. Измерение магнитного поля Земли

Недавние исследования и измерения позволяют нам лучше понять и мониторить магнитное поле Земли. Вот несколько новых достижений в измерении магнитного поля Земли:

1. Измерение вариаций магнитного поля: Ученые выяснили, что магнитное поле Земли может изменяться со временем и местоположением. Для более точного измерения этих вариаций были разработаны новые инструменты, такие как спутники Swarm Европейского космического агентства (ESA). Они позволяют измерять магнитное поле в различных точках Земли и отслеживать его изменения в реальном времени.

2. Измерение интенсивности магнитного поля: Ученые также изучают изменения интенсивности магнитного поля Земли. Это позволяет нам лучше понять процессы, происходящие внутри Земли, включая движение расплавленного железа в ее ядре. Спутники Swarm ESA, а также сеть наземных обсерваторий помогают собирать данные об изменениях интенсивности магнитного поля.

3. Перемещение магнитных полюсов: Магнитные полюса Земли постоянно двигаются и периодически изменяют свое положение. Исследования позволяют отслеживать и измерять эти перемещения. Например, Северный магнитный полюс быстро смещается к Северному океану, и ученые активно изучают этот процесс.

4. Влияние солнечной активности: Солнечная активность может оказывать значительное влияние на магнитное поле Земли. Ученые изучают это взаимодействие и пытаются понять, как солнечные вспышки и солнечные ветры влияют на магнитное поле и его изменчивость.

Стоит отметить, что магнитное поле Земли не является статичным, оно подвержено некоторым изменениям со временем. Это может проявляться в перемещении магнитных полюсов и изменении интенсивности поля.

4. Взаимодействие магнитного поля с окружающей средой

Земли и его взаимодействии с окружающей средой важны для нашего понимания геодинамических процессов нашей планеты и для развития более точных моделей магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли может оказывать влияние на различную апаратуру и технические устройства.

1. Компасы: Магнитные компасы используют магнитное поле Земли для определения направления. Они чувствительны к изменениям в магнитном поле и могут быть помехами, если находятся рядом с сильными магнитными источниками, такими как магниты или электромагниты.

2. Электроника: Магнитное поле может влиять на электронные устройства и микросхемы. Сильные магнитные поля могут вызывать искажение данных, сбои или даже повреждение электронных компонентов. Поэтому электронные устройства, такие как компьютеры, телефоны или медицинские приборы, обычно требуют защиты от магнитных полей.

3. Магнитные носители данных: Сильные магнитные поля могут стереть данные на магнитных носителях, таких как жесткие диски, магнитные ленты или кредитные карты. Поэтому необходимо избегать помещения таких носителей рядом с сильными магнитными источниками.

4. Электромагнитная совместимость (EMC): Магнитное поле Земли, а также другие источники магнитных полей, могут вызывать электромагнитные помехи, которые могут влиять на работу и производительность электрических и электронных систем. Поэтому большинство технических устройств должны соответствовать определенным EMC-стандартам и проходить соответствующие испытания на электромагнитную совместимость.

5. Магнитные измерения: Если точные магнитные измерения необходимы, например, в научных исследованиях или в навигационных системах, то магнитное поле Земли, а также местные магнитные помехи, должны быть учтены и скомпенсированы для достижения высокой точности измерений.

В целом, магнитное поле Земли может влиять на различные апаратные и электронные устройства. Понимание и учет этих воздействий помогает разработчикам создавать более устойчивую к внешним магнитным воздействиям апаратуру и обеспечивать надежную работу технических систем.

4. Важность магнитного поля для человека

Магнитное поле Земли важно для нашей планеты по нескольким причинам:

1. Защита от солнечного ветра: Магнитное поле Земли играет ключевую роль в защите нашей планеты от солнечного ветра и заряженных частиц, источником которых является Солнце. Это поле образует магнитосферу, которая действует как "щит", отклоняя и отводя частицы солнечного ветра в сторону.

2. Навигация: Магнитное поле Земли является основой для навигации. Компасы и другие инструменты, использующие магнитные свойства, позволяют людям определить направление и ориентацию на планете. Это важно для мореплавания, авиации, путешествий и других сфер деятельности.

3. Эволюция и поддержание жизни: Магнитное поле Земли имеет влияние на различные аспекты нашей планетной среды. Оно играет роль в формировании и поддержании атмосферы и климатических условий, а также влияет на океанские течения и распределение тепла. Магнитное поле также способствует защите верхних слоев атмосферы от растворения вредных солнечных ультрафиолетовых лучей, что непосредственно влияет на сохранение и развитие жизни на Земле.

4. Магнитное поле также изучается на других планетах в нашей Солнечной системе. Многие планеты, включая Меркурий, Венеру, Марс и Юпитер, также обладают магнитными полями, которые играют важную роль в их планетарной физике.

Изучение магнитных полей на планетах помогает нам лучше понять физические процессы в их ядрах и мантиях, а также их воздействие на окружающую среду и возможность существования жизни. Это позволяет расширить наши знания о планетарной эволюции и динамике во всей Вселенной.

5. Магнитное поле на службе человека

Магнитное поле имеет множество применений в нашей повседневной жизни и помогает нам в различных сферах.

1. Медицина: Магнитное поле используется в магнитно-резонансной томографии (МРТ), которая является диагностическим методом для получения детальных изображений внутренних органов и тканей без использования рентгеновских лучей. Также магнитные поля применяются в физиотерапии и магнитотерапии для лечения различных заболеваний и реабилитации.

2. Энергетика: Магнитные поля используются в электроэнергетике для генерации, передачи и распределения электрической энергии. Генераторы, трансформаторы и электродвигатели все используют магнитные поля для своей работы.

3. Технические устройства: Магнитные эффекты используются во многих технических устройствах. Например, динамики и наушники используют магнитные поля для преобразования электрического сигнала в звуковые колебания. Также магнитные поля применяются в жестких дисках и магнитных полосах для чтения и записи данных.

4. Навигация: Магнитное поле Земли используется для определения направления и навигации. Компасы и магнитные датчики используют магнитные поля для определения магнитного севера и ориентации.

5. Промышленность: Магнитные поля применяются в различных промышленных процессах. Например, в магнитных сепараторах для отделения металлических материалов от сырья или в магнитных ловушках для удаления железных частиц из жидкостей или газов.

Магнитное поле является важным инструментом, который помогает нам во многих аспектах нашей жизни. Его применение и дальнейшие исследования позволяют нам развивать новые технологии и улучшать качество нашей жизни.

6. Влияние магнитных бурь на здоровье человека

Магнитные бури – сильные возмущения  магнитного поля Земли, которые резко нарушают его обычный ход и длятся от нескольких часов до нескольких суток.

 Зависят они от космической погоды – это изменения, вызванные вспышками на Солнце. Они могут влиять на спутниковые и другие технологии на Земле, а также на жизнь и здоровье людей.

На вопрос «Влияют ли магнитные бури на самочувствие и здоровье человека?» точного ответа нет. Хотя, как показывают официальные исследования,  именно во время геомагнитного события незначительно повышается показатель смертности от инфарктов и инсультов, а плохое самочувствие появляется у трёх четвертей населения планеты. Наиболее подвержены метеочувствительные люди и те, кто страдает заболеваниями сердечно-сосудистой системы. Но это не гарантирует безопасность даже для здорового человека, не страдавшего никакими заболеваниями

Симптомы

Наиболее частые симптомы, которые могут появиться во время магнитных бурь:

- Головная боль;

-Слабость;

-Бессонница;

-Тахикардия;

-Скачки артериального давления.

 Дополнительно под влиянием космических изменений запускаются триггеры мигрени, замедляется капиллярный кровоток и ухудшается настроение. У людей, страдающих различными психоэмоциональными расстройствами, может развиться излишняя возбудимость. В некоторых случаях  может наблюдаться  воспаление суставов, головня боль, боль в спине и тяжесть в ногах.

7. Влияние магнитных бурь на технику

 Магнитные бури способны повлиять на работу спутников, создать перепады напряжения в трансформаторах, привести к ложным срабатываниям предохранителей, создать ток в трубопроводе, а также полностью отключить энергосеть. Одним из частых последствий магнитных бурь в отношении техники является нарушение работы GPS, а также образование электрического тока в предметах, состоящих из металла.

 Считается, что магнитная буря 1859 года была самой мощной за всю историю наблюдений. В результате этого явления на территории США произошли пожары в телеграфных линиях, а ночное небо засияло полярным сиянием.

 В 1989 году провинция Квебек в Канаде осталась без электроэнергии на 12 часов из-за магнитной бури, которая произошла всего за 2 минуты. Последствия этого явления были видны на многих километрах, даже во Флориде наблюдалось северное сияние. Вся Северная Америка почувствовала сбои на работе энергосетей и техники в целом.

                                               8.  Современные технологии и проекты

Узнать космическую погоду, найти полезные ископаемые и оценить влияние землетрясений на магнитное поле Земли — все это возможно с помощью технологий, которые используются в геомагнитных обсерваториях. Сегодня в России действует 16 таких обсерваторий под управлением Российской академии наук (РАН).  

Эти же свойства используют для добычи углеводородного сырья. Современные технологии позволяют бурить скважины, входящие в залежи почти горизонтально. Но для этого нужно тщательно контролировать траекторию буровой колонны под землей. Специалисты применяют скважинный магнитометр, измеряющий поле непосредственно в ходе бурения. 

— А какие технологии используют непосредственно в обсерваториях? 

— В первую очередь, это скалярный магнитометр. Он измеряет величину магнитного поля Земли в целом. Для этого устройства, как и остальных, нужен отдельный павильон, чтобы изолировать его от возможных антропогенных источников магнитных колебаний. 

Это такой датчик со специальной жидкостью — например, керосином или водным раствором спирта. Снаружи колба с этим раствором обмотана катушкой. Когда через нее проводят ток, создается достаточно сильное магнитное поле. Оно воздействует на датчик и заставляет магнитные моменты (основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества — прим. ред.) частиц в жидкости выстроиться по направлению этого поля. Затем ток выключают. Но поле исчезает не сразу. Однако вектор этого поля начинает прецессировать (то есть его ось все время изменяет свое положение в пространстве — прим. ред.) уже вокруг вектора магнитного поля Земли.

На самом деле, у этого прибора широкий набор применения. Он помогает искать полезные ископаемые, особенно железные руды, изучать геологические структуры, археологические объекты, положение подземных коммуникаций.

Есть еще векторный магнитометр. С его помощью можно измерять направление магнитного поля в разные стороны света. Аппарат работает за счет так называемого феррозонда — металлического датчика из магнитного сплава железа и никеля. При измерении магнитного поля состояние у этого сплава меняется и таким образом он помогает фиксировать изменения.

И, наконец, третий важный прибор — тоже феррозондовый датчик. Только он прикрепляется к зрительной трубе теодолита — прибора для определения углов в горизонтальной и вертикальной плоскости. Чтобы ничто не мешало измерению, этот прибор размагничивают: заменяют все исходные детали на немагнитные. Каждые несколько дней специалисты измеряют на этом устройстве угол магнитного склонения (его можно представить как угол наклона магнитного поля между стрелкой компаса и реальным географическим положением Севера), а также угол магнитного наклонения (наклона стрелки компаса к горизонту). Эти углы необходимо измерять, чтобы внести поправки в уже сделанные другим прибором измерения. 

— Где расположены такие обсерватории?

— Они находятся в разных регионах, в том числе в Московской, Ленинградской, Ярославской, Свердловской, Новосибирской, Иркутской областях, Республике Саха (Якутия), Хабаровском крае, Магаданской области, Камчатском крае.  Но сейчас, на мой взгляд, не хватает обсерваторий в высоких широтах, в Заполярье. Магнитные возмущения здесь проявляются активнее всего. Мы можем получать довольно интересные данные, наглядно изучать космическую погоду, воздействие солнечного ветра на земную магнитосферу, когда возникает магнитная буря. 

— Но следить за магнитными бурями можно и с других обсерваторий? 

— Наблюдать можно практически с любой. В целом, магнитная буря — явление глобальное. Она возникает из-за коронарного выброса плазменной массы от Солнца, который движется к Земле. 

Однако самые полезные данные поступают именно в полярных широтах. Здесь возникают так называемые авроральные электроджеты — широкие слои электрического тока, текущие через полярную ионосферу. Они появляются в области полярного сияния и вносят, пожалуй, самый большой вклад в геомагнитную активность. 

Кроме того, высокоширотные обсерватории помогают изучать такое явление как суббуря. Она возникает на ночной стороне Земли, когда происходит замыкание тока магнитосферы Земли на ионосферу. 

Сегодня в Заполярье есть только геомагнитные станции. Хотя они не настолько хорошо оснащены, но тоже важны. 

— Какие из недавних исследований, на ваш взгляд, оказались наиболее интересными? 

— В феврале этого года в Турции произошло землетрясение, магнитуда которого доходила до 7,8 балла. Дело в том, что при землетрясении в литосфере (твердой земной оболочке, покрывающей нашу планету — прим. ред.) возникает электромагнитное поле. Это позволяет нам изучать, как влияет землетрясение и сопутствующие ему процессы на геомагнитное поле. Но увидеть все это можно только с помощью приборов, ежесекундно регистрирующих данные. Такие данные мы получили на обсерватории «Гюлагарак» в Армении, ближайшей к эпицентру, а также наших «Михнево» в Московской области, «Климовская» в Архангельской области и «Санкт-Петербург».

Нам удалось оценить расстояние от очагов землетрясений до обсерваторий. При этом мы заметили, что магнитное поле изменялось с аномально высокой скоростью — 10 нанотесл в секунду. Это выше, чем, например, во время развития магнитной бури. 

При этом на обсерваториях, которые находились на том же расстоянии к западу от эпицентров землетрясений, геомагнитный эффект не обнаружили. Это значит, что возникший электромагнитный сигнал был анизотропным. То есть, обладал разными свойствами в разных направлениях. 

Все эти исследования мы проводили вместе с нашими коллегами из Института геофизики и сейсмологии Национальной академии наук Республики Армения. 

— Есть ли какие-нибудь научные проекты, которые вам хотелось бы реализовать в ближайшем будущем? Как планируете развивать обсерватории?

— Мы намерены перейти от отдельных геомагнитных обсерваторий к уже комплексным геофизическим. Такие давно есть, но их пока немного. Объединив все в общую инфраструктуру, мы сможем проводить всесторонний мониторинг природных процессов.

В этом направлении мы уже продвигаемся. В 2021 году на магнитной обсерватории «Климовская» установили приемник данных глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidou). В ближайшее время наш Сектор геофизического мониторинга ГЦ РАН под руководством кандидата технических наук Дмитрия Владимировича Кудина также оснастит ее дополнительными устройствами, в том числе для сбора метеорологических данных.

Кроме того, в планах исследовать магнитные свойства стройматериалов, которые используются для павильонов. Для таких сооружений нужно полное отсутствие магнитных элементов. Никакого железа. Но в современных условиях, когда появляются инновационные строительные материалы, все чаще требуется тщательно изучать их магнитные свойства.

В целом, для работы обсерваторий, конечно, нужны современные технологии. В первую очередь, чтобы данные поступали оперативно. С некоторых они приходят раз в сутки, с других чаще, например, каждые несколько часов или десятки минут. В последнем случае данные очень ценные. Поскольку позволяют, в частности, отследить появление и развитие магнитной бури практически в режиме реального времени.

Беседовала Анна Шиховец

Вывод

          В 21 веке было достигнуто много новых открытий и понимания в области магнитных полей. Одно из значительных достижений – развитие нанотехнологий и магнитных материалов с улучшенными свойствами. Наноматериалы, такие как ферромагнетики и ферримагнетики, позволяют исследовать и применять магнитные явления на уровне молекул и атомов. Это открыло новые возможности в областях, связанных с энергетикой, магнитным хранением данных, медициной и электроникой.

        Важное направление исследований – разработка новых методов управления магнитными свойствами материалов. Одно из них – магнитоэлектрические материалы, которые обладают свойством изменять свою магнитную структуру под воздействием электрического поля и наоборот. Это открывает перспективы для создания эффективных магнитоэлектрических устройств и сенсоров.

            Также в последнее время внимание ученых привлекают магнитные наночастицы, которые имеют широкий спектр применений. Они могут использоваться в медицине для доставки лекарственных препаратов непосредственно к определенным органам или клеткам. Это позволяет увеличить эффективность лечения и снизить побочные эффекты. Кроме того, магнитные наночастицы применяются в технологии наномагнетизма, магнитной резонансной терапии и других областях.

Развитие вычислительной техники и суперкомпьютеров также позволило значительно улучшить моделирование и прогнозирование магнитных полей, как в масштабах микро- и нанотехнологий, так и в глобальных масштабах, связанных с магнитными полями Земли и космическими явлениями.

Суммируя, новые знания о магнитных полях в этом веке открывают возможности для прогресса в различных областях от физики и материаловедения до медицины и электроники. Эти достижения стимулируют дальнейшие исследования и инновации в области магнетизма и его применения, что может привести к развитию новых технологий и улучшению качества нашей жизни.

Влияние магнитных бурь на технику

 Магнитные бури способны повлиять на работу спутников, создать перепады напряжения в трансформаторах, привести к ложным срабатываниям предохранителей, создать ток в трубопроводе, а также полностью отключить энергосеть. Одним из частых последствий магнитных бурь в отношении техники является нарушение работы GPS, а также образование электрического тока в предметах, состоящих из металла.

 Считается, что магнитная буря 1859 года была самой мощной за всю историю наблюдений. В результате этого явления на территории США произошли пожары в телеграфных линиях, а ночное небо засияло полярным сиянием.

 В 1989 году провинция Квебек в Канаде осталась без электроэнергии на 12 часов из-за магнитной бури, которая произошла всего за 2 минуты. Последствия этого явления были видны на многих километрах, даже во Флориде наблюдалось северное сияние. Вся Северная Америка почувствовала сбои на работе энергосетей и техники в целом.

Приложение